在探討超光速與光速的相關問題時,愛因斯坦的狹義相對論無疑是無法迴避的主題。根據這一理論,我們得知光速無法被超越,且任何具有靜質量的物體也不能達到光速。在物體以近光速移動時,其質量將趨於無窮大,而要加速到這一速度則需要無窮多的能量,這顯然是不可能的事。
然而,在以下的假設性討論中,我們將暫且把狹義相對論中的光速限制放在一邊,只從理論層面去分析飛船以光速飛行的可能性。
在愛因斯坦的理論體系中,除了光速限制外,還有一項關鍵原則——光速不變原理。這一原則指出,在任何參照系中測量,光速都是恆定不變的,與光源的移動狀態無關。換言之,光速與其它速度的疊加並不會改變其速度值,光速是絕對不變的。
儘管這一原理起初看似假設,但後續的科學實驗觀測結果無不支援了這一論斷,即光速的確是絕對的、不變的。
掌握了這些關於光速的基本知識後,讓我們深入探討下一個話題。
倘若飛船以光速飛行,並在飛船上開啟一盞燈,燈光將怎樣移動?我們分兩個場景來考慮這一問題:飛船內部和飛船外部。
假如你坐在飛船內部,對於你而言,那道光束會如何移動呢?如前所述,光速不會因光源的移動而改變,也就是說,你看到的光束仍會以光速前進。即便飛船的速度超越了光速,你所見的光速依舊是光速。
邏輯上講,在這種情況下,那道光應當能照亮飛船前方。但實際情況並非如此,這是為何呢?
我們不能被地球這一有限的空間所侷限,在廣闊無垠的太空中,開啟燈試圖照亮前方,實則是多此一舉。因為在太空中幾乎沒有可反射光線的物質存在,開啟的燈光只會直線前進,無法進入你的視線。也就是說,你根本看不到那道光,自然也無法藉助它照亮前方。
如果你試圖在太空中用強光手電筒照明,那是不可能實現的。唯一能看見手電筒發出的光的方法,就是直接照射自己的眼睛,否則,沒有任何物質能將光線反射到你的眼中。
那麼,對於一位外部的觀察者來說,情況又是怎樣的呢?假設我在太空中觀察飛船和那束光,我會看到什麼樣的景象?
如果太空中只有你所在的飛船,沒有任何其它參照物,我將無法分辨飛船是處於靜止還是運動狀態。
然而,我看到的情況將是,飛船與那束光的速度一致,因此,飛船、你以及那束光將始終處於同一水平線上並肩前進。
實際情況自然遠比這複雜。
考慮到多普勒效應,如果飛船朝向我飛來,那束光的波長會被壓縮,頻率增高,出現藍移,我將看到藍色的光線。反之,如果飛船遠離我而去,波長會被拉長,出現紅移,我將看到的將是紅色光線。
假如飛船的速度超過光速,我會看到飛船超過光束,光速被壓縮至飛船的頂端。若飛船的材質足夠堅實,那麼它將能夠突破光障,把那束光留在後方。
這樣的現象與核反應堆中常見的“契倫科夫輻射”相似,會發出藍色光輝。契倫科夫輻射指的是,在某種介質中,移動的物體速度超越了光速時所發出的以短波長為主的電磁輻射。
例如,電子在水中的速度可以超過光速,這裡的光速是指在水中的光速,大約是真空中光速的四分之三。當電子速度超過水中的光速時,電子的前端會產生震波波前,光波會被“堆積”起來,導致光爆,類似超音速飛行時產生的音爆。
綜上所述,我們可以看出,在太空中試圖透過開燈來照亮前方是行不通的,也是無效的。未來的星際旅行中,根本不存在“開燈”這一概念。
實際上,宇宙中數以億計的恆星並沒有照亮太空,試圖用燈光照亮太空顯然是不切實際的。實際上,即使你與某顆恆星只有十米的距離,只要你背對著它,你所看到的依然是一片黑暗,無論那顆恆星有多麼耀眼,你都無法看到任何光明。除非你正面朝向它,但那樣的話光線會過於強烈,令人無法直視。
然而,在外部觀察者的視角中,情況就大不一樣了,他們會看到更多令人驚歎的奇異現象!