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超光速的“曲率驱动”不靠谱?NASA高级推进物理实验室却还未放弃

对大多数人来说,超光速旅行仅仅是存在于科幻片里的想象。

在影视中,这种想象被发挥地淋漓尽致,是人类“出航宇宙,探索未来”的基本技能。

为什么一定要出航?

这或许源于人类伟大的冒险意识。

要说把“超光速宇宙航行”刻画得入木三分、影响深远的,当属《星际迷航》,它甚至激发了一位墨西哥的理论物理学家的灵感,提出了一个学术版的曲率驱动理论(warp drive theory )。

虽然大多数物理学家都认为曲率驱动不过是一个思维实验,但基于它的研究已经进行了20多年。在对它的研究中,我们甚至对时空有了更深刻的洞察,并有了清晰的科技发展方向。

不过,我们真能靠曲率驱动,实现超光速宇宙航行吗?曲率驱动到底是什么?它与现在一些前沿物理学有什么交集?

01

1994年,威尔士卡迪夫大学的一位博士生:米格尔·阿库别瑞(Miguel Alcubierre)一不小心将1991年《星际迷航》里设定的曲速引擎,写进了学术论文中。

Miguel Alcubierre

阿库别瑞以学术的角度提出了一个疯狂构想:在广义相对论的框架内,在不引入虫洞的情况下,可能存在一种允许宇宙飞船以任意速度飞行的方式。在外界观察者眼中,这种飞行可以比光速更快。

阿库别瑞以此建立了一套数学公式:阿库别瑞度规,曲率驱动理论由此诞生。

这个理论实际上并不是创造什么比光速更快的飞行器,而是假设了一种基于时空局部扭曲的推进机制。

这种推进靠一种假想的“翘曲引擎”来实现。

首先,它可以产生一个足以扭曲时空的重力来压缩飞船前方的时空曲率;其次,产生一种负能量,来延展飞船后方的时空曲率;最后,在中心保留一块正常的时空区域。

飞船对于中心局域平坦空间是静止的,或者说飞船永远处于一种自由落体状态中,而四周巨大的时空曲率,通过阿库别瑞度规的计算可以缩小到一个很小的区域,形成一个“翘曲气泡”包裹着飞船所处的正常时空。

由于前后方的曲率不一样,飞船就会被前方曲率更大的时空拉过去。

飞船静止在正常时空的气泡中

事实上飞船并不是在时空中移动,而是飞船周围时空本身在移动,因此传统的相对论效应,例如时间膨胀,将不再适用。

这一切实际上是建立在“时空的扩展和收缩没有限制”的观念之上,而这个观念来源于如今的宇宙学。

例如,在宇宙大爆炸初期的10^-35秒内,理论物理学家一致认为时空膨胀速度至少是光速的300亿倍。宇宙从一个小斑点膨胀了10^50倍,最终成为了我们的可见宇宙,直径930亿光年的哈勃球体

宇宙这种膨胀速度让我们惊骇于时空的“弹性”。既然可以膨胀,那一定也可以收缩。

当然,很多人认为曲率驱动是一种高度投机的想法。虽然不违背广义相对论,但只是很有趣,完全不切合实际,因为这种负能量并不存在。

02

负能量,是指比真空中零点能(zero point energy)更小的能量。

为了获得负能量,阿库别瑞借用了理论物理学家假想的一种具有负质量的物质:奇异物质(exotic matter)

如果地球上存在这样的物质,它不会由于地球引力而留在地上,反而会掉回太空,它天生与我们的引力世界相排斥,以一种相反的方式运动,所以很难说宇宙中存在这样一种物质。

虽然这种奇异物质在经典物理学领域不可能存在,但在量子力学领域却似乎有可能。比如,一种卡西米尔效应(Casimir effect)或称卡西米尔力(Casimir force)的存在。

1948年,荷兰物理学家亨利克·卡西米尔(Henrik Casimir)通过量子理论预言了一种负能量。

想象一下,把两块中性金属片放在真空中,彼此平行,然后慢慢靠近。常识告诉我们,因为是电中性,又没有气压存在,两块板之间不会存在什么相互作用力,但事实上,当它们靠近微米级的距离后,会出现吸引力。

