论文部分内容阅读
《游侠索罗》是《星球大战》系列电影的最新作品。在这部外传中,传奇人物汉·索罗得到了后来让他在整个银河系都声名远播的千年隼号飞船。如果举行一场“你最喜欢的虚构飞船”的投票,千年隼号百分之百会名列前茅。
根据电影的剧情,“千年隼”出身非常普通,是YT-1300中型货船,由柯尔里亚集团在行星科瑞利亚制造。它长26.7米,有一个飞碟型的主船体,一对像双颚一样的前部货舱,以及安置在船体一侧的圆柱体状的驾驶舱。最吸引观众的,在于“千年隼”骇人的飞行能力。它既可以在星球表面起飞和着陆,也可以在星球之间穿梭,还可以光速飞进“超空间”—在极短的时间里,从银河系的这头飞到10万光年之外的那头。看过电影的观众,无不为之惊叹折服。
那么,问题来了:在现实里,我们能制造出千年隼号吗?如果不能,我们又需要多久才能实现这一梦想呢?
無论是在现实中还是在电影里,发动机和燃料对飞行器的重要性不言而喻。
最快的化学火箭时速16000千米,远远超过声音的速度。但是,火箭的速度却只有光速的3/20万,从地球到火星,最短的航程也需要180天。计算表明,要使火箭推动的航天飞机达到4‰倍光速,所需化学燃料就超过了整个已知宇宙的总和。
那核聚变发动机呢?与化学燃料相比,核聚变的效率提高了20倍,足以使核聚变火箭的速度达到光速的1/20。核聚变发动机的出现,将使太阳系内行星之间的来往变得就像今天的洲际旅行一样容易。然而也就这样了,在核聚变中,只有不到1%的氢原子变成了能量。想要达到光速的1/20,氢燃料的质量应为千年隼号的57倍;想要达到光速的1/2,则“千年隼”必须携带超过自身质量59000倍的氢燃料,而且这些氢燃料仅能使用一次。这使得用于恒星之间的核聚变飞船永远也造不出。
理所当然,我们需要更好的发动机。由物质与反物质湮灭而形成的辐射具有比核聚变更高的动能。计算表明,1千克反物质燃料提供的能量足以和100千克的氢燃料相媲美,想把飞船加速到光速的0.99倍,只需要13倍于“千年隼”质量的反物质燃料。早在20世纪60年代,基本粒子的反粒子差不多全被找到了。问题是,反粒子是有了,但这些反粒子都是在实验室条件下孤立存在的,刚刚发现,就会在极短的时间里与周遭的粒子泯灭,无法形成稳定的反物质。也许宇宙深处存在着反物质构成的星球,但在地球上,科学家还无法制造、保存和使用反物质。什么时候能够实现呢?最最最乐观的估计也需要100年。
好吧,且不管使用了什么发动机,反正在编剧的笔下,“千年隼”就是能够瞬间加速到每秒30万千米。因此,汉·索罗和他的小伙伴能够轻而易举地从帝国冲锋队眼皮子底下逃走。在帝国冲锋队的眼里,“千年隼”曳出一道长长的白光,然后缩成一个光点,随即消失无踪。但根据爱因斯坦的相对论,这里对光速飞行的表现并不准确。
相对论告诉我们,在不断接近光速的过程中,“千年隼”的质量会越来越大,长度越来越短。当“千年隼”以3/4光速向前冲时,它的质量会是静止状态的1.5倍,而长度会缩短1/3;当“千年隼”的速度是0.9倍光速,其质量会变成原来的两倍,长度缩短到一半;而当“千年隼”的速度达到光速的0.999倍时,飞船的质量增长20倍,长度缩短到1/20。
与此同时,消耗的能量越来越多,加速越来越困难。当“千年隼”逼近光速时,质量会变得无穷大,此时,极为微小的速度提升都会消耗无限多的能量。即便是反物质发动机也无法提供这么多的能量。爱因斯坦指出,只有无质量的物质,比如说光本身,能够达到光速,其他物质,都不行,这叫作“光障”。各种证据已经证明了相对论的正确性,想要突破光障,恐怕在物理理论上要有重大突破才行。而这个理论突破,谁也不知道什么时候会出现。
在电影中,“千年隼”突破光障时,汉·索罗等飞船上的角色,会看见无数的星星突然加速,往飞船后方飞行,其速度之快,以至于看上去像光之瀑布。从视觉效果来讲,非常惊人。那么,真实的情况又将如何呢?研究表明,光速飞行中,由于多普勒效应,光的频率会偏移出可见光,进入宇宙微波背景辐射的范围。因此,汉·索罗等人不会看到任何星星,只会看到“千年隼”前方中心有一个碟状的明亮光团。
最让人意外或者遗憾的是,在《星球大战》系列电影中,光速飞行与超光速飞行是家常便饭,剧情上却从来不考虑相对论的时间效应。影片中,少年索罗被迫与女友琦拉分开,当几年后,两人再次相遇时,年纪完全一样。然而,在这几年里,索罗先是作为银河帝国飞行员,后是作为贝克特匪帮飞行员,总是驾驶着飞船,以光速甚至超光速在各个星球之间来往,与此同时,琦拉在行星表面活动的时间更多。如果考虑相对论,当他们再相遇时,索罗应该比琦拉年轻许多岁。
相对于宇宙的浩淼,光速飞行也是慢吞吞的。银河系直径10万光年,换而言之,从银河系这头飞到那头,光速飞船也要飞10万年。所以,我们需要速度更快的飞行方式。超空间发动机就是《星球大战》系列提出的解决方案。
“千年隼”拥有银河系最快的超空间发动机。衡量超空间发动机性能的指标是“级”,级数越小,超空间航行速度越快。帝国歼星舰的超空间发动机为2级,起义军X翼为1级。而“千年隼”的超空间发动机是0.5级!
