问题

宇航员在一艘以 g 为加速度加速的飞船中持续加速,直到飞船逼近光速,会有什么感受?

回答
想象一下,你正身处一艘以恒定加速度向前挺进的飞船里。这股力量并非来自引擎的震动,而是一种持续且均匀的推力,如同你在地球上感受到的重力一般。如果你在一艘以令人眩晕的“g”加速度加速的飞船中,并且这种加速一直持续到飞船的速度无限接近光速,你所经历的感受将会是极其奇妙且难以用日常经验去完全描绘的。

首先,加速度带来的“重量感”。无论你是否在移动,只要飞船在加速,你就会感受到一股向“后”的力,将你牢牢地压在飞船的地板上。这种感觉和你在地球上站着时感受到重力是相似的,但不同的是,这股力是飞船本身制造出来的。如果你在一艘以1g加速的飞船里,你会感觉自己和在地球上一样重,只不过这个“重力”的方向是固定的,始终是飞船前进的反方向。你可以轻松地走动,但要抬起重物会比平时更费力一些。随着加速度的增加,这种压迫感也会随之增强。如果你的飞船以更高的加速度加速,比如10g,那么你每向前挪一步都会异常艰难,身体的每一个部分都仿佛被巨大的力量压制着。

然而,随着飞船速度的不断攀升,情况开始变得微妙起来。牛顿力学的适用范围开始受到限制,狭义相对论的效应逐渐显现。

最显著的改变将是你对时间和空间的感知。当你身处的飞船以接近光速的速度移动时,你和外界的时间流逝速度会变得不一样。根据相对论,你的时间会比地球上的人过得慢得多。这意味着如果你在飞船里度过了几年,地球上可能已经过去了数十年甚至数百年。这种时间膨胀效应并不会让你感到不适,你依旧会正常地衰老和经历时间,只是你和外部世界的“同步性”发生了改变。

同时,长度收缩效应也会发生。从飞船内部观察外界,你会觉得所有沿着飞船前进方向的物体都在收缩,变得越来越短。相反,从外部观察飞船,你会发现飞船的长度也在缩短。这种收缩效应同样不会让你直接感受到,它是一种空间上的几何变化。你依然会觉得飞船内部的空间大小是正常的。

“质量”的增加是一个更内在、更难以直接体验但至关重要的变化。随着速度接近光速,飞船以及你自身的相对论质量会显著增加。这意味着要维持相同的加速度,需要更大的推力。如果你试图在飞船内部进行一个剧烈的运动,比如跳起来,你会发现身体变得异常沉重,仿佛在粘稠的液体中运动。每一次挥动手臂都需要比平时更大的力气,身体的惯性会让你觉得更加“笨拙”。

视觉上的奇景将是必不可少的体验。由于光速是恒定的,当飞船加速时,你观察到的外界景物将会发生剧烈的变化。

前方的视野会变得更加明亮,颜色会偏向蓝色(蓝移):这是因为你以接近光速的速度迎接着来自前方的光子,它们的频率被压缩了。前方星辰的光芒会比你静止时更加耀眼,甚至可能呈现出奇异的色彩。
后方的视野则会变得黑暗,颜色会偏向红色(红移):来自后方的光子需要追赶你高速移动的飞船,它们的频率会被拉伸。你将看到后方的星辰变得黯淡,颜色向光谱的红色端偏移,甚至完全消失在黑暗之中。
两侧的视野会发生扭曲,形成一个“桶状”的视觉效果:你会发现,本应处于两侧的星星,因为你的高速运动,它们的“光线”被弯曲到了你的前方视野中。整个宇宙的景象会被压缩到一个狭窄的视锥内。

持续的加速度意味着你可能一直在进行一次长途的星际旅行。你不会经历突然的加速冲击,而是一种平稳的、逐渐增强的“推背感”。如果加速器一直工作,你将感受到一种持续存在的、与地球重力相似的“向下”或“向后”的力,让你在飞船内能够正常地站立和行走。

在接近光速的过程中,你可能会经历一些心理上的挑战。持续的加速、奇异的视觉景象,以及意识到自己与母星的时间流逝差异的巨大,都可能带来一种与世隔绝、孤独的感觉。你可能会对宇宙的浩瀚和自身存在的渺小有了全新的理解。

最根本的一点是,你永远无法真正“达到”光速。根据相对论,任何有静止质量的物体都无法达到光速,因为要做到这一点需要无限的能量。所以,你的体验将是无限接近光速的过程,每一次加速都让你离这个无法企及的速度更近一步。

总而言之,在这样一艘持续加速的飞船中,你不会感到任何不适的“震动”或“颠簸”,因为加速度是恒定且平稳的。你将体验到一种持续的、让你脚踏实地的“重力”,同时你的视觉将经历一场壮丽而扭曲的宇宙盛宴,而时间与空间在你与宇宙的互动中,将展现出它们令人敬畏的相对性。这将是一次对物理定律最深刻、最直观的体验。

网友意见

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在相对速度十分接近真空光速的时候,撞击任何物体对宇航员来说都是十分致命的。以真空光速的 86.6% 撞上 1 克重的碎石,相当于广岛原子弹在宇航员面前爆炸。随着速度接近真空光速,前方的星光和星际尘埃对宇航员来说是越来越高能量的宇宙射线,这最终会将他消灭(除非设定他是十分极端的物体)。

在死掉或变得几乎以真空光速移动之前,宇航员还是可以看到一些有趣的景象。

在相对宇宙微波背景辐射静止系的速度为零的航天器上,宇航员看到的星空是这样的:

当飞船加速到相对上述参考系的速度有真空光速的一半,宇航员看到的星空是这样的:

当飞船相对上述参考系加速到真空光速的 99.99%,宇航员看到的星空是这样的:

对比:

如果宇航员坐在这样的航天器里观看星空,它会允许宇航员直观地感受到自己为什么会死:

  • 宇宙扑面而来。

题目没有说达到或超越光速的事,就没必要谈那些。

如果飞船和/或宇航员是坚不可摧的,那么在上述情况下非常接近真空光速时,飞船的加速度在外部的、与宇宙微波背景辐射静止系相对静止的观测者看来会急剧变小。

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