如今,飞机和高铁的速度不断刷新着我们的认知。
在地球上,我们的速度似乎已经足够快了。
与光速相比
【菜科解读】
工业革命后,内燃机的出现促进了汽车的诞生,人类的速度得到了质的飞跃。
如今,飞机和高铁的速度不断刷新着我们的认知。
在地球上,我们的速度似乎已经足够快了。
与光速相比,我们的速度又显得如同蜗牛一般缓慢。
若要飞出太阳系,进入更广阔的星际空间,人类的速度是远远不够的。

天文学家认为,宇宙是无边无际的。
仅仅是可观测宇宙的直径就达到了930亿光年,而我们银河系的邻居 仙女座星系与我们相隔了254万光年。
也就是说,即使以光速行进,也需要254万年才能到达离我们最近的其他星系。
在最初,科学家们认为光速应该是无限快的。
因为当时根本没有人或仪器能够检测到光速的延迟性。
对于每秒30万公里的光子们来说,地球的赤道周长仅为4万公里,实在微不足道。
有史以来第一个尝试测量光速的人是伽利略。
他和助手站在两座距离较远的山顶上,各自提着一盏灯。
伽利略首先遮住灯光,一旦助手看见他遮住灯光,也会遮住自己的灯光。
通过测量伽利略遮住灯光到助手遮住灯光的时间差,他可以试图测量光速。
对于每秒30万公里的光速来说,在地球上的两个小山包之间来回跑根本是瞬间的事,根本不可能被伽利略的人眼所感知。
直到19世纪,阿曼德 斐索发明了旋转齿轮法,光速才有了被准确测定的可能。

旋转齿轮法由一个半透镜和一个可控制的旋转齿轮组成。
通过将光源透过齿轮折射出去,观察者则在半透镜后观察。
当齿轮静止时,射出的光线到达反射镜后会通过相同的齿缝回到原处。
但当齿轮开始旋转并达到一定速度时,光线在返回透镜的过程中,原有的齿缝会转走,光线被挡住,从而使得观察者无法看见光线。
当齿轮转速更快时,回到观察者处的光线能够通过下一个齿缝,光线又可以被观察到。
通过测量齿轮转速、齿数以及观察者到反射镜的距离,科学家们可以计算出光在单位时间内通过的距离,从而得到光速的近似值。
现代科学已经确认,光速在真空中的数值约为每秒299,792,458米。
这是一个巨大的速度,但对于星际探索来说,仍然是缓慢的。
为了克服这一限制,科学家们一直在思考和研究如何实现超光速航行。
然而,目前没有任何已知的物理理论或技术能够突破光速的壁垒。
根据狭义相对论,当物体接近光速时,其质量会无限增加,需要无限的能量才能达到光速。
因此,超光速旅行似乎是不可能的。