什么是“超空间”呢?20世纪50年代,物理学家巴克哈德·海姆提出一个理论,认为宇宙中存在这样一个“超空间”:时间不存在,光障也不存在,一旦进入该空间,只需要微小的动力,就能实现超越光速数十倍乃至数百倍的飞行。与电影中光速进入“超空间”不同,海姆声称,只要“超空间发动机”创造一个足够强大的磁场或重力场,那么身处其间的物体(如飞船)就将进入“超空间”。关掉磁场或重力场后,飞船将重返正常的空间,当然,这个时候飞船已经抵达了数千或数万光年之外的星球了。
“千年隼”,意思是“快如游隼,耐用千年”。游隼是地球上速度最快的鸟类,在俯冲抓猎物时的速度能达到180千米/时,比高速公路上的汽车快多了。虽然在茫茫宇宙中,时速180千米完全可以说是微不足道,但作者赋予飞船这个名字,显然是有深意的。
除了“超空间”这一假想外,科幻作家还提出了空间折叠、虫洞穿越、时空翘曲、波动引擎等穿越茫茫宇宙的解决方案。这些假想也许千年以后才会变成现实,也可能永远不会变成现实,然而它们的出现,足以展现人类征服宇宙的壮志雄心!
“千年隼”身世揭秘
根据电影的剧情,“千年隼”出身非常普通,是YT-1300中型货船,由柯尔里亚集团在行星科瑞利亚制造。它长26.7米,有一个飞碟型的主船体,一对像双颚一样的前部货舱,以及安置在船体一侧的圆柱体状的驾驶舱。最吸引观众的,在于“千年隼”骇人的飞行能力。它既可以在星球表面起飞和着陆,也可以在星球之间穿梭,还可以光速飞进“超空间”—在极短的时间里,从银河系的这头飞到10万光年之外的那头。看过电影的观众,无不为之惊叹折服。
![](http://pic.soolun.com/d/file/20211021/zsll20180823-1-l.jpg)
那么,问题来了:在现实里,我们能制造出千年隼号吗?如果不能,我们又需要多久才能实现这一梦想呢?
近在眼前的短板:
燃料与发动机
無论是在现实中还是在电影里,发动机和燃料对飞行器的重要性不言而喻。
最快的化学火箭时速16000千米,远远超过声音的速度。但是,火箭的速度却只有光速的3/20万,从地球到火星,最短的航程也需要180天。计算表明,要使火箭推动的航天飞机达到4‰倍光速,所需化学燃料就超过了整个已知宇宙的总和。
那核聚变发动机呢?与化学燃料相比,核聚变的效率提高了20倍,足以使核聚变火箭的速度达到光速的1/20。核聚变发动机的出现,将使太阳系内行星之间的来往变得就像今天的洲际旅行一样容易。然而也就这样了,在核聚变中,只有不到1%的氢原子变成了能量。想要达到光速的1/20,氢燃料的质量应为千年隼号的57倍;想要达到光速的1/2,则“千年隼”必须携带超过自身质量59000倍的氢燃料,而且这些氢燃料仅能使用一次。这使得用于恒星之间的核聚变飞船永远也造不出。
理所当然,我们需要更好的发动机。由物质与反物质湮灭而形成的辐射具有比核聚变更高的动能。计算表明,1千克反物质燃料提供的能量足以和100千克的氢燃料相媲美,想把飞船加速到光速的0.99倍,只需要13倍于“千年隼”质量的反物质燃料。早在20世纪60年代,基本粒子的反粒子差不多全被找到了。问题是,反粒子是有了,但这些反粒子都是在实验室条件下孤立存在的,刚刚发现,就会在极短的时间里与周遭的粒子泯灭,无法形成稳定的反物质。也许宇宙深处存在着反物质构成的星球,但在地球上,科学家还无法制造、保存和使用反物质。什么时候能够实现呢?最最最乐观的估计也需要100年。
相对论:
光速飞行的迷思
