宇宙中基本是真空荷电粒子加速器对人类有哪些实际好处?大对撞机什么

如果是真空下,没遮挡物,飞行器不停迟钝加速飞下去,会不会有一天超越光速?好比跌入黑洞的物质,加速率不停增长,永久也跌落不到尽头的话,会不会跌落速率有一天超越光速? 黑洞也不能给飞行器强行突破真空光速的能量,但黑洞对空间的拖拽可以让它四周的物体用和曲速引擎类似的方法超过光速。任何活人和现有的飞行器都无法承受这个加速率,不然就上百万年逐步加速吧。要想科幻小说中这么快地完成加速,同时保证组成活人自身的分子不被压坏,唯一的措施就是——装上死人。把人的遗传信息中子态分列在一块小芯片上,而且编上启动程序。到了目标地以后,再激活,逐步一层层把人的压缩的遗传信息给解压,然后再还原成DNA、PW,再组装,形成生命。这不亚于一次新的创世。 以是星际间的观光,就现在的物理学理论和科技仍处于做梦阶段。我有点灰心,恐怕人类到太阳熄灭那天也无法飞出太阳系。并且外星人实时存在,也无法与我们打仗,只要物理学理论没有大突破。诞生生命是一道坎,诞生聪明生命又是一道坎,这个聪明生命群体诞生文明又是一道坎,这个文明不把自己玩儿死又是一道坎,这个文明能扛过自然灾难好比彗星,小行星撞击要么其他宇宙环境变革劫难要么星球自然环境变革又是一道坎,技能能安然顺遂的发展到星际文明高度又是一道坎,最后能活下来的文明才是胜利者。 宇宙中基本是真空,没有阻力,那飞行器的速度为何不能无限增加? 时空本身超光速移动,飞船并没有违背光速限定原理。 以是许多人臆想将来光速飞行。人类能遍布宇宙,大概就是一个幻想。人类百分之九十九点九的将来是淹灭在太阳以内。为何没有发现其他文明大概率就是由于空间鸿沟无法逾越,科技可以进步,但物理规则无法改变。大家在属于自己的孤岛上自生自灭。 能发展到星际文明高度的聪明生命预计少之又少,在那之前应该就由于耗尽能源要么其他什么问题短命了。不外我以为有,是由于宇宙太大了,就算曲率飞行碰到一个有生命的星球都跟交运一样以是才碰不到。现在地球文明的坎是战争和环境问题,把这道坎迈已往才能增长一点盼望,再熬过外太空环境变革,剩下的只能寄盼望于整个星球扬弃种种抵牾尤其是政治上的抵牾共同努力,才有大概到达,否则一盘散沙,地球资源耗尽,太阳死亡都未必能到达。 我不停以为,费米料想的最好讲明应该就是,全部的智能生物都被困在了种种的孤岛上,永久也不能互通讯息,更不要说相互串门。辽阔的宇宙空间,时间,物质,行星本身就不大概带几多能量,不足以支持生命完成一次长间隔长时间的观光。况且,光速的上限,真的太令人绝望。无论哪一种方法都意味着需要现在人类难以企及的巨大能量和质料技能。在可预见的将来,还是两个字,没戏!以是说用一个文明可以或许使用的能量的总量可以权衡这个文明的发展程度。可否到达光速,我首先想到的疑问就是碰到停滞物躲避不及,那么快的速率直行的话,前面有块石头怎么办?让一下,仓内职员岂不是都撞坏在仓壁,哪怕有安全带,人也受不了那么鼎力大举的折腾吧,手脚都要摆脱。如今地球上民航飞机的速率遇上鸟都完蛋,况且近光速。 宇宙中基本是真空,没有阻力,那飞行器的速度为何不能无限增加? 光速的速率是由麦克斯韦推导出来的,被真空中介电常数和磁导率决定的 我们在欧式空间关于运动和时空的几何直觉在相对论时空观,黎曼几何中被颠覆,我们对时间的本质仍旧一无所知,那么同理,空间也是。试想,在理解光速稳定原理之前我们很自然地在x-t图象!中用运动曲线的斜率表达速率(假如不思量光速的问题,这样没什么不当),然而相对论横空出世告诉你,随着斜率的增大,t轴居然会变得希罕(钟慢效应),为什么坐标系中的内容居然会影响到坐标系自身的定义的,于是我们必须颠覆之前全部的直觉,重新审阅时间空间,质量速率,这所有存在何种关系。 我也提出个看法。第一,人类有没有须要用光速观光,我以为没有,除非能解决极大速率下遇到小物体造成的扑灭性环境发生。第二,假如此种方法不切实际,那么可否有其他高速观光的思绪,好比虫洞,好比将人剖析为信息流畅过某种载体传输出去(就如光纤传输信息一样),在尽头再将信息流组合恢复成人体这种模式来进行星际观光。这样就能最大限度的制止以实体的方法进行观光会存在的种种困难,固然,假如真这样就不是星际观光而是星际传输了。