科幻小說中的“曲速引擎”正加速接近現(xiàn)實

在金星和太陽引力的幫助下，NASA的帕克太陽探測器于2018年8月發(fā)射，成為歷史上最快的人造天體——但其最高速度仍不足光速的1%。現(xiàn)實中的曲速引擎能讓我們更快嗎？物理學家正在研究這個問題。比爾·英格爾斯，NASA

01 從想象到科幻

近60年前，最初的星際迷航該系列點燃了公眾想象中的一個夢想：有一天，人們將乘坐超光速“曲速引擎”驅(qū)動的飛船穿越銀河系。（曲速引擎（英文：Warp drive），也譯為曲率引擎，是一種超光速（faster-than-light, FTL）推進系統(tǒng)，和跳躍引擎、超光速引擎、星際傳送器等設(shè)備都是科幻作品中相似但理論不同的常見技術(shù)。曲速引擎以在影片《星際迷航》系列電影中最為常見。和其他科幻作品不同，曲速引擎的理論在設(shè)定上并不允許在兩點間進行瞬時旅行。曲速技術(shù)設(shè)想通過在宇宙飛船周圍出了一種正常時空的人工“氣泡”，使得飛船可以安全的以快于光速的幾個數(shù)量級的速度航行，同時又回避了時間膨脹的相對論性的問題。1994年由物理學家阿庫別瑞在廣義相對論框架下提出數(shù)學模型，此后研究重點在于降低驅(qū)動曲速泡所需的巨大能量，2021年更有理論提出僅用正能量即可構(gòu)建曲速泡的可能性）

曲速航天器，插圖。曲速引擎是一個理論概念，認為航天器通過收縮前方空間并膨脹后方空間，以超光速飛行。這種膨脹和收縮扭曲了航天器周圍的時空。時空是將空間和時間結(jié)合起來的連續(xù)體。

未來人類可以乘坐飛船當天下午抵達遙遠恒星系統(tǒng)的想法，很快成為科幻小說的常態(tài)，不僅僅是在星際迷航但在幾十部被幾代粉絲喜愛的電影、電視劇和書籍中。許多粉絲是后來成為科學家的孩子。如今，其中一些科學家正在扭曲時空本身，使曲速引擎更接近現(xiàn)實。

幾十年來，大多數(shù)物理學家認為曲速引擎是不可能實現(xiàn)的。但近年來，理論研究表明，虛構(gòu)的技術(shù)并不一定違反任何物理定律——這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對真實曲速引擎技術(shù)的濃厚興趣。雖然仍有許多實際挑戰(zhàn)待解決——尤其是如何產(chǎn)生和利用所需的巨大能量——但一些物理學家認為這并非不可能。

“科幻作家想象事物，而我們發(fā)現(xiàn)它們可行，”阿列克謝·博布里克說，他是天體物理學家，也是Applied Physics的曲速引擎先驅(qū)研究者，這是一家與政府和私營部門合作的公益公司。“真的很漂亮。”

02 從科幻到理論物理

像鮑布里克這樣的物理學家認真對待曲速引擎是有原因的：這個概念其實并不牽強。與其他科幻中關(guān)于超光速運動的理念，如蟲洞和異維超光速引擎相比，曲速引擎“是最容易與已知物理學兼容的，”物理學家兼科學傳播者說薩賓·霍森費爾德，經(jīng)常分享新 曲速引擎 研究在她受歡迎的YouTube頻道上。

在科幻作品中，曲速引擎是一種推進系統(tǒng)，它在飛船周圍創(chuàng)造一個時空泡泡。然后這個氣泡被加速，使其運動速度超過光速。表面上看，這聽起來似乎不可能：畢竟，根據(jù)愛因斯坦的相對論，宇宙中的物體無法被加速 超過光速障礙。但 時空本身 可以以任何速度彎曲或扭曲。《星際迷航 》科學顧問兼天體物理學家艾琳·麥克唐納表示，將時空想象為一種嵌入其中的織物——從恒星到飛船——是很有用的。麥克唐納說：“如果你把飛船包裹在時空的織物里，然后那織物飛得比光速快，還帶著你一起飛，這其實并沒有違反任何物理定律。”

