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光速可以超越!爱因斯坦的理论也无法反驳,无需虫洞的星际穿越

2021-03-14

绝望的星际旅行

1977年,NASA的旅行者1号探测器发射升空,如今已经快42年了。经历了42年的飞行,旅行者1号成为了飞行最远的人造设备,距离地球超过224亿公里。

然而,它想要飞到距离太阳系最近的比邻星那么远的位置上(4.22光年),恐怕还需要7万年的时间。即使是飞出太阳系(超过1光年的半径),也需要上万年。

(图片说明:旅行者1号)

令人绝望的数字。

更加绝望的数字,还在后面:目前已知最宜居的系外行星Gliese 581 g距离我们20光年;银河系的半径大约为5万-10万光年;可观测宇宙的半径达到了470亿光年。

可是,所有这些距离,都不是最令人绝望的,真正让人看不到希望的,是速度。一百年前,伟大的物理学家爱因斯坦告诉我们:在宇宙中,没有任何物质能够超越光速。这意味着,即使人类的科技发展得再快,也无法让宇宙飞船达到每秒30万公里。

考虑到光年的定义,即使达到光速,我们到达Gliese 581 g也要20年,飞出银河系至少需要5万年,想要到宇宙的边界去看看,需要470亿年……而且到达的那一天,那里已经不是宇宙的边界了。

光速:人类的枷锁

光速就像是禁锢着人类的枷锁,让我们对太阳系以外的世界都可望而不可即。相对论告诉我们:当一个物体速度提升的时候,它的质量也会增加,随着它越来越接近光速,质量的增加也越来越快。而物体的加速是需要推力的,而加速度的大小又与质量成反比。当物体极度接近光速时,继续给它加速的力将会变成无穷大,这是不可能的,因此只有没有质量的光子可以达到光速。

而且,从理论上来讲,一旦超过光速,将会彻底打破物理学定律,甚至时间逆转,这也都是不可能的。

然而,科学家是一群“不信邪”的人。正是他们敢于挑战固有思维的勇气,让人类的科学能够发展到今天。他们相信,即使是光速不可超越的说法,也是有可能推翻的。

目前来说,比较热门的突破光速的理论就是虫洞曲率驱动引擎。不过,最近德国哥廷根大学的物理学家Erik Lentz在《经典与量子引力》杂志上撰文称,他的理论可以比曲率驱动引擎可行性更高,更容易实现对光速的突破。

超光速的空间

诚然,爱因斯坦的理论告诉我们物质是不可能达到光速的,但我们在宇宙中的确可以看到超越光速的现象。实际上,我们宇宙的膨胀速度,就已经超过了光速,否则怎么可能在138亿年的时间里膨胀出470亿光年的半径呢?

(图片说明:空间的膨胀不受光速限制)

然而,这并不违背爱因斯坦的理论,因为空间本身并不是物质,不携带信息,因此不会受到光速的限制。而那里的天体只是附着在空间内的存在,它们本身的运动速度不超过光速,只是那里的空间超过了光速而已。

因此,有些科学家提出:我们如果能够利用这个原理,那么也可以让我们的航天器随着空间的膨胀而实现超光速的飞行。具体来说,如果我们有一种设备,能够将航天器前方的时空进行一种“扭曲”,然后让空间往那里膨胀,那么我们的航天器就可以随着空间一起飞过去,同时不受光速的限制。

(图片说明:曲率驱动引擎)

换句话说,如果能够创造一个具有负能量的空间,那么就可以实现这种航行,这就是曲率驱动引擎的概念。不仅如此,如果能够利用负能量,我们也可以实现虫洞的稳定存在。因此,对于许多的科学家来说,负能量将是解决星际航行的终极秘钥。

孤立子

不过,Lentz对于负能量并没有那么多的兴趣,反而对另一个概念充满了好奇,那就是孤立子。孤立子是一种比较特殊的波,也就是所谓的孤立波,但具有粒子的特性。最神奇的是,孤立子可以在经历了交互作用的情况下保持稳定的速度、能量和形状等特性。

(图片说明:孤立波艺术图)

根据Lentz的计算,孤立子的存在并不违背爱因斯坦的广义相对论,而且只需要正能量密度,而不是需要假设一种还没有得到确认的负能量概念。从这一点来说,它要比虫洞和曲率驱动引擎更具有可行性。

如果我们有足够强大的能量,那么就可以利用这些孤立子创造出“曲率气泡”,从而实现超光速飞行,同时还不用担心受到恐怖的潮汐力所造成的伤害。

当然了,大家也注意到了我们提及的一个前提,那就是足够强大的能量。实际上,Lentz的计算结果显示,这个能量的确强大得惊人。他指出:“如果想让这种引擎将一个半径为100米的 航天器提升到光速,它所需的能量相当于木星质量的数百倍。”

(图片说明:科学家们设计的各种曲率气泡)

这是个什么概念呢?Lentz做了一个对比,和现代核反应堆相比,这个能量要大了30个数量级!也就是说,这需要至少100万亿亿亿个核反应堆可以……

也就是说,这个看似更可行的理论,仍然会在很长的时间内仅仅停留在设想的层面上。即便如此,仍然有很多人对此充满了兴趣,据说已经有两个科学团队想要和他进行讨论,向他索取数据以进行更深入的研究,而他本人也将开直播来介绍自己的这个成果。

不管怎么说,即使现在无法实现,类似这样的想法对于我们来说也具有非常重要的启迪意义。至少我们已经提出了超越光速的可能,接下来把问题转移到如何降低这种星际旅行的能耗上就可以了。Lentz相信,当能耗问题解决后,我们就可以着手讨论建造原型机的工作了。

(图片说明:各种航天器前往比邻星所需的时间)

超越光速的星际旅行,已经从幻想变成了可能。科幻片里的剧情正在变成现实,随着星际旅行的实现,或许我们也终将可以解答宇宙中是否有其他生命的问题。

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来自:邹君山  > 待分类
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