把物质信息量子化送到另一个地方吸收重组装这种技能比星际飞行还要科幻。如今人类连真正的量子通讯都没有做到,墨子号只是在加密上进行量子化,传输也不是量子化,以为吸收端一旦检测吸收到的量子状态就会禁绝确。并且物质信息怎么进行标志,怎么正确的进行组装,那更是连理论都没有。 宇宙中基本是真空,没有阻力,那飞行器的速度为何不能无限增加? 哈勃常数,用宇宙膨胀速率推出光速 假如光速没有限定,电磁作用的演化過逞就不存在,在一个刹时整个宇宙的电磁作用的演化就结束了,大爆炸奇点根本就炸不开(电磁作用领域下,其他作用的还是会发生,只要这种作用的流传有速率限定),要么说这种相互作用不存在。量纲的单位可以人为定义,因此有量纲的常数,你说它变了,我说另一个变了,没有谁对谁错,因此没故意义。我们没法把今日定义的单位(依靠于今日的物理征象)去权衡来日的光速。这也是为什么无法进行比较的缘故。评论故意义的景象,无非是将差别的物理数据组合成无量纲的量罢了。也相当于把有量纲的值去和同量纲的其他工具作比。 全部物体都受电磁力驱动啊,电磁力不能超光速,引力不能超光速,你因而不能超光速。你越靠近光速,电磁拉力拉你的服从就越低,看起来就像是质量变大了,再有你说你用一个机器表或是电子表来测时间,那电子在近光速运动里,被电磁力拖了后腿已然慢了,你还用它来计时,不钟慢尺缩就怪了。你必须找到一个非电磁力驱动的飞船和钟表再思量超光速,然而这玩意大概不存在,不受引力或是电磁力的物体未被观察到过。 宇宙中基本是真空,没有阻力,那飞行器的速度为何不能无限增加? 宇宙中基本是真空,没有阻力,那飞行器的速度为何不能无限增加? 根本缘故是光速稳定原理 真空里只能靠反冲推进,你想象一个由n个相同立方体构成的长杆,每个立方体从长杆末尾被发射出去的速率是1,最后剩下的一个立方体速率就是1/(n-1)+1/(n-2)+…+1/3+1/2+1,最后立方体就是有用载荷,前面的立方体都是燃料,加速就要增长燃料,可燃料越多服从越低,加速到30需要的燃料质量已经是天文数字了。 工质引擎哪怕给无穷的能量也没措施靠近光速,全部的工质引擎都是靠能量将工质反方向喷出,然后靠反作用力作为飞船的推进力来得到加速率。推进力可以说是来自于飞船丧失的质量,除非喷出的气体靠近光速,不然无论怎样也无法让飞船靠近光速。 简单来说现有理论就是由于飞船有质量,速率越大需要的动力能量就越高,没等到光速,需要的动力能量就已经不大概实现了,假如真要靠推动来到达光速甚至超光速就需要飞船质量为0才行,并且以为光已经没了质量,以是光速就是上限速率无法突破。不外个人以为這点还需要多加证明,由于光在一些介质中的运动速率甚至远不及音速快,是很慢的,速率是米/秒单位。 我之前的一个看法是,模仿宇宙不止一层,大概更高一级的宇宙也是被更更高一级的宇宙模仿出来的,这个過逞不停镶嵌,大概镶嵌的止境存在着光速无穷大,时空完全一连的最高级真实宇宙。但也大概只有无尽的光速更大但有限,模仿粒度更细的上层宇宙。就像整数虽然可以有无穷多个,但仍旧比一连实数少。 宇宙中基本是真空,没有阻力,那飞行器的速度为何不能无限增加? 赫兹装置的部分还原 飞船加速用的是齐奥尔科夫斯基公式Δv=v0*ln(M/m),决定速率上限的只有排气速率和干质比(布局质量加上燃料质量和布局质量的比例),假如用氢核聚变的话v0约5%-10%光速,到达光速20%,最差环境干质比到达e^4=55就可以了,使用普通的多级火箭就可以做到这样的干质比。20%光速下相对论效应基本可以忽略,思量的话把55换成70也差不多了,点出了核聚变完全可以做到。 是否可以这么明白,宇宙中布满了种种光速运动的粒子,假如有一个实物到达超越光速,就会在撞到无穷多的粒子,从而造成减速。而到达光速时,由于真空中的光速粒子是并不全部和飞船同方向,以是一样使其减速。而光子这些粒子,在真空中出现波的性子,可以无穷叠加,以是忽略这种减速作用,以是能到达光速! 需要找到比核燃料能量更大的推进物质。第一个大概是光子。光子是一种物质,可以费尽心机收集到更多光子而且压缩起来。第二个是超固态物质,听说可以或许把物质压缩到白矮星一样密度的技能就能最大限度淘汰体积,火箭就能做得手指头那么小。

