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科学|光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子，会怎么样？


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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