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宇宙飞船能超光速飞行吗?这是空间飞行器超光速的基础原理

时间:2020-07-05 22:01:44

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宇宙飞船能超光速飞行吗?这是空间飞行器超光速的基础原理

经典运动力学

自人类的文明出现在这个行星上,我们对未知探索的渴望一直都没有止步,不论是在亚里士多德时代,还是伽利略或者牛顿生活的那个时代。

早期人类对于物体运动的本质,可以追溯到亚里士多德的时代。那时候的古希腊的哲学家亚里士多德(Aristotle)认为物体的自然状态是静止的,当受力或者冲击作用的时候才会运动。从中得到一个观念:重的物体下落的速度比轻的物体快,因为重的物体受到来自大地的力比轻的物体大。此后,这个观念保持了一千多年,直到伽利略(Galileo Galilei)的出现。当时还在意大利比萨大学念医学的天文物理学家伽利略对此有些疑惑,想看看不同重量的物体同时下落后是否如同亚里士多德所说的那样不同时间坠地,因此有了比萨斜塔落球试验的传说。先不管传说是否真实,但那时候的伽利略的确做了一些关于物体运动规律的试验。他把不同重量的圆球从光滑的斜面上滚落下。试验测量的结果显示,不管物体的重量大小,其速度增加的速率是一样的。当然,铁球和羽毛是不能比较,因为羽毛下落时候受到的空气阻力比铁球大。但是在没有空气的真空里,这两个物体的下落速度是一样的。此外伽利略还提过惯性定律,任何物体如果没有力作用在它上面,都将保持静止或做匀速直线运动状态。伽利略的这些研究都为后来英国物理学家艾萨克·牛顿(Sir Isaac Newton)在运动力学规律上提供了启示。

由牛顿总结的运动力学定律如下:

第一定律:惯性定律。任何物体如果没有力作用在它上面,都将保持静止或做匀速直线运动状态。

第二定律:F=ma

描述力同物体的运动变化的关系。速度的时间变化率a与力F成正比,而与物体的质量里成反比,即a=F/m或F=ma;力越大,加速度也越大;质量越大,加速度就越小。

第三定律: 作用力与反作用力定律 两物体之间的作用力和反作用力,大小相等、方向相反且在同一直线上。

此外,牛顿还发现出了质点系的动量守恒定律:当质点系所受的合外力为零时这一质点系的总动量矢量就保持不变。 0=

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中学时代的发现

2002年,当我还在念高中二年级的时候,发现了一个平常却又奇怪的现象。而这个现象,几乎所有学过物理的人都知道。一束光射入玻璃中,光子的速度小于真空的速度。而当光子穿过玻璃之后,光的速度又恢复为299,792,458m/s。为什么光子穿过玻璃介质后的速度仍为光速?而一颗子弹飞向一个苹果,子弹很容易就能够穿过。穿过后的子弹速度却比原来的小。

图1-5 子弹在穿越苹果后的速度变小 280

这是为什么呢?我曾带着这个问题请教高中物理授课老师,但是可能因为我没有很好地阐述这个问题,以至于他没有听明白我的提问,而把问题简单归结于:用动量守恒定律来描述现象。实际上,我知道用动量守恒可以用来描述现象,而我不需要结果,我想知道是什么原因导致两个现象的不同结果,以及它们的变化过程。然而,我并没有发现物理学领域中有谁曾注意到以上这两个现象,并给出解释。也正是因为这个,怀着强烈好奇心的我不得不自己去寻找答案。

那时候在物理教科书中还找到一个有意思的东西。那就是动量守恒中关于正反电子湮灭现象的描述。正反电子一旦相遇,就会湮灭成高能光子。很多人可能看见这个现象也只会简单想到“动量守恒”。肯定没人会去思考另外一个问题:为什么反物质与正物质粒子一接触就湮灭成光子,并且这其中的速度变化极大呢?

现代物理学关于这个现象的解释太粗糙了,或许根本不是叫解释,而是动量守恒定律和能量守恒定律的综合应用。中国教育的物理题目往往喜欢用动量守恒或者能量守恒作为题型考学生,同样现代物理学研究也出现类似的答题解惑现象。不过,我最擅长的不是解题作答,而是寻找物质体的本源规律。

当我发现能量守恒和动量守恒并不能解释物质体运动问题的根本所在的同时,我还看到人们的思考偏于计算事物变化的开头和结尾,对内在本质的变化过程也就错过了。比如研究加速器中粒子试验,用高速运动的中子轰击某个原子的原子核,然后计算轰击后出现几个中子、质子、电子数和方向等等。我更偏好于一个现象转变另一个现象的过程。我想了解物质速度变化过程中,物质自身是如何变化的,细微的物质自身变化的过程更有实质意义。

哲学的外因和内因

我记得那时教授我们高中政治和哲学课的老师经常说的一句话

在哲学中,外因总是通过内因才能改变事物状态。

因此,我猜想在物质中必定有一独特的内因,使光束穿过玻璃之后,在无任何外加的条件情况下光子自行恢复它的速度。而这也是物质能存在速度的内在原因。物质有不同的速度的存在,首先,物质本身的内在因素允许这些“速度”的承载。如果这个内在因素不能满足的话,那么,就不存在这些速度。