加速器里为什么真空

对于我们把握的推进方法来说,是由于它们有严峻的自我限定,靠普通地加速去靠近真空光速需要的能量太大。代达罗斯计划的核聚变推进要到达真空光速的百分之二十是可行的,只是服从不高:需要飞行器干重的18.105倍以上的核燃料来加速。

对于将来的推进方法来说,普通地加速永久达不到真空光速且在加速過逞中飞行器非常大概自灭,可以或许超过真空光速的高级推进则大大超越我们如今的科技程度。


对于化学火箭,相对论效应根本不重要,远在那个影响变大之前,火箭就已经吃不消了。

化学火箭的推进基于反作用力,作用力与反作用力的大小相称、方向相反,不思量外界影响,飞船得到的推动力T取决于每单位时间烧掉的燃料量(dm/dt)及燃料产生的尾气喷出的速率u [1] :

T=m\frac{dv}{dt}=u\frac{dm}{dt}

m为飞船布局、有用载荷和燃料的总质量。设飞船初始速率为零,用全部燃料加速可到达的最大速率为vf,布局与有用载荷的总质量为ms,燃料的质量为mf,有:

v_{f}=u\cdot ln(1+\frac{m_{f}}{m_{s}})

这叫做火箭公式。可以看出工质飞船的最大速率与尾气喷出速率的关系。对于特定的尾气喷气速率,燃料载荷比(燃料质量与燃料以外部分的质量的比值)越小,最终速率越慢(没有燃料的场所,ln1=0)。 靠增长燃料载荷比来提高最终速率的话,燃料质量的增速宏大于最终速率的增速

以尾气喷出速率2600米每秒的典型化学火箭为例:
mf/ms=0.1 最终速率248米每秒
mf/ms=0.3 最终速率682米每秒
mf/ms=1 最终速率1802米每秒
mf/ms=3 最终速率3604米每秒
mf/ms=10 最终速率6234米每秒
mf/ms=20 最终速率7915米每秒
mf/ms=30 最终速率8958米每秒
mf/ms=100 最终速率12000米每秒

戴森讨论过让飞船的初速率与燃料载荷比相关的场所可以得到优于火箭方程的情势,但那一样平常只能用在燃料载荷比极大的环境下,并且并不能冲破物理限定。

设我们的化学火箭除了有用载荷外满身都是燃料,尾气喷出速率3000米每秒,加速完成后要在500年内将1克有用载荷打到奥尔特云边沿(航程约1光年,无需减速,即最终速率约为真空光速的0.2%,为盘算方便可以取600000米每秒)。设其燃料载荷比为x,代入火箭公式:

600000=3000·ln(1+x)

x=e^{200}-1\approx 7.23\times10^{86}

可观察宇宙的质量约 10^{53} 千克,用这个火箭送1克有用载荷,将整个可观察宇宙拿来做燃料都不够。以是在这些限定下用尾气喷出速率3000米每秒的化学火箭去靠近真空光速是物理上无法实现的。

