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速度最快人造物体是什么,未来突破点有哪些,目前进展如何?

速度一直是人类文明发展的瓶颈,但速度最快有多种理解,并不都是之物体的移动速度。如何理解这个问题,现在最快是速度和未来发展趋势如何,我们一起来探讨。

速度最快的人造物体,概念有些模糊,这要看怎么理解速度和快的关系。现代速度最快的事物很多,比如俺国人引以为傲最快的事物就是“说曹操曹操到”。曹操是三国时代人物,已经过世整整1800年了,阴阳两隔还能够说来就来从过去穿越而来,你说有多快?

开个玩笑,调节一下气氛,省的科学老是怪严肃的,请勿当真。下面介绍几种现代和未来最快事物:

速度最快人造物体是什么,未来突破点有哪些,目前进展如何?

  • 飞秒技术。

2018年,加州理工学院(Cal-tech)和法国国家安全研究所(INRS)的团队,开发出了世界上最快的相机,刷新了瑞典科学团队创下的每秒5万亿帧拍摄速度,创造出每秒10万亿帧拍摄速度。

这是什么概念?就是光速为每秒30万千米,被认为世界上运动速度最快的极限速度。但这种摄像机能把光走1秒的路径拍摄10万帧照片,也就是光每走10um(微米),就被拍摄了一张照片。10um是多少?就是1/100mm(毫米)。

这个速度算不算快?就在数十年前,人们还常常因为某件很快的事情无法分辨而争论不休,如游泳、赛跑到达终点时,有的选手就差那么1μs(微秒,百万分之一秒),难分胜负,如果用上现在这种技术,1微秒已经拍摄了1000万帧照片;即便选手差距只有1ns(纳秒,10亿分之一秒),也很清晰能够分出来,因为在1ns时间,飞秒摄像机已经拍摄了10000帧照片。

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因此即便光速逃逸的物体,也会在这种摄像机下清清楚楚,无处可逃。这种技术就叫飞秒技术。我们知道1fs(飞秒)是1千万亿分之一秒,现在这种技术还没有达到真正的1fs1帧的速度,而是100飞秒才可以拍1帧画面。但这种相机已经能够捕捉光与物质之间的纳米级作用,对于探索世界深处最精细结构发挥了重大作用。

这项研究还在世界科学家们的推进之中,有望在可预见的未来,真正实现1飞秒拍摄一帧画面的飞秒技术,那时,在这种火眼金睛下,任何妖魔鬼怪也无法遁形,很多现象都能够破解。

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  • 三个宇宙速度。

如果要说人造物体的移动速度,最快的当然要数太空探测器了。我们知道在地球上,任何物体的运动速度一般不会超过每秒7.9千米,因为这个速度是第一宇宙速度,达到这个速度,地球就留不住它了,就会成为环绕地球飞行的人造卫星。只有当它们速度降低时,才会被地球引力拉下来。

第一宇宙速度即逃不出地球引力圈,也不会被地球引力拉下来,因此叫环绕速度。所有的人造卫星发射都必须达到这个速度,然后根据运行高度不同,执行不同的速度。要脱离地球引力,就必须达到第二宇宙速度,即每秒11.2千米。飞往其他行星的探测器,都必须大于这个速度,才能够脱离地球引力,因此叫脱离速度;而第三宇宙速度就是在地球位置,逃逸太阳引力的速度,为每秒16.7千米,简称逃逸速度。

计算三个宇宙速度的公式分别为:环绕速度V1=GM/r;脱离速度V2=√(2GM/r);逃逸速度V3=√(V2^2+v"^2)。式中,V1、V2、V3分别为三个宇宙速度值,G为引力常量,M为要逃脱引力的天体质量,r为人造物体与天体质心距离。逃逸速度公式里的v”为地球逃逸速度-公转速度42.2-29.8=12.4km;V2为第二宇宙速度。

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  • 目前人造天体最快速度。

现在人类发射的探测器,根据目标任务不同,设计发射达到的速度就不同。旅行者1号正以每秒17千米速度朝太阳系外飞去,这个速度是完全可以脱离太阳引力,飞往深空的。

实际上,现在人类发出的探测器速度已经远远大于旅行者1号的速度了,迄今创造最快速度记录的是NASA在2018年发射的帕克号太阳探测器。这个探测器是人类首艘真正的恒星探测器,它已经创造了距离太阳最近的记录,正在太阳日冕层(大气层)里冒着高温抚摸太阳这只老虎屁股,目的是弄清楚太阳风形成等一些机制,为人类预知预防太阳灾变而努力。

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现在帕克号的运行速度已经超过每秒100千米,而且还在进一步靠近太阳。现在人类发射的各种行星际探测器达到超过第三宇宙速度的速度,并不是靠发射时或者自带燃料来实现的,而是通过行星或太阳的引力弹弓效应得到的。帕克号也是如此,它通过地球、金星、太阳的引力弹弓效应,让自己的速度越来越快。

到2024年12月份,帕克号将到达距离太阳表面最接近的位置,届时距离太阳只有600万千米,根据角动量守恒原理,速度将达到每秒约200千米。这将是人造天体创造的最高速度记录。

