如何突破光速极限

恰恰在银河系中心,距离地球2.6万光年远的地方,拥有银河系中最重的天体——一个质量相当于四百万个太阳的超大质量黑洞,在自身引力作用下,它被压缩为一个点。距离这个超大质量黑洞越近,遭遇的引力就越强。一旦距离其过近,连光线都无法逃脱,会被吞噬。这样的超大质量黑洞对时间具有显著的影响,令其减缓的速度远远超过银河系中的任何物体。这使得它是台“天生的时间机器”。


我喜欢想象宇宙飞船如何能充分利用这种现象。如果某个航天机构正在控制从地球发射的探测器,他们会发现绕轨道运行一圈的时间为16分钟。对于飞船上的勇敢者来说,靠近这个超大质量物体,时间就会慢下来。在这里,引力影响远比地球引力极端。机组人员的时间将会减慢一半。对于原本每圈要耗费的16分钟,他们其实仅经历了8分钟。


想象一下,当飞船及机组人员绕这个黑洞运行五年时,别的地方已经过去了十年。当他们回到家乡,地球上的人比他们老了五岁。所以,超大质量黑洞就是一台时间机器,当然,这还不是非常的实用。超大质量黑洞之所以比虫洞更有优势,是因为不会激发悖论。此外,它不会因反馈走上自我毁灭之路。


然而,通向未来之旅并非一路坦途。地球距离未来世界漫长无边,让我们距离未来非常遥远。幸运的是,我们还有另一种时间旅行方式,这也是我们建造货真价实的时间机器最后、也是最大的希望。旅行速度必须超级快,甚至比避免被吸进黑洞所需要的速度还快。这是因另一个涉及宇宙的奇怪事实所致。宇宙中存在着速度限制,即每秒钟18.6万英里(约合30公里),亦称光速。


任何物体不能超越这一速度。这也是科学界最成熟的理论原则之一。无论是否相信,以接近于光速的速度旅行可以将你送达未来世界。要想理解这一点,我们可以想象一个具有科幻色彩的交通系统——一条遍布地球周围的轨道,为超高速火车准备的轨道。我们将利用这列想象出来的火车,尽可能地接近于光速,看它如何变成一台时间机器。列车上的乘客购买了通向未来的单程车票。火车开始加速,越来越快,不久开始绕地球一圈圈运行。


如何突破速度限制


达到光速意味着绕地球运行速度要飞快,比如每秒钟绕7圈。不过,无论这列火车的动力有多强劲,它永远也无法到达光速,因为物理学原理令其做不到这一点。假设它接近光速,距离这一终极速度还有一点距离。现在非同寻常的事情发生了。列车上的时间相对于地球开始减缓,就如同靠近超大质量黑洞一样,而且有过之而无不及。列车上一切物体的活动都变慢。这是为了保护速度限制,原因并不难理解。


想象一个孩子跑向迎面而来的火车。他前冲的速度增加至列车的速度上,所以,他难道不能在意外中突破速度限制吗?答案是否定的。自然规律会令列车上的时间减缓,使得这一幕永远不会发生。这个孩子跑得再快,也不能打破速度限制。时间总是会减慢,足以“保护”速度限制。这一事实源于耗费多年踏上未来之路的可能性。


想象一下这样的场景:2050年1月1日,一列火车离开车站,绕地球轨道一圈又一圈,直至100年以后,最终在2150年新年夜停下来。此时,乘客们在世上的时间也只剩下一周,因为身在火车上,时间过得非常慢。当他们离开火车,会发现一个完全不同于车上环境的世界。在一周内,他们已经在通向未来的道路上前进了100年。


当然,建造一列能达到这种速度的超高速火车的可能性微乎其微。不过,我们已经在位于瑞士日内瓦的世界最大的粒子加速器——大型强子对撞机——建造了这样的装置。大型强子对撞机位于瑞士和法国交界地下100米深处一条总长16英里(约合25.75公里)的环形隧道内,一旦开足马力,这台对撞机能在瞬间从零加速至每小时6万英里(约合每小时9.7万公里)。


令动力和粒子的速度变得越来越快,直至它们能以每秒1.1万圈的速度绕隧道运行,这时,速度将接近于光速。但是,就像是上面描述的那列火车一样,它们永远无法到达这一终极速度,最快只能达到光速的99.99%。发生这种情况的时候,进行时间旅行是不切合实际的。由于一种称为兀介子的“短命”粒子,使我们了解了这一点。通常情况下,兀介子会在250亿分之一秒内分解。当它们被加速至接近光速时,寿命是以前的30倍。


“天上一日,地下一年”


情况的确就那么简单,如果我们想踏上未来之旅,那么速度必须快。我认为实现这一目标的唯一途径是进入太空。在人类历史上,速度最快的载人飞船“阿波罗”10号,速度为每小时2.5万英里(约合每小时4万公里),但要实现在时间中旅行,我们的速度必须是“阿波罗”10号速度的2000倍。按照这种思路,我们应该先制造一个巨大的飞船,里面可以装载着巨量燃料,令其加速至接近于光速,在全负荷动力运行下,实现这一目标仍需要六年时间。


由于飞船如此的庞大和沉重,最初的加速度相对平缓。随着时间的推移,飞船速度非常快,不久即覆盖广大区域。一年以后,我们到达了系外行星。两年后,它的速度将达到光速的一半,距离太阳系越来越遥远,再过两年它可能会已经达到光速的90%。在发射四年后,飞船距离地球30万亿英里(约合4.8万亿公里)远,这意味着飞船将开始时间旅行,届时,它的速度接近于光速,在船上呆一天,相当于在地球上呆两天。


再经过另外两年全负荷动力飞行,飞船将到达其最高速度——相当于光速的99%。在这一速度下,在船上呆一天,那就意味着在地球上度过一年的时间。飞船确实“飞进”了未来。时间变慢还有另一个优势,从理论上讲,这意味着我们一生当中可以跨越无尽的距离。探索银河系边缘之旅将耗费80年的时间。


然而,未来之旅真正惊奇之处在于,揭示整个宇宙有多么的奇特。在宇宙中,不同的地点,时间运行的速度不同;微小的虫洞存在于我们周围每一个角落;最终,我们将利用掌握的物理学知识,成为穿越第四维的真正宇宙旅行者。


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