誰拯救了未來的地球?(二)

愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,當兩者相對直線恆速運動,假設一方靜止,會量度到相對運動者的時間變慢。是為「時間膨脹」(Time Dilation)。

假設地球是一靜止的慣性座標系統,其時間是 t,而一太空船等速(v)飛離地球,其時間是 t‘。兩者關係可以以下式表示之:

t = γt’

其中 γ = 1/√(1-β²) 為 Lorentz Factor; β = v/c,相對於光速 c。

事實該式由 Lorentz 導出,稱為 Lorentz Transformation,但他沒有發展成一套理論。愛因斯坦採納並結合其他相關現象,歸納為一理論系統,是為狹義相對論。廣義相對論則探討有加速的相對運動,也就是「重力」,gravity。

相對論的真髓在於「相對」。在等速運動下,太空船也可看作是不動,而是地球在動,所以是地球的時間慢了。(乜話?各自看對方的時間都是慢了!?)也因此而引起很多違反日常直覺的迷思(paradox),在此暫且按下不表。

太空船從地球出發,須要加速,很明顯是在運動。假設太空船以 1g (9.8ms⁻²)加速 (因為是等於地球重力加速度,最適合人體)。又假設要加速至接近光速,需時:

Since v = g*t ,

t = 3x10⁸ / 9.8 s

  = 0.97 yr

即是說須用約一年時間才能將太空船加速至接近光速。事實上要加速到近光速是萬分困難。因為速度越高,慣性質量越大,需要非常巨大能量;越接近光速,所需能量更接近無限。

又假設將來這些加速等等的技術難題都能一一克服(warp drive, laser, anti-matter, gravitational slingshot??),我們能在一年內將太空船加速至:

v = 0.999999995 c ,即

γ = 1/√(1 - 0.999999995²)

  ≈ 10⁴

銀河系直徑 10⁵ ly ,以光速由一頭至一尾需時十萬年(地球時間)。但對於以上述接近光速前進的太空船,則只需時(太空船時間):

t’ = t / γ

  ≈ 10⁵ / 10⁴ yr

  ≈ 10 yr

所以太空船只需十年便可以橫越整個銀河系!再考慮雙程往返的加減速,最多只需時二十四年便可來回整個銀河系。但所有旅程有長有短,並不是都由頭去到尾,故可以假設平均二十年一轉旅程,便可以遨遊銀河系了。可是船上二十年,回到地球時,地球時間已經過了二十萬年!只是不知是否:

桃花依舊笑春風,人面不知何處去!

星際旅客在感嘆故人之餘,卻也樂見人類得以安居於銀河系各個角落!

 

所有評論

fairdinkum - 2018年08月15日 08:01

Ryan Weed has appeared in TEDx Talk earlier in 2016, explaining his idea of anti-matter propulsion.  This young fellow is obviously very bright, he's got a PhD in anti-matter research from the top Australian research university ANU. He is also an ex US Air Force pilot, he actually knows how to fly!

Have you ever imagined how interstellar travel could work? | Ryan Weed | TEDxDanubia

​Anti-matter propulsion has it merits.  The annihilation process converts all mass into energy, while nuclear fusion converts less than 1%. The main problem is how to manufacture large quantities of anti-matter (in tons)!

 

fairdinkum - 2018年08月15日 08:10

前日升空的太陽探測器 Parker Solar Probe,將會在2024年12月最接近太陽,到時最高速度只是時速七十萬公里,即 200km/s (人造飛行物最高紀錄),這也才是光速的 0.067% (β=2E5/3E8=0.00067)。

載人太空船的速度紀錄則是1969年 Apollo 10 的時速四萬公里(11km/s)。

fairdinkum - 2018年08月15日 09:14

相對論引起很多令人迷惑的結果,完全違背了我們日常生活的經驗和直覺。只因為我們生活在、和習慣了一個低速的環境。這和微觀世界的量子現象令人難解一樣。

fairdinkum - 2018年08月15日 09:18

假如一個小孩從出生一直生活在非常高速的外太空、或極微小的原子世界,那一切相對論或量子論解釋的現象,都是他們的日常經驗,是自然不過的。

fairdinkum - 2018年08月15日 09:20

同理,假如你成長、生活在匪国以外,獨立自主也就是非常自然的事了。

古語不是說:夏蟲不可以語冰?

fairdinkum - 2018年08月15日 09:40

人的成長期是非常重要的。即使長大後換了個環境,思想行為仍是不易改變。

所以那些什麼名校海龜之類,大部分也只是赤腳專家而已。

同樣,那些有幸脫離匪籍的海外愛国人仕,赤腳思維,莫不如是。

trybest - 2018年08月15日 10:39

如果愛因斯坦的狹義相對論已是物理學理論的頂峰,再結合人體的生理結構特徵,對於星際移民,人類可以死心了.

