Wustar的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/Wustar

博文

爱因斯坦的星空4

已有 366 次阅读 2019-3-15 23:46 |系统分类:科普集锦

               超越光速的翘曲飞行可行吗?

     

                 blob.png

   曲速引擎(英语:Warp drive)是一种假想的超光速(faster-than-light, FTL)推进系统,经常出现于科幻小说的设定中,尤以在影片《星际旅行》中最为常见。一架装载着曲速引擎的宇宙飞船,可以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。与其他科幻作品的超光速技术(比如跳跃引擎、银河便车指南系列中的无限不可能引擎)不同,曲速引擎并不允许在两点间进行瞬时旅行;曲速引擎技术在宇宙飞船周围创造出了一种正常时空的人工“气泡”。(这与进入独立的区域或维度截然相反,比如出现在星际大战、星际之门、战锤40000、巴比伦5号中的超空间)所以,以曲速速率航行的宇宙飞船在“正常时空”中仍能继续与物质相互作用。

   运用空间翘曲(space warp)作为推进工具已成为一些物理学家(例如米给尔•阿库别瑞)的理论推导主题(参见阿库别瑞引擎),然而目前尚未有坚实的技术方法被提出,也不知道阿库别瑞所提的效应理论上要怎么引发。

   刘慈欣的《三体》中出现过一种类似的“曲率驱动”方式。大刘在书中写道:“一艘处于太空中的飞船,如果能够用某种方式把它后面的一部分空间熨平,减小其曲率,那么飞船就会被前方曲率更大的空间拉过去,这就是曲率驱动。曲率驱动不可能像空间折叠那样瞬间到达目的地,但却有可能使飞船以无限接近光速的速度航行。”

   如许多星舰迷所知,许多未来性技术是在星际旅行中首次被勾画出来,并且后来也被真正的发明,例如折叠式手机、平板电脑、通讯徽章、皮下注射器(hypospray)、精灵刀(机械手臂光子刀),以及目前正在开发中的物品(例如VISOR)。于1996年,美国国家航空航天局(NASA)成立了突破性推进物理计划(Breakthrough Propulsion Physics Program, BPP),其中部分经费支援了曲速引擎方面的推测性工作。这项计划在2002年中止。

   思想实验还在理论物理荒芜的前沿漫步前进,时至今日仍未有允许曲速航行且被主流科学接受的体系被拓展出来。一些物理学家提出一种超光速航行的模型,以劳仑兹流形的架构来陈述;这种架构在广义相对论中被用以建立时空模型。然而,相反于平常的误解,这些模型并非爱因斯坦场方程式的解。它们也没有给出如何实做曲速泡(warp bubble)的提示。这些模型确实指出速度是无法超过(局域)光速,但原理上却可能可以透过对时空本身做适度的弯曲,来回避光速限制的问题。其中最广为人知的是阿库别瑞引擎,具有有趣的特质——其用词上与星旅系列术语一致:“曲速层级”是空间(或者说时空更为恰当)翘曲的量度,而不是实际速度。


blob.png 


   美国国防部披露的报告中称,2008 年几十名科学家签署协议开始一项秘密研究。他们深入研究了各种各样的尖端太空科技,包括人类闻所未闻的全新空间推进方式。其中,提交于 2010 年 4 月的一份 34 页的报告最引人注目,报告的题目是《曲速推动,暗能量和高维空间操纵》。

 blob.png

   在广义相对论中,时间和空间是弯曲的,Alcubierre用的办法很简单,就是直接写下一个四维时空,在这个弯曲时空中,一个远离飞船的地方,时间和空间与没有任何能量存在时是一样的,也就是说是平坦的。在接近飞船的地方,时空形成一个“气泡”,这个气泡可以用任何速度向前飞行,而飞船藏在气泡中。即使在气泡中,时空的曲率也可以不大,这样不会导致飞船受到很大影响。

  Alcubierre的超光速时空气泡初看上去没有什么特别的,除了气泡以超光速飞行。计算的结果告诉我们,时空在气泡的后面膨胀了,在气泡的前面缩小了,这也许是气泡可以以任何速度运动的原因。任何人都可以像Alcubierre随手写一个弯曲时空,但我们不能承认这个时空是可以实现的,除非它满足爱因斯坦场方程。同样,Alcubierre的时空也需要满足爱因斯坦场方程。他是倒过来做这件事的,先写下时空,然后带入爱因斯坦方程看看我们需要什么样的物质,结果有点让人失望,我们需要负能量。而丘成桐等人证明的正能定理,却排除了广义相对论中负能物质的存在。

