光速飛船在飛行時如果碰到一粒沙子，會怎麼樣？

隨着科學技術水平的不斷提升，以及天文觀測技術的飛速發展，我們能夠看到宇宙的區域範圍越來越大，那些來自幾十上百億光年之外恆星所發出的信息，都可以被我們的大型天文望遠鏡捕捉到。然而，相對於天文觀測的空間尺度，我們通過發射航天器實地進行觀測的範圍實在是過於渺小，即使是50年前發射的旅行者1號和2號探測器，在完成對太陽系邊緣行星的探測任務之後，也只能依靠殘餘的能源以及慣性，緩慢地向太陽系外圍行進，但是相對於地球的運動速度來説，也僅僅是幾十公里每秒，這與光速每秒30萬公里相比實在是“龜速”，想要離開太陽系的有效引力範圍，到少還得需要幾萬年的時間。所以，對於高速飛船特別是亞光速飛船的渴望，已經成為人類有效提升深空探測能力的重要目標。

愛因斯坦在提出狹義相對論時，明確了兩個基本假設，一個是相對性原理，即各種物理定律在所有慣性參照系中具有相同的表達形式；二是光速不變原理，光線在真空中的速度，不因參照系的變換而發生改變。在狹義相對論體系下，任何物質的運動，都會成為改變時間和空間的重要因素。對於兩個物體的相對運動來説，在經典力學框架下的相對運動速度，是兩個物體的速度矢量疊加；但是對超高速運動的物體來説，就必須要運用洛侖茲變換來進行推導，從而求出狹義相對論體系下的相對運動速度，表達式為：v=(v’+u)/(1+v’*u/c^2)，通過這個表達式我們可以看出，兩個物體的運動速度無論怎麼快，其相對運動速度永遠也不可能超過光速，只能無限接近光速，即使兩條相向而行的光線，其相對速度也只能是光速值。

在這裏還需要明確一個由狹義相對論推導出來的結論，那就是物體的運動速度與運動質量之間的關係。如果一個物體的靜止質量為m0，當以速度v進行運動時，其運動質量與靜止質量的關係表達式為：m=m0/(v^2/c^2)^(1/2)，説明物體的運動速度越快，則運動質量就越大，當運動速度達到光速時，其運動質量就會趨向於無窮大。由於光束中的光子靜止質量為0，所以它的運動速度可以達到光速這個最大值。但凡物體擁有一點靜止質量，那麼它在加速到速度很高時，其運動質量就會顯著提升，按照質能方程，則所需要輸入的能量值為（m-m0）*c^2，如果要達到光速，則這個能量輸入就會無窮大，顯然是不可能實現的。因此，即使質量非常微小的中微子，科學家們監測到它的運動速度也略低於光速。

按照上面的分析，我們可以得出這樣的結論，那就是光速飛船或許永遠製造不出來，因為飛船勢必存在着靜止質量，如果要將它加速到光速，就是把宇宙中所有的恆星能量都收集起來也不夠用，所以人類對於航天器速度的突破，今後也只能是達到亞光速的級別。比如，如果將飛船的速度提升到光速的99%，則到達1光年之外的區域，從飛船本身來看所需要的時間為0.14年；如果將速度提升到光速的99.9%，則到達1光年區域所需要的時間僅為16天左右。

那麼，問題來了，即使在亞光速狀態下，按照運動的相對性，飛船相對於宇宙中的星際塵埃來説運動速度是亞光速，反過來從飛船上看宇宙塵埃相對於飛船的速度也是亞光速，如果飛船在行進的過程中，撞到這樣的星際塵埃或者一粒沙子，飛船到底會怎麼樣？

大家都可能看到過，有的飛機在升降過程中會撞到小鳥，在平均幾百米每秒的起降速度下，小鳥就能夠將飛機的玻璃窗或者機體撞出明顯的損傷。那麼飛船在亞光速（以99%光速計）的狀態下，一粒沙子（重量為1毫克）相對於飛船的運行速度也為99%光速，那麼這粒沙子所擁有的靜動能E0＝1/2*m0*v^2=4.4*10^10焦耳，而相對論體系下的運動動能E’=1/2*m*v^2=1/2*m0*v^2/(1-(v/c)^2)^(1/2)=2.2*10^12焦耳，相當於約50萬噸TNT爆炸所釋放的能量，約等於幾十顆“小男孩”原子彈同時爆炸產出的破壞力，試想飛船能抵擋得住 嗎？即使飛船沒有被沙子所摧毀，只是“貫穿”過去，那麼對於飛船的穩定運行也將起到嚴重的影響。

同時，在亞光速飛行的過程中，即使不遇到沙子或者星際塵埃，在高速行進的過程中，飛船的船體表面與稀薄的星際氣體之間也會產生強烈的摩擦效應，有可能使船體表面的温度突破5000攝氏度，這個温度也已經超過了地球上所有材料的耐受極限，因此想達到亞光速飛行的目的，從目前來看，不但是燃料效應跟不上、發動機技術跟不上，就連建造材料也滿足不了需求。

除非今後科技水平發展到一定程度，可以研製出曲率飛船，這樣的話就可以跳過直接驅動船體本身加速的階段，而是藉助於使船體周圍空間產生一定程度的彎曲，從而推動飛船在彎曲的空間裏自主地移動，這樣不但可以解決為飛船本身進行能源供給的問題，而且飛船在與周圍空間整體移動時，也避免了與星際塵埃碰撞損壞的威脅。但是，這種曲率飛船目前還只停留在猜想階段，距離可靠理論的確立和實驗的實施相差得何止十萬八千里。