1958年,物理学家斯派纳(M.J.Sparnaay)在实验室率先观察到了这种力,证实了卡西米尔的预言。1996年物理学家们更测出了其精准数值。在真空中,如果两块金属板的面积为1平方厘米,相距1微米,那它们之间的卡西米尔力约为10^-7N,大约等于一个直径半毫米的水珠所受重力。

卡西米尔最早对这种力的预言,其实是为了证明“真空不空”。这是源于量子力学的一种结论,意味着真空具有一种本体能量,而“真空零点能”并不意味着没有能量。

在微观世界中,真空是一片沸腾的量子海洋,各种虚粒子对在其间瞬间产生又瞬间湮灭,因此真空中充满着各种波长的粒子。当两块平整的薄板靠得足够近时,一些波长较大的粒子就会被排挤出去,这就造成了两板之间的能量密度比板外小,形成了两板之间的吸引力。

这就是卡西米尔力的秘密所在,而且当两板靠得越近,两板之间的吸引力也就越强。

03

虽然卡西米尔效应并不能明确指出如何获取“奇异物质”,但它却成为了“一些未知力量发挥作用的潜在指标”。它能被运用到何种地步,我们还不得而知。

然而,通过早期的阿库别瑞度规计算,为了支持一个直径只有100米的翘曲气泡的负能量,需要有比整个宇宙的质量更多的奇异物质。这似乎让人绝望。

不过后来的研究者把这个计算数值减小到了大约木星的质量,约为10^45焦耳总能量,这仍然是一个巨大的能量。我们能收集到这么多的负能量吗?

幸运的是宇宙中,还有大量隐藏的东西,能达到一样的效果。

比如,导致宇宙膨胀的暗能量,而它占了宇宙总能量的75%,如果我们能驾驭和操纵暗能量,也许可以用它来扩大时空,创造出一个翘曲气泡。

虽然暗能量在宇宙中十分的分散,我们也还没能清楚如何聚集它们,甚至连它们到底是什么,还不清楚,但从理论上讲,这样做是可能的。

甚至我们可以将曲率驱动理论与暗能量理论联系起来思考,如果我们能理解时空为什么已经在扩展,我们也许能够利用这些知识,人为创造时空的扩展或收缩。

然而,不少人都认为曲率驱动还只是理论物理学家的幻想,就连不少物理学家本身也这样认为。

不过自2012年以来,美国宇航局高级推进物理实验室(又名Eagleworks实验室)却建起了一支研究翘曲场力学的科学家团队。

Harold Sonny White

“我们已经在这个实验室启动了一个干涉仪试验台,我们将在那里尝试产生一个微小的翘曲气泡。”在2012年的100年星际飞船研讨会上,美国宇航局高级推进物理实验室负责人哈罗德·索尼·怀特(Harold Sonny White)曾分享了一些关于曲率驱动的研究计划。

不过要改变物理学家对曲率驱动的看法,需要一些实验性的东西,一些定量的、具有物理代表性的研究进展。美国宇航局的工程师曾提议用激光测量空间扭曲的实验,但到目前为止,还没有实验证明是有用的。

目前来说,曲率驱动仍然超出了工程师的能力,但这并不意味着它进入了一个死胡同。在研究曲率驱动理论的过程中,物理学家们学到了很多关于相对论和宇宙在极端情况下如何工作的知识。

另外,虽然人类还无法得出一些具有物理意思的实验数据,但大自然似乎已经为我们揭示了曲率驱动的可行性。

2016年引力波的发现,不仅证实了爱因斯坦一个世纪前所做的预言,也证明了曲率驱动的基础存在于自然界。引力波的发现是科学领域的一次巨大飞跃,证明了弯曲的时空振荡可以在全宇宙传播。


虽然曲率驱动堪称是能突破光速的“终极”航行方式,但事实上Eagleworks实验室每年的运行经费只有5万美元,完全不支持高质量的研究。由此可见,曲速驱动仍是一个十分边缘的研究课题,就连阿库别瑞本人在发表论文后,也没有再进行曲率驱动的研究工作。

即使曲率驱动仅仅是一个思想实验,许多理论物理学家也从中汲取了一些认识时空的灵感。

当然,或许我们只是星际迷航的粉丝而已!

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来自:启云_9137  > 自然科学
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