如果在太空中從零開始加速至光速,所見的太空景象會有什麼樣的變化?

假設我在一艘外殼全透明的宇宙飛船上,飛船現在靜靜懸在宇宙某處,若飛船在此時開始從零加速,我看到的太空景象會有什麼樣的變化過程?


很久以前玩過一個加速到接近光速的遊戲,是DoS上的,現在也找不到了。看到youtube上有個人寫了段代碼,描述加速到光速的視覺變化,做得不錯。我就傳到土豆上,誰讓知乎不支持youtube呢。。。不過這不怪知乎。

視頻封面接近光速的視覺體驗視頻說明:

觀測者以0.04c/s的勻加速度向前運動,最終達到0.999c。空間中有上下兩個面做標示。下方是正方的格子。觀測者在1.25c.s上方,格間距是5c.s,且橫向無限大。發出的光色是6500K,接近太陽的溫度。注意:太陽真實的顏色不是我們看到的暖黃色,而是慘白慘白的顏色。

上方也是正方的格子,格間距和垂直距離和下方相同。不同點是:上方的格子發出單色的紅光,635nm。並且格子在閃爍,閃爍的周期是10s,也就說說亮5秒,暗5秒。

作者還提到空間對光有吸收。因為能顯示出景深。

視頻顯示了多普勒平移,光行差,鐘慢效應,很有趣的。


在很多人的想像里,接近光速看到的景象,應該是像下面這樣(就像QUEEN和Cuchulainn貼的那兩張圖)

或者是這樣

如果接近光速能夠看到這樣的景象,的確是挺美的,然而電影不是科學,導演不需要給大家科普真實的情況,那麼在接近光速的情況下,看到的場景究竟是什麼樣的呢?

在《三體-死神永生》中,有如下描寫:

「航向的前方,是銀河系的星海,這時已經變成了純藍色,真的讓人想起了海洋,後方,是二維太陽系,二維太陽系和行星都籠罩在如血的紅色中。

突然,宇宙發生了巨變,前方所有的行星都朝航向所指的方向聚集,彷彿這一半宇宙變成了一個黑色的大碗,群星都在向碗底滑落,很快在正前方聚成密密的一團,已經分辨不出單個星星,他們凝成一個光團,像一塊巨大的藍寶石發出璀璨的藍光。不時有零星的星星從光團中飛出,划過漆黑的空間快速向後飛去,他們的色彩不斷變化,從藍變成綠,再變成黃色,當它越過飛船後,則變成了紅色。在飛船的後方,二維太陽系和群星一起凝聚成紅色的一團,像在宇宙盡頭熊熊燃燒的大火。」

這段描寫,可以說是非常接近理論上我們能看到的場景了,我非常期待電影能將這一段完整呈現出來,一定比原來所有電影描繪的都要壯闊!

好了,預熱完畢,以下是一個來自NASA的視頻,視頻中,科學家將30萬公里每秒的光速假設成1米/秒,模擬了在普通公路上 ,速度接近光色的場景。

接近光速,會看到什麼 http://v.qq.com/boke/page/a/0/i/a0190yp9xni.html

如果你不方便看視頻,可以看看下面的解說。

第一個場景,是在沒有相對論效應的情況下的場景。也就是說光速還是30萬千米/秒,是我們日常生活看到的正常景象。

現在光速降到1米/秒

這時候我們如果只考慮相對論效應,則空間開始扭曲起來,所有的物體開始嚴重變形,我們甚至可以看到房子的背面,天空向透視消失點壓縮。

這時候再加入多普勒效應,遠離我們的部分變成藍色,靠近我們的部分變成紅色,視線里出現了一個環形彩虹。

我們的速度不斷加快,視線里越來越多的部分進入紅外線頻段,失去了顏色,而彩虹也逐漸縮小。這也就解釋了三體中,為什麼遠處的星星變成了一片藍色的海洋,而後方的太陽系變成紅色燃燒的大火。