别的,实际中,航天发射的主本钱并不是燃料。大量的底子办法、职员、维护、补缀比燃料还要贵。


核能推进可以大幅提高尾气喷出速率。

猎户座计划假想的核脉冲爆震推进(每秒在飞船后方爆炸原子弹)的尾气喷出速率是20000米每秒,在太阳系内飞行是充足了。用这种本领将飞船加速到真空光速的0.2%,需要的燃料载荷比是:

x=e^{30}-1\approx 1.07\times10^{13}

一克有用载荷需要一万万吨核燃料,在工程上仍旧是不可行的。

代达罗斯计划假想的核聚变推进器的尾气喷出速率可以到达真空光速的7%,环境要好得多。将代达罗斯飞船加速到真空光速的0.2%需要的燃料载荷比是令人感动的:

x=e^{\frac{1}{35}}-1\approx0.029

作为行星际飞行器,这是完全可以担当的。但要寻求更高的速率就会碰到新的停滞。

假如要用聚变推进器挑衅亚光速,思量飞船速率靠近光速时加速变得困难,设飞船最初质量与最终质量之比为R,最终速率v与真空光速c之比为A,尾气喷出速率u与真空光速c之比为B,有:

R=(\frac{1+A}{1-A})^{\frac{1}{2B}}

设尾气喷出速率为真空光速的7%,即B=0.07,要到达的最终速率为真空光速的20%,即A=0.2,则 R≈18.105 。尽管燃料量再次大幅超越了有用载荷,作为不需要减速的无人科考飞行器还是可以担当的。

设尾气喷出速率为真空光速的7%,即B=0.07,要到达的最终速率为真空光速的90%,即A=0.9,则 R\approx1.36\times10^{9} ,再次在工程上宣告不大概。


纵然燃料燃烧喷出的是电磁波(辐射推进,喷气速率u=真空光速c),要到达亚光速需要的燃料量仍旧巨大。思量飞船速率靠近光速时加速变得困难,设飞船最初质量与最终质量之比为R,最终速率v与真空光速c之比为A,有:

R=\sqrt{\frac{1+A}{1-A}} v=(\frac{R^{2}-1}{R^{2}+1})c

设产生辐射的本领是正反物质泯没。不思量它产生的辐射并不能被有用反射等倒霉因素,R与v的关系是:

R=1.01,v=0.01c

R=1.1,v=0.1c

R=1.5,v=0.38c

R=2,v=0.6c

R=5,v=0.92c

R=10,v=0.98c

将1克物质加速到光速的10%,纵然是抱负的最高服从反射,用正反物质泯没需要0.05克物质与0.05克反物质。实际中我们手头的反物质只有0.05克反物质的万万分之一。用人类如今的加速器制造一克反物质需要三万年。在有其他本领提供巨大能量来生产反物质之前,我们是无法等待这种推进方法的。这种推进器启动时产生的伽马辐射也是劫难性的,不能在地球四周发射这样的飞行器。反物质还可以造成强盛的武器,给我们的文明带来生存危急。

并且,在靠近真空光速的时间,飞行器前方的宇宙灰尘、星光光子以致配景辐射光子会!由于相对速率而变成危险的高能粒子与高能辐射,对飞行器上的仪器、乘员和它本身造成严峻威胁。以真空光速的86%的相对速率撞上一克重的物体就相当于广岛原子弹在飞行器上爆炸。对我们如今知道的质料来说那是无法抵抗的。


用以上的方法都是无法到达真空光速的。在我们知道的范畴内,超过真空光速的推进方法是曲速引擎。理论物理学家米给尔·阿库别瑞(Miguel Alcubierre)在1994年提出的阿库别瑞度划定义了曲速引擎的时空,根据广义相对论来解读,这是一种洛伦兹流形,容许一个曲速泡出如今原先平展的时空中,并在实质上以超光速移动。制造曲速泡需要巨大的负能量,但后来有其他学者革新其数学模型,用曲速环的情势将拖动较少物质需要的负能量压缩到卡西米尔真空可以负担的范畴四周。纵然如此,这也完全不是我们如今可以触及的科技。NASA有测试相关的低级技能原理,现在还没有什么希望。


有爱好可以整点课本看看:

