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太空中幾乎沒有阻力,如果火箭不停加速,能不能達到光速?
2023/04/25

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太空中幾乎沒有阻力,如果火箭不停加速,它能不能達到光速呢?對于這個問題,一個常見的思路就是,在沒有阻力的情況下,假如一個物體一直有一個加速度,那麼它的速度就會越來越快,而光速畢竟只是一個有限的速度,所以只要加速的時間足夠長,火箭的速度盡早會達到光速。

然而根據《狹義相對論》,這樣的情況卻不會發生,因為根據該理論可以推導出,一個有品質的物體的速度越快,它的品質就越大,當速度無限接近光速時,其品質也會趨向于無窮大,這就意味著,如果要一個有品質的物體加速到光速,就需要無窮大的能量,所以一個有品質的物體是不可能被加速到光速的,火箭當然也不例外。

那麼,在不考慮《狹義相對論》的情況下,火箭能不能通過不停加速達到光速呢?答案依然是否定的,下面我們來看看這是為什麼。

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首先我們需要知道火箭的推力來自哪里,其實這可以通過一個思想實驗來進行說明。

想象一下,假如你穿著溜冰鞋站在光滑的冰面上處于靜止狀態,而你的手上還有一個籃球,現在你將手上的籃球用力向前扔了出去,接下來會發生什麼?如果你真的這麼做了,那麼你就會發現,當你將籃球向前扔出去之后,你就會向后滑行,你扔籃球的時候越用力,你向后滑行的速度也就越快。

為什麼會這樣呢?這其實是因為動量守恒定律,簡單來講,該定律表明在一個沒有外力作用的系統中,系統內所有物體的動量矢量之和是不變的。

在這個思想實驗中,當你扔籃球的之前,你和籃球可視為一個動量矢量之和為零的系統,而在你扔出籃球之后,籃球就具備了一個向前的動量,而由于動量守恒,此時你就會具備一個向后的動量,以保證你和籃球的動量矢量之和為零,在這種情況下,你就會向后滑行,而由于一個物體的動量等于其品質與速度的乘積,所以你扔籃球的時候越用力,籃球的動量就越大,你向后滑行的速度當然也就越快。

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實際上,火箭的推力也是來自動量守恒,我們可以將其簡單地理解為,火箭不停地加速,其實就是不停地向后扔東西,并因為動量守恒而獲得反向的推力,只不過火箭扔東西的方式是利用燃料劇烈燃燒時產生的能量向后噴出氣體。

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