《星際迷航》電影

這一概念在《星際迷航》首播之前就已存在 于科幻文學中。據(jù)作者兼 《星際迷航 》歷史學家 瑞安·布里特 介紹，《 星際迷航 》創(chuàng)作者吉恩·羅登伯里選擇采用曲速引擎，而非更奇幻的超光速旅行，這并不令人意外。布里特說，羅登伯里“盡可能癡迷于事實核查”。“這在科幻電視劇里以前從未出現(xiàn)過。”但盡管整體概念看似合理，曲速引擎仍被視為純屬虛構(gòu)。麥克唐納解釋說，問題在于以這種方式扭曲時空需要令人難以置信的能量。

在1994年一篇關(guān)于曲速引擎的開創(chuàng)性論文中——被認為是首次嚴肅的科學研究——物理學家米格爾·阿爾庫比耶設(shè)計了一個數(shù)學模型，可以在飛船前方收縮時空，在飛船后方膨脹。雖然所謂的阿爾庫比耶驅(qū)動器可以以任意速度移動時空氣泡，但他發(fā)現(xiàn)即使產(chǎn)生直徑僅幾米的小氣泡，所需的能量也相當于太陽的質(zhì)量。

https://medium.com/@aaravgeorge18/a-travel-through-time-miguel-alcubierres-warp-drive-473a069c2da8 穿越時空：米格爾·阿爾庫比耶爾的曲速引擎（截圖）

此外，阿爾庫比耶的計算要求存在一種奇異形式的“負能量”，使驅(qū)動器與愛因斯坦的相對論兼容。不幸的是，負能量似乎只是純數(shù)學概念，“在我們的宇宙中似乎并不存在”，霍森費爾德說。

前往遙遠的恒星，及時歸來共進晚餐(TED_2015)、米格爾運用他所有的知識和創(chuàng)造力，通過理論和現(xiàn)實的聚焦告訴我們?nèi)绾我猿馑俾眯小? 理論物理學家。在墨西哥和威爾士學習后，他提出了新的數(shù)學模型來描述黑洞的物理。他現(xiàn)任UNAM核科學研究所所長 。 03 從理論到物理曲速引擎

在阿爾庫比耶論文發(fā)表后的幾年里，包括NASA在內(nèi)的其他研究人員對他的模型進行了調(diào)整。許多后續(xù)論文試圖減少負能量需求。

鮑布里克在大學學習廣義相對論時首次了解曲速引擎。他覺得很有趣。“這件事在我腦海深處沉默了很久很久，”他說。當鮑布里克遇見應(yīng)用物理聯(lián)合創(chuàng)始人賈尼·馬蒂雷并得知他對該主題的興趣后，兩人決定更深入地研究曲速引擎。

兩人沒有再動手修理Alcubierre硬盤，而是決定從零開始，看看能否打造出一個更為物理化的新型號。他們一開始很簡單，只分析以恒定速度運行的曲速引擎。（阿爾庫比耶的推進可以加速或減速，后者在數(shù)學上更難描述。）

2021年，Bobrick和Martire在《經(jīng)典與量子引力》期刊上發(fā)表了題為《引入物理曲速引擎》的論文。書中描述了一個曲速氣泡的一般幾何結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部乘客區(qū)是時空平坦的，周圍有一層彎曲的外墻，施加引力場。這與阿爾庫比耶爾的曲速泡形成對比，后者不會引力拉扯外部物體——鮑布里克說這部分原因使其非物理化。

他們的模型不需要負能量——但鮑布里克說，要推動一個直徑數(shù)米的氣泡，仍需幾個木星大小的天體能量，“這實在是太多了。”然而，鮑布里克和馬蒂爾的曲速泡泡更大的限制是，它只能以低于光速的速度移動。這對星際迷航粉絲來說可能令人失望，但物理學家表示，這仍然是將曲速技術(shù)從科幻領(lǐng)域中推向的重要一步。

