宇宙到底有多大?這是一個沒有人知道正確答案的問題,我們只知道,僅僅是可觀測宇宙就存在著上萬億個星系,銀河系只是其中之一,而銀河系又擁有數千億個恆星系,其中的一個名為“太陽系”的恆星系中,有一顆藍色的行星,那就是我們的地球。
上圖為旅行者1號探測器在距離地球大約60億公里的位置上拍攝到的影象,圖中箭頭所指的那個黯淡的光點,其實就是地球。可以看到,即使是在太陽系中,地球也是如此渺小,它就像一粒塵埃一樣漂浮在茫茫的太空中,而就是這樣一粒“塵埃”,卻是我們人類在在宇宙中唯一的家園。
宇宙的浩瀚令人類敬畏,與此同時,這也激發了人類進入星辰大海的夢想,然而人類想要實現這個夢想卻不是一件容易的事情,一個很直接的障礙就是,宇宙飛船的速度並不能無限快。
現代物理學告訴我們,任何具有靜止質量的物體都不能被加速到光速(注:本文中的“光速”都是指光在真空中的傳播速度),也就是說,人類未來的宇宙飛船是有速度限制的,最多隻能無限地接近光速。
然而想要“無限地接近光速”也不容易,因為宇宙中還存在一種速度限制,並不是光速,而這才是人類真正的障礙。
早在1966年,科學家就發現,除了光速之外,宇宙中還存在一種速度限制,這被稱為“GZK截斷”(GZK cut off),下面我們來看看具體是怎麼回事。
根據“大爆炸宇宙論”,我們的宇宙誕生於一個溫度極高、密度極大的“奇點”所發生的“大爆炸”,由於光速的限制,宇宙誕生初期的光子至今仍然在宇宙傳播,但因為宇宙的膨脹,它們現在已經進入了微波波段,在我們看來,不管是在哪個方向,我們接收到的這種微波輻射都相同的,因此這就被稱為“微波背景輻射”(CMB)。
“微波背景輻射”的光子充滿了整個宇宙,所有在宇宙空間中運動的物質都將不可避免地與它們相遇,通常情況下,“微波背景輻射”的光子並不會影響到物質的運動狀態,但科學家卻發現,當物質的運動速度超過了一個臨界值時,就會與“微波背景輻射”的光子發生相互作用,而這個臨界值所對應的能量,就被稱為“GZK極限”(GZK limit)。
例如質子的“GZK極限”為5 x 10^19eV(注:eV即電子伏特),如果一個在宇宙空間中運動的質子,其運動速度所對應的能量超過了這個值,它就會與“微波背景輻射”的光子發生相互作用,並生成Π介子,這樣就會造成這個質子損失能量(因為生成的Π介子是有靜止質量的),其速度也會因此而降低。
隨著這個質子持續地與“微波背景輻射”的光子發生相互作用,它就會大量損失能量,並不斷地生成Π介子,直到其運動速度所對應的能量低於5 x 10^19eV為止,這種速度限制就是“GZK截斷”。
一般認為,在宇宙中無論是微觀的粒子還是宏觀的物體,都會受到“GZK截斷”的限制,這就意味著,如果人類在未來製造出的宇宙飛船,其速度所對應的能量超過了“GZK極限”,就同樣也會與“微波背景輻射”的光子發生相互作用,如果持續時間較長的話,宇宙飛船甚至還可能會遭到嚴重的破壞。
因此可以說,在未來的星際航行中,人類真正的障礙或許並不是光速,因為在“GZK截斷”的限制下,人類甚至連“無限地接近光速”都無法做到。那麼未來的人類應該如何應對這種困境呢?這應該有兩種解決方法,一種是利用某種強大的“能量護盾”將宇宙飛船保護起來。
還有一種方法是透過某種操縱時空的科技讓宇宙飛船繞開速度的限制,例如想象中的“曲率引擎”就能夠將宇宙飛船始終處於一個由扭曲時空形成“曲率泡”裡,並讓前面的空間收縮、後面的空間擴張,從而使宇宙飛船在“相對於其周圍的時空完全靜止”的情況下持續前進。
好了,今天我們就先講到這裡,歡迎大家關注我們,我們下次再見。
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