科学|光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子，会怎么样？科学

随着科学技术水平的不断提升，以及天文观测技术的飞速发展，我们能够看到宇宙的区域范围越来越大，那些来自几十上百亿光年之外恒星所发出的信息，都可以被我们的大型天文望远镜捕捉到。然而，相对于天文观测的空间尺度，我们通过发射航天器实地进行观测的范围实在是过于渺小，即使是50年前发射的旅行者1号和2号探测器，在完成对太阳系边缘行星的探测任务之后，也只能依靠残余的能源以及惯性，缓慢地向太阳系外围行进，但是相对于地球的运动速度来说，也仅仅是几十公里每秒，这与光速每秒30万公里相比实在是“龟速”，想要离开太阳系的有效引力范围，到少还得需要几万年的时间。所以，对于高速飞船特别是亚光速飞船的渴望，已经成为人类有效提升深空探测能力的重要目标。

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爱因斯坦在提出狭义相对论时，明确了两个基本假设，一个是相对性原理，即各种物理定律在所有惯性参照系中具有相同的表达形式；二是光速不变原理，光线在真空中的速度，不因参照系的变换而发生改变。在狭义相对论体系下，任何物质的运动，都会成为改变时间和空间的重要因素。对于两个物体的相对运动来说，在经典力学框架下的相对运动速度，是两个物体的速度矢量叠加；但是对超高速运动的物体来说，就必须要运用洛仑兹变换来进行推导，从而求出狭义相对论体系下的相对运动速度，表达式为：v=(v’+u)/(1+v’*u/c^2)，通过这个表达式我们可以看出，两个物体的运动速度无论怎么快，其相对运动速度永远也不可能超过光速，只能无限接近光速，即使两条相向而行的光线，其相对速度也只能是光速值。

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在这里还需要明确一个由狭义相对论推导出来的结论，那就是物体的运动速度与运动质量之间的关系。如果一个物体的静止质量为m0，当以速度v进行运动时，其运动质量与静止质量的关系表达式为：m=m0/(v^2/c^2)^(1/2)，说明物体的运动速度越快，则运动质量就越大，当运动速度达到光速时，其运动质量就会趋向于无穷大。由于光束中的光子静止质量为0，所以它的运动速度可以达到光速这个最大值。但凡物体拥有一点静止质量，那么它在加速到速度很高时，其运动质量就会显著提升，按照质能方程，则所需要输入的能量值为（m-m0）*c^2，如果要达到光速，则这个能量输入就会无穷大，显然是不可能实现的。因此，即使质量非常微小的中微子，科学家们监测到它的运动速度也略低于光速。

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按照上面的分析，我们可以得出这样的结论，那就是光速飞船或许永远制造不出来，因为飞船势必存在着静止质量，如果要将它加速到光速，就是把宇宙中所有的恒星能量都收集起来也不够用，所以人类对于航天器速度的突破，今后也只能是达到亚光速的级别。比如，如果将飞船的速度提升到光速的99%，则到达1光年之外的区域，从飞船本身来看所需要的时间为0.14年；如果将速度提升到光速的99.9%，则到达1光年区域所需要的时间仅为16天左右。

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那么，问题来了，即使在亚光速状态下，按照运动的相对性，飞船相对于宇宙中的星际尘埃来说运动速度是亚光速，反过来从飞船上看宇宙尘埃相对于飞船的速度也是亚光速，如果飞船在行进的过程中，撞到这样的星际尘埃或者一粒沙子，飞船到底会怎么样？

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大家都可能看到过，有的飞机在升降过程中会撞到小鸟，在平均几百米每秒的起降速度下，小鸟就能够将飞机的玻璃窗或者机体撞出明显的损伤。那么飞船在亚光速（以99%光速计）的状态下，一粒沙子（重量为1毫克）相对于飞船的运行速度也为99%光速，那么这粒沙子所拥有的静动能E0＝1/2*m0*v^2=4.4*10^10焦耳，而相对论体系下的运动动能E’=1/2*m*v^2=1/2*m0*v^2/(1-(v/c)^2)^(1/2)=2.2*10^12焦耳，相当于约50万吨TNT爆炸所释放的能量，约等于几十颗“小男孩”原子弹同时爆炸产出的破坏力，试想飞船能抵挡得住吗？即使飞船没有被沙子所摧毁，只是“贯穿”过去，那么对于飞船的稳定运行也将起到严重的影响。

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同时，在亚光速飞行的过程中，即使不遇到沙子或者星际尘埃，在高速行进的过程中，飞船的船体表面与稀薄的星际气体之间也会产生强烈的摩擦效应，有可能使船体表面的温度突破5000摄氏度，这个温度也已经超过了地球上所有材料的耐受极限，因此想达到亚光速飞行的目的，从目前来看，不但是燃料效应跟不上、发动机技术跟不上，就连建造材料也满足不了需求。