在目前物理學水平之上,再結合人類生理結構去討論星際移民,有點類似太監討論傳宗接代,生理結構本質上的缺陷,技術再好,又如何能達成?

看了壇主昨日發文,有一個猜測:點解見唔到,或少見外星人?如果要進行星際移民,可能要解決兩個問題:1.科技水平;2.生命體的結構堅韌度及生命周期足可以承受星際移動帶來的各種困難.

1及2,恐怕是一體兩面,沒有足夠的生命周期,科技水平的發展,恐怕難以延長,就好似目前的地球教育,生命短暫,生命一旦結束,個人智力就不能再完全延續,延續的只是個人的一部分,就如同所有科學家. 目前地球知識量雖仍在發展,但個人接受教育的時間相對古代卻是大大延長了,讀到博士的年齡,在古代已是達不惑之年,在古代已可歸入老一輩之列,那麼,以人類目前的體質,如果知識量再倍增下去,那麼將來讀完書,可能可以達到如今的退休之齡了,那還如何能發展下去?

因此,假設真有可以進行星際旅行或移民的外星生命,能夠培養出這類型生理結構及生命周期的星域應該是非常苛刻,至於其它大多數星球,即使可以產生生命,也只是屬極低等,就好似地球上某些生命,隨下雨積水出現,然後又隨水干而消失.對於可以進行星際旅行或移民的星際生命,恐怕其生命形式與地球生命本質上不同,即使來了地球,也可能如同經過沙漠,得物無所用,毫無價值可言,自然就無興趣逗留,即使一時興起,恐怕也只是擄極少個體進行研究一番而已.

如果猜想成立,那麼人類想進行星際移民,恐怕重點首先不是物理學水平的提升上,應該是生命科技為主為重.只有將人類生命形式改至足可以克服以上缺陷為止.由此,就不得不提目前的DNA技術發展,人類想不隨地球或太陽的終結而終結,恐怕必然要將人類不斷改造成類似超人那樣的更高生命形式才可(或者將來這種生命形式,與目前的人類生命形式從本質上已極大不同,將來的地球高等生物回望今天的人類,或許會有類似人類看三葉蟲之感),如果不能改造人類目前的生命形式,恐怕人類就只能與太陽系,甚至地球共存亡.

timcheung1019842 - 2018年08月15日 11:10

fairdinkum兄好, 匪国匪籍難說, 今朝又見兩篇被刪  (其實好多sci-fi以香港做背景,我可不可想自己未來 ) , ( 主權大於人權,權力優先於權利 。 )

timcheung1019842 - 2018年08月15日 11:15

 以香港做背景,想下自己未來 , 科幻野都唔畀登。

timcheung1019842 - 2018年08月15日 11:21

正確來說, 轉載問"以香港做 科幻背景,我們可不可想自己未來 ?"都唔畀登。

fairdinkum - 2018年08月15日 12:15

壇友提出很關鍵的問題。星際旅行就是要運送活生生的人,首要任務自然是要保護人體在過程中不受傷害。可是人體非常脆弱,只適宜在地球這個溫室生長。

當在太空近光速飛行,表示太空船亦受太空中的游離粒子和高能射線撞擊,速度相同相反。就像受到 LHC 粒子加速器中的粒子撞擊。那麼怎樣設計護罩和散熱?熱能可以利用,但護罩材料為何?(利用nano-tech?)

