在艾薩克·阿西莫夫的《基地系列》中，人類可以利用跳躍驅動器從一個星球到另一個星球，從一顆恒星到另一顆恒星，或者穿越宇宙。一些角色--比如電影《星際》和《雷神》中的宇航員--利用蟲洞在幾秒鐘內就能在太陽系之間旅行。另一種方法--《星際迷航》的粉絲們很熟悉--是曲速引擎（Warp drive）技術。曲速引擎是理論上可能的，但仍然是牽強的技術。最近的兩篇論文在3月份成為頭條新聞，因為研究人員聲稱已經克服瞭阻礙曲速引擎理論與現實之間的眾多挑戰之一。
但是，這些理論上的曲速引擎究竟是如何工作的？人類是否很快就會跳到曲速引擎？
物理學傢目前對時空的理解來自於愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論指出，空間和時間是融合在一起的，沒有什麼能比光速更快。廣義相對論還描述瞭質量和能量是如何扭曲時空的--像恒星和黑洞這樣的大天體使它們周圍的時空發生彎曲。這種曲率就是你感覺到的引力，也是許多太空英雄擔心 "陷入 "或 "落入 "引力井的原因。早期的科幻作傢約翰-坎貝爾和阿西莫夫將這種扭曲視為繞過速度限制的一種方式。《星際迷航》采納瞭這個想法，並將其命名為曲速引擎。
1994年，墨西哥理論物理學傢Miguel Alcubierre表明，在廣義相對論的定律下，在飛船前面壓縮時空而在後面擴展時空在數學上是可能的。那麼，這意味著什麼呢？想象一下，兩點之間的距離是10米（33英尺）。如果你站在A點，每秒能走一米，那麼到B點就需要10秒。然而，假設你能以某種方式壓縮你和B點之間的空間，使現在的間隔隻有一米。然後，以你每秒一米的最大速度在時空中移動，你將能夠在大約一秒鐘內到達B點。從理論上講，這種方法並不違背相對論定律，因為你在你周圍的空間中的運動速度並沒有超過光速。Alcubierre表明，《星際迷航》中的曲速引擎實際上在理論上是可行的。
負能量問題
Alcubierre的曲速引擎將通過在飛船周圍創造一個平坦的時空“氣泡”，並在該“氣泡”周圍彎曲時空來縮短距離。曲速引擎需要負質量--一種理論上的物質類型--或負能量密度的環才能工作。物理學傢從來沒有觀察到負質量，所以這就使得負能量成為唯一的選擇。
為瞭創造負能量，曲速引擎將使用大量的質量來創造粒子和反粒子之間的不平衡。例如，如果一個電子和一個反電子出現在曲速引擎附近，其中一個粒子會被質量困住，這就造成瞭不平衡。這種不平衡導致瞭負能量密度。Alcubierre的曲速引擎將使用這種負能量來創造時空泡沫。但是為瞭讓曲速引擎產生足夠的負能量，你需要大量的物質。Alcubierre估計，一個有100米“氣泡”的曲速引擎需要整個可見宇宙的質量。
1999年，物理學傢Chris Van Den Broeck表明，擴大“氣泡”內的體積，但保持表面積不變，將大大減少能量需求，僅相當於太陽的質量。這是一個重大的改進，但仍然遠遠超出瞭所有的實際可能性。
一個科幻的未來？
最近的兩篇論文--Alexey Bobrick和Gianni Martire的一篇，以及Erik Lentz的另一篇--提供的解決方案似乎使曲速引擎更接近現實。Bobrick和Martire意識到，通過以某種方式修改“氣泡”內的時空，他們可以消除使用負能量的需要。不過，這種解決方案並沒有產生可以超過光速的曲速引擎。
Lentz也提出瞭一個不需要負能量的解決方案。他用一種不同的幾何方法來解決廣義相對論的方程，通過這樣做，他發現曲速引擎不需要使用負能量。Lentz的解決方案將允許“氣泡”以超過光速的速度飛行。
留言列表
