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曲速引擎到底多可怕?為何說只要有了它,人類就能實現星際旅行?
2023/08/01

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你有幻想過星際旅行嗎?在許多科幻電影中,星際旅行是最常見的主題。只要登上先進的飛船,就能輕松在太空中遨游,只需要睡一覺,就能去到幾萬光年之外。

這種神奇的體驗想必是不少人的夢想,不然也不會有那麼多的影視作品描述星際旅行了。 比如在《星際迷航》中,人類就是通過曲速引擎,成功讓飛船的速度比光速還要快,在超光速的同時還回避了時間膨脹等問題,實現了真正的星際旅行。

隨著《星際迷航》的大火,不少向往宇宙的人就產生了疑問,曲速引擎到底是不是只是科幻產物,如果在現實中我們也能掌握這項技術,我們是否就能實現超越光速的星際旅行了呢?

光速飛行

在探討超光速飛行之前,我們需要冷靜一下,先來了解低一級的光速飛行。

光速,顧名思義就是光的速度,不過這個速度還有一個限定詞,那就是「真空中」, 光速指的是光在真空中的速度

這個速度是個精確值,每秒光可以走299792458米,有時也會取成3.00X米。

在這里我們需要解釋一下為什麼光速是一個精確值,這是因為我們日常生活中對「米」的定義,就是基于光速和國際時間標準來設定的。

也就是說,就算在未來因為科技進步,我們對光速的認知更加準確,被改變的也不會是光速,反而是對「一米」的定義。

按照愛因斯坦提出的狹義相對論,光速可是宇宙中所以物質在運動時,或是信息在傳播時,可以達到的

速度上限

從人類第一次仰望星空開始,我們已經研制出無數飛行器了,但是就算到了21世紀的今天,人類能夠擁有的速度最快的飛行器——帕克探測器,其速度也只有每秒95000米,和光速實在是沒有什麼可比性。

也就是說,到今天,人類還是沒能實現光速飛行。 更殘酷的是,在愛因斯坦的理論中,人類永遠都不可能達到光速,這是任何有靜止質量的物體都不可能做到的。

要想使得一個有質量的物體以光速運動,必然需要一個無限大的能量才能實現,可是無限大的能量到底是多大,這是誰都無法回答的問題,這也讓光速飛行看起來十分不現實。

不過我們可以開一個「腦洞」,假設我們現在已經掌握了光速飛行的技術,能不能讓人類在宇宙中實現旅行,直接從地球飛到另一顆星球上呢?

如果能光速飛行,的確能實現星際飛行,不過就算拋開了燃料等技術問題,要想抵達另一顆星球所要花的時間,也有可能超越乘客的壽命。

倒不是筆者想潑冷水,實在是宇宙太龐大了,星球和星球之間的距離要比你想象中的遙遠得多。

一束太陽發出的光,要想抵達地球也需要走八分鐘,而被稱為「超級地球」的開普勒22b,它和地球的距離可是600光年。

這是什麼概念?就算是以光速在宇宙中飛行,也需要600年才能抵達這顆宜居行星,而人類的平均壽命都還沒能達到100年。

而且隨著天文學和物理學的發展,要想實現星際飛行,飛船的速度不僅要達到光速,還必須超過光速, 這是因為無數的觀測結果都在顯示,宇宙正在加速膨脹,其他星球遠離地球的速度會越來越快

這個時候,筆者就想起了電影中描繪的曲速飛行,假設人類能掌握曲速技術,是不是就能實現宇宙星際旅行了?

曲速飛行

《星際迷航》中的曲速飛行可不是通過黑洞直接「閃現」到宇宙另一端,也不是在兩個星球中做瞬時旅行。

簡單來說,曲速飛行是先在飛船周圍創造出一個類似「氣泡」的東西,經由這個「氣泡」飛船不僅可以實現超光速飛行,還能在正常時空中繼續與其他物質產生相互作用。

這種技術乍一聽好像已經不是科幻而是玄幻了,但實際上,曲速飛行的背后的確存在著一些科學理論。

這個科學理論被稱為海姆理論,是由德國物學家布克哈德·海姆在1957年提出的。海姆希望能找到一種方法,從而解決量子理論和廣義相對論之間的兼容問題。

從廣義相對論,我們了解到時空是可以發生扭曲的,這也是引力的本質。 當物體的質量越大時,它能造成時空扭曲程度就越大,也就是引力越大。

既然時空可以被質量影響,從而發生改變,那麼是不是可以利用這個特點,在宇宙中制造一個引力場,也就是「氣泡」,通過這個引力場來折疊空間,從而縮短距離。

我們可以想象宇宙是一張紙,而地球和另一個星球分別位于這張白紙的兩端。如果直接從這一邊飛到那邊,那這段距離實在太遠了,而如果我們制造一個引力場,把這張白紙對折起來, 那麼這兩個點之間的距離就被大大縮短了

