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曲速驱动——超光速太空旅行会实现吗?
2021-10-15 10:31:13 29
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    加入以大于光速的速度去航行,将会是什么感觉呢?

    曲速驱动

    大多数太空冒险故事的一个基本先决条件是能够比我们今天更快地从 A 到达 B。抛开虫洞不谈,用传统的宇宙飞船实现这一目标还有很多障碍。需要大量的燃料,加速的粉碎效果,以及宇宙有严格的速度限制(光速)这一事实。

    幸运的是,宇宙速度限制有一个漏洞:它只规定了我们可以穿越太空的最大速度。正如爱因斯坦所解释的那样,空间本身是可以扭曲的,因此也许我们可以以颠覆速度限制的方式操纵宇宙飞船周围的空间。飞船仍然会以低于光速的速度穿过周围的空间,但空间本身的移动速度会比光速更快。这就是《星际迷航》的作者在 1960 年代提出“曲速引擎”概念时的想法。这一概念在当时对他们来说,只是一个听起来似是而非的词语,并不是真正的物理学。

    据太空网站报道,直到 1994 年,理论家米格尔·阿尔库比尔才找到了爱因斯坦方程的解,该解产生了真正的曲速驱动效应,将宇宙飞船前面的空间压缩,然后将其扩展到宇宙飞船的后面。

    压缩和扩展空间

    物理学家目前对时空的理解来爱因斯坦的广义相对论。广义相对论指出,空间和时间是融合的,没有什么可以比光速传播得更快。广义相对论还描述了质量和能量是如何扭曲时空的——像恒星和黑洞这样的大物体在它们周围弯曲时空。这种曲率就是你感觉到的重力,也是为什么许多航天英雄担心“陷入”或“掉入”重力井的原因。早期科幻小说作家认为这种扭曲就是一种绕过速度限制的方式。

    那么一艘宇宙飞船是否可以压缩它前面的空间,同时扩展它后面的时空呢?《星际迷航》采纳了这个想法,并将其命名为曲速引擎。

    1994年,墨西哥理论物理学家米格尔·阿尔库比尔表明,在广义相对论定律范围内,在宇宙飞船前面压缩时空并在后面扩展时空在数学上是可能的。那么,这意味着什么?想象两点之间的距离是100米,如果你站在A点并且每秒移动1米的速度则需要100秒才能到达B点。但是,假设你可以以某种方式压缩您和B点之间的空间,使间隔现在仅为10米。然后,你仍然以每秒1米的速度行进,你将在大约10秒钟内到达B点。从理论上讲,这种方法与相对论并不矛盾,因为你在周围空间中的运动速度不会超过光速。阿尔库比尔表明,“星际迷航”中的曲速驱动实际上在理论上是可能的。不幸的是,阿尔库比尔压缩时空的方法有一个问题:它需要负能量或负质量。

    这个二维表示了中心的平坦、未扭曲的时空气泡,其中一个扭曲驱动器将被右侧压缩时空和左侧扩展时空包围。

    负能量问题

    阿尔库比尔的曲速引擎的工作原理是在宇宙飞船周围制造一个平坦的时空气泡,并在该气泡周围弯曲时空以减少距离。曲速引擎需要负质量(一种理论上的物质类型)或负能量密度环才能工作。物理学家从未观察到负质量,因此负能量是一个很大的难题。

    为了产生负能量,曲速引擎会使用大量的质量来造成粒子和反粒子之间的不平衡。例如,如果一个电子和一个反电子出现在曲速驱动器附近,其中一个粒子会被质量捕获,这会导致不平衡。这种不平衡导致负能量密度。但是要让曲速引擎产生足够的负能量,你需要大量的物质。据估计,一个带有100米气泡的曲速引擎将需要整个可见宇宙的质量,这显然是不可能做能的。

    1999年,物理学家 Chris Van Den Broeck 表明,扩大气泡内部的体积但保持表面积不变会显著降低能量需求至大约太阳的质量。虽然这是一项重大改进,但仍远远超出实际的可操作范围。

    这个二维表示了正质量如何弯曲时空(蓝色地球)和负质量如何在相反方向(红色地球)弯曲时空。

    科幻成为现实

    最近有一篇伦茨的论文报道,提出了一个不需要负能量的解决方案,这提供了似乎使曲速驱动更接近现实的解决方案。伦茨使用不同的几何方法来求解广义相对论的方程,通过这样做,他发现曲速引擎不需要使用负能量而且此解决方案还将允许气泡以超过光速的速度行进。

    不过必须指出的是,这些令人兴奋的发展是数学模型,虽然还没有得到实际的实验证明,但是曲速引擎的科学正在进入人们的视野。

    虽然曲速驱动的方案与穿越虫洞一样都是人为设计的,但科学家们执着地相信这些看似的不可能都会有奇迹发生,所以它们正在尝试改进这些方案,希望有一天它可能变为现实。


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