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  • 走向深空,必须突破速度瓶颈。

人类终究是要走向深空的,但依靠目前每秒百十千米的速度,要飞出太阳系都是不现实的。因此突破速度瓶颈,一直是现代科学技术的重大难题。

光速是我们世界最快的速度,任何物体运行速度都无法达到光速,更不能超过光速,这是爱因斯坦相对论定下的规矩,也已经成为科学界的共识。因此,宇宙飞船要依靠提高速度达到光速是不可能的。

而宇宙的广袤无垠,对于人类来说是太大了,大得即便达到光速,也跑不了多远。如我们银河系直径达到20万光年,距离我们最近的一个大星系~仙女座星系,有254万光年。这就是说,即便人类有了接近光速的飞船,飞出银河系也是以十万年计,而要飞到仙女座星系需要数百万年时间。

由此即便宇宙飞船能够接近光速飞行,人类也走不了多远。

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  • 超光速幻想。

既然物质运动超越光速是不可能的,于是人类把目光转移到非物质直接运动上来。这样就有了几个机会,一个是时空折叠,就是把时空像纸一样的折叠起来,就像一把折扇,这样人们就能够从没有打开的折扇一样从这头跨越到那头,看起来没走多少路,却跨越了许多光年,这个速度理论上可以比光速快N倍到达目的地。

还有一种就是虫洞穿越,就是在大引力场作用下,时空会出现“虫洞”,就像一只虫子在一张巨大的纸上面咬了一个小孔,人们就可以从纸张的这边一下子穿越到纸张的另一面,如果要慢慢从纸张上爬行,爬到另一面需要100光年,而这样一穿就只要几分钟或者几个小时了。这又比光速快了多少倍?因此人们把虫洞又叫时空隧道,学名叫做爱因斯坦~罗森桥。

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这两种方式都能够比光速快N倍到达目的地,但都不是飞船本身加快了,而是通过曲速引擎实现时空折叠跨越或抄近道钻隧道到达目标,飞船该飞多快还是多快,没有巨大的时间膨胀效应,也不违背相对论光速藩篱的限制。

这两张突破光速瓶颈的方法从理论上是可行的,理论基础就是爱因斯坦广义相对论场论和时空弯曲理论。但要实现却是非常困难的,因为曲速引擎要在飞船周边实现时空折叠,或者人工制造维持一个虫洞,需要巨大能量,这种巨大打得令人无法想象。有人计算过,即便把整个木星全部实现质能转换,也驱动不了一艘小小飞船行走多远。

因此迄今为止,这些设想虽然有在计划研究中,并没有重大突破,能否成功,尚难预料。

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  • 比较接近现实的速度提升有两个计划。

计划之一:美国NASA在上世纪就发布了一个百年星舰计划,具体内容是在100年内建造一艘5万吨级星舰,采用核聚变为动力,速度达到光速12%,也就是每秒3.6万千米。这艘星舰将载着人类飞往太阳系外,寻找新的殖民地。不过现在的可控核聚变还在实验中,有人认为需要50年才能够推向商业运营。这个计划还是在克林顿当总统时代提出的,后来消息越来越少,是否有重大进展,不得而知。

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计划之二:2016年4月,霍金在世时亲自启动了一个叫做“突破摄星”计划,他与俄罗斯大亨合作,计划建造1000艘微型飞船。这种飞船采用光帆作牵引,每只光帆拉扯着一艘微型飞船,飞往距离我们4.22光年的比邻星。光帆采用大功率激光阵列催动,最终达到光速的20%,极每秒6万千米,这样飞到比邻星只要20多年时间。

微型飞船只有一张邮票大小,上面要装载通讯导航设施,还有高速摄影机和各种探测设备,到达比邻星后,在每秒6万千米速度的惊鸿一瞥中,把那里的样子拍摄下来,并把探测到的数据资料和照片一起发送回来。

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  • 这个计划难点是:

安装在地球上的激光阵列能催动光帆达到这个速度吗?微型飞船的所有设备都要纳米级精密制造,能造出来吗?导航和信息发送都要求十分精准,在4光年多的距离传送回信息,而凭这种纳米级飞船的微弱功率,地球能够收到吗?这些技术难题最终能否解决,这个项目最终能否成功,难以预料。霍金已经离开人类世界而去,因此计划是否能够继续坚持也尚无消息。

有人认为,霍金发起的这个计划就是一个大忽悠,他死了,就烟消云散了。我不这样认为,科学就是在这样一代代科学家的奇思妙想中不断前行的,即便这个计划暂时无法实现,但至少为后人提供了一种启示。

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  • 这使我想起人类关于光速的探索。

几千年来,人们从来也没有意识到光还有速度,以为光本来就是这样充盈着人间。但伟大的实验科学先驱伽利略脑袋就是与旁人不同,他注意到了这一点,他认为光虽然很快,但是有速度并可测量的。于是,他做了一个实验,让两位助手站在距离1英里的两个山头,手举灯笼,通过双方先后遮光来计时,想计算出这1英里光的传输时间。

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要知道,光在1英里之间传输只需要18.6万分之一秒,这种简陋的方式以及人眼速度分辨率限制,当然没有办法计算出光速来。但伽利略的启示激励了一代代科学家,在伽利略光速实验的300多年后,人们终于得到了准确的光速,这就是物理学最重要的常数c=299792458m/s。

这个故事告诉我们,人类前行的最大动力就是对世界充满了好奇,并且通过不断探索来解开世界的一层层秘密。速度也是这样,在一代代科学家们不懈努力下,瓶颈必将打破,人类终将走向深空。

就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。

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