假設以接近光速飛行在宇宙中,不會因為撞到宇宙中的某些物質而被摧毀嗎?
謝邀。
宇宙空間確實很空曠。即使像小行星帶這樣物質相對密集的地方,如果你駕駛飛船飛過去,看到一塊小石頭的概率都幾乎等於零。
圖片來自How NASA is Eliminating the Asteroid Threat
然而,對於高速飛船(速度高於0.1倍光速)來說,星際物質(interstellar medium)的撞擊卻是一個很現實的問題。事實上,在對未來高速星際飛行的設想中,這始終是一個不容忽視的問題。不過,科幻小說卻很少自找麻煩去考慮這個細節。
無論是在太陽系內部還是星際空間,都充斥著星際物質,主要包括塵埃和氣體。它們以不同的方式對高速星際飛船造成危害。
先來看看塵埃造成的問題。
圖片來自Cosmic dust
在過去的1千多萬年里,太陽系運行在一個星際物質的空洞中。這個空洞是由一顆超新星爆炸形成的,形狀不規則,長達300光年。在這個空洞中,每立方米大約有10^-6顆塵埃,每顆塵埃平均質量約10^-17千克,長度大多數在0.1微米以下。而在空洞外面,塵埃和氣體的密度都要大得多。我們先用空洞中的塵埃密度來大致估算一次星際旅行會撞上多少顆塵埃。
假設飛船的橫截面積是100平方米,進行一次到比鄰星的往返飛行,航程約10光年,那麼飛船會撞擊到的塵埃數量大約是8.6 x 10^12顆。這樣的微型塵埃,即使考慮到高速撞擊的相對論效應,攜帶的動能也十分有限,所以單顆塵埃的撞擊不會對飛船造成嚴重傷害。但是,大量撞擊的累加效果對船體的侵蝕效果是不容忽視的。如果飛船採用面積巨大(超過1平方公里)的太陽帆作為動力,破壞效果就更明顯了。
圖片來自Solar sail
更加值得重視的是大號的塵埃(比如100微米以上)。如果飛船速度達到0.3倍光速,一顆這樣的塵埃攜帶的動能相當於一個以時速100公里運行的火車頭(100噸)。這顆塵埃可以毫不費勁的穿透飛船,蒸發掉撞擊路徑上的一切物質,對飛船造成致命傷害。
這樣的塵埃的密度大約是每立方米會有10^-17顆。在上面的例子中,這樣的撞擊會發生大約400次。
在飛船的前方安裝一個防護盾是一個常見的思路。但是要抵擋這樣的高能撞擊,對防護盾的強度和厚度都有很高的要求。這樣的護盾也是一個巨大的負載,大大增加了飛船對燃料的需求。
這是一個比較保守的估計。高速飛船的航程肯定不會局限在離我們最近的比鄰星,對於上千光年的航程來說,0.3倍光速也是一個比較低的速度。所以,危險程度會成倍的增加。
星際空間的氣體以氫為主,還有少量的氦和更少的重元素。所以我們這裡主要討論氫帶來的問題。在星際空間中,平均密度是每立方米1.8個氫原子。我們知道,一個氫原子包含一個質子和一個電子。在和飛船高速撞擊的瞬間,氫原子會離子化——質子和電子會分離,形成質子束和電子束,穿透船體,直接對飛船內的人體和電子儀器形成輻射傷害。
然而,這個效果只有在比較高的速度下才會出現。比如,如果飛船速度達到0.9倍光速,質子流產生的輻射量可以達到每秒79西弗,這遠遠超過了致命的輻射量(6西弗)。同時,質子和飛船的相互作用也會產生大量的熱,足以在很短的時間內讓人體的溫度上升到沸點。所以,如果飛船以這個速度飛行,乘員會在幾秒鐘內死得乾乾淨淨。
由於質子和電子都是帶電粒子,所以很容易想到的一個辦法就是用磁場偏轉來保護飛船。為了有效的保護飛船,磁場範圍需要大大超過飛船的範圍。然而,在飛船上製造一個足夠強度的磁場難度也很高。首先,產生高強度磁場的設備是一個巨大的負載;其次,磁場不能覆蓋飛船內部,以免對飛船內的電子儀器產生影響;我們還必須避免粒子從磁場邊緣折返,進入飛船;最後,目前還沒有能夠產生這種磁場的技術。
圖片來自CERN is Creating the Spaceship Shields of the Future幸運的是,如果速度較低,輻射影響就不大了。比如,如果飛船速度在0.5倍光速以下,輻射可以忽略不計。但是這個速度限制對上千光年的遠航是一個巨大的障礙。另外,接近光速的飛行的一個好處是,飛船上的相對論時間膨脹效果可以節約乘員很多時間,讓他們可以在有生之年跨越巨大的距離。然而,在0.5倍光速下,時間膨脹只有15%的效果,這個好處幾乎就沒有了。
人類目前造出來的宏觀物體,最快的速度差不多是不到20千米/秒
而光速是30萬千米/秒,相差了一萬倍,數量級的差別足以改變後果,所以你產生這樣的疑問和誤解是很正常的
撞不撞得上,取決於速度,或者說你所關心的情境
對於目前技術下每秒幾公里頂多幾十公里的、尺寸是一兩米大小的航天器,在遠離地球以後,在太陽系之中飛行,碰到的物質主要是一些氣體和塵埃,這樣應該叫做「沾」上而不是「撞」上,那些真正的大塊物質(如恆星或者行星),早就在出發前就計算好軌道,想辦法避開了,再算上防護設施的技術成本,不考慮是很正常的, @馬前卒 的答案代表了這個思路
但是如果真的足夠接近光速了,比如說達到了光速的0.99倍,情況會大不相同,別說是宏觀物體那麼大了,即使是微觀粒子,即使「迎面碰撞」的面積很小,也有可能被撞碎
