曲速:物理学家或可实现超光速星际旅行,这会是真的吗?

如果人类希望翱翔于星际,那么必将需要超越目前我们宇宙中速度最快的物质——光。新的研究显示,我们有可能实现曲速,超越现有星际旅行速度的极限。

曲速:物理学家或可实现超光速星际旅行,这会是真的吗?

超光速穿越虫洞艺术概念图。如果这是可能的,人类将会在一个合理的时间范围内到达其他星系。Imagevia Les Bossinas/ NASA/ WikimediaCommons.

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离地球最近的恒星,半人马座比邻星,也在4.25光年之外,距离地球25万亿英里(40万亿公里)远。迄今为止最快的飞船,已在深空中的帕克号太阳探测器,最高速度为每小时45万英里(约合每小时72万4千公里),如果用这样的速度飞行,只需要20秒就可从洛杉矶飞到纽约,但要想飞到太阳系最近的邻居那儿,却需要6633年。

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如果想要让星际旅行变得更容易,人类需要超越光速。但截止目前,超光速旅行只存在于科幻之中。

在艾萨克阿西莫夫的《基地》系列科幻小说中,人类可以在行星、恒星系以及宇宙之间来回穿梭。小时候,我读了我可以找到的所有“基地”系列故事,现在我是一个理论物理学家,研究纳米技术,但我依然痴迷于想象人类究竟会用什么方式世纪星际旅行。

有些角色——比如说电影《星际穿越》中的宇航员或“雷神托尔”——利用虫洞在瞬间实现星际间穿梭。另一种方式——对《星际迷航》的粉丝来说很熟悉——就是曲率驱动技术。尽管曲率驱动仍然是一项遥不可及的技术,但其在理论上确实是可行的。最近的两篇论文成为了三月份的热门,研究人员在其中声明已经攻克了横亘在曲率驱动理论及现实间众多难题中的一个。

但是曲率驱动理论实际上是如何工作的?人类就要实现曲速跳跃了吗?

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这幅二维图像展现出曲率驱动位于中心平整、未弯曲的时空泡,其右方为被压缩的时空(向下的曲面),而左方为膨胀的时空(向上的曲面)。

压缩和膨胀

物理学家目前对“时空”的理解来自阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。广义相对论指出,时间和空间是融合的,任何事物的传播速度都不能超过光速。广义相对论还描述了质量和能量是如何扭曲时空的——比如像恒星和黑洞这样质量巨大的物体就会扭曲它们周围的时空。这种扭曲就是你感受到的重力。这也是为什么许许多多的航天英雄会担心“被困在”或“掉进”重力穴内。早期的科幻作家约翰·坎贝尔和阿西莫夫将这种扭曲视为绕开速度极限的方式。

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假如一架飞船压缩前方空间同时扩张后方时空,会发生什么呢?星际迷航提出了这样的设想并将其命名为''曲率驱动''。

1994年,墨西哥理论物理学家MiguelAlcubierre提出了在太空船前方压缩时空、后方扩张时空以推进飞船的方式在广义相对论的框架下从数学的角度是可以证明的。那么,这意味着什么呢?假设两点间的距离是10米(33英尺),你位于A点,速度为1米/秒,需10秒到达B点。

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然而,假设你能够以某种方式将你和B点之间的空间的距离压缩到1米,那么你以每秒1米的速度移动至B点就仅需要1秒。从理论上讲,既然你移动的速度并没有超过周围空间光速,那么这种方法就与相对论不冲突。Alcubierre表示《星际迷航》中的曲率驱动事实上在理论上是确实可行的。

比邻星我们来了!对不?不幸的是,Alcubierre压缩时空的方法有个问题:它需要负能量和负质量。

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这幅二维图像展示了正质量如何弯曲时空(左方的蓝色地球)和负质量在反方向弯曲时空(右方的红色地球)。

负能量问题

Alcubierre的曲率驱动的工作原理是在飞船的周围生成一个平滑的时空泡,而在泡外弯曲时空以减少行进距离。曲率驱动要么需要负质量——一种理论上的物质——要么需要一个负能量密度的环来工作。物理学家还从没发现过负质量,因此负能量就成了唯一的选择。

要想制造负能量,一个曲率驱动引擎可能需要使用巨大的质量来破坏粒子和反粒子间的平衡。举例来说,如果一个电子和一个正电子同时出现在曲率驱动引擎旁,其中一个粒子会被质量捕获最终导致平衡被破坏。这种不平衡会导致负能量密度。Alcubierre的曲率驱动就会利用这种负能量来生成时空泡。

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但是曲率驱动引擎要想产生足够的负能量,必须消耗大量的物质。Alcubierre估计曲率驱动引擎要想产生一个100米直径的时空泡,大约需要整个可见宇宙的质量。

1999年,物理学家ChrisVan DenBroeck表示,扩张时空泡内部容量的同时保持其表面积不变可以极大地降低所需能量,大约仅需太阳的质量。这是一个巨大的进步,但距实际操作仍很遥远。

科幻的未来?

最近的两篇论文——一篇由AlexeyBobrick and Gianni Martire撰写,另外一篇由ErikLentz撰写——似乎提供了将曲率驱动现实化的某些方法。

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Bobrickand Martire 意识到通过以某种方式改变气泡中的时空,他们可以去除使用负能量的需要。不过这种方法无法超越光速。

Lentz也独自提出了一种不需要负能量的解决方法。他使用了一种不同的几何方法来解决广义相对论方程,通过这样做,他发现曲率驱动是可以不需要使用负能量的。Lentz的解决方法可以允许时空泡超光速运行。

必须指出的是,这些令人激动的进展还只是些数学模型。作为一个物理学家,得到实验证实前,我是不完全相信模型的。但是,曲率驱动技术正一步步走进人们的视野。作为一个科幻迷,我欢迎所有这些具有创新性的想法。借用一句皮尔德船长的话:

凡事只有在它们成为可能前才是不可能的。

MarioBorunda,俄克拉荷马州立大学物理系副教授

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本文概要:如果人类想要实现星际航行,就必须超越光速。最新研究暗示建造曲率驱动引擎以打破光速限制是可行的。

BY:EarthSkyVoices

FY:Astronomicalvolunteer team

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