超光速的「曲率驅動」不靠譜?NASA高級推進物理實驗室卻還未放棄

天空之城 2020/10/26 檢舉 我要评论

對大多數人來說,超光速旅行僅僅是存在於科幻片裡的想像。

在影視中,這種想像被發揮地淋漓盡致,是人類「出航宇宙,探索未來」的基本技能。

為什麼一定要出航?

這或許源於人類偉大的冒險意識。

要說把「超光速宇宙航行」刻畫得入木三分、影響深遠的,當屬《星際迷航》,它甚至激發了一位墨西哥的理論物理學家的靈感,提出了一個學術版的曲率驅動理論(warp drive theory )。

雖然大多數物理學家都認為曲率驅動不過是一個思維實驗,但基於它的研究已經進行了20多年。在對它的研究中,我們甚至對時空有了更深刻的洞察,並有了清晰的科技發展方向。

不過,我們真能靠曲率驅動,實現超光速宇宙航行嗎?曲率驅動到底是什麼?它與現在一些前沿物理學有什麼交集?

1994年,威爾士卡迪夫大學的一位博士生:米格爾·阿庫別瑞(Miguel Alcubierre)一不小心將1991年《星際迷航》裡設定的曲速引擎,寫進了學術論文中。

Miguel Alcubierre

阿庫別瑞以學術的角度提出了一個瘋狂構想:在廣義相對論的框架內,在不引入蟲洞的情況下,可能存在一種允許太空船以任意速度飛行的方式。在外界觀察者眼中,這種飛行可以比光速更快。

阿庫別瑞以此建立了一套數學公式:阿庫別瑞度規,曲率驅動理論由此誕生。

這個理論實際上並不是創造什麼比光速更快的飛行器,而是假設了一種基於時空局部扭曲的推進機制。

這種推進靠一種假想的「翹曲引擎」來實現。

首先,它可以產生一個足以扭曲時空的重力來壓縮飛船前方的時空曲率;其次,產生一種負能量,來延展飛船後方的時空曲率;最後,在中心保留一塊正常的時空區域。

飛船對於中心局域平坦空間是靜止的,或者說飛船永遠處於一種自由落體狀態中,而四周巨大的時空曲率,通過阿庫別瑞度規的計算可以縮小到一個很小的區域,形成一個「翹曲氣泡」包裹著飛船所處的正常時空。

由於前後方的曲率不一樣,飛船就會被前方曲率更大的時空拉過去。

飛船靜止在正常時空的氣泡中

事實上飛船並不是在時空中移動,而是飛船周圍時空本身在移動,因此傳統的相對論效應,例如時間膨脹,將不再適用。

這一切實際上是建立在「時空的擴展和收縮沒有限制」的觀念之上,而這個觀念來源於如今的宇宙學。

例如,在宇宙大爆炸初期的10^-35秒內,理論物理學家一致認為時空膨脹速度至少是光速的300億倍。宇宙從一個小斑點膨脹了10^50倍,最終成為了我們的可見宇宙,直徑930億光年的哈勃球體。

宇宙這種膨脹速度讓我們驚駭于時空的「彈性」。既然可以膨脹,那一定也可以收縮。

當然,很多人認為曲率驅動是一種高度投機的想法。雖然不違背廣義相對論,但只是很有趣,完全不切合實際,因為這種負能量並不存在。

負能量,是指比真空中零點能(zero point energy)更小的能量。

為了獲得負能量,阿庫別瑞借用了理論物理學家假想的一種具有負品質的物質:奇異物質(exotic matter)。

如果地球上存在這樣的物質,它不會由於地球引力而留在地上,反而會掉回太空,它天生與我們的引力世界相排斥,以一種相反的方式運動,所以很難說宇宙中存在這樣一種物質。

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