我們知道,宇宙中充滿了微波背景輻射,這些背景光子,溫度相當於3開,密度相當於千克/立方米,這些光子「幾乎」是靜止的(在某種意義上可以這麼說,當然光子本身的速度仍然是光速),構不成什麼威脅,但是,當速度接近光速的時候,微觀粒子撞上這些低能的、靜止的光子,也會被撞碎,這在天文學上叫做 GZK 截斷 Greisena€「Zatsepina€「Kuzmin limit(目前 GZK 截斷仍然是理論推導,真正能夠達到那種高速的微觀粒子也沒有多少,所以觀測上尚沒有足夠的證據支持)
事實上,霍金最近提出的「突破攝星」計劃,有一些人不看好的理由就是,即使宇宙飛船做成了像郵票大小,當速度達到光速的20%的時候,看起來人畜無害的塵埃,也足夠對飛船造成毀滅性的損害接近光速的飛船,需要在意的就不是撞到恆星或者石頭了。
看你多接近光速嘍,足夠接近的話,被微波背景輻射閃瞎都是有可能的。
再有,我好像沒有看到誰提到,在我們看來一個光速飛船一秒鐘走了一光秒,可是在它的固有時看來,它也許已經飛出銀河系了(取決於它到底有多接近光速)。按這種速度再去算散射截面,又是另一番景象。
估算什麼的我就不做了,大家繼續腦洞。普遍的觀點認為太空中天體稀疏。但雖然恆星是少,小行星、隕石可是不計其數的。我們目前對目前太陽系中米量級的天體幾乎一無所知。而到了亞光速的階段,微米量級的天體都不能忽視。
實際上,這是人類在目前試圖做長距離(且接近光速)的星際旅行將面臨的最大困難之一。我們將來很可能只能使用數量取勝的方式:廣撒網,總有沒被撞毀的。
此外,一種可能的清除小天體的方式是使用氣體,使航天器帶上類似地球這樣的大氣圈的保護。而且當速度足夠大時,大氣圈的保護遠遠不夠,可能需要使用其他更強的粒子束流來清除危險。我們目前的科技與經濟實力距離這個能力還相當遙遠。
我做過類似答覆。恆星占宇宙多少體積?兩者是同一個問題,因為如果連恆星都撞不到,撞其他東西的概率就更該忽略了。直觀的回答是撞恆星比中500萬難的多:預先說明:以下計算很粗疏,大刀闊斧地四捨五入,甚至0的數量都可能數錯,不過——無所謂!!
考慮宇宙學問題請用對數坐標,如果你估算某個數字是100萬,那麼觀測值如果在1000萬和10萬之間,你的理論就很精確了。具體到這個問題,我多算了兩個0,少算了兩個0,真的不影響你的感受。上帝不在乎,我不在乎。粗疏地說,太陽相對周邊空間是一個立起來的太平洋裡面的細菌,我們就是這個細菌身上的細菌,而真正的細菌則是細菌尺度的三次方——我等螻蟻身上的螻蟻何必在乎自己是第幾層的螻蟻呢……
回到正題,恆星相對宇宙有多小?
很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小很小
以上每個「很小」代表一個小數點後面的0,依然不夠形容恆星的小。用滄海一粟來形容都嫌太大啊。
這麼說吧,銀河系包括上千億顆恆星,但兩個像銀河系這麼大的星系對撞。卻幾乎不會有2個恆星對撞的事情發生。就像2群蜜蜂或者鳥群對飛,互相穿越的時候有干擾,有繞飛,但就是沒有撞上的。恆星沒有腦子,就是個結構簡單的實心球,不會閃避,這麼多隨機的球體居然沒撞上。可見相對星系的規模,恆星幾乎可以視為質點。
具體來說,銀河系的 直徑約為十萬多光年,中心厚度約為1萬光年。【實際上星系描述成圓盤或者鐵餅是不準確的,圓盤的兩側也有很大空間是星系,但這裡忽略】。那麼,粗略計算,銀河系的體積差不多是80萬億立方光年 用2千億恆星去除,平均每個恆星是400立方光年的樣子,開立方,恆星平均佔據的立方格大小只有7光年。聽起來不多是不是? 這個數字也和我們直觀的數量級差不多哦——比鄰星在4光年外【當然這個測算不太准,因為比鄰星實際上是個三合星,即3顆恆星聚在一起互相繞行,參見《三體》,但也不影響最終結果。因為你要問的是恆星的體積,分成三個星不影響討論】
光年是9.4607×10的15次方米 7光年差不多就是6.6×10的16次方米
太陽的半徑呢?70萬千米——0.7×10的9次方米
這樣除一下,在線性尺寸上。恆星的平均距離就是太陽半徑的1×10的8次方倍 一億倍哦,聽起來還好吧。一億倍的三次方,就是10的24次方倍 你看,這就是【星系內部】恆星和周圍空間的比較。
這聽起來是不是毫無感覺?我們換個直觀的計算方案:
太平洋的寬度按照2萬公里算,就是2千萬米了 除以一億,居然還有0.2米的大小。你把你的手機和平板打個包,扔到太平洋里,就是把太陽放到正常銀河系空間的效果。聽起來比滄海一粟強很多呢,我要不要吃回開頭的話?當然不必,因為太平洋差不多是一張紙【2萬公里級別的橫寬,幾公里級別的厚度】,換成立體效果,立刻跌了好幾個數量級。
另外一個不必吃掉滄海一粟的理由要更充分一些——銀河系本身是個恆星密集區啊。相對周圍的空間,銀河系本身又是小把戲了。麥哲倫星系離我們比較近,20萬光年的樣子。不過麥哲倫星系本身算是銀河系的「衛星」,再往外要220萬光年才到仙女座星系。星系和星系之間也有流浪恆星,但佔全部恆星的比例不會比中國人中的變性人比例高,忽略。總之,考慮到星系之間的距離,如果把星系裡的恆星打散到周圍的空間,太平洋里的平板電腦立刻變成了太平洋里的浮游生物乃至細菌。這個比例是不是讓你感到很爽呢?這還沒完!!!
