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超光速的曲速引擎

毫无疑问,宇宙对于人类来说太广阔了。一束光需要4年多才能到达离我们最近的恒星半人马座。即使用现有最好的推进器,人类也需要数万年才能到达那里。

物理学家一直在思考我们能否通过一种叫“曲速引擎”的时空泡泡在宇宙中更快地巡游。在理论上,某些类型的曲速引擎速度可以超过光速。

时空自身收缩

你也许会问:光速不是所有物体运动速度的极限吗?曲速引擎超过光速这怎么可能呢?

没错,根据爱因斯坦的相对论,在时空中移动的物体不能超过光速,但这条规律仅对物体适用,至于时空本身,譬如时空膨胀、收缩的速度,则不受它的限制。

艺术家想象中的曲速引擎,飞船后面的环是负能量场。

举例来说,假如我们把时空想象成一块桌布,所有在桌布上运动的物体都不能超过光速。但另一方面,我们知道,根据广义相对论,时空受物体质量的影响会发生形变,所以桌布本身可能变形(譬如卷起来),而它卷起来的速度可以超过光速。

事实上,宇宙本身已经并且正在上演着这一幕。例如,在大爆炸的瞬间,原始的时空结构瞬间膨胀,膨胀速度比光速还快,这就是暴胀。而且即使今天,宇宙边沿的时空正带着“镶嵌”其上的遥远星系,以比光更快的速度离开,使得它们发出的光再也无法到达我们这里。

所以,通过拉伸和压缩周围的时空,让自己移动得比光还快,这在理论上是可能的。

需要负能量的曲速引擎

曲速引擎的想法最早是由墨西哥理论物理学家米格尔·阿尔库比耶雷提出来的。1994年,他在一篇文章中设想,如果飞船被包裹在一个时空泡泡中,飞船前面的时空在收缩,在飞船后面重新展开,像传送带一样运作,就有可能让飞船以超光速旅行到目的地。

要达到这个目的,这个时空泡泡需要独立于周围的时空,这样,不论周围的时空收缩或膨胀,它都不受影响,就好比一个人需要悬在传送带上方,不能被传送带带着走。

要制造出这样一个时空泡泡,这就需要让飞船附近的时空剧烈变形,让飞船能够“躲进小楼自成一统”。如何办到呢?我们知道,密度越大的物体,其附近的时空弯曲得越厉害(譬如黑洞),所以这需要用极高密度的奇异物质(如中子星物质)来做飞船的外壳。

奇异物质的强大引力将导致飞船前面的空间急剧收缩,与此同时,飞船后面的空间展开(或膨胀),其结果是,飞船即使静止,看起来也像在移动。

但是,这个设想有一个大问题:让空间收缩在理论上固然是可行的,但是要想让时空膨胀,似乎行不通。因为这需要某种形式的负能量,去抵消引力,而根据爱因斯坦的质能公式E = mc 2 ,能量总是正的,不可能是负的。天文学上虽然有暗能量可以抵消引力,但我们迄今仍然不知道暗能量是什么。

出于这个理论上的困难,阿尔库比耶雷放弃了曲速引擎的设想。

负能量不是必需的

不过,最近,两位物理学家提出,负能量并不是曲速引擎所必需的,只要把飞船设计成特定形状,正能量的物质即可胜任。

如果他们的结论是正确的,这意味着为曲速引擎消除了最大的障碍。

在他们的设想中,把飞船设计成一个圆饼状,饼面朝前飞,效果最好。当然,飞船外壳的材料还是离不开高密度的奇异物质。由于时空的强烈变形,飞船内外时间流逝的快慢会有很大的差异。不过,要想造成可测量的效果,所需的质量是非常巨大的。比如,如果我们把整个地球的质量压缩成一个直径为10米,厚度为1米的飞船外壳,飞船内部的时间也仅比外部的时间,一年里慢了大约1小时。

就现实而言,即使不需要负能量,曲速引擎仍然可能是一种不切实际的设想,但从理论上来说,这类思想实验是探索相对论极限的一种方式,还是有用的。

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