如果能折疊空間,那麼曲速飛行并不會和相對論相矛盾,因為曲速飛行是在 原空間內實現的,不需要打開多維度的空間。

因為只是改變空間的結構,飛船甚至不需要達到超光速,被改變的空間本身就能為飛船提供一個加速度了,也正是因為這個原因,曲速技術好像的確存在一些可行性。

海姆為了證明自己的理論,還專門發明了量化時空的數學公式。雖然海姆認為這套理論可以從基本物理常數中推導出粒子的質量,經由自己公式所計算出的質量也符合實驗結果,

但是這個理論到今天也沒有得到證實

當海姆提出自己的看法時,并沒有得到科學界的廣泛認可, 海姆理論還被當做非主流科學。不過,依然有不少物理學家嘗試通過他的理論和公式,推進太空飛行器和超光速的發展。

除了海姆,墨西哥的物理學家米給爾·阿庫別瑞在1994年時也提出了類似的理論。

阿庫別瑞根據愛因斯坦方程,提出了波動方式展延空間。這個空間的特征是前方是收縮的而后方是擴張的,前后空間的軸向就是飛船航行的方向,在這個「曲速泡」中,飛船會被空間改變而產生的波推動著前行。

這和海姆理論類似的點就是,飛船本身不需要超越光速,它之所以能夠移動,是因為空間被改變了。

不過,阿庫別瑞的理論雖然在數學上是可行的,但是其他物理學家認為,他的計算結果,沒有物理學上的意義,而且人類也造不出他所說的這種裝置。

無論是海姆還是阿庫別瑞,他們的理論即使有一定可行性,甚至符合廣義相對論的內容和愛因斯坦場域等式,但是以目前人類的科技水平來說,曲速飛行還是只能存在于大銀幕中。

星際探索

不過,科學家們可沒有放棄探索宇宙,除了海姆和阿庫別瑞提出的曲速引擎,其他物理學家也提出過不少關于星際飛行的理論。

比如超空間引擎,這種飛行方式就是瞬時飛行,讓飛船通過一個超空間,從而到達宇宙的另一邊。

超空間引擎背后的理論是弦理論,這個弦理論可大有來頭,它被認為是人類目前已知的,唯一一種能夠融合廣義相對論和量子力學的方式,只有超對稱的弦理論能夠避免快子問題。

因為弦理論中包含著許多深奧的知識,在這里我們就不展開敘述了。

簡單來說,弦理論說的就是宇宙中存在 多維度的空間,而超空間引擎就是一種能夠幫助人類在多維時空中穿梭的裝置。

當然弦理論也是一種科學設想,科學家們還在努力研究中。

現在人類能抵達的另一顆星球是月球,在人類的計劃中,下一顆將會被印上人類腳印的星球則是火星。

海那邊的馬斯克在2002年時就創辦了Space X來實現火星殖民的目標,不過他的「史上最強火箭」——星艦,在今年第一次發射時就炸了。

雖然星艦炸了,但是Space X的團隊認為它只要不在發射台上爆炸已經是成功了,更何況這次發射還刷新了前幾次原型機測試時的飛行高度。

我們國家一直一步一個腳印地發展航天事業,按照計劃,在2033年時,我們會進行首次載人火星探測,之后還將從火星上帶回樣本進行研究。

結語

星際航行在現在還只能存在于科幻作品中,但是隨著科學家的研究,在未來,曲速飛行或許就能成為現實。

這可不只是一個美好的愿望,曲速引擎的理論一直都在發展,并且越來越具有可行性。

在亞歷克賽·博布里克和詹尼·馬爾蒂雷發表的論文中,他們就介紹了一種名叫軸對稱曲速引擎模型的東西,在這個模型中,飛船的質量「僅」需要像一顆行星那樣就行了,這樣,飛船在亞光速下就能實現曲速飛行。

現在人類并沒有掌握這種技術,但以后的某一天,我們或許就能聽到關于飛船成功實現曲速飛行的消息。

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