生活環境只要差異不太大,反而是次要問題。經過數萬年多少代之後,人體會慢慢演化適合環境。

fairdinkum - 2018年08月15日 12:18

日前壇友懷疑光速並不是極限。這是合理懷疑,但要小心求證。

已有多種方法證明,如果光速不是極限,便會破壞因果律(Law of Causality)。而到目前為止,我們未發現有違反因果律的事件。

請問,人可以早於父母出生嗎?

fairdinkum - 2018年08月15日 12:21

添哥,何解?或者可以試試減少發文量。

不過也不必太認真,請睇右便嗰個千年豬欄作家名單,便知得啖笑了!

trybest - 2018年08月15日 13:33

如果說相對論已是人類物理學發展的絕頂,恐怕是無法令人苟同,而且眾所周知,每個定理,每條公式,每個公理其實都有成立的前提條件,脫離前提條件,就難以成立,而且從科學發展史看,即使曾被視為絕對正確,而且流行千年的所謂科學道理,都會隨科技的進一步發展而不成立,或發現原來只能某些特定條件下才成立.將來發現,將一個有局限的論據推出來的推論無局限去套用,是非常不嚴謹.

如果光速不是極限,便會破壞因果律----對這個說法,個人覺得似乎更無稽.速度只是物質運行的快慢,何以會涉及玄之又玄的因果?速度是速度,因果是因果,某一個物理現象就決定了因果,似乎說不通.或許根據相對論可以推出一些匪夷所思的推論,但個人的猜想是:就正如一條曲線,可能這一段符合這個方程式,但未知的下一段卻屬於另一個方程式,而下一段卻與目前這一段銜接得很順滑,那麼根據目前這一段方程式去繪畫或射出未來的那一段,顯然就會出錯,但又不能說目前這一段方程式是錯的.正如我上段所說,除非每一個科學結論都沒有局限,那麼衍射出去的未來一段才正確,否則, 就不宜濫用所有推論,即使要應用,也必須在結論的局限條件下去應用推論,不能脫離出結論的局限條件範圍.而相對論,個人認為只屬於物理學範疇,與玄之又玄的因果是不同領域.

另一個話題,個人認為人類生命形式要出現重大改變才能進行星際移民,其中理由是壇友昨天發文提到的三千人一個空間站那個計劃,首先人的生命太短暫,如果以目前所知的觀測結果去探測,那麼到達可宜居星球,恐怕沒有人可以有足夠壽命到達,那麼可依靠的只有這三千人去不斷繁衍,這就出現一個問題:就是時間一長,經過幾代,這三千人到最後可能都變成近親繁殖,當中的害處是眾所周知,到時不要說去探測,有沒有足夠人才去維持空間站運作都有問題.如果說,到時可能已可解決這類問題,如果能解決,必定是生物科技相當先進了,就回到我之前的假設,就是只有當生物科技先進到一定程度後,人類才能進行星際移民.而這個問題的解決,不是定居於新星球時才去解決,而是由地球出發去探測前就要解決,因為人類必先要有能力克服探測過程中的問題,才能出發,反而之後定居新星球是水到渠成.

fairdinkum - 2018年08月15日 14:34

https://en.wikipedia.org/wiki/Causality

“...Causality is one of the most fundamental and essential notions of physics.  Causal efficacy cannot propagate faster than light. Otherwise, reference coordinate systems could be constructed (using the Lorentz transform of special relativity) in which an observer would see an effect precede its cause (i.e. the postulate of causality would be violated)....”

 

Big Mac - 2018年08月15日 18:32

細胞修復技術現在還是起步, 連器官再生都未做到, 所以去外星探索還有一大段時間, 在外太空因為有大量幅射會接觸到, 沒有這些技術, 探險的人可能生命大打折扣. 但這個技術同時也是獨裁者最想要的科技, 大家可以問一問一些領導人想不想長生不老?

fairdinkum - 2018年08月21日 07:58

The following talk by Prof Fay Dowker is highly recommended.  She touches upon Time, Causality and Buddhist logic.  These are the topics where physics meets philosophy.

She is professor of Theoretical Physics at Imperial College, London.  Her areas of research are quantum gravity, foundations of quantum mechanics and causal set theory.  Her PhD adviser was Stephen Hawking, and she delivered Hawking's eulogy at his funeral.

 

View on YouTube

 

fairdinkum - 2018年08月21日 09:33

Prof Dowker’s parents are also physicists.  She excelled at mathematics in her early days at Cambridge.  She speaks in such a gently British English accent which is very enjoyable to listen.

 

General relativity sees spacetime as continuous, while quantum gravity postulates that spacetime is discrete.  Prof Dowker changed her view on spacetime from continuous to discrete during her research.  She now works on quantum gravity, which tries to apply quantum mechanics to quantize spacetime.  So her work is very similar to that of Carlo Rovelli, perhaps with a different approach

 

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