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科学家开始研究曲速引擎飞船,超光速飞行有望实现!

2019-09-26

曲速引擎是一种超光速(faster-than-light, FTL)推进系统。曲速技术设想通过在宇宙飞船周围出了一种正常时空的人工“气泡”,使得飞船可以安全的以快于光速的几个数量级的速度航行,同时又回避了时间膨胀的相对论性的问题。

曲速泡的图示,船前方的空间收缩而后方空间扩张。

1994年物理学家米盖尔・阿尔库比雷( Miguel Alcubierre)首次提出了类似《星际迷航》中的弯曲引擎。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”。由此可以扭曲时空,造成飞船前方的空间收缩,后方的空间膨胀。被包裹在这一“曲速泡”中的飞船就能在不破坏相对论的情况下超光速飞行。这艘太空船因此可以在一个平坦的空间中乘着波移动,太空船在泡泡中本身不会移动,而是整个泡泡移动时会带着太空船前进。

可视化的曲速场:宇宙飞船静止于正常时空的气泡中

遗憾的是,曲速引擎存在一系列的问题。首先,维持这一弯曲所需的能量超过了宇宙的总能量。其次,它会产生大量威胁宇航员生命的辐射。2002年发表的文章指出,对于飞船而言无法往“曲速泡”的前方发送信号,这就意味着宇航员将无法操控飞船。

后来,哈罗德·索尼·怀特提出可以把曲速泡改成曲速环来减少能量需求,曲速引擎飞船再次受到关注。

美国国家航空航天局曲速研究计划中的曲速引擎船舰示意图

近年来该理论被注入了新的活力。美国宇航局约翰逊航天中心高级推进物理实验室高级推进团队负责人哈罗德·索尼·怀特在2011年的100年星际飞船研讨会上,分享了阿库别瑞理论的一些最新计算方法。他认为,阿库别瑞的理论是正确的,但需要进行认真的测试和研发。从那时起,他和他的同事就一直通过高级推进物理实验室进行这些研究。

今年8月19日至22日在美国航空航天动力与动力研究所论坛上,阿拉巴马大学亨茨维尔推进研究中心的工程师约瑟夫·阿格纽发表了题为《曲速理论和技术的验证和可行性 》的主题演讲。

阿拉巴马大学亨茨维尔推进研究中心的工程师约瑟夫·阿格纽

阿格纽认为,曲速推进系统背后的理论相对简单。从理论上讲,波内的航天器将能够跨越“扭曲气泡”,并获得超过光速的速度。在广义相对论的背景下解释,这个扭曲气泡的内部将构成其中任何物体的惯性参考系。同样,这样的气泡会出现在时空的先前平坦区域中,并超过光速。简而言之,阿库别瑞引擎允许超光速旅行,而不会违反传统意义上的相对论。

阿格纽在其学术生涯中花费了大量时间来研究曲速引擎背后的理论和力学。在机械和航空航天工程副教授兼阿拉巴马大学亨茨维尔推进研究中心的教员贾森·卡西布里的指导下,阿格纽的工作最终完成了一项研究,该研究解决了曲速引擎力学研究的主要障碍。

阿格纽说,由于曲速引擎系统依赖于时空的扩展和压缩,引力波的发现证明了其中一些影响是自然发生的。

他认为,曲速引擎最大的障碍是能源,随之而来的是技术障碍,比如需要更大的电磁场,更敏感的设备等。产生扭曲气泡所需的大量正能量和负能量仍然是“阿库别瑞曲速引擎驱动器”概念相关的最大挑战。

目前,科学家们认为,维持产生气泡所需的负能量密度的唯一方法是通过外来物质。科学家们还估计,总能量需求将等于木星的质量这与以前的能源估计值相比有了很大的下降,原来认为所用的能量质量等于整个宇宙。然而,木星这种级别的质量仍然过大。在这方面,仍然需要取得重大科学研究突破才行,以将能源需求降低到更现实的水平。

阿格纽说,实现这一目标的唯一可预见的方式是通过量子物理学,量子力学和超材料的进一步发展至于技术方面,在超导体,干涉仪和电磁发生器的制造上将需要进一步的突破。当然,还有资金问题。

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