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按照牛顿经典力学,到达光速需要多少能量?

光速,是宇宙中已知的最快速度,在正常情况下,没有任何物体的速度可以超越光速。

在宇宙的物理法则中,只要存在质量的物体,都无法到达光速,即使是一个微小的粒子,科学家也只能将其加速到99.999%光速,继续为这颗粒子加速,也只是出现更多的“9”,永远不会到达光速。而一些没有质量的粒子,光速就是其本身的特性。

光速无法超越的主要原因,是因为爱因斯坦在能量和质量中间划上了等号,随着物体速度的增加,物体的能量也会增加,进而导致质量增加,加速会变得越来越困难,让一个有质量的物体到达光速,需要花费“无穷大”的能量,也就是不可能!

牛顿可以让物体到达光速,但需要多少能量?

《相对论》创造了一个不可逾越的“光障”,但牛顿经典力学并没有这种限制,想要到达光速,只需要利用动能公式E=1/2mv^2,就可以轻松得到需要的能量。牛顿的物理理论,确实可以让物体到达光速,但所需的能量也是巨大的。

假设一个100吨的火箭,离开地球开始在太空中加速,目标就是光速,那么按照牛顿经典力学,我们只需要将火箭质量和速度代入公式,就可以得到需要的能量――E=1/2(100000)(3*10^8)^2=4.5*10^12J。

4.5*10^12焦耳,这是一个什么概念呢?目前人类的兆瓦级发电站的发电功率大约是5*10^8瓦特,产生光速所需的能量,需要9*10^12秒,也就是285000年。

即使按照牛顿经典力学,不考虑任何其他作用力的情况下,人类也需要付出巨大的代价才能到达光速,但这依旧是可行的。

目前世界上大约有10万座发电站,假设这些发电站都是兆瓦级,全部用来给火箭加速,也需要将近30年时间才能完成加速,这也意味着全球都将终止供电30年。更重要的是,目前火箭并没有足够的容量承载能源,发射也主要依靠化石燃料,到达光速的50%都是天方夜谭。

虽然牛顿经典力学可以计算出具体需要的能量,但爱因斯坦却不这么认为,如果考虑《相对论》,加速到光速需要多少能量?

爱因斯坦的《相对论》,你能突破“光障”吗?

在相对论中,爱因斯坦按照三维空间加一维时间的四维时空去考虑问题,当物体的速度接近光速,物体具有的能量会转变为质量,并且影响物体的相对时间。

简单来说,只要是带有质量的物体,速度越快,质量越大,相对的时间流逝越慢。如果物体到达光速,那么质量就会变为无穷大、时间也会趋于静止――假设我们用光速横穿10万光年的银河系,对于我们自身来说,这趟旅行几乎没有花费时间,但是对于地球来说,已经过了10万年。

爱因斯坦的理论告诉我们,只要存在质量,就不可能到达光速,只会无限趋近光速!除非真的找到无穷大的能源供给。

根据爱因斯坦的光速公式,随着物体接近光速,物体的质量会呈现指数上升,时间的流逝也会出现指数下降。

一艘火箭,如果到达50%光速,质量会提升15%;到达86%光速,质量提升100%;到达99%光速,质量提升700%;到达99.999%光速,质量猛增22400%。越接近光速,物体质量的增长越快,理论上消耗整个宇宙的能量,都无法让存在质量的物体到达光速。

相对论要比经典力学超前一些,如果利用相对论计算能量,让100吨的火箭加速到99.999%光速,需要兆瓦级发电站工作1.28亿年,即使世界上所有的发电站共同工作,也需要数代人的等候。

光速真的不可逾越吗?

多年以来,科学家一直在寻找到达光速甚至超越光速的方法,当时在实验室中加速的粒子,永远只能无限接近光速,但是科学家找到了“作弊”的方法,可以让粒子短暂超越光速。

光速在真空环境中,才能发挥最快的速度,进入到介质中,就会发生瞬间减速,但部分粒子以超高速进入介质时,并不会出现瞬间减速,利用特殊的介质,科学家可以让粒子的速度短时间超过被减慢的光速。

虽然这是科学界的一大突破,但这类科学实验依旧很难帮助人类在宇宙中高速移动。人类想要到达、甚至超越光速,需要利用空间的力量。

爱因斯坦的理论虽然认为光速无法超越,但是三维空间的理论,却让人类有了超越空间的可能性――虫洞理论。按照三维空间理论,宇宙是可以发生弯折扭曲的,如果我们可以利用重力将宇宙弯折,就可以让两个地点无限接近,从更高的维度直接到达目的地。

相比直接超越光速,虫洞理论更加可行,并且不会打破时间规则,毕竟光速旅行会改变相对时间,当我们完成星际探测,地球或许已经灭绝。虫洞理论不会影响时间,而且旅行速度甚至可以超越光速,毕竟可以“抄近路”。

总结:

按照牛顿经典力学,光速是可以到达的普通速度,或许只需要数百年时间,人类就可以积攒足够的能量进行光速旅行;但相对论创造出了“光障”,存在质量的物体不可能到达光速,该理论也在粒子加速实验室中得到了证实。

虽然相对论关上了光速旅行的大门,但也开启了超光速旅行的窗户,虫洞理论上存在,但是目前还没有找到任何人造或天然的虫洞。虫洞需要巨大的引力弯折空间才能形成,黑洞作为人类物理学的极限天体,或许需要完全理解黑洞,人类才能创造出虫洞。