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曲速引擎到底多可怕?为何说只要有了它,人类就能实现星际旅行?
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2023.10.29 黑龙江

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你有幻想过星际旅行吗?在许多科幻电影中,星际旅行是最常见的主题。只要登上先进的飞船,就能轻松在太空中遨游,只需要睡一觉,就能去到几万光年之外。

这种神奇的体验想必是不少人的梦想,不然也不会有那么多的影视作品描述星际旅行了。比如在《星际迷航》中,人类就是通过曲速引擎,成功让飞船的速度比光速还要快,在超光速的同时还回避了时间膨胀等问题,实现了真正的星际旅行。

随着《星际迷航》的大火,不少向往宇宙的人就产生了疑问,曲速引擎到底是不是只是科幻产物,如果在现实中我们也能掌握这项技术,我们是否就能实现超越光速的星际旅行了呢?

光速飞行

在探讨超光速飞行之前,我们需要冷静一下,先来了解低一级的光速飞行。

光速,顾名思义就是光的速度,不过这个速度还有一个限定词,那就是“真空中”,光速指的是光在真空中的速度

这个速度是个精确值,每秒光可以走299792458米,有时也会取成3.00X米。

在这里我们需要解释一下为什么光速是一个精确值,这是因为我们日常生活中对“米”的定义,就是基于光速和国际时间标准来设定的。

也就是说,就算在未来因为科技进步,我们对光速的认知更加准确,被改变的也不会是光速,反而是对“一米”的定义。

按照爱因斯坦提出的狭义相对论,光速可是宇宙中所以物质在运动时,或是信息在传播时,可以达到的速度上限

从人类第一次仰望星空开始,我们已经研制出无数飞行器了,但是就算到了21世纪的今天,人类能够拥有的速度最快的飞行器——帕克探测器,其速度也只有每秒95000米,和光速实在是没有什么可比性。

也就是说,到今天,人类还是没能实现光速飞行。更残酷的是,在爱因斯坦的理论中,人类永远都不可能达到光速,这是任何有静止质量的物体都不可能做到的。

要想使得一个有质量的物体以光速运动,必然需要一个无限大的能量才能实现,可是无限大的能量到底是多大,这是谁都无法回答的问题,这也让光速飞行看起来十分不现实。

不过我们可以开一个“脑洞”,假设我们现在已经掌握了光速飞行的技术,能不能让人类在宇宙中实现旅行,直接从地球飞到另一颗星球上呢?

如果能光速飞行,的确能实现星际飞行,不过就算抛开了燃料等技术问题,要想抵达另一颗星球所要花的时间,也有可能超越乘客的寿命。

倒不是笔者想泼冷水,实在是宇宙太庞大了,星球和星球之间的距离要比你想象中的遥远得多。

一束太阳发出的光,要想抵达地球也需要走八分钟,而被称为“超级地球”的开普勒22b,它和地球的距离可是600光年。

这是什么概念?就算是以光速在宇宙中飞行,也需要600年才能抵达这颗宜居行星,而人类的平均寿命都还没能达到100年。

而且随着天文学和物理学的发展,要想实现星际飞行,飞船的速度不仅要达到光速,还必须超过光速,这是因为无数的观测结果都在显示,宇宙正在加速膨胀,其他星球远离地球的速度会越来越快

这个时候,笔者就想起了电影中描绘的曲速飞行,假设人类能掌握曲速技术,是不是就能实现宇宙星际旅行了?

曲速飞行

《星际迷航》中的曲速飞行可不是通过黑洞直接“闪现”到宇宙另一端,也不是在两个星球中做瞬时旅行。

简单来说,曲速飞行是先在飞船周围创造出一个类似“气泡”的东西,经由这个“气泡”飞船不仅可以实现超光速飞行,还能在正常时空中继续与其他物质产生相互作用。

这种技术乍一听好像已经不是科幻而是玄幻了,但实际上,曲速飞行的背后的确存在着一些科学理论。

这个科学理论被称为海姆理论,是由德国物学家布克哈德·海姆在1957年提出的。海姆希望能找到一种方法,从而解决量子理论和广义相对论之间的兼容问题。

从广义相对论,我们了解到时空是可以发生扭曲的,这也是引力的本质。当物体的质量越大时,它能造成时空扭曲程度就越大,也就是引力越大。

既然时空可以被质量影响,从而发生改变,那么是不是可以利用这个特点,在宇宙中制造一个引力场,也就是“气泡”,通过这个引力场来折叠空间,从而缩短距离。

我们可以想象宇宙是一张纸,而地球和另一个星球分别位于这张白纸的两端。如果直接从这一边飞到那边,那这段距离实在太远了,而如果我们制造一个引力场,把这张白纸对折起来,那么这两个点之间的距离就被大大缩短了

