宇宙纱线:科幻小说和光速

作者:楚阋

Cosmic Yarns由Robert Scherrer博士提供科幻小说的一个持久主题是银河帝国:成千上万的星系通过波光粼粼的太空船连接在一起,为什么不呢?几千年来,地球上的文明从狩猎 - 采集者从一个裸露的存在发展到遍布行星的帝国当然,我们的下一步将是殖民银河不幸的是,这种银河帝国将注定失败,而不是外星人的敌人,也不是内部的分歧,而是一个多世纪以前德国物理学家的发现阿尔伯特爱因斯坦可能是有史以来最伟大的物理学家之一,但是他做的更多是为了粉碎有抱负的星际探险家的童年梦想。曾经生活过爱因斯坦的人在1905年发布了一个宇宙速度限制,并且它仍然有效范德比尔特物理学家罗伯特谢尔瑞尔用科幻小说编写科学研究补充他的科学研究(信用:丹尼尔杜波依斯/范德比尔特大学)无论你多少能量进入宇宙飞船,无论你怎么努力,它都不会比光速更快地移动不用说,这会在科幻小说上抛出湿毯子太空旅行的梦想银河系中的恒星通常相距约10光年,而美国的城市相距约100英里。因此,在几乎以光速移动的宇宙飞船上探索我们的星系,就好像在全国各地开车一样一辆拖拉机以每小时6英尺的令人眼花缭乱的速度向前推进!想象一下,在这些拖拉机的船队中,有一群探险家在北美洲散步,你对探索和殖民我们银河系的难度有所了解即使访问另一个城市,更不用说将文明放在一起,如果我们受到限制的话也是不可能的。如此缓慢的速度但为什么有宇宙速度限制?像物理学中的许多新思想一样,它源于两个不同领域之间明显的矛盾 - 在这种情况下,经典力学,描述物质通过空间的运动,和电磁学让我们从一个世俗的例子开始想象你正在巡航高速公路在左边车道上以每小时70英里的速度行驶在右边车道前面的是一辆以每小时60英里的速度行驶的汽车显然,你会快速通过这辆车,但速度有多快?从您的角度来看,看起来您相对于较慢的汽车每小时以70-60 = 10英里的速度移动到目前为止,非常好我们有一种直观的感觉,我们可以添加和减去这样的速度但是这里的问题当科学家正在编纂解释电和磁的法则,从方程中突然出现一个奖励:他们预测我们应该看到某种辐射以每秒186,000英里的速度行进当然,科学家已经看到了这种辐射:它是叫光!但似乎没有办法让光以任何其他速度行进这些方程式为光提供了相同的速度,没有任何暗示如果你朝向或远离光的运动移动速度会有所不同大多数科学家认为我们对光传播方式的理解存在某种问题毕竟,预测光存在的理论只有几十年的历史,所以也许有一些东西缺失但是爱因斯坦更加彻底他建议我们增加和减去速度的法律,物理学家已经理所当然地认为已有数百年了,但事实上,他假定无论你走向或离开的速度有多快,光速都必须相同。从光!这是一个真正奇怪的想法让我们回到你的汽车以高速公路每小时70英里的速度行驶如果你以每小时10英里的速度将一个棒球扔出车前,一位站在路边的朋友会看到球在70 + 10 = 80英里每小时向前移动但是现在假设你打开你的头灯那么光会以每秒186,000英里+ 70英里/小时的速度沿着道路行进吗?没有!站在路边的朋友会以每秒186,000英里的速度测量光线,所以你也会这样,你永远不能用光束“赶上”如果你的太空船可以以一半的光速移动,而且你试图超越一缕光线,你仍会看到它以每秒186,000英里的速度逃离你,即使你可以加速到99999%的光速,你会看到光以完全相同的速度从你身边移开光是众所周知的姜饼人 - 尽可能快地跑,但你永远不会抓住它你甚至不会接近它事实上,加速和减速的法则必须合谋,无论观察者移动的速度或方向多快,都要保持光速相同。实现这一目标的唯一方法是扩展或接触空间和时间物体移动在爱因斯坦之前,科学家认为空间和时间是僵化的,不变的统治者总是有一个固定的长度,时间以相同的速度传递到各处但是爱因斯坦的理论预测空间和时间是可塑的随着物体越来越接近速度在光线方面,它们会在运动方向上缩小,时间会减慢,而且所有这一切都将确保光速不变,例如,如果一艘宇宙飞船以90%的光速飞过你身边t,你会看到它缩小到只有它的一半大小如果你可以透过飞船窗口观察船内的时钟,那么它的运行速度只会快一半(这称为“时间膨胀”)你可能会我认为太空船上的乘客会看到你伸展到两倍的长度,你的时钟速度是你的两倍,但实际情况恰恰相反,从宇宙飞船乘客的角度来看,他们处于休息状态,而你它们以相反的方向以90%的光速飞向它们所以他们会看到你的钟表运行缓慢而你的身体压缩到它的宽度的一半这不是一个矛盾吗?谁是对的?你们两个都是爱因斯坦的假设之一是物理定律对于任何以恒定速度和方向运动的人来说是相同的(这在技术上称为“惯性参考系”)所以你们每个人都有权考虑自己休息,另一个人几乎以光速移动你们每个人都看到另一个人的时钟运行缓慢(是的,这听起来很奇怪)但现在我们可以为爱因斯坦博士设置一个陷阱当飞船降落时会发生什么你将时钟与宇宙飞船乘客进行比较?谁的时钟真的很慢?问题是你现在违反了爱因斯坦的规则之一他的预测只适用于你继续以恒定的速度和方向移动(因为这是一个非常特殊的环境,这个理论被称为狭义相对论,或者特殊的相对论(简称)当太空船减速并返回地球时,它必须改变它的速度和方向 - 它必须加速在那时你和宇宙飞船之间的等同性被打破了,时间确实在太空飞船(对你来说更快)对狭义相对论的另一个预测是,光速是一个绝对极限而这就是科幻小说的问题所在。科幻小说如何试图逃避这种限制,或者生活在它的边界内?这就是我想在下一篇文章中谈到的Cosmic Yarns博士是Robert Scherrer博士的新博客,他出版了科幻小说作家,范德比尔特大学天文学和物理系主任。它致力于探索科幻小说的交集 - - 在Twitter,Facebook,Google +,....