   同时,量子力学与量子场论属于与广义相对论冲突的理论。求助于量子力学与量子场论的Casimir效应制造负能状态,引入到广义相对论中制造翘曲飞行奇迹,不是一个合乎逻辑的推理过程。这就像老虎的饥饿状态,不是羊提高食欲拼命吃草,养肥自己来喂饱老虎的理由。

blob.png

   需要负能量这件事不是第一次发生,过去,人们在讨论虫洞和利用虫洞制造时光机器时也发现,没有负能量根本做不到。目前,除了在极端情况下,我们还没有观测到负能量的存在。所谓极端情况,是利用Casimir效应得到的一点点负能量。 最简单的Casimir效应出现在两块很大的平行金属板之间,光子场的量子涨落使得平行板之间的能量变成负的。但这么一点点负能量远远不够制造曲率驱动气泡。Alcubierre气泡本身也许不需要不可思议多的负能量,但如果我们要求某些量子条件成立,那么Alcubierre气泡需要的负能量的绝对值就会达到10的64次方公斤,这远远大于宇宙的能量。即使我们不要求满足任何量子条件,Alcubierre气泡负能量的绝对值一般也要大于飞船能量的绝对值,实际上也是不可行的。而且,负能量的绝对值与气泡的速度平方成正比。

blob.png

   这并不妨碍科学家们的探索。比如,一位科学家研究结果说,满足了量子条件,驱动一个原子超光速飞行的负能量的绝对值可以降低到三个太阳质量。另一位科学家甚至说,可以将驱动一个原子的负能量的绝对值降低到几个毫克。也许,在未来,曲率驱动可以超越光速。Krasnikov甚至想到一个类似《三体3:死神永生》中的主角程心想到的办法——在气泡的路上安排一些质量使超光速气泡成为可能。(当然,安排这些质量的过程本身只能用亚光速速度。

   但是后来,物理学家发现了更多的问题,例如要产生超光速十倍的气泡,气泡壁的厚度变得非常小,小到量子引力效应不可忽略。这么薄的气泡壁将包含不可思议的能量。还有人发现,气泡内的霍金辐射会毁灭整个气泡。

blob.png

 

   物理学家们真的可以制造出超光速时空气泡吗?也许我们会不断发现不可能的原因,这样,我们就不必面对下面的疑问:如何解决超光速运动引起的祖父悖论?即使用Alcubierre气泡,我们也逃避不了这个悖论。至于如何利用曲速制造时光机帮助我们访问过去,那就是是另一个话题了。

加州理工学院的物理系教授肖恩卡罗尔(Sean Carrol)发了一条推特指出了这个工程不可行。他认为,这种设想限制重重,想要获得曲速推进,一个必要的条件是在曲速泡中产生比真空低的能量密度 (即负能量)。以目前人类的科学水平根本不能产生如此巨大的负能量。以距离地球 4.37 光年的半人马座为例,从地球出发到这个最近的恒星系统,用曲速推进只需几年的时间,但消耗的能量却大到难以想像。

这一趟下来所需要的能量大小,大概等于地球的总质量通过质能方程全部转化后的能量,只是这些都是能量都是负的,”卡罗尔说,“这不像《星战》中演的那样,死星用一束高能激光把地球打成粉碎,这是让地球完全消失!”

报告中也承认了人类对负能量的理解远远不够,不过可以尝试在大型强子对撞机和高维空间中寻找答案。报告中称,通过操控 11 维空间就可以构造出能拉伸的空间。11 维空间是 M 理论中的一个特殊构想,尽管这个提法在理论上没有破绽,但是如何操控 11 维空间,目前还不得而知。即使这个方法可行,也会有一连串的问题接踵而至。

有研究表明,“曲速泡”中的飞船无法向前方发送信号,这就意味着飞行员将无法控制飞船;而另一个对曲率驱动的计算机模拟发现,在超光速飞行时,“曲速泡”前方会堆积大量的负粒子,飞船到达目的地开始减速时,一路上累积的负粒子会在瞬间全部释放,足以摧毁任何与基接触的物体。

尽管曲速推进也许会成为人类探索宇宙深处的利器,但是目前人类的空间推进技术还停留在液体化学推进器上。

blob.png




http://blog.sciencenet.cn/blog-1668877-1167802.html

上一篇:爱因斯坦的星空3
下一篇:爱因斯坦的星空5

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-3-25 22:16

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部