最後我們加入車大燈效應,遠處的藍色其實變成了白色,隨著速度的加快,白色越來越濃,範圍逐漸縮小,最後看起來就像是我們在一個漆黑的山洞中望著遠方的洞口。(是不是有點像開車通過隧道的感覺,下次你開車經過一個隧道的時候,就可以幻想自己是在以光速行駛的~)

之後,視頻又給大家用飛過一個立方體,給大家演示了什麼是Terrell效應

第一次,我們從側面飛過,立方體由於Terrell轉動發生了彎曲,而這時我們看到的是它的過去,而不是現在的位置(是不是很燒腦。。。)

如果是從中間穿過,情景則更加神奇,看起來像是內部給翻了出來,而當我們穿過它之後,它的大部分結構還依依不捨地殘留在我們的視線里。

最後,以我們的地球作為例子,如果我們以接近光速的速度飛過地球,由於地球是球體,視覺上並沒有發生畸變,還是一個球體。

而畸變讓原本很小的大陸時而鋪滿了大半個地球,時而有看起來全是海洋。

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有一個萊斯特大學的學生們在2012年發表的小論文,討論過這個問題。

假設飛船可以從相對靜止加速到十分接近光速,旅行者將會看到窗外的恆星所發出的光「藍移」(blueshift),或者說慢慢過渡成藍紫色,最後消失。與此同時,遠景中會逐漸顯現出一個巨大而發亮的「光球」。

在飛船加速的時候,由於「多普勒頻移」(Doppler shift)現象,對於逐漸接近我們的光源所發出來的光,波長會變短。這會使可見光的顏色向光譜上藍色的一邊偏移,直到波長變得過短的時候,人的眼睛將不會再能看到恆星所發出來的光,繁星便會從視線中消失。

在這同時,「大爆炸」(Big Bang,猜想中的宇宙的起始事件)所留下來的「餘熱」,也就是「宇宙微波背景輻射」(Cosmic microwave background radiation)會向可見光偏移,因此旅行者會看到一個光球出現在視線的中心,而且這應該是他們在達到光速之前透過窗戶所能看到的最後的東西。

很多科幻電影,普遍以「星光向飛船加速的反方向極度扭曲」的景象,來表現飛船被加速到光速之前的狀態。如果不考慮「多普勒效應」(Doppler Effect)的話,這種情況也許是最有可能的;假設汽車的速度可以接近光速,人透過車窗也會看到路邊的樹木向汽車運動的相反方向發生類似的扭曲。

根據「狹義相對論」(Special Relativity),相對於靜止的觀察者,運動中的物體的空間會發生變化,而且速度越高,這種變化的程度就越顯著,學名被稱作「長度收縮」(length contraction)。日常生活中的速度(相比於光速來說)大多都很低,因此這種現象幾乎不會被人察覺。

影片《星球大戰:原力覺醒》(Star Wars: The Force Awakens 2015)里,「千年隼號」飛船在加速到光速之前的窗外景象,雖然很漂亮,但是應該不能在現實中觀察到。

圖片來源:

http://www.geeksofdoom.com/2015/10/20/star-wars-force-awakens-trailer-breakdown/star-wars-the-force-awakens-trailer-9

需要注意的是,最多只可以假設飛船被加速到了一個無限接近光速的速度,而不可以假設它達到了光速。將一個有靜止質量的物體從相對靜止加速到光速,一般被認為是不可能的,因為這會無限地提高物體的質量,並且消耗掉無窮的能量。在上面提到的論文中,作者們也只是把飛船的速度設定成了 0.9999995 倍的光速。

猜測觀察者能夠在光速下看見什麼,在物理學上是非法的。這是因為恆定的「光速」本身是一個無效的參考系,它獨立在時間和空間的變化之外,因此觀察者不能在光速下做任何的觀察;一個以光速前進的物體,從它自身的角度上來說(當然這種說法也是不應該出現的),實際上沒有在空間上移動任何的距離,也沒有經歷過任何的時間,因為它本身並沒有空間和時間的概念。

那篇相關的論文的網頁鏈接:

- https://physics.le.ac.uk/journals/index.php/pst/article/view/575/386(Connors R, Argyle J, Dexter K, Scoular C - Relativistic Optics Strikes Back,Journal of Physics Special Topics,2012)

