由于时间稀释星际宇航员将面临数年长的通信延迟

By Paul Sutter

2023/12/6

Science & Astronomy

物理学的法则意味着与近光速航天器的通信将是非常挑战的。

(Image credit: Paramount Pictures)

由于需要的弯曲思维的距离和速度，对人来来取得星际旅行会是超常困难的，如果不是不可能的。但新的研究强调另一个挑战：通信中断。

到我们自己下一个最近的恒星系统半人马座阿尔法星是在4光年多外，因此在接下来的几个世纪里除非任何疯狂的科幻技术革命，如果我们想在恒星中来传播我们将不得不 “慢”方式做它。

这意味着我们需要某种可以让我们接近但不超过光速的推进方法。但科学家们在最近上传到预印本数据库arXiv的一篇论文中解释，即便我们取得了这个雄心勃勃的目标，这种未来的运输方式会表现各种的通信挑战。

第一个问题是光本身只能以有限的速度旅行。虽然这并没有严重阻碍近地球通信，但当与发送跨太阳系的探测器通信时工程师已经不得不应对这一挑战。例如，到达火星的消息要用几分钟，到达外行星需要数小时。对甚至更远距离的通信------想象一个航天器发送到许多光年外的一个恒星系统的场景------这将意味着任何信息都要用数年时间到达飞船。

     但这不是唯一的障碍。狭义相对论教我们时钟跨宇宙是不同步化的。在飞船上的旅行者将体验时间稀释，其中时间将比它会对地球上的人更慢的流逝。这种效应已经是可以测量的，例如，需要考虑来自 GPS 卫星的同步化信号。

但在我们想象的场景中，我们的旅行者正在尽可能接近光速移动。这对传播出去进入银河系是绝对必要的。因为时间的稀释，乘客将不会体验旅行的年和几十年，对他们，依靠他们多快移动了，可能只过去了几周或几个月。

这个时间的稀释会给协调信息引入严重的问题，这需要大量的数学。虽然很烦人，但这不会是星际旅行的最困难的部分。相反，以接近光速飞行的航天器将遭受严重的通信中断期。

在他们的论文中，研究人员调查了两种假设的星际旅行场景。在第一种场景中，旅行者将继续以恒定的1 g加速度加速他们的航天器------由地球的引力自然提供的相同加速度。这将发送他们的航天器越发接近光速。

好奇的是，这种恒定的加速度会引入一个事件地平线。如果地球的人向宇宙飞船发送一个信息，该信息将被限制到光速。它会竞速迎头朝向宇宙飞船，但与此同时，飞船也会从那个信号移动离开。如果信息发送得足够快，它最终会在重大的时间延迟后到达飞船。但如果他们等待太久，信息将永远不会到达，宙飞船将总比信息领先一步，从他们的角度，来自地球的信号最终走进黑暗。.

第二种场景提供不同的挑战。研究人员考虑了将一艘航天器发送到一个遥远目的地。一开始航天器将恒定的加速，但在它的旅程中途，它会自我翻转并减速以便它刚好不飞过它的目标。这种场景将引入它自己的通信挑战系列。

首先，航天器将在一定量的时间后停止接收来自地球的信息。这些信息最终会到达航天器，但只有在它已经到达了它的目的地并停止移动后。

另一方面，航天器将能够向地球发送信号，而这些信号将总是到达它们的目标。此外，来自目的地（例如已经在遥远的星球上建立的殖民地）发出的信号将总是在它在该方向中巡航时到达航天器。

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但从航天器发送到目的地的信号直到航天器本身到达那里前不久为止将不会到达，此时所有发送的信息都彼此堆积起来，宣布航天器的到来。

这些现实意味着与近光速航天器的通信将是非常挑战的。所有星际飞行器都必须独立的操作，因为经过一定量时间后，它们将被从地球切掉。如果一个问题发生他们将能够告诉地球上的人关于它，但他们不会能够听到一个回应。

此外，遥远的殖民地直到飞船到达那里前不久为止将不会知道一艘飞船向他们的方向发射。

无论如何，星际旅行将是一个孤独的旅程。