引力是制约人类飞向太空的主要因素,它的存在使得地球有了第一、二、三宇宙速度,让人类的飞船在飞向太空和太阳系外时,需要消耗大量的燃料,那么如果有一种材料,可以隔断万有引力,人类的飞船能无限加速吗?
引力作用下的宇宙速度
开普勒通过他的老师第谷留下的大量资料总结出了行星三大定律,但当时他并不知道这是为什么,因为一直要到牛顿发现万有引力定律才能知道天体为什么要这样运行,因此开普勒三大定律降格为了定理!
而早期刚刚在牛顿总结出万有引力定律后,他就已经思考了一种模式脱离地球引力的模式!它的原理是这样的:既然天体之间的引力与它们的质量成正比,而与它们之间距离的平方成反比,那么可以利用高速绕行地球,达到”离心力“与引力平衡!
要理解起来并不难,我们都知道在引力都是垂直指向地心的,而“离心力”则可以和其“抵消”,这个速度就是第一宇宙速度!这个理论和牛顿的作用与反作用定律完美结合,就可以制造火箭飞上太空啦!
引力到底是怎么回事?
其实在引力到底是什么东西的问题上,牛顿并没有理解透彻,表现出来就是,万有引力定律在绝大部分场合下,都是适用的,因为十七世纪和十八世纪的天体力学飞速发展,就得益于万有引力的认识基础,其中最有名的就是拉普拉斯对于太阳行星运动的证明,他是天体力学的开创者之一!
但万有引力因为在认识上的不足,导致了它使用方面的局限,最著名的问题就是法国数学家勒维耶发现水星运动的观测值比根据牛顿定律算得的理论值每世纪快38",这就是水星进动问题!万有引力无法解决此事!
这得1916年爱因斯坦的广义相对论出世后才得以解决,在广相推出以前的1905年,爱因斯坦就在前人的基础上以狭义相对性原理和光速不变原理推出了狭义相对论,大获成功后使得爱因斯坦名声大噪,但推出的广相却让科学界有些措手不及,因为这个高深的理论让大部分科学家都有些懵逼!不过物理学家惠勒有两句非常容易理解的总结:
“质量告诉时空该如何弯曲,时空告诉质量该如何运动”
围绕这一点,广相的对于引力的解释是质量弯曲时空,所以准确的说万有引力并不是一种力,它只是时空弯曲尺度的形容,当然我们现在将其定义为引力并没有什么大问题,因为我们观测到的引力是质量在时空中所表现出来的现象!
如果隔绝引力,能无限加速吗?
上文中我们简单理解了引力,也了解飞出地球的方法,还有简单提及了作用与反作用定律!那么可以来一个假设了!假如引力被隔绝,能不能让飞船无限加速?
当引力消失后,飞船的质量是多少?
在这里我们必须要来了解下惯性质量和引力质量,惯性质量指的是物体惯性大小的量,体现在物体加速或者减速时对外力的抵抗能力;引力质量则是描述的是物体产生引力场的能力,或者与其他引力场相互作用的能力,或者说是弯曲时空的能力。
在广义相对论中,爱因斯坦把“惯性质量=引力质量”作为等效原理,从而建立了广义相对论,当然在本例中我们不需要再深入理解两者,只要知道惯性质量=引力质量即可!
当别的天体对它的引力消失后,看起来它的质量等于0了是吗?其实完全不能这样假设,因为这个物体本身弯曲时空的能力依然存在!当然我们可以假设本身引力质量也为零,但它的惯性质量依然是存在的,也就是说,它在一片周围天体都无限远的太空中加速时,引力尽管不再约束它,但惯性质量仍然会羁绊它前进!
也就是说它加速时候仍然遵循牛顿三大运动定律,这一点是本宇宙的规则,或者说是公理!不过按牛顿运动定律来说,它一直可以加速,最后超过光速,甚至可以超过好几倍光速,这在经典力学中并不矛盾!
其实最关键一点是引力其实也没法切断,理论上根据引力的量子力学解释,我们隔绝引力子即可,但更有可能的引力是质量在时空中的表现来解释的话,可能要更高层次的空间与维度理解才可以,所以我们对于隔绝引力,那肯定是一脸懵逼的。
如果没有引力,飞船真的能超过好几倍光速吗?
很可惜并不能这么理想化,因为有质量的物体有一个速度的天花板,那就是光速!早在1905年爱因斯坦狭义相对论推出之前,洛仑兹就为以太漂移实验背过书,因此他在1890年时就以洛仑兹变换中的运动方向上尺缩效应来解释以太漂移的零结果!
迈克尔逊-莫雷实验示意图
但从洛仑兹变换中同样可以推导出质增效应和钟慢效应,在狭义相对论中的差异并不大,其中与我们加速能不能超过光速直接相关的是质增效应,它推导的结果会让飞船的速度超过10%时不得不考虑相对论效应(其实在卫星绕行地球的低速运动中就必须考虑精密计时的钟慢效应了,比如GPS或者北斗卫星都有考虑相对论效应,否则误差极大)!
而在其速度越来越接近光速时,质增效应会让飞船等效质量接近无穷大,此时即使再大的推力其实也无济于事,因为没有任何推力能让一个无穷大质量的飞船速度再增加,所以穷尽技术,牛顿第三定律的速度上限是光速!
有没有办法让飞船速度超过光速?
超光速理论其实不少,比如快子(迅子)就一直以高于光速运行,但却未曾证实有这种粒子!还有波动信号的相速度和群速度也超过光速,宇宙膨胀也超过光速,但这些都是理论不是无法应用于飞船就是未曾证实!
现在科幻作品中最常用的超光速理论是阿库别瑞引擎,这是利用空间膨胀带动飞船运动的理论,因为空间膨胀可以超光速,而且在时空泡中的飞船相对于周围空间静止,可以避免相对论效应,因此从理论上看这是存在的!
但要实现却难度极大,因为我们找不到一种可以扭曲时空的物质,比如让空间膨胀的奇异物质,因此到现在为止,所有关于这个引擎的理论还停留在想象上,当然你别失望,现在还只是想象,连成体系的科学理论都还没有!