即便是銀河系周圍的空間,也是難得的星系密集區。即本星系群,相對星系群乃至超星系群之間真正的「空間」,星系群又是個熱鬧地方了。但由於星系群之間的距離估算已經很粗糙了,我這裡就不繼續往上算了。
總之,你想像一個長寬高都有2萬公里的超級水族箱。(太平洋就是水族箱表面的一層膜)裡面有一個直徑幾微米,需要強大顯微鏡才能看到的細菌,那是我們的太陽。這個水族箱內部有且只有太陽這麼一個細菌。細菌周圍還有幾個更細小的的病毒,距離細菌身長100倍的地方,有個病毒就是我們的地球。略遠處有個大病毒是木星……這就是我們的星際空間。無數個水族箱在三維空間排列到一起,其中一個水族箱的病毒要去掠奪另一個水族箱了,這就是《三體》描繪的星際戰爭。
宇宙有多空?要多空有多空!一束光穿過宇宙,撞上恆星有多難?要多難有多難!
———————————再開幾句腦洞的分割線——————————宇宙空蕩蕩,這是從我們人類的角度說的。我們人類是一種密度很大——沒錯——就是密度很大的生物。構成人類的物質,每立方厘米大概有10的23次方個原子。整個宇宙的密度呢,目前估算還談不上準確。大概是每立方米0.1-10個氫原子。雖然宇宙中有很多物質比人類密度大,但總的來說,人類自身是宇宙中的高密度物質。不僅比大部分空間的密度大,比星雲的密度大(星雲已經是高密度地區了),甚至比許多恆星的密度也要大。從我們這個角度去觀察,自然會說宇宙是空蕩蕩的。
但是,既然我們認識到了這一點,就該想到,或許我們把「實「的標準定的太高了,所以覺得宇宙很空。但如果我們換個思路,換個視角,設想一下宇宙中或許有很多密度很低的觀察者。他們未必就認為宇宙很空。比如說某些星際生物,漂浮在氣態行星的上層,或者乾脆生活在宇宙空間,身體龐大到上億公里。從他們的角度看,或許宇宙不僅不空曠,反而很擁擠呢,沒準他們一轉身就會」碰到「另一個低密度生物。至於我們人類和地球,在他們看來或許就是堅固但微小的礁石。讓你從他身體里穿過去也沒什麼。
當然,在我們看來,低密度生物似乎有個致命的問題——那麼低的密度,如何連接身體的各部分?分子之間不相鄰怎麼維持生命的運轉?
這實際上涉及到另一個定義——什麼是」挨著「?我們說我」碰到「了一個分子,是真的」碰到「了么?無非是我們手按上去的時候,電磁力互相排斥,把我們的手擋住了。所以我們說」碰到「了。換句話說,你碰到一個東西,無非是碰上了」場「。或是電磁場或是引力場,總之就那麼4種基本作用力。一個物體」存在「,就是體現為對各種」場「的反應。對於物理學家來說,」場「就像椅子一樣實在。從這個角度說,宇宙一點都不」空曠「。我們能看到星光閃耀,就是電磁場穿越上百億光年的空間,和我們的眼睛互相作用。至於引力場,星球和星系大範圍的磁場。那更是無所不在。
我們是高密度生物,所以要很強的場才能讓我們的感官產生清晰地反應,但對於低密度生物來說,即便在遠離星體的空間內,也可能清晰地感受到星體的引力場、電磁場,在比冥王星還遠幾十倍的地方,就能體會到」強勁「的太陽風。在我們覺得空曠的星際空間,他們能看到磁場和引力場的滔天巨浪。甚至在恆星的引力平衡點附近,時而順著太陽風揚帆遠航,時而沿著引力場順流而下。這樣的生物,自然可以用微弱(對人類而言)的電磁場、引力場維持自己身體結構的整體性。從我們的角度來看,那可能就是比地球軌道還大,比太陽系還大的一片」真空「中的微弱變化。在這樣的觀察者看來,宇宙是一個充滿物質的溫暖世界。
歸根結底,宇宙不是為我們而生。我們許多對宇宙的描述首先要受限於我們的感官,進而受限於我們感官確定的潛意識。即便我們有了射電望遠鏡,有了中微子測量器,我們依然沒法直觀地想像其他觀察者眼中的宇宙。但我們可以反過來向微觀想像一下。在經典的原子模型中,原子也是個很空曠的地方,一個像蜜蜂那樣大的電子,在一座山那麼大的空間里,圍繞著中間一個足球大小的原子核飛行。當然我們現在知道原子並不能簡單地用如此經典的模型去形容。但我們至少知道,其實原子也是很」空曠「的。在中子星上,原子核緊緊地排列到一起,每立方厘米的物質有上億噸重。這樣的物質內部也有波動,也有各種作用,未必不會產生基於這種高密度的生物。在他們看來,人類和真空區別不大,他們眼中的宇宙相比會更」空曠「,甚至他們未必能知道地球這種星體的存在。難道說我們就不存在么?