好吧,且不管使用了什么发动机,反正在编剧的笔下,“千年隼”就是能够瞬间加速到每秒30万千米。因此,汉·索罗和他的小伙伴能够轻而易举地从帝国冲锋队眼皮子底下逃走。在帝国冲锋队的眼里,“千年隼”曳出一道长长的白光,然后缩成一个光点,随即消失无踪。但根据爱因斯坦的相对论,这里对光速飞行的表现并不准确。
相对论告诉我们,在不断接近光速的过程中,“千年隼”的质量会越来越大,长度越来越短。当“千年隼”以3/4光速向前冲时,它的质量会是静止状态的1.5倍,而长度会缩短1/3;当“千年隼”的速度是0.9倍光速,其质量会变成原来的两倍,长度缩短到一半;而当“千年隼”的速度达到光速的0.999倍时,飞船的质量增长20倍,长度缩短到1/20。
与此同时,消耗的能量越来越多,加速越来越困难。当“千年隼”逼近光速时,质量会变得无穷大,此时,极为微小的速度提升都会消耗无限多的能量。即便是反物质发动机也无法提供这么多的能量。爱因斯坦指出,只有无质量的物质,比如说光本身,能够达到光速,其他物质,都不行,这叫作“光障”。各种证据已经证明了相对论的正确性,想要突破光障,恐怕在物理理论上要有重大突破才行。而这个理论突破,谁也不知道什么时候会出现。
在电影中,“千年隼”突破光障时,汉·索罗等飞船上的角色,会看见无数的星星突然加速,往飞船后方飞行,其速度之快,以至于看上去像光之瀑布。从视觉效果来讲,非常惊人。那么,真实的情况又将如何呢?研究表明,光速飞行中,由于多普勒效应,光的频率会偏移出可见光,进入宇宙微波背景辐射的范围。因此,汉·索罗等人不会看到任何星星,只会看到“千年隼”前方中心有一个碟状的明亮光团。
最让人意外或者遗憾的是,在《星球大战》系列电影中,光速飞行与超光速飞行是家常便饭,剧情上却从来不考虑相对论的时间效应。影片中,少年索罗被迫与女友琦拉分开,当几年后,两人再次相遇时,年纪完全一样。然而,在这几年里,索罗先是作为银河帝国飞行员,后是作为贝克特匪帮飞行员,总是驾驶着飞船,以光速甚至超光速在各个星球之间来往,与此同时,琦拉在行星表面活动的时间更多。如果考虑相对论,当他们再相遇时,索罗应该比琦拉年轻许多岁。
超空间:
穿越茫茫宇宙的假想
相对于宇宙的浩淼,光速飞行也是慢吞吞的。银河系直径10万光年,换而言之,从银河系这头飞到那头,光速飞船也要飞10万年。所以,我们需要速度更快的飞行方式。超空间发动机就是《星球大战》系列提出的解决方案。
“千年隼”拥有银河系最快的超空间发动机。衡量超空间发动机性能的指标是“级”,级数越小,超空间航行速度越快。帝国歼星舰的超空间发动机为2级,起义军X翼为1级。而“千年隼”的超空间发动机是0.5级!
什么是“超空间”呢?20世纪50年代,物理学家巴克哈德·海姆提出一个理论,认为宇宙中存在这样一个“超空间”:时间不存在,光障也不存在,一旦进入该空间,只需要微小的动力,就能实现超越光速数十倍乃至数百倍的飞行。与电影中光速进入“超空间”不同,海姆声称,只要“超空间发动机”创造一个足够强大的磁场或重力场,那么身处其间的物体(如飞船)就将进入“超空间”。关掉磁场或重力场后,飞船将重返正常的空间,当然,这个时候飞船已经抵达了数千或数万光年之外的星球了。
“千年隼”,意思是“快如游隼,耐用千年”。游隼是地球上速度最快的鸟类,在俯冲抓猎物时的速度能达到180千米/时,比高速公路上的汽车快多了。虽然在茫茫宇宙中,时速180千米完全可以说是微不足道,但作者赋予飞船这个名字,显然是有深意的。
除了“超空间”这一假想外,科幻作家还提出了空间折叠、虫洞穿越、时空翘曲、波动引擎等穿越茫茫宇宙的解决方案。这些假想也许千年以后才会变成现实,也可能永远不会变成现实,然而它们的出现,足以展现人类征服宇宙的壮志雄心!