为此,我假设了一种模型,关于一种物质内在微观秉性的关于速度极小的基元和这些基元的组合。其不同的速度基元组合结构,可以决定物质不同的速度。而光子内在的速度基元,假设是我们空间中最散的组合,那么就可以解释为什么光子穿过玻璃之后而速度不变(光子不变),光子在玻璃中,玻璃介质中的环境影响到光子的速度基元组合结构,令光子的速度变小。但光子在穿越玻璃的过程,因为光子仍旧是光子,其自身的物性并没有因为在玻璃介质中运动而改变掉。所以当光子穿过玻璃之后,它的微观的速度基元组合结构可以在瞬间恢复,其速度也因此而恢复。

而正反物质湮灭为光子,则可解释为:双方的速度基元组合结构被破坏,转化为最散的组合,致而瞬间拥有光速。(见示意图1-6)

从中,我们也不难发现一点:物质的不同速度的存在,也必存在内在微观的不同的细微状态。而要改变物质运动的状态,是可以通过改变内在微观状态来达到宏观上的改变。我个人认为,动量守怛定律和牛顿三定律也是通过改变物质内在微观状态从而改变物质的速度。当物体被施加力后,要想让其速度产生变化,都必须把内在的微观速度基元组合结构改变掉,从而才能有宏观上速度的变化。而从中我们还可以得到一点:若能用一种方式,直接影响到物质的内在细微状态(速度基元组合结构),也一样能够达到改变物质的速度的目的。当然,如果没有外力的作用,本身稳定的物体的速度基元组合结构是不会产生变化的,也因此物体能保持其相对静止或者匀速直线运动状态。

物体并非只因为外界的作用而产生运动,而实际上都是依靠外界条件,并通过自身微观速度基元组合来改变宏观上的运动状态。不论是应用牛顿的相互作用力还是动量守恒定律,也只能作为改变物体运动的外界的条件。或者也可以说牛顿的相互作用力和动量守恒定律只是外在的条件影响内在因素的一种手段。

外界因素如何影响物质内在微观速度基元组合结构?

△E为额外增加的动能。然而,人们通常都知道物体加速后的动能变大,变大的动能意味着该物体速度的变大。但是,人们或许从未想过为什么增加能量(动能)后的物体的速度会变大。而这就是“注重过程物理”的思考方式,关注着物体变化的整个细微的过程。

假若一电子,能量的增加但不辐射光子,那么,△E到哪去了?若说粒子质量变大了。要知道测量质量时,粒子通过自身的场影响仪器。如果说转换为动能,也太粗糙了。那么动能在电子里哪个地方?我认为,△E隐入粒子的内在量场中。而内量场的改变,使粒子内在微观状态(基元组合结构)的改变。而任何物体被施加了力,而作为外部条件的力必须通过影响该物体的内在因素来达到改变其状态的目的。这也是动量守怛定律或牛顿定律改变物体运动状态的必需途径。

“速度基元组合结构”同爱因斯坦狭义相对论之“光速不变原理”

在本章所提供的运动力学模型下,我们可以不用复杂的洛仑兹变换,就可以解释跟爱因斯坦相对论相关联的一个问题『光速不变原理』。

实验:一个人在一运动的物体上向不同的方向用手电筒发射光束,不论你在哪个速度惯性系里去测手电筒发射出来的光束中的光子的速度,其速度都是C=299,792,458m/s。一直以来,人们对此感到疑惑不解。

因为按照经典的运动学规律,光子的速度应该为

而实际测量的真实值仍旧是V光子=299,792,458m/s,也就是说光子没有因为手电筒朝哪个方向发射光束就改变其速度,任意方向的光子速度都是一样的。

"光速C不变原理"的意思简单概括是,无论你在多快速度的物体上,无论你往哪个方向运动,你所测量到的光束的光速都是C。也可以这样理解,你把光束细分成光子,再把光子想象成橙子。你以任意方向,任意速度捕捉到的都是橙子(光子)。橙子(光子)的物性是不是没有改变,那么,无论你用什么仪器测量它,它始终都是橙子(光子)。橙子能吃,而光子的速度在平稳的真空中永远保持着C的物性。这就是光速C不变原理。这也是为什么人们用精密仪器无论怎么测量真空中光子的速度一直保持C不变的原因。

在此,我可以用新动力学的物质微观的速度基元组合结构模型对此作出解释。同光子穿过玻璃介质的情况几乎一样,当那个人用手电筒向任意方向发射光束时,所发射出来的光子本身的微观的速度基元组合结构在我们的空间中有可能是极限最散的状态,无法再继续产生变化,所以不论你从哪个方向发射光子,其速度都是一样的。除非,光子内在微观的速度基元组合构能继续产生变化,从而承载更多“速度”。而如果你丢出去的是苹果,那么就不一样了。因为苹果的微观基元组合机构还能继续承载“速度”。