這都是視角問題。總之,物質本身沒有絕對的一個密度尺度,宇宙空曠。這個形容詞背後隱含著人類對」通常「密度的一個定義。這樣的定義可以讓我們日常生活便利,但絕對無助於我們考慮宇宙尺度的問題。
以下是題外話
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推送我此前給《宇宙過河卒》寫的一個書評,也和宇宙的空曠有關係
離家多遠才算遠 ——《宇宙過河卒》讀後感 (馬前卒 )_龍空
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在一個世紀之後,在一場核大戰之後...........瑞典成為我們這個星球上最強大的國家。壟斷了核武器和國際維和權利。地球人在瑞典軍隊的監視和保護下重建經濟,修理文物,快樂的發展,同時努力讓自己的國家變成另一個瑞典。這個設定貌似不出格,地球上的強國如果真的瘋狂到在一場核戰中互相毀滅。那麼可能被核彈忽視的工業國中,瑞典是最強的一個。因為瑞典在保持一個與國力不相稱的軍工體系的同時,幾乎和任何國家都缺乏衝突的理由。因此,瑞典管理著22世紀的地球,中國在這個設定中經歷了幾場戰亂,美國人則念念不忘過去的輝煌,以十倍於100年前的熱情紀念自己的獨立日——可惜別人都忘了。可惜瑞典實在還是個小國,因此只能做一個超然的霸主而不是全面的統治者。
說了這麼多,其實地球上誰當家根本不重要,和後面的故事比起來,地球上這點爛事根本不值一提。這只是外星殖民的一個背景而已——瑞典人感到控制世界越來越難,越來越力不從心。卻找不到一種能替代這種帝國體制的東西。眼看在不遠的將來還有核戰爭等文明淪喪的危險,瑞典政府出面組織向其他星系移民,避免文明被人類自己的爭鬥一勺燴了。
下一個設定就是星際飛船。限於戰後地球的國力,飛船不大。除了到其他恆星系探索的儀器、建立一個自給自足殖民點所需的機械設備外,只能容得下50個成年人生活,男女各半。這個小飛船的關鍵在於外面的一個力場發動機。力場要比飛船大得多,凡是力場掃過的地方,極端稀薄的星際氣體(主要是氫)被全部吸入發動機,聚變後射出。這既保證了高速飛行的飛船不會被星際粒子破壞,也保證了持續的加速度來源。如果要減速的話,這個發動機還可以把發動機反過來噴射。
如果只把恆星和稠密星雲算物質,那麼宇宙其實是個非常空曠的地方。空曠到什麼程度?如果把太陽縮小到一個足球大小,地球就是一個環繞足球繞圈的小米粒,繞的圈子有籃球場那麼大。在這個縮小比例下,最近的恆星還在上萬公里之外。宇宙空的難以想像。但如果你把每立方米一兩個的原子也算進來,那至少在星系內部還是挺擁擠的。移民者的飛船靠常規動力加起速度之後,龐大的力場每秒都可以掃過非常可觀的空間,搜集起星際氣體給飛船的聚變爐子用。於是加速減速皆如意。
即便如此,最近的恆星系還是太遠了,有類地行星的恆星就更遠,動輒幾十幾百乃至上千光年。以光速飛過去,乘員也老死了。好在人類還有相對論可以利用。上面說的那種飛船,可以把飛船加速到接近光速,因此在飛船內時間越過越慢。幾十年上百年的航程,在飛船里可能只有幾年。可惜飛船不能以光速撞到移民星球上,必須減速,因此航程的開始和結束段都必須在低速情況下度過,因此,除非被移民的星系完全沒有設立殖民點的可能,否則探險隊就不必回來了——反正回來的時候,地球上認識他們的人已經都老死了。主角乘坐的探險船不是第一艘,之前已經有探險船無法殖民而折回的情況。回來的年輕乘員在到地球上懷舊一番後,許多人強烈要求加入下一支探險隊,因為地球已經不是他們熟悉的那個地球。他們更習慣於在星空中仰望變成一個小光點的太陽系,而不是在一個習俗、風貌和自己年輕時完全不一樣的地球上,和曾孫一起生活。
相對論的另一個效應是質量增加。隨著飛船越來越接近光速,質量也近乎無限的增加。這決定了飛船在稠密星雲中的飛行狀態。在沒有摩擦力的宇宙中,動量守恆是不可違反的定律,權威甚至高於相對論。當飛船飛入稠密星雲的時候,力場瞬間搜集到大量的物質——也搜集了它們的動量。在把這些物質聚變並噴出去之前,飛船必須先減速才行。這個負加速度的大小取決於星雲的稠密程度,也取決于飛船的質量。飛船質量在足夠大之前,撞上稠密星雲,近乎於撞上一堵牆。
主角所在的飛船就不幸地撞上一小片星雲,或者說宇宙中一小塊物質稠密區。這片物質不算太稠密,因此飛船沒有被撞毀。但這片物質又太稠密,以至於在飛船損壞了反向噴射裝置。損傷其實不大,一個減速裝置算什麼,飛船可是為一個自給自足的殖民地準備了全套機械工業儲備。但問題在於必須出倉修理。出倉修理不能開著力場,因為力場會殺了所有出倉者,但也不能關了力場,因為迎面飛來的星際物質沒有力場的遮擋,也會秒殺修理工。結果...........飛船只能繼續在向後噴射的情況下開著力場引擎——只有繼續加速才能活下去。他們不可能停在任何一個恆星周圍,必須無休止的在宇宙中遊盪,或者撞上一顆恆星自殺。當然,由於飛船內時間過的很緩慢,他們完全可以再活上幾百萬年,比其他人類乃至整個人類文明都可能活得久,但對於飛船內部的人來說,這只是十幾年,至多幾十年。他們被判了無期徒刑。
探險隊因此陷入一片混亂,作為警官而不是工程師或船長的主角被迫出面鎮壓。主角出身在底層社會,一步步爬到上校,最大的優點是冷靜和求生慾望強。他首先承認只能加速的現實,然後軟硬兼施,逼全船人和他一起尋求逃生的機會。
