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曲速引擎是什么?有了它就可突破光速的极限,人类将开启星际旅行

这个幻想不少电影已经替我们实现了,这些年关于太空的电影无一不大爆,《星际穿越》、《星际迷航》、《星际救援》等等。然而,电影是电影,现实是现实,真正的情况是,人类目前航行的最远的旅行者号,还没有离开太阳系。

当然这不妨碍我们继续向往星级旅游,电影里频繁提到“曲速引擎”,也许就是我们实现梦想的最有利工具,有了它,我们就可以实现愿望,突破光速的极限,人类将开启星际旅行

星际系列电影剧照

星际航行的困难

人类想要实现星际间的穿梭,必须要克服三个最基本的困难。首先是燃料,我们目前的航天器使用的是航天煤油、氢能、太阳能和核能的混合。在地球上发射时利用航天煤油与液态氢燃烧产生巨大的推动力达到第一宇宙速度,将航天器材送入太空。

围绕地球的卫星在进入自己的轨道后利用万有引力维持转动,同时依靠太阳能维持上面的电器设备运行。如果需要离开地球前往太阳系别的星体,就要达到第二宇宙速度逃离地球的引力范围。

这个过程中仅依靠太阳能是不够的,航天器会开启自己的核能系统。理论上,核聚变和裂变是可以无穷无尽循环的,但实际上会有能量的损耗。旅行者号在后期为了节省能源只能选择关闭自己的几个系统,由此与地球失联,可见我们没有那个技术做到星际供能。

人类航天器

其次就是推动力,我们在地球上可以使用燃料推进,但是进入真空的宇宙,燃料无法燃烧,如何提供巨大推动力呢?这一点可以利用其它星体的引力实现。

2011年美国发射的飞船朱诺号利用木星的引力,将速度达到了73.6公里/秒,成为人类有史以来飞行速度最快的航天器材。而太空中比木星大的星体数不胜数,我们可以在飞跃它们的过程中借助它们的引力。

美国的朱诺号

最后就是速度的问题,朱诺号可以每秒飞行70多公里,可这速度放到太空中根本不值得一提。距离我们最近的恒星星系是半人马座,距离我们4.3光年,即使我们达到光速也要花费四年多,往返下来就要10年左右。

所以对于星际航行来说,达到光速只是基本,超越光速才能实现自由穿越。对于人类来说,我们离光速还有很远,更不要说超越光速了。

这三个问题中,人类仅仅勉强解决了推动力问题,其余两个问题根本没有解决办法。

朱诺号的速度放在宇宙中根本不值一提

超越光速

虽然人类没有办法超越光速,但以现有的理论可以推测超越后的世界。光在真空中的速度是3×108m/s,即每秒8亿米。

根据爱因斯旦的狭义相对论,光在真空中的速度并不会因为运动系的不同而改变,因此它具有稳定性,成为千变万化的宇宙中唯一恒定的物质。天文学家将其作为丈量距离的工具,光年成为了宇宙中的距离单位。当然光并不是宇宙最快的速度,比起宇宙膨胀的速度,它还是逊色了。

可这丝毫不影响它作为人类追求速度的参照,成为人类心目中的速度天花板。如果人的速度超过光速会怎样?

光速主题图片

物理学家们就这个问题提出过无数假设,最后达成了一个共识,那就是人类会回到过去穿越时空。穿越者可以回到过去的任意时候,见到历史书上的人物,秦皇汉武唐宗宋祖。生物学家提醒,穿越虽好但是伤身,我们的身体组织未必能承受光速,如果不是真空环境,超光速运行会与空气中的各种粒子发生摩擦,人类很有可能会在所谓的时空隧道里被撕碎。

所以人们幻想,如果固定坐在宇宙飞船里并且穿着宇航服以超光速飞行,身体就不用害怕高速粒子的摩擦,从而到达宇宙的各个角落。

目前知道宇宙的年龄大约140亿年,并且还在不断膨胀,直径到达了960亿光年,恐怕就算达到了光速也无看到宇宙尽头。但是天文学家表示,去往宇宙的边界,也许可以实现。

时空隧道想象图

虫洞

虫洞是连接两个不同时空的隧道,又称爱因斯坦-罗森桥,最初由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆提出概念,后被爱因斯坦与罗森假设出来。目前为止,人类并没有发现实际上的虫洞,关于它的一切均停留在假设阶段。

虫洞连接两个遥远的时空,比如你在1点一刻进入虫洞,便会在1点一刻离开虫洞到达另一端。为何会出现这种情况?原来虫洞相当于一个巨大的旋涡,这个旋涡是由星体旋转和引力共同组成。

这就好比大海上有个旋涡,人掉进去后便可以迅速被卷到马里亚纳海沟,如果是人自动下沉,那得需要很久才能到达沟底。

虫洞想象图

物质进入虫洞后,在这些星体的影响下,速度达到了光速级别,而虫洞内部高速的旋转会使它隧道内的空间扭曲。天文学家们甚至假设它与黑洞是同时存在的,会吞噬进入其中的物质,因此虫洞不适合作为星际航行的工具。

