太空几乎没有阻力，飞船理论上能一直加速，为何还说星际旅行很难？

答案

现代科学认为，我们的地球诞生于46亿年前，也就是太阳系诞生初期，在太阳系中一共有八大行星，而地球是唯一一颗诞生了生命的星球，人类作为地球上最有智慧的生命，从诞生以后就开始不断的研究和探索世界的奥秘，现在人类已经能够走出地球探索宇宙，这说明人类科技发展的速度很快，当人类走出地球之后，人类的好奇心被宇宙的浩瀚所吸引，人类想要知道宇宙到底有多大？在宇宙中是不是还存在外星生命？带着这些疑问，人类走上了探索宇宙的道路，不过想要探索宇宙并不是一件容易的事情，毕竟宇宙空间实在是太大了，目前人类能够观测到的宇宙至今达到了930亿光年，光年是一个距离单位，一光年就相当于光速飞行1年的距离。

930亿光年就相当于光速飞行930亿年，而这仅仅是人类目前能够观测到的宇宙直径，宇宙真正的范围到底有多大？目前科学家还在研究当中，为什么说星际旅行非常困难呢？在宇宙中几乎是没有阻力的，如果给飞船一个初始速度，就能够持续运转下去，在理论上来说，这种情况就不需要担心能源问题，但现在人类连太阳系都无法飞出去，这到底是为什么呢？在我们地球上会受到摩擦力和空气的阻力，阻碍表面相互接触的物体的相对运动趋势的力叫做摩擦力。摩擦力，通常是用来描述固体表面之间的相互作用。对于固体与流体（液体和气体）之间则用的是阻力来描述，比如空气阻力。不过有时候我们也需要考虑固体和液体之间的摩擦力，比如机械齿轮之间的润滑油。

摩擦力可分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力。其中静摩擦力与其他两种力不同，滑动摩擦力与滚动摩擦力都是耗散的，会降低物体间的相对运动速度，并将机械能转化为热能。两个物体只要有接触，并有相对运动趋势就存在静摩擦力，当静摩擦力超过一定临界值时，就会变静为动，此时这个值被称之为最大静摩擦力。而宇宙中没有摩擦力，也不存在阻力，所以飞船速度应该保持不变，不过在宇宙中飞行，属于惯性航行，它看上去非常简单，只需要有一个足够的初始速度就可以，但实际上想要实现这样的飞船航行是非常困难的，首先宇宙中的飞船，在进行星际航行的时候，不可能永远保持匀速直线运动，因为无论是在前往目的地还是返回地球的旅途中，都需要进行减速操作，而这就意味着，飞船的燃烧消耗是一个很大的问题。

除了这些之外，还有一个更加严重的问题，那就是随着飞船不断减速，它的质量也会变得越来越大，根据爱因斯坦的相对论，质量增大的物体是无法超越光速和达到光速的，这就意味着如果我们想要实现星际旅行，就必须找到一种能够突破光速的方法，在侠义相对论中，物体的质量会随着速度的增加而增大，因而在速度接近光速时，物体的质量会趋向于无穷大，因此想要进一步加速，就需要耗费无穷多的能量，显然这是不可能发生的事情，所以光速时不可超越的，而且在侠义相对论中有个地层的数学框架，洛伦兹变换，里面有个因子非常重要，如图，v是速度，c是光速，由于根号里面不能是负数，并且分母也不能为零，因此速度v就要小于光速c。

看到这里，可能很多人会说，那么飞船不减速不就可以了吗？这种情况是不可能出现的，因为在宇宙中有很多天体，除了行星、彗星、小行星、恒星之外，还有很多神秘的天体，比如说白矮星、中子星、黑洞等等，这些天体都会影响飞船的飞行，因为质量越大的天体它的引力就越大，最早发现引力的科学家是牛顿，在1687年的时候，牛顿提出了万有引力定律，它告诉我们任何物体之间都是存在引力的，其引力和它们的质量成正比关系，和距离的平方成反比，简单来说就是，物体的质量越大造成的引力就越强，反之质量越小造成的引力就越小，通过万有引力定律，我们能够知道天体的运功规律，还有计算天体的质量，以及物体如何摆脱天体的引力场等等。

在飞船经过天体的时候，会受到引力的影响，这时候我们想要继续向前飞行，就需要用到逃逸速度，逃逸速度的大小和天体的质量有关系，这个结论会让我们面临一个矛盾的问题，当我们向一个比地球质量更大的行星发射探测器的时候，探测器就必须携带更多的燃料，因为探测器在探测的行星上起飞并且逃离行星引力场所需要的燃烧的燃料的量一定比地球上多，不过在探测过程中，它所携带的额外的燃烧会让它变得更重，因此也就更难加速到地球的逃逸速度从而逃离地球的引力场。一个物体要想逃离一个质量为M的天体，那么这个物体的动能应该等于它的引力势能。一个运动速度为v，质量为m的物体的动能是$1/2m{v}^2$。根据定义，物体的引力势能是物体与天体中心之间距离r的函数，方程式为$G\cdot M\cdot m/r^2$，其中G是万有引力常数，它的值为$6.673\times 10^{-11}N\cdot m^2\cdot k{g}^{-2}$。