現在的矛盾在於,關掉力場就要被星際物質殺死,開著力場就要被力場殺死。因此他們必須飛到一個沒有星際物質的地方。什麼地方呢?不太清楚,星系內部肯定不行,星系之間也不一定,因為星系群(具體到我們這旮旯就是包括仙女星系、麥哲倫星雲和三角星系等約40個星系的集合)可能就是從一團大星雲發展來的,星系之間可能還有殘存的星際物質。比星系內部低,但足以殺人。那麼就飛到星系群外面去。星系群還結成更高的組織,超星系群,如果這個群內部依然不保險..........就再往外面飛。
這個距離用光年計算的話,數量級大概在幾千萬光年到幾億光年之間,以光速或者近光速飛過去就是幾千萬年。為了不至於沒飛到就老死,飛船必須繼續加速,為了將來修好減速裝置而繼續加速。讓飛船速度更接近光速,讓飛船內部時間相對更慢。好在飛船還能側向噴射來轉彎。飛船因此先在懸臂之間周轉,再飛到銀河系核心的氣體稠密區去獲得更大加速。到這個時候,飛船已經吸納了足夠多的能量,質量足夠大,以至於一般的稠密氣體造不成什麼衝擊了。除非撞上一顆恆星,否則飛船會一直飛行。
撞上恆星的概率當然存在,操縱如此困難的飛船無法通過扭曲的光學觀測(速度太接近光速,觀測困難)來玩微操。但恆星密度實在太低,低到一條橫穿宇宙的隨機曲線基本上沒啥機會穿過一個恆星,因此飛船在銀河系裡橫衝直撞,飛到星系外頭髮現氣體還存在,就繼續橫衝直撞的往外飛。從飛船外部的視角來看,一個質量越來越大的飛行物以近光速在橫穿宇宙,飛了幾千萬年,從飛船內部視角看,他們只是正常飛行了幾個月。
飛過了一個又一個星系(星系的尺度相對星系之間的空間來說不離譜,隨機的飛就能碰到星系,但兩個星系相撞時,幾百億顆恆星難得有一對相撞),他們終於有了足夠的速度,讓時間大大收縮,讓自己能活到飛船飛出超星系群那一天。
或許在幾億年後(飛船時間差不多一年),他們終於飛到了絕對空曠的宇宙,關掉力場,修好了減速裝置。接下來的事情貌似就是一個完美的結局。25對俊男美女飛進一個星系,尋找一顆可以居住的行星,快樂的OOXX,快樂的傳宗接代,發展文明。
可惜事情沒那麼簡單。他們的速度已經太快,快到一個星系群內的星際物質不足以減速到讓他們停在這個星系群內。如果他們堅持在碰到的第一個星系群減速,最大的可能性就是他們在超星系群之間的無垠空間「緩慢」飛行(周圍沒有物質供加速減速)。老死在星系之間。他們必須指望自己能碰到幾個星系群連成一條直線又恰好在航線上的情況。
這樣的情況只能博人品,博人品的本錢就是足夠的星系群樣本。要碰到足夠多的星系群樣本就要飛的更遠,要飛得更遠還不至於老死只有一個途徑——飛的更快。於是警官先生繼續他的僭主政治,把所有人動員起來實施更瘋狂的計劃。為了停下,他們讓自己越來越快,越來越接近光速,時間流逝越來越緩慢。這讓我想起了一個傳說中的賭徒,他走進賭場和莊家玩大小點,每輸一次他都把賭注翻一倍,只要贏一次就全部撈回。賭徒能這麼做的前提是有無限的資金。在這個故事裡,警官先生顯然有無數的資金——時間可以揮霍,反正愛因斯坦站在他一邊,速度越快,時間越緩慢。
但這裡還有另一個問題,萬一莊家的錢不夠你的賭注怎麼辦?賭博還是必須停止。宇宙作為莊家,也是有壽命的。恆星在一代代的傳承中,消耗盡星際氣體,把氫元素轉變成接近鐵的重元素。宇宙整體上根據物質密度不同,在大爆炸之後或者越來越稀疏,越來越死寂,或者越來越密集,重新聚集在一起。這艘飛船飛的如此之快,億萬年在時間變化效應下,不過是短短几個月。
終於有一天,他們發現宇宙中的星際氣體越來越少,大型恆星一個個熄滅,星系之間的距離卻重新變小——宇宙快死了。他們還是沒有找到能停下來的合適星系群。探險隊開始徹底崩潰,只有僭主警官繼續他無比強烈的求生計劃,繼續尋找可殖民的行星,可當太陽的恆星。只是即使他們停下來,也只能發現充斥著褐矮星和黑洞的死寂宇宙。
真正的純爺們,如果發現宇宙不太適合生存,他們會換一個。現在警官主角把全部希望都賭在宇宙大爆炸前的奇點未必是一個幾何學上的點,周圍或許還有可容下一艘飛船的空間——這艘飛船的質量現在遠超過恆星,甚至可能超過星系,可以在任意稠密的物質中穿行。
作者在這裡不得不開了金手指,讓主角賭贏了。主角贏得了一個新宇宙,一個物理規則和我們這個宇宙差不多的宇宙,他從容地跟上一個看起來和銀河系相似的星系,在高速運行中等到這個星系演化出合適的恆星,然後減速,減速,減速再減速,直到他們進入恆星周圍的公轉軌道。
結局確實皆大歡喜,主角抱著漂亮的大副,坐在新星球的牧場河邊調情,準備生一堆孩子來繁衍種族。頭上是新紀元的星空,身邊是從上一個紀元帶來的美女,整個宇宙等著他們的子孫去填滿,我想不出有啥結局能沒有啥結局能比這個場面更爺們。末路賭徒終於成了英雄。
有快10年沒讀過這麼爽的科幻小說了。除去那些長篇巨作,只有讀《冰霜與烈火》、《阿西莫夫機器人系列》時有過類似的感受。當然,也可以說我火星了,因為這是70年代作品。發表日期在我父母結婚之前。
好的硬科幻小說,不是把所有細節都面面俱到的作品,那是技術手冊,不是小說。而是能把科學精神和人文精神結合,在極端但在邏輯上說得通的環境下,展示科學和自然之美,展示人類智慧的作品。《宇宙過河卒》就有這種效果。在飛過幾億光年後,觀測員無奈的說「這個星系很像我們老家的麥哲倫星系」。能把麥哲倫星系說成老家,這種冷幽默體現的是宇宙之大,人類的智慧。而飛行到宇宙末日,依然要為幸福的生活戰鬥,這才是真正的好漢。宇宙太大,人類太渺小,需要用這種豁達來忘記小小地球的不快,來保持生活的信心。