不过虚拟的虫洞给天文学家一个启示,我们为何不能模拟一个类似于虫洞的存在?让隧道里的引力不要如此巨大,但同样能够串联起两个空间。理论上真的可以,那就是需要把物质的速度加快到光速甚至超过它,似乎又回到假设最初的起点,只是这次我们需要一个设备。

穿越虫洞模拟图

曲速引擎

曲速引擎是一种速度推进装置,常出现于科幻作品里,用于将飞行器的速度提高,从而超过光速。它也是一个很年轻的概念,1994年才由墨西哥天文学家米盖尔阿尔库比雷提出。

这一引擎将使用尚未被发现的、具有负质量和呈负压的“特异物质”,将时空扭曲,造成物质前方的空间收缩,后方的空间膨胀,被包裹在这一“弯曲泡”中的物质就能在不破坏相对论的情况下超光速飞行

科幻作品中出现的曲速引擎

曲速引擎并不是直接加速物体本身,而是将它四周的空间扭曲,扭曲的空间会产生巨大的磁场,这个磁场可以让处在其中的物体速度突破光速的极限。宇宙中的空间并非我们想象中是平面的,相反它可能具备多个维度,扭曲的时空会形成一个类似于虫洞的隧道,物体在里面高速运动。

如果飞船拥有这样的引擎装置,相当于在飞行时自己制造类似的“虫洞”,让时空与时空之间的形成漩涡桥梁实现星际穿越。

但是曲速引擎不是那么好建造的,就算真的有,人类也无法随心所欲,因为宇宙实在太大了。

曲速引擎的建造非常困难

曲速引擎的可能性

曲速引擎能够让空间扭曲,那么这个过程需要巨大的能量,人类应该如何使用能源为引擎供能,这是一个需要克服的问题。天文学家假设,可以利用黑洞与虫洞的引力驱动引擎,但人类必须冒一定的风险,靠近黑洞的物体都会被它吞噬,哪怕是光也无法逃逸。如果将飞船开往黑洞,可能还没来得及利用它的引力,便被引力吸引进去,因此在借助黑洞和虫洞的力量时,需要保持好距离。

人类正在模拟人造太阳,利用核聚变研究达到永恒产热的目的,那么以此类推,可以用核聚变反应在太空中产生巨大的能量模拟一个星体甚至模拟黑洞与虫洞。

曲速引擎原理示意图

核聚变与我们常见的能量不同,理论上它是无限循环的,只不过现在因为使用效率的问题,达不到百分之百的利用。未来人造太阳成功后,就可以投入实行人造曲速引擎的供能。

可是这里面存在一个困难,假设我们用曲速引擎将空间扭曲达到光速的100倍,我们的宇宙在不断膨胀,哪怕以现在的960亿光年直径来计算,星际航行也需要千万年,人类没有那么长的寿命执行这个任务。不过用于普通的星际旅游还是有可能的。

使用曲速引擎以100倍光速飞行,去火星要75秒,到达太阳系的边界奥尔特星云只需72天。如果实现宇宙移民计划前往最近的恒星系半人马座,则需要83天的时间。离我们最近的疑似存在生命所需所有条件的格利泽667cc,离地球23.5光年,我们以这个速度只需要两年左右就可以到达。

人类由此能够开启星际旅游乃至星际移民,如同大航海时代人们发现新大陆一样。只是,等待当时殖民者的是土著民,等待人类宇宙殖民者的,可能是远超过我们文明的外星人,届时谁殖民谁还说不一定。

曲速引擎可以帮助我们快速穿越时空

空间折叠

如果引擎能够让空间扭曲到折叠的状态,那么无论多少光年的距离都无法阻碍人类的步伐。

空间折叠是真实存在并且有望实现的,它使空间扭曲到极致发生了折叠,就好比两点之间线段最短,但是将这条线段折叠几次,两点的距离进一步变小。空间折叠的前提是需要巨大的引力使它扭曲,此前天文学家们一直认为只有黑洞、虫洞等物质能够使空间发生折叠,现在有了曲速引擎也可以实现。

空间折叠模拟图

有了空间折叠,我们就可以做到瞬间移动,这就好比1点一刻在宇宙中的A点,因为空间折叠B点与A点重合,那么物体也可以在1点一刻到达B点。人类可以不再顾虑是否需要达到光速百倍甚至千倍才能穿越完整个宇宙,只需要掌握引擎扭曲空间的度,人为制造空间折叠。这比将速度提高到光速的100倍还要高效。

空间折叠技术也是目前人类猜测外星人文明的最高维度,如果人类能实现,我们则不必畏惧在星际航行时碰见外星人。

空间折叠想象图

结语

曲速引擎虽然还是科幻影视剧里面存在的技术,可历史告诉我们,人类的所有的进步都来自最初的幻想。比如我们想要飞,于是在后面发明出了飞机;我们想要去往宇宙看星空,于是在上个世纪50年代末加加林第一次替全体人类眺望星空;我们想去月球上寻找是否有人类,于是阿姆斯特朗将人类的足迹印在了月球的土壤上。我们也许现在没有达到这个技术,不代表以后的人类无法实现。

但同时,宇宙是庞大的,我们有太多的未知在里面,飞速的发展会让我们无限接近宇宙,可宇宙真的如我们想象的那么安全吗?面对宇宙,人类还是太过渺小。

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