在这个等式中，我们可以更换不同的M和r的值，来确定不同天体的逃逸速度，根据方程中v和r的关系，我们能够知道，距离天体越远的物体就越容易逃离天体，很明显，这是因为随着天体慢慢远离天体，物体所受到的天体的万有引力大小也会慢慢减弱，根据科学家的研究我们能够知道，第一宇宙速度为7.9公里/秒，又叫“环绕速度”，指的是航天器沿地球表面作圆周运动时所需的最小发射速度。第二宇宙速度为11.2公里/秒，又叫“逃逸速度”，指的是航天器脱离地球的引力束缚，进入太阳系所需的最小发射速度。第三宇宙速度等于16.7公里/秒，指的是航天器脱离太阳的引力束缚，到银河系中漫游所需的最小发射速度。

人类发射的宇宙飞船想要飞出太阳系，比如达到第三宇宙才行，所以我们根本无法离开太阳系，因为太阳的引力范围很大，太阳系的边缘在奥尔特星云，曾经人类在47年前发射的旅行者1号和2号探测器，到现在都没有完全飞出太阳系，通过科学家的计算得出，按照现在的飞行速度，想要完全飞出太阳系至少需要上万年的时间，所以飞船在宇宙中，即便是有一个初始速度，如果没有足够的能源支撑，也无法在宇宙中飞行，因为飞船会受到各种引力的影响，而引力其实就是时空弯曲的表象，爱因斯坦认为引力其实是不存在的，任何有质量的物体都会引起时空的弯曲。质量越大，时空弯曲的曲率就会越大，由于万有引力定律和广义相对论存在本质的区别，所以两者对天体运动的描述也是不一样的。

在太阳系中，太阳的质量是最大的，占到了太阳系总质量的百分之99.86，剩下的八大行星和其他物质占到了太阳系总质量的百分之0.14，从占比上我们就能够看出太阳的质量非常大，由于太阳的质量很大，从而导致了周围的时空出现了严重的弯曲，所以地球只能够沿着测地线进行运动，在平面上，受引力影响的物体会沿着两点之间的最短距离进行运动，而这个最短距离就是测地线。所以在宇宙中，即使飞船不受阻力的影响，但是受到引力的影响，也使得飞船无法快速的飞行，想要提升飞船的速度，就必须拥有足够的动力，这样飞船才能够一直飞行，而目前人类发射的最快飞行器是帕克号太阳探测器，每小时635266公里，也就是每秒177公里，大约是光速的0.059%。

对于人类来说这个速度非常快，但是在浩瀚的宇宙中，这个速度却显得很慢，想要实现星际旅行，人类的飞船速度至少需要达到亚光速飞行，或者是超越光速，不过想要实现超光速飞行是一件非常困难的事情，目前科学家正在积极的研究曲速引擎技术，简单地讲，曲速引擎就是一种利用空间翘曲（space warp）来作为引擎的推进系统，其原理就是将宇宙飞船周围的时空高度扭曲，从而在时空中形成一条高速通道，使宇宙飞船获得超越光速的能力。曲速引擎的雏形出现于1957年德国物理学家克哈德.海姆提出的“海姆理论”中，该理论试图以一个六维时空的框架来调和量子力学与相对论之间的矛盾，遗憾的是，“海姆理论”提出后并未得到科学界的普遍认可。

不过由海姆理论推导出的超光速飞行就受到了科学家的关注，曲速引擎技术和我们平时所知的汽车引擎是不同的，曲速引擎是一种超光速推进系统，这种引擎能够让飞船周期的时空扭曲，让飞船前方的空间被压缩，后方的空间被膨胀，而宇宙飞船自身包裹着一层不受引擎影响的保护泡，这样能够保证飞船不会被扭曲，由于飞船前后形成巨大的空间差，会产生十分巨大的引力场，这样一看，好像并不是飞船在产生动力，而是扭曲了周围的空间，这些空间也因为被扭曲了才会流过飞船本身，如此看来，飞船运行速度就算是超过了光速，其实也只是一种表面现象，飞船本身并没有花费很多的能量，而是飞船周围的空间不断被收缩膨胀，它实际所做的事情不过是把两点之间的路程缩短了而已。

一方面，曲速引擎飞行的飞船“作弊”，减少了需要航行的路程，另一方面，在时间膨胀效应的作用下，时间的流逝速度也相对变慢。时间膨胀效应是爱因斯坦的相对论提出的重要概念，指的是当物体以接近光速的速度移动时，时间会伸缩、流逝得更慢。在相对论中，光速是不变的基本物理常数。假设一个人站在地球上，另一个人在航天飞机上以超光速飞行，那么对于地球上的观察者来说，航天飞机上的人的时间流逝得更慢，相当于时间变慢。简单来说就是，当航天飞机以超光速飞行时，航天飞机上的人所处的时空是扭曲的，相对于地球上的观察者，航天飞机上的时间流逝得更慢。而曲速引擎技术正是利用了这一点，如果人类能够真正的掌握曲速引擎技术，那么人类遨游宇宙就容易多了。

不过即便如此，人类想要实现这项技术也是非常困难的，在1994年物理学家米盖尔・阿尔库比雷就曾想验证这项技术。经过严密的推算和研究发现，想要维持曲速引擎的时空弯曲所需的能量超过了目前宇宙的总能量。简单来说，就算把千亿个太阳的能量全部利用起来，也无法达到时空弯曲的效果。这时候就需要用到负能量，不过现在科学家还没有在宇宙中找到负能量，所以说，想要实现曲速引擎技术还需要漫长的时间，不过小编认为，人类作为地球上最有智慧的生命，人类的科技在不断的进步和发展，只要人类能够坚持不懈的努力下去，未来随着人类科技的进步，人类一定能够实现这项技术，到时候人类就能够探索宇宙中更多的奥秘，希望这一天能够早日到来，对此，大家有什么想说的吗？