好的小說,還能讓讀者和作者一起感受激情,一起體會人類感情的細微之處。我對闊別的家鄉,對已經逝去的家園的懷念,對自己未曾到過的夢中家園的嚮往,早已被每日瑣碎雜亂的生活帶走。作者偏偏能用一個跨越宇宙時空的極端環境來讓我重新體會一下,重新想起20年前坐在燦爛的星空下找衛星的那個小孩。感謝作者,感謝翻譯者,感謝科幻世界。
馬前卒向同為宇宙灰塵的作者致敬
波爾?安德森(Poul William Anderson)(1926年11月25日-2001年7月31日),美國科幻界的元老級作家,是黃金時代湧現出的優秀作家之一。他1926年11月25日出生於美國賓夕法尼亞州的布里斯托市,父母原籍北歐斯堪的納維亞半島,二戰爆發前他曾在丹麥,1948年畢業於美國明尼蘇達大學物理系。大學畢業後,他放棄了從事物理學工作,開始創作科幻小說。2001年7月31日因癌症逝世,享年74歲。
@馬前卒的回答是正確的,@方非的回答有嚴重科學性錯誤。
① 流星雨(環形山)是太陽系內部的東西,並不在宇宙空間中均勻分布。所以後者的估算是有嚴重偏差的。
② 小行星表面為什麼很多坑?因為小行星總是從一團塵埃開始形成的,形成過程中局部的更小的物體碎片密度比其他地方高得不是一點半點,所以經常被撞。
③ 宏觀物體當然可以加速到光速,但是「成為衛星搭便車(來達到光速)」是完全不動腦子的說法。因為「成為(一顆接近光速星體的)衛星」本身就需要先加速到接近光速。
方非在他自己的回答中很多地方進行了過多不實際的主觀推測,以為馬前卒的回答靠字數取勝;而評論里竟然還有人說馬前卒唧唧歪歪瞎說,知識水平還是有待提高啊。
不是誰的回答符合你的常識誰就是對的。
馬前卒的回答是正確的,而且用盡量淺顯的語言解釋清楚了以下幾個概念:
①宇宙中看得見摸得到的物質(恆星行星)極其稀薄;
②恆星的分布隨尺度變化是不均勻的:太陽系內太陽密度很高,可是恆星恆星之間有很大空間;很多恆星組成星系,可是星系外面又有很多空蕩蕩的空間;星系的分布在大尺度上也是不均勻的,在億光年尺度上,星系分布為纖維/微孔狀(海綿狀),仍有極大空隙。
③真正可怕的不是恆星,是星際塵埃。
絕大多數人類,對尺度大小完全沒概念。他們對 100000000 和 10000 的區別的理解,更接近對數比。所以太陽系真實比例模型總會嚇到一部分人。
對於方非關於狀小行星的計算,還有一個反駁方式:太陽質量占太陽系的 0.9998,剩下的 0.0002 中行星物質所佔比例遠超過99%。而且太陽密度低行星密度高,即使把所有小行星緊湊地擺在一起不遮擋地排成一個平面,其面積也無法超過太陽。就別說撞小行星了,還不如撞太陽呢。
最後補充一個星際塵埃:
星際塵埃多為以前超新星爆發所噴射的物質,本身極其稀薄,密度遠低於人類所能達到的最高真空。但是由於其體積過於龐大,在飛船通過時候會產生明顯的減速效果。如果塵埃碰到飛船被彈開,那麼很容易損傷飛船;如果只有0.0001粘在飛船上,飛船最終也會像滾雪球一樣越來越笨重,速度指數下降。針對塵埃雲的應對方法,主要還是提前避開(比如半徑 1ly 的塵埃雲提前 1000ly 避開,那麼就只需要拐很小的角度)。《三體》中對此有提及,能提前避開塵埃雲的飛行物體一定是有智能的。你的設備如果能以光速運行,你還沒有配套的防護場或維持隔離物理狀態的能量裝置,哪光速運行設備一定是別人送的。
Ps:本來不想編輯回復,但某些人的行為充分證明了其智商水平。你做的車不防彈,和沒有防彈車有關係么?你做的飛機不防鴨子撞,和飛機不防鴨子撞有關係么?誰聽說太空梭被鴨子撞了掉下來了?
達到光速的飛行設備明顯就不是已知能量層次的,能利用這個層級的能量,必然是物理學取得了跨越式的進步,並必然有同能級的方式來約束能量的行為和釋放,雖然使用能級和防禦登記不一定同步,但至少不會有量級差距,就好像你用了核彈,不可能只有獸皮做防護一個道理。禁錮我們的不是光速,而是思路。
比如說,換一個思路——不是如何防止撞擊,而是如何利用撞擊首先可以肯定,題主的問題確實是個航天開發中一直在考慮的問題。上面的很多答案(包括排在第一位的)都在迴避這個問題,搞理論的可以因為宇宙的空曠而不去考慮這個問題,但開發中是繞不過去的。
星際間的塵埃顆粒對高速飛行的飛船船體是一個巨大威脅,除此之外,星際物質中的帶電粒子也會給船員的健康和電子設備帶來致命的損傷。具體來說,以光速30%運動的一千克物體蘊含的動能相當於百萬噸TNT炸藥的能量;以亞光速飛行的飛船,撞上靜止的塵埃顆粒也會因巨大的相對速度而被擊毀。而帶電粒子則會形成高能粒子雨,損傷船員的DNA和精密電子設備。
科學家設想了一種巴薩德衝壓發動機的方案,可以將擋路的星際物質轉化為飛船推進的能量,《宇宙過河卒》中出事故的飛船就安裝了這一發動機。
巴薩德衝壓發動機是一種衝壓核聚變反應堆,它利用巨大的電磁場(直徑從數公里至數千公里不等)作為「漏斗」來收集並壓縮星際物質中的氫,飛船前方的漏斗吸入沿途的星際物質,極高的相對速度和磁場作用使反應物質在核反應腔中壓縮,直到溫度和密度足以發生核聚變。這樣產生的巨大能量再通過另一個磁場導引至發動機的排氣方向,並借反作用力原理推進飛船。當然,巴薩德衝壓發動機只能吸收壓縮少量的星際物質,如果遇上大片的星雲物質,也是無力回天的。
這就是《宇宙過河卒》設定的撞擊事故——撞擊發生了。
由於時間非常有限,無法緩衝這一撞擊。維持著艙內加速度壓力的能量場無法維持其精密的平衡。計算機程序的設計者保留了一條迴路,用於停止這一系統,否則該系統就會被正反饋所摧毀。
