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標題: 曲速引擎 [打印本頁]

作者: 深蓝色的畅想 時間: 2021-10-31 10:20
標題: 曲速引擎

物理学家仍然没有放弃快速穿梭于宇宙的梦想。事实上，墨西哥国立自治大学（National Autonomous University of Mexico ）核子科学研究所的米给尔· 阿库别瑞教授（Miguel Alcubierre ），很早就提出一个极度先进的方法来实现此梦想。

科幻影集的启发

阿库别瑞教授的构想来自科幻影集《星际迷航》（Star Trek）。在影集中，太空船靠着“曲速引擎”（warp drive）驱动，在宇宙穿梭。不过剧中太空旅行的概念，违背了爱因斯坦的狭义相对论，因为比光速快的飞行是不可能的。

不过，加入奇异物质（exotic matter）的假设条件后，这种科幻小说中的发明，似乎就能符合爱因斯坦广义相对论的范畴。于是物理学家开始计算及讨论，是否真的能制造出曲速引擎这样的装置，并使用于太空旅行中，不过目前尚未得到结论。

阿库别瑞教授思考能否构建出一个类似曲速引擎几何形状的时空，让超越光速的旅行成为可能。他想到的解决方法，是构建一个广义相对论方程式的特例，一个曲速泡（Warp bubble）的模型。

假说理论

曲速泡的作用是先缩紧在太空船前端的空间，然后扩张太空船后端的空间，在泡泡内的太空船就能以感觉比光快的速度，但其实是静止的状态，被泡泡带着在太空中行进。例如，距离地球最近的星系为4.4 光年外的南门二星系（Alpha Centauri）。将一艘太空船放在曲速泡内，这个泡泡会将前方的宇宙缩成几公分的长度，然后再于后端将其扩张至4.4 光年，最后将太空船从泡泡中弹出。如此一来，这艘太空船就能用比光速快的时间，抵达南门二星系。

阿库别瑞博士将此概念比喻为机场的电动步道。他提到：“你只要站在电动步道上就会移动了。你根本不需要动，它就会带你前进。这个想法的关键在于广义相对论中并没有限制太空扩张的速度，太空是可以用任意的速度扩张的。”

难以达成的限制

然而，要能达成阿库别瑞博士所描述的曲速泡，还缺少一个现今仍不存在的东西，也就是一种能量密度为负的物质。所有的已知物质，包括恒星、岩石、热狗、人类和一切事物，因为遵守质能守恒公式E=mc 2，都具有正值的能量密度。

正常的重力场会使空间收缩。但负能量具有反重力的效果，能将空间一分为二，而这正是一个曲速引擎要用来扩张空间所需要的东西。物理学没有否定负能量场存在的可能性。例如卡西米尔效应（Casimir effect），这是一种奇怪但已证明存在的量子力学现象，所描述就是在真空中仍可产生电磁力，将物质彼此拉近，仿佛真空其实不空（有物质才有能量产生）。卡西米尔效应能应用来产生负能量密度。

而即使能达成负能量密度，早期的计算显示，曲速引擎需要几乎不可能产生的超大能量，比起宇宙中存在的所有能量还要多。即使物理学家之后降低该数值的估算，但其数值仍相当于将整个木星质量转换成能量，如此不切实际的天文数字。

此外，还有其他待解决的问题。物理学家正在争辩的问题包括：需要多少能量才能扭曲空间？是否需要如同铁路般，沿着太空舰艇所经的路线设定时空曲速设备？舰艇人员有办法驾驭曲速泡吗？从泡泡出来是否会造成声爆，导致目的地被摧毁？

遥遥可及的梦想

如果超越光速的旅行是可行的，就能将其应用于时空旅行。但这又违反因果关系（causality）这个物理定律，也就是未来不能改变过去。显然，曲速引擎可能最终只是短暂的科学海市蜃楼。随着科学家越来越理解宇宙的基本定律之后，他们或许就能证明这一切都是不可能的。

不过，休士顿太空中心（Johnson Space Center）物理学家哈罗德·怀特博士（Harold G. White）表示，他领导的研究团队已找到一种方法可构造出原本只是假设的负能量物质，如此一来就能做出曲速引擎。然而，怀特博士仍强调：“我们只是将这个想法，从完全不可能转到或许可行而已。但我们并没有说其必可实行。”

至于提出这个构想的阿库别瑞博士，现在也对这个概念不太乐观。他表示：“我的想法没有改变太多，仅管我可能对其越来越怀疑。而且我从来没提过关于太空船的部分；我甚至不知道要从何开始设计出一台。我得说这个构想大概是不可能的，即使可行，我们可能离达成此目标还有几个世纪的路要走。”

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