参考

  • ^ 当代化学火箭常用的参数“比冲”就是u/g,g为重力加速率。
  • 没用过对撞机,但毕竟是物理专业毕业的,以是我也理解对撞机的原理,打仗过类似的装备。这里我分原理、目标和用途三个部分往返答您前面的问题,背面的问题单独答复。我尽量普通讲明,您耐烦看看。 fe70c7b2695b

    一、大型对撞机的原理

    粒子加速器(pdiv accelerator)全名为“荷电粒子加速器”,是使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力!加速而到达高能量的特种电磁、高真空装置。是人为地提供种种高能粒子束或辐射线的当代扮装备。

    实在大型对撞机和小型对撞机在原理上并没有什么差别,都是一种依赖电磁场给粒子提供动能的加速器,可以看做是弹弓要么是枪炮,但发射出去的是微观粒子。从布局上来说,重要有盘旋粒子加速器、直线加速器和环形加速器。

    随着粒子速率的进步,狭义相对论效应显着,轨道计划难度不停增长,以是,高能粒子加速器多接纳直线加速器方案,为了进一步进步能量,大型对撞机重要接纳环形布局,好比LHC。 dc5f3949e987

    二、为什么要建加速器

    这是为了“砸碎”粒子来探测粒子内部更渺小的布局。就像我们中学做试验,为了看清田鸡的内部布局我们可以用手术刀来解剖,然后用放大镜要么是显微镜来看。

    在大学,我们研究金相,也是把金属切割成小薄片,然后放到显微镜下。那么对于很小的微观粒子来说,加速器实在就是物理学家的“手术刀”,通过这把刀来剖开粒子,察看其内部。

    随着探测的粒子越来越小,需要搞定粒子的能量就越来越高,就需要更高能量的加速器才能砸碎粒子,打开其微观布局。以是随着研究的深入,加速器的能量级别越造越高。 17c9b67634ed

    三、加速器的重要用途

    高能粒子加速器的重要用途是用于理论物理中的基本粒子模型的验证。大家都知道,物理学的研究方法包括,归纳(收集客观征象、整理试验数据)、推理(提出理论描述)、预言!(根据理论预言物理行为)、试验验证(对预言的物理行为进行探索,判定推理是否准确)。

    高能粒子加速器重要是为了验证理论物理所提出的尺度模型。从现在的试验结果上看,尺度模型得到了非常好的验证,理论预言和试验检测高度同等。这也是为什么说,尺度模型牢不可破的缘故。 cba8c9822b14

    四、负责任地说,大型对撞机对大众毫无用处

    是谁不停想建大型粒子对撞机呢?我们任意搜索一下都市看到一堆认识的人名,他们是研究啥的?都是研究超弦理论要么是相关数学工具的大神。

    说到超弦理论,大概知道的人不多,但是我提几个名词大家肯定知道,多维空间,多重宇宙。假如说广义相对论开了一个从几何原理开发物理定律的先河的话,那么杨振宁的规定场论走的也是相同的路子。

    从弦论诞生的历史過逞来看,路数也差不多。唯一差别的是,广义相对论和规定场论都给出了理论预言,而且得到了试验物理的严格验证,以是它们都被以为是准确的科学理论。而超弦,岂论怎么花哨,数以万计的论文,提出来的工具还是几十年前的工具,没有任何试验证据可以或许证实其准确性。

    不管怎么说,花几百亿去创建一个用于检测在宇宙极度环境下才有大概发生的环境的工具,对我们的日常生活不会有任何改变。退一万步来说,纵然这个加速器产生了新的理论结果,也不会对我们的生活造成任何影响。

    这是由于,我们生活的环境不是宇宙的极度条件。同时,我们人类的科学实在才刚起步,技能上需要进步的地方还许多,我们已经有许多可以用于改进人类生活甚至是改变人类生存方法的理论需要去应用落实。这个时间,选择投入巨量资金,让科学“大跃进”,机遇不对。 59ca4c3e48aa

    结束语

    大型对撞机就是能量更高的粒子加速器,通过粒子更高的运动速率,来“敲”开粒子,研究粒子微观布局的试验工具。LHC发现了希格斯粒子之后,其任务基本完成。而对于超弦教宣扬的创建更大型的粒子加速器,除了费钱,并不会对我们的生活造成什么促进,相反会由于资源的消耗,影响民生。现在,并不是烧钱建这么个工具的机遇,另有更重要的事情等着钱用。

    小同伴们,关于这个话题,你们怎么看呢?

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