因此,飛船上的乘員們感受到了重力的變化。就如同每個人都被一個巨人壓在身下一般,幾乎所有人都感到呼吸困難,出現了黒視現象。人們汗出如漿,心臟努力搏動著,脈搏也比平時更沉重了。與此同時,飛船上的金屬材料發出呻吟,似乎即將被撕裂一般。在飛船設計之初並沒有考慮到會承受如此重大的打擊,因此它的安全係數並不高:安全係數更高的飛船其質量也將更大,而這是不可接受的。飛船本身僅能吸取空間中的氫原子。對它而已,星際塵埃就像隕星一般。當然,由於飛船極高的速度,穿過這片稀薄的星雲只需要短短几分鐘;但從另一個角度來說,同樣由於極高的速度,稀薄的星雲也不再稀薄了,它幾乎就像是一堵固態牆。
飛船的外部防護力場吸收了氣體湍流帶來的固態物質,有效滴保護了飛船本身,但它無法消除使飛船減速的拉力。反作用力無可避免地作用於力場本身,以及安置在飛船外殼的力場發生器與控制器等設備。金屬框架皺縮了;電子元件熔化了。低溫液體從破裂的容器中汨汨流出並立刻沸騰消散。
因此,一台熱核發動機熄火了。
從群星的角度看,事情又有所不同。它們看到的是,一個擁有極快速度和極高密度的物體撞上了一個稀薄陰暗的物質團塊。強烈的磁流體力攫取了大量的氫原子,將其聚集、壓縮,然後電離,最後使其發生大規模的聚變反應。高強度的放射線爆射而出。高速物體發出了如同流星般的火光。在穿過星雲的越一個小時的時間中,它在星雲之中掘出了一條通道。這條通道的直徑比高速物體本身的直徑大得多,這是向外激蕩的震蕩波造成的——這道震蕩波一直向外擴展,摧毀了星雲原有的穩定性,也使得星雲中的物質各自凝結成小塊。
如果說這片星雲中原本孕育著一個恆星系,那麼現在,它永遠不可能成形了。
入侵者飛走了。它並沒有損失太多速度。再度開始加速的它逐漸縮小,飛向更遙遠的群星雖然撞擊還是發生了,但我們看到,這只是飛船設計的不完善的結果,其原理——吸收星際物質,利用動力發生核聚變,再轉化為自身的能量——並沒有錯,因此,這的確是未來可以考慮的發展方向之一。
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會撞上其他光速飛船說恆星很少就不會撞上是有問題的。
正確的簡單碰撞概率估算方法如下:
飛船一秒30w公里
小行星一秒15公里左右。速度相差兩萬倍。單位時間內掃過體積也就相差兩萬倍。
所以想知道飛船飛100光年(從地球人看來得實實在在飛100年)撞上東西的概率,找一些截面差不多大的小行星,數一下它們最近200萬年被多少大大小小的東西撞過的疤痕就知道了。飛船如果要飛10000光年,那就要看小行星2億年內撞了多少東西(幾乎是必被撞的吧,好像沒見過無疤小行星)。
真實的飛船撞上東西的概率比這個估計值還要高。因為小行星可能撞上某些相對速度很低,或者很小的東西沒留疤痕。飛船撞上一個指甲蓋也是驚天動地的級別。回答說宇宙很空不會相撞的童鞋,難道忘了流星雨和月球上的環形山?
1. 宇宙很空嗎?
恆星/星系密度低,但是小行星、碎片數量大。運氣不好還是會撞上的。
/* 更新:可以隨手找個在空間中飛行的小行星照片,都是布滿隕石坑的:http://www.guokr.com/blog/410664/ 小行星雖然體積更大、飛得久,但是光速飛船飛得快,掃過的面積大呀。
在本答案評論中按地球每年的流星數量、或是按月面環形山的數量來估算,結論一致:飛船還來不及離開銀河系就會早早撞上一塊石頭。更不用說宇宙塵埃、粒子了。
*/
2. 宏觀物體可以加速到接近光速嗎?
可以。
銀河系內有很多 hypervelocity stars 速度可以到 1000 km/s,是光速的 1/300。Wikipedia 說這樣的星體的數量占銀河系的0.000001%.
通過一些計算,物理學家推測也存在以接近光速飛行的星體,隨手 Google 一下就有:http://www.wired.com/2014/12/superfast-stars-black-holes/
飛船或許可以通過某種方式成為它的衛星,就可以搭便車了。
3. 飛船/星體以接近光速飛行,撞上小行星/碎片了會發生什麼?
核聚變爆炸。
可以參考 What-if 的第一期(http://what-if.xkcd.com/1),以 0.9 倍光速飛行的棒球打出去之後發生的事情。這裡有 fall_ark 的翻譯:http://songshuhui.net/archives/82932,把文中的棒球換成飛船與地球相撞,大約是這樣的過程:
飛船與空氣分子撞擊,發生聚變結合在了一起,每一次這樣的撞擊都會引發一陣伽馬射線和散射粒子的爆發。這些伽馬射線與碎屑向四周迅速擴大,它們將周圍空氣中的分子扯碎、將原子核中的電子剝離,使得附近空氣成為一個不斷變大的熾熱等離子泡。
這一系列持續進行的高熱原子核能反應爆炸所產生的巨大能量將飛船的表面逐漸侵蝕,無數細小的碎屑開始向四周爆裂飛散,而這些碎屑又以極高的速度飛行,當它們與空氣中的分子相撞時,又會引發兩、三輪的聚變反應。直至將飛船分離殆盡,剩下一團呈子彈頭形狀的等離子云),以高速不斷地在空氣中撞出一條聚變反應的道路。這一切,大約發生在飛船到達後的第一個微秒(或稍長一點)。
如果你在周圍觀看這一事件,你首先將會看到的是一陣炫目的、遠超太陽光芒的亮光,光芒在接下來的幾秒鐘內逐漸減弱,你將看見一團火球迅速變大並升空成為一團蘑菇雲。再然後,在一陣巨響之後,衝擊波到達了,沿途的一切無不灰飛煙滅。
所以問題的答案應該是,會很華麗地摧毀。
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字數多就可以得高票么?