科学家们也在探索其他的星际探索方式,例如利用虫洞或曲率驱动。
虫洞是一种理论上存在的时空弯曲,可以将两个不同地点的空间连接起来,实现跨越巨大距离的快速旅行。
但目前我们对虫洞的了解还很有限,无法确定其是否存在,更不用说如何利用它进行星际探索了。
曲率驱动是另一种研究中的概念,它涉及到扭曲时空的方法来实现超光速旅行。
这需要控制弯曲时空的能量和物质,以创造出一种类似于 泡沫 或 波浪 的结构,使航行器能够在其中快速移动。
然而,曲率驱动的概念仍然处于理论和实验阶段,远未实现可行的技术。
目前人类的速度仍然受限于光速,而要实现超光速的星际探索仍然是一个科学和技术上的挑战。
尽管我们对宇宙的探索受到了速度的限制,但科学家们在不断努力寻求突破,或许未来会有新的发现和技术的出现,使得星际探索成为现实。
现代行星形成与演化理论从本质上是不允许中空星球存在的,因为质量达到一定程度的天体都会因为引力发生向心坍塌,挤压填满原来存在的空腔,让星球成为一颗像地球这样的岩石金属星球,或者是像木星和土星一样,外部被气体物质包裹,拥有一个超高压固态内核的气态巨行星。
天体内部的空腔或者说空洞只可能存在于不规则小行星内,任何一颗独立存在于太空中的天体,其质量达到一定程度后,原本不规则的外表就会因为静力平衡和引力影响,自动变成球形或者近似球形,如果天体外表被液态水或者气态物质包裹的话,这颗星球的圆润程度就会更上一层楼。
所以如果我们把地球海洋抽干的话,地球其实是一颗两极稍扁赤道略鼓的不规则球体,而太阳一类的恒星因为是动态等离子体构成的,所以其形状也会发生不规则变化,但这种变化程度和太阳的体积相比微不足道,太阳依旧还是那么圆。
2016年《国际地球物理学杂志》曾发表过一篇论文,内容讲的是科学家探测到了太平洋和非洲下方的质量异常点,它的结构很像当初 中空地球 的支撑柱,而且论文作者认为这两个位于地幔区域的质量异常点,并不是地球诞生之初就存在的,而是来源于远古时期的一次天体碰撞。
准确来说,是因为忒伊亚数百年来天文学家始终搞不清月球的来源,也无法解释这颗直径相当于地球四分之一的星球是如何出现在地球旁边的,因为太阳系内质量最大的木星,其卫星大小也才和月亮差不多,地球作为一颗质量只相当于木星318分之一的星球,凭什么拥有一颗和木星卫星相似的 巨型天然卫星 呢?目前的科学界认为,月球来源于45亿年前一颗火星大小天体与早期地球的撞击,天文学家将这颗假象中的天体命名为 忒伊亚 ,它与地球撞击产生的碎片在后来绕地球公转的过程中受引力影响,慢慢凝聚成了今天的月球。
但并不是所有碎片都成为了月球的一部分,科学家认为在45亿年前的那场剧烈撞击中,忒伊亚的内核其实是 嵌入 了地球内部的,最后达到逃逸速度并组成月球的那些碎片,只是忒伊亚和远古地球的一小部分。
通过收集大量地震波数据,地质学家们建立了一个比以往更精细的地球内部结构模型,进而就发现了我们一开始提出的,太平洋海底之下和非洲大陆之下的质量异常点,它们就是由忒伊亚当年撞击地球形成的。
现阶段虽然忒伊亚撞击说,是有关月球起源最合理的推论,但天文学界目前并没有确切证据来验证这个理论,未来只能发射探测器在地月系内巡游,看看能不能找到当年撞击产生的,还没有被月球和地球引力捕获的碎片。
目前人类虽然能熟练离开地球,但对地球本身以及地球内部的了解其实并不多,前苏联打下的科拉超深钻孔也不过1万多米深,连地壳都没钻透,地幔和地核区域更是只能通过地震波来反向还原,想要彻底搞清楚地球内部结构,唯一的办法还是尽量钻一个深一点的洞,甚至是像刘慈欣的《地球大炮》一样直接钻穿地球。
然而无论是送人上太空或是送探测器上太空,现在唯一的方式就只有火箭,它是人类目前唯一能把有效载荷送上太空,甚至是太阳系边缘的运载工具。
但所有人都知道,火箭绝无可能把人类文明带进太空时代,因为它的效率和运载能力都太低了,虽然马斯克的可回收火箭能降低相当大一部分发射成本,但想要把数十万吨甚至数百万吨的有效载荷送上太空,依然是不可能的事。
归根结底,火箭发射是一项十分复杂的综合性技术,涉及火箭推进技术、控制和制导技术等多种高精尖科技,而且舰体、发动机等设备都十分昂贵,所以现有的大部分火箭基本都是一次性运载火箭。
2019年把两颗通信卫星送上太空同步轨道的阿丽亚娜5型运载火箭,在当时的报价为每次发射任务1.78亿美元。
德尔塔五型重型火箭是美国现役的最大型号运载火箭,能够将11吨有效载荷送上月球,8.8吨有效载荷送上火星轨道。
如此强大的能力下费用也极其高昂,每次发射高达4亿美元。
因此科学家们一直希望能有一种足够简单,运载能力也足够大的新型设备,用于取代笨重的火箭,让人类得以大规模进入太空。
比如太空电梯1895年,一位中年人正在参观法国的埃菲尔铁塔。
在当时埃菲尔铁塔还是世界上最高的建筑,看着高耸入云的塔尖,这位中年人突发奇想:能不能在赤道上建造一座直通太空的塔,像圣经里的巴别塔一样,这样一来人们乘坐升降梯就可以到达太空。
这个中年人就是现代航空航天之父,俄罗斯火箭科学家齐奥尔科夫斯基,若干年后,科幻小说大师阿西莫夫在他的长篇小说《天堂的喷泉》中详细阐述了太空电梯的建造过程: 在赤道上空36000公里的同步宇宙空间站里,把一条缆索和地面上巨大的轨道塔链接,由于该空间站和地球同步,所以相对于地球来说空间站就是静止的,如此一来就可以不使用火箭也能进入太空,有效载荷也可以大幅提高。
任何人在看到太空电梯后,都会惊叹于它的简单明了,因此在科幻作品中,高耸入云的太空电梯成了人类文明未来往返近地轨道的标配。
但问题是,太空电梯对材料的要求太高了,想用太空电梯连接地球与太空,就必须准备若干条长达10万公里的缆绳,而且要把保证这些超级缆绳不会被地球引力压垮撕碎,同时也不会被自己的质量压断,最重要的是这些缆绳的造价必须足够便宜,唯有如此,太空电梯才能逐渐在全球开枝散叶。
近几十年来,纳米技术的发展,尤其是碳纳米管的发展,已经让人们看到了一丝建成太空电梯的曙光,因为这种材料的抗拉强度是钢的100倍,但是密度只有钢的六分之一,是一种非常理想的材料:足够轻,足够坚韧。
日本建筑公司大林组,放言要在2050年建成太空电梯,它们将从地球上抛出一条长达96000公里的碳纳米管电缆,为了稳定塔身,自身还有12500吨的配重,预计可承载100吨的乘坐者或太空探测器。
在用计算机模拟了建造数据后,大林组认为建成太空电梯在技术上是完全可行的,首先建造这些数量庞大的碳纳米电缆大概需要20年,然后先在地面部署20吨的电缆,再进行大约510次加固,在十八年内连续上升高度。
主体电缆部分完工之后,在一年内就可以完成其他部分的建造。
太空电梯一旦建成,预计每次升空所消耗的能量不及火箭的百分之一,利用车厢将货物送往太空站或空间基地,将大大节省人类探索太空的成本,同时还可以发展太空旅游业,游客可以不经任何训练就可以登上太空,实现真正意义上的去太空 旅游 。
虽然可能价格不会太便宜,但相比动辄上千万美元的私人太空游,太空电梯为普通人实现太空梦提供了更多的可能性。
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