如果能折叠空间,那么曲速飞行并不会和相对论相矛盾,因为曲速飞行是在原空间内实现的,不需要打开多维度的空间。

因为只是改变空间的结构,飞船甚至不需要达到超光速,被改变的空间本身就能为飞船提供一个加速度了,也正是因为这个原因,曲速技术好像的确存在一些可行性。

海姆为了证明自己的理论,还专门发明了量化时空的数学公式。虽然海姆认为这套理论可以从基本物理常数中推导出粒子的质量,经由自己公式所计算出的质量也符合实验结果,但是这个理论到今天也没有得到证实

当海姆提出自己的看法时,并没有得到科学界的广泛认可,海姆理论还被当做非主流科学。不过,依然有不少物理学家尝试通过他的理论和公式,推进太空飞行器和超光速的发展。

除了海姆,墨西哥的物理学家米给尔·阿库别瑞在1994年时也提出了类似的理论。

阿库别瑞根据爱因斯坦方程,提出了波动方式展延空间。这个空间的特征是前方是收缩的而后方是扩张的,前后空间的轴向就是飞船航行的方向,在这个“曲速泡”中,飞船会被空间改变而产生的波推动着前行。

这和海姆理论类似的点就是,飞船本身不需要超越光速,它之所以能够移动,是因为空间被改变了

不过,阿库别瑞的理论虽然在数学上是可行的,但是其他物理学家认为,他的计算结果,没有物理学上的意义,而且人类也造不出他所说的这种装置。

无论是海姆还是阿库别瑞,他们的理论即使有一定可行性,甚至符合广义相对论的内容和爱因斯坦场域等式,但是以目前人类的科技水平来说,曲速飞行还是只能存在于大银幕中。

星际探索

不过,科学家们可没有放弃探索宇宙,除了海姆和阿库别瑞提出的曲速引擎,其他物理学家也提出过不少关于星际飞行的理论。

比如超空间引擎,这种飞行方式就是瞬时飞行,让飞船通过一个超空间,从而到达宇宙的另一边。

超空间引擎背后的理论是弦理论,这个弦理论可大有来头,它被认为是人类目前已知的,唯一一种能够融合广义相对论和量子力学的方式,只有超对称的弦理论能够避免快子问题。

因为弦理论中包含着许多深奥的知识,在这里我们就不展开叙述了。简单来说,弦理论说的就是宇宙中存在多维度的空间,而超空间引擎就是一种能够帮助人类在多维时空中穿梭的装置。

当然弦理论也是一种科学设想,科学家们还在努力研究中。

现在人类能抵达的另一颗星球是月球,在人类的计划中,下一颗将会被印上人类脚印的星球则是火星。

海那边的马斯克在2002年时就创办了Space X来实现火星殖民的目标,不过他的“史上最强火箭”——星舰,在今年第一次发射时就炸了。

虽然星舰炸了,但是Space X的团队认为它只要不在发射台上爆炸已经是成功了,更何况这次发射还刷新了前几次原型机测试时的飞行高度。

我们国家一直一步一个脚印地发展航天事业,按照计划,在2033年时,我们会进行首次载人火星探测,之后还将从火星上带回样本进行研究。

结语

星际航行在现在还只能存在于科幻作品中,但是随着科学家的研究,在未来,曲速飞行或许就能成为现实。

这可不只是一个美好的愿望,曲速引擎的理论一直都在发展,并且越来越具有可行性。

在亚历克赛·博布里克和詹尼·马尔蒂雷发表的论文中,他们就介绍了一种名叫轴对称曲速引擎模型的东西,在这个模型中,飞船的质量“仅”需要像一颗行星那样就行了,这样,飞船在亚光速下就能实现曲速飞行。

现在人类并没有掌握这种技术,但以后的某一天,我们或许就能听到关于飞船成功实现曲速飞行的消息。

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