同相对论比较,相对论考虑的是宏观物质时空运动规律,而在新动力学里,我们考虑的是物质的微观速度的本质机制。从中我们还可以发现一点,如果光子微观的速度基元组合结构已经是我们空间中最散的结构的话,也许在某些情况下光子或者其它物质微观的速度基元组合结构可以变的更散,以此拥有超过C=299,792,458m/s的速度。(早期宇宙的光子速度可能超过现在光子的速度。《星际之门-空间飞行器超光速原理》第三章“我的宇宙和空间飞行器超光速原理”有详细介绍)

许多人一直纠结于这个试验中的光子在任意方向的光速不变问题。其实这个试验跟光束穿透玻璃的意义是一样的。但是,我们只是看到了一面。如果要深入研究物质运动的本质,我们还应该重视到正反粒子接触的瞬间,其湮灭后的速度为光速现象。

电磁加速器实验室

我深信一定还存在其他方式,只要能影响物质内量场及矢量方向,就一样可以影响物体在宏观上的运动状态。如果能实现,那么依据此可以制造出来一种全封闭式的飞行器。这种全封闭式的飞行器可以通过改变自身微观的速度基元组合结构来产生宏观的速度效应,而不必依靠喷射物质来推动和加速。在实验物理学里的粒子加速器,算是一种能让物质直接获取速度的方法。带电粒子在电磁场里可以被加速到极高的速度甚至接近光速。也许在加速器实验室里我们能更深入了解一些关于物质内在本质关于速度的规律。我能隐约感觉到粒子体物质被加速的内在变化的过程。

当应用新动力学作为飞行的方法时,在空间运动时飞行器也是需要消耗能量的。但这种飞行器将非常适合在外层空间飞行。我们将不需要费那么大的力气去计算飞行器的轨道了,我们可以随时获得动力的矢量方向,能随时改变运动速度,并且可以做遥远的星际空间飞行而不必携带大量的喷射助推燃料。或许,以后只要带上太阳能高效电磁板或者做切割磁感应线的线圈就可以去星际旅行了。总之,这就是我对物质速度的内在本质原因的粗浅分析和思考。

*现代前沿空间飞行器技术*

太阳帆船

利用太阳光子进行加速推动飞行器。在宇宙空间,因为没有空气,其阻力几乎为零,因此太阳帆船可以利用巨大的帆翼接受光子推动。,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)发射了一枚带有太阳帆飞船的火箭,并顺利让其扬帆在外层空间中。

反物质动力飞船

反物质飞船是利用正反物质湮灭产生的能量作为推动力。正物质同反物质相遇,会湮灭并产生巨大的能量。有人计算过,只要携带几公斤的反物质,就够一艘空间飞行器长距离的飞行使用。但问题是,获取反物质的成本极高。可能在近几十年甚至上百年内,人类很难用利用反物质作为飞行器燃料。

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等离子飞行器

当气体被持续高温加热,其原子的电子同原子剥离,形成正负电的粒子状态称为等离子态。而等离子飞行器原理就是在飞行器内加热物质使其变成等离子态,然后通过磁场控制等离子气体的方向,喷射出飞行器外,致而获得反向速度。按照这种模式预想,飞行器最好携带的物质是核燃料,通过核反应加热氢使其变成等离子态,然后利用磁场引导等离子体喷射方向。

总结:

新动力学原理是研究物质体超光速原理的最重要基础。飞行器超光速原理是建立在这个模型之上。牛顿建立了物理学的基础,而牛顿力学(Newtonia machnical)是运动学的基础。我现在所介绍的新动力学同以往的或现在的运动学研究的角度不一样,但都是为了更深入地阐述物质规律。相比之下,新动力学的假设是直接建立在物质微观上。因为现代科学文明同伽利略或牛顿时代不一样了,现代的实验物理已经观测到并显示物质的粒子基本组成,如中子、质子、电子、夸克等等。因此,我可以借此基础假设物质微观的速度基元和速度基元组合结构的存在,并进行解释一些微观粒子如光子、正反电子湮灭等运动现象。

现代物理学的一个遗憾就是未把速度列入研究的对象。人类不停地想去寻找到一个比一个小的粒子,而忽略了物质微观的速度本质。尽管我们人类对物质微观的组成的观测和发现会越来越多,但是对于物质最小组成“粒子”却仍有疑问。因此我在新动力学原理中的物质微观的“速度基元”和“速度基元组合结构”的假设并不会结合夸克或者超弦去讨论。如果你在这两个领域有非凡的造诣,不妨试试看能否在这两个领域里拓展出一个关于物质速度的微观本质规律。

对于新动力学并没有结束,相关物质微观速度本质的规律只是开始。速度基元组合结构是物质微观上的速度本质,具有强烈的弹性。假设中的速度基元是物质最基本构成的能量元的一种秉性,而能量元可能不是粒子体。

-----文章来自《星际之门-空间飞行器超光速原理》/韩统义著-----

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