霍森費爾德在論文剛發(fā)布時發(fā)布的一段視頻中說：“現(xiàn)在我們有了更好的數(shù)學基礎(chǔ)來研究曲速引擎。”“我們知道扭曲的時空長什么樣。”

04 讓曲速引擎成為現(xiàn)實

現(xiàn)在科學家們有了更現(xiàn)實的曲速氣泡模型，關(guān)鍵問題是如何改變其速度。畢竟，在一個假設(shè)的未來，曲速驅(qū)動用于太空旅行，氣泡需要加速、減速并停止，以便乘客上下船。“描述整個過程非常關(guān)鍵，”鮑布里克說。還需要更多理論工作來減少曲速引擎的能量需求。即使有像冷聚變這樣假設(shè)的未來能源，生產(chǎn)相當于幾個行星的能源也很可能不可行。

雖然要證明曲速引擎在理論上是否可實現(xiàn)還有許多工作要做，鮑布里克表示，曲速引擎領(lǐng)域在過去幾年經(jīng)歷了“相當多的新思考”。事實上，他2021年的論文被引用超過60次，包括加拿大、阿根廷、歐洲和新西蘭的曲速引擎研究人員。（甚至還引來了一些批評——至少這表明他并非唯一認真對待此題材的人。）

雖然人類使用曲速引擎穿越星際可能需要好幾個世代，但我們可以更早看到具備曲速能力的星艦。2024年，一組物理學家發(fā)表了一篇論文，描述了曲速氣泡的坍塌——對《星際迷航》粉絲來說，這是一種曲速核心破裂——將如何在時空結(jié)構(gòu)中激起漣漪或引力波。這些波紋可以通過地球上的調(diào)諧到合適頻率的探測器捕捉到。 麥克唐納說，我們可能因星際災(zāi)難而一窺其他具備曲速能力的物種，這種想法“客觀上令人震撼”。

麥克唐納補充說，這項研究強調(diào)我們?nèi)栽趯W習宇宙的基本知識。直到十年前，科學家們才證實了引力波的存在，引力波是由黑洞碰撞和其他極高能事件引起的，這一發(fā)現(xiàn)毫無疑問地證明了時空正在不斷被扭曲。（引力波是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的“時空漣漪”，由大質(zhì)量天體（如黑洞或中子星）加速運動產(chǎn)生并以光速向外傳播；其發(fā)展歷經(jīng)1916年理論預(yù)言、1974年脈沖雙星系統(tǒng)間接驗證，直到2015年LIGO探測器首次直接探測到雙黑洞并合信號才最終證實。引力波的核心意義在于開辟了全新的“引力波天文學”觀測窗口，使人類能夠探測電磁波無法觸及的宇宙暗面（如黑洞并合與超新星爆發(fā)），并在極端強引力場下對廣義相對論進行前所未有的高精度檢驗。）

文章來源與參考：

https://cloud.kepuchina.cn/h5/detail?id=6974099086969942016

https://www.bilibili.com/video/BV1nCTE63ECi/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=a0795ae9a84265ee1ff02c7b49881fc4

https://www.sciencephoto.com/media/1053303/view/warp-drive-spacecraft-illustration

https://vocal.media/earth/what-is-a-warp-drive-can-it-help-humans-surpass-the-speed-of-light

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9B%B2%E9%80%9F%E5%BC%95%E6%93%8E

https://baike.baidu.com/item/%E6%9B%B2%E9%80%9F%E5%BC%95%E6%93%8E/3787752

https://medium.com/@aaravgeorge18/a-travel-through-time-miguel-alcubierres-warp-drive-473a069c2da8

來源 GeeksArt

轉(zhuǎn)載 高校科幻

聲明：本公眾號所發(fā)非原創(chuàng)推文，主要系接受委托、投稿或公益采編公開新聞，僅作推介之用，如有錯誤或侵權(quán)，請留言聯(lián)系管理員修改或刪除。若您有相關(guān)成果想要推介，歡迎發(fā)送文章信息至留言框。