- 或者,直接從這個鏈接下載 Pdf 文件:https://physics.le.ac.uk/journals/index.php/pst/article/download/575/386,89 kb)。


你可以看一本書《聊聊狹義相對論》,裡面有一章講到這個。裡面有提到國外有網站用計算機模擬近光速運動看到的物體變化。需要說明的是儘管按照相對論,接近光速的物體會因為尺縮效應變「扁」,但由於光的傳播需要時間,我們看到的物體和真實的物體不一致。所以高速運動看到的球體只是一個偏轉了的球體,而不是扁球體。

物體的顏色會因為多普勒效應發生紅移或藍移。太陽的輻射屬於黑體輻射,紅移或藍移後仍然是黑體輻射。


最近將好看到這一節,希望能解決你的疑惑。


之前有個答案,不記得是誰的了

一個飛船達到並能保持光速,意味著它的速度達到這個宇宙的極限。

它可以瞬間到達宇宙的任意位置,宇宙對於它來說只是一個點

同時,這艘飛船上的船員會在一瞬間經歷恆星的誕生與毀滅,星系的誕生碰撞重生毀滅,並最終抵達這個宇宙的終點

借用《死神永生》的一句形容:「那一刻,滄海桑田」

補充:

「保持光速」這個說法可能有些籠統

就假定飛船從宇宙中心出發,速度設定為光速,沒有目的地,永遠以直線飛行。那麼船員將會看見上面的情況。當然最終到了哪裡說不清楚。

這也算最理想的情況了

稍微現實點,中途要停下來,那麼在飛船停下來的時候(假設這艘飛船可以瞬間到達光速,且可以瞬間由光速變為0速)船員就會體會到一個時間的真空期。

比如說他們以光速飛行了3光年(這裡還是假設瞬間達到光速並瞬間減為0速),對於船員而言,他們發現在一瞬間(可以認為沒有時間間隔)就到達了3光年外。而對於飛船外的觀察者,比如空間站上的人,目的地等待他們的人,這艘飛船還是飛行了3年


在接近光速前,感覺很爽!

當所有圖案都開始變成線條的時候,注意了-------這個時候可能會出現一個生理學上的問題:

因為你的視覺系統信息傳輸是遠低於光速的,所以,在接近光速的時候,你的視覺系統會大量傳輸數據到你的大腦進行處理,但是I/O匯流排是低於當前數據傳輸的。

簡單來說,你當時的情況就像是用賽揚433加mmx400加豪傑超級解霸播放24G4k《肉蒲團》。

直接卡死。


藍移 顧名思義就是前面都是藍色 後面都是紅色 就好比汽車經過我們時,在越來越近時,聲音頻率越高,而離開時頻率低,但是汽車所發出的聲音頻率並沒有變,只是因為運動方向變化了。藍移也有異曲同工之妙,前面的頻率高,後面低,多普勒效應。


光速是我們這個宇宙的速度極限,如果人類科技達到光速,說不定能看到一行大字 「mission complete」,開啟新關卡「多元宇宙之旅」。


《三體3》中就有一段描寫加速至接近光速的窗外景象,大概就是後面一個紅色光球,前面一個藍色光球,不時有星星從前面的球飛出。


怎麼沒人說 是我們眼睛接受不了那麼快的速度,才覺得發生的假象?


ALISON AIRLINES - 宇宙の死を見た不老不死


那你的身體就會自動分解


看不到


以下作答僅為腦洞,僅因為現有物理手段無法觀測。

由於宇宙是動態的,你定義的一個質點在宇宙中保持靜止的話,相對於奇點保持靜止則在宇宙之外的參照繫上必須要有一個初速度。無論是同步軌道還是發散狀或二者皆有。

假設你不受其他天體影響,現在從切線方向作加速(一個極小的角度),開始會看到星辰後退形成光維。如果能超光速的話,能看到宇宙像個超巨形的超新星,本體的積吸盤在翻滾。

最後附上一句,光錐之內皆命運。


無法加到光速,只能無限接近


Star wars

但實際上如果按光速飛行,效果不是這樣的。


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