墜毀這個詞中,「墜」這個字用得很有意思。往哪「墜」?這個問題很有意思,很多回答基本是定勢思維。
首先,怎麼定義「撞」這個動作,事實上絕大多數情況下(哪怕是地球上),物質不可能撞上。有人說不對啊!每天都有車禍,哪不可是撞上嗎?其實從微觀考慮,撞上不是汽車,而是場。從最微觀談起,兩個原子核,都帶正電,基本不可能撞上,如果真撞上了,那就是大家所熟知的核聚變。
其次,不知有沒有計算過一般物質(比如鐵板)加速到接近光速,物質本身有什麼變化,這種變化會使撞的可能性變大還是變小。根據狹義相對論,物體速度越大,質量也越大,那麼分子間的萬有引力也越大,結果會導致分子間距離縮小,結果物質密度也越大,打開腦洞想想,密度達到一定程度會怎樣,是否還懼怕一般的撞擊。
當然,這裡面還有很多問題,比如加速的過程,根據廣義相對論,會使場產生扭曲,等等這樣問題,太複雜,我一時半會也沒想明白。但是絕不是有些回答哪種類比地球上汽車撞車這麼簡單。有這個可能性,但是以宇宙的空曠程度,只要不是自己作死,撞上東西的概率比飛機撞鳥會低很多的。
補充一下,安全性是可以為效率而妥協的,舉個最簡單的例子,如果所有汽車的極速都規定為40km/h,那車禍致死率肯定會低,但是這效率太低,所以我們不這樣做。
安全性也許是最重要的,但絕對不是唯一。
根據相對論,接近光速的飛船擁有接近無限的質量,以無限去撞有限,飛船當然毫髮無損。
想像一下一粒中子星物質,單位立方厘米內擁有質量超過一億噸,落在地球上能輕鬆擊入地核,而這僅僅是質量比較大的物質,而接近光速飛船擁有接近無限的質量,別說撞隕石,就是撞穿恆星也毫髮無損。
好像評論里沒一個考慮相對論效應的,回答第一名看過whatif,但也僅僅考慮到兩個物質(棒球和空氣)產生的反應而沒有注意到光速環景下的時空變化。
如有不懂可追問
假設你的飛船在宇宙中飛行時間不限,也就是無限長的時間,則撞到什麼東西是必然的,100%的概率。又因為你是光速飛行,撞到任何東西都會導致你以及被撞物在亞原子層面徹底毀滅。
【轉載】下面,我來解釋一下:0.9倍光速的棒球丟出去,會發生什麼?
反對第一名的答案:
設v為飛船相對靜止參考系速度
S為飛船的前表面積
L為飛船在維修時間內走過的距離
t為維修時間
Pr為維修功率
ρ為宇宙平均粒子密度(換算為氫原子)
Mh是氫原子質量
假設1:飛船沒有被撞到的物體貫穿(打穿了還怎麼飛呀)
假設2:飛船的維修可以換算成功率
那麼就有:
假設3:飛船不會減速
那麼有:
單位時間內飛船掃過的空間為:
V = St*v/(1-v2/c2)^(1/2)
單個氫原子對飛船造成的損害:
D = Mh*c2*(1/(1-v2/c2)^(1/2)-1)
維修功率大於等於碰撞損害:
Pr*t ≥ V×ρ×D
令f(v)=v/(1-v2/c2)^(1/2)
兩邊約掉t:
Pr ≥ S×ρ×Mh×c2×f(v)×(f(v)/v-1)
考察右邊的這個關於v的函數:
f(v)2/v-f(v)
一階導數為:
(c2-v2)^-2×(c^4/v-c2v)
≥ c^3×2/(c2-v2)2
因此 隨著速度無限接近光速 所需要的修復功率將趨向於無限大 而人類的能達到的功率是有限的 所以光速飛行最終都會撞毀
(手機碼不方便 以後補上近光速 (0.9c)時具體的數值)
第一次比較認真的答題,歡迎大家指出錯誤.光比較恆星的話又是欠妥,我來為一樓補充一下。
要知道,宇宙間的物質都是以恆星或更大的星體聚集在一起的,太陽雖然只有70萬千米,它的引力範圍目前最遠的也就一光年,以太陽的引力範圍內,圍繞著太陽聚集了一大批的行星、彗星、隕石、小行星數不勝數。但是!這些隕石和行星都是逃脫不了太陽的引力範圍的。星系與星系之間有很大很大的一部分真空地帶,是幾乎沒有任何物質的。(少到可以忽略不計)星系的平均距離為7光年,那麼a恆星的勢力範圍與b恆星的勢力範圍之間有大概5光年的真空地帶,即便如此,而星際航行只需要躲開引力範圍,也就意味著躲開了撞擊的風險。而飛船有多少的時間來修正線路呢?即便是以光速,也有5年的時間來調整航線。5年的時間啊。。。更何況在三維空間里,僅僅只需要略微調整航線,幾乎就是直線航行了。
那麼飛船正常應該是怎麼航行呢?在電影里,飛船起飛、或到目的地行星的時候都是以一個相對安全的速度航行的,隨著逐漸飛離恆星,速度會逐漸增大,等到安全距離之後,啟用超光速引擎。這些小學生都知道吧……當然,您非要以光速在距離恆星很近的空間轉來轉去,還要去小行星帶一片挑戰下航行技術。。。
問的飛機撞鳥會怎樣,回答是不會撞上山峰意思看懂了,看題主很有誠意了,不過還是給你說一下,
隕石是隕落到地面之後才叫隕石,外太空那就是各種星體或者塵埃
如果是在宇宙空間內,不能叫「墜」毀
不是加速度大,是相對速度快
如果半路殺出個質量奇大的星體,那麼不是相撞,估計就是你被吸過去的場景了,那麼你這個飛船倒更像被卷進飛機引擎的鳥了
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