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《三体》航天考,曲率驱动

来源:整理 时间:2022-04-11 13:51:19 编辑:华为40 手机版

我们从从曲率驱动和光速飞船开始。关于曲率驱动这个概念,在1994年由墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利(MiguelAlcubierre)第一次提出。在《死神永生》中,提到了曲率驱动引擎,这种引擎的工作原理绕开了牛顿第二定律,驱动飞船产生速度并不需要力,而是空间本身被拉扯了。

曲率驱动真的可以达到光速吗?现在能否做到曲率驱动?

曲率驱动真的可以达到光速吗现在能否做到曲率驱动

人类对速度的痴迷是与生俱来的,为了追求更高的速度,运动员可以通过更科学的训练来不断打破田径场上的世界纪录,工程师也不断的研究和推出更快的跑车和更高速的飞行器,2018年,美国波音公司连续公布了在5马赫级别(时速超过6100公里)的军用与民用高超声速载人飞机概念与方案,然而对于那些以未来的征途是星辰大海的科学家来说,这样的“高速”实在是“慢”的和蜗牛有一拼,他们心中的高速是能以光速为参照速度的飞行器,如果要想达到恒星际航行的目标,飞行器的速度至少要达到光速的百分之一(3000公里/秒,时速1000万公里以上),参考电影《流浪地球》中,经过500年加速才使地球的速度达到光速的千分之五,飞行千年才能到达最近的恒星系。

所以,在未来的恒星际航行,这种传统的工质推进的飞行器的动力方式是不可行的。于是,科学家脑洞大开,在现有理论的框架下,“设计”出了多重航行方式,而曲率驱动也是其中之一。关于曲率驱动这个概念,在1994年由墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利(Miguel Alcubierre)第一次提出。依据的理论基础就是,基于人类对宇宙的观测,认为我们的宇宙空间的形状并不是平坦的,不管宇宙是什么形状,都是存在着一定的曲率,在太空的飞船如果可以利用某种技术使其后方空间的曲率变小,应该说是绝对值变小,变得更“平滑”一些,那么飞船就会被前方曲率更大的空间“拉”过去,这样让飞船前方的空间收缩而后方的空间扩张的方式驱动飞船,而飞船本身实际上是“静止”的,飞船只是停留在一个由平滑的时空组成的“曲速泡”内,这里的时空曲率不受影响,飞船的“移动”实际上只是“乘着”这个曲速泡在走,这种设想的驱动方式就算曲率驱动。

虽然曲率驱动不可能像空间折叠那样瞬间到达目的地,但却有可能使飞船以无限接近光速的速度航行。也有一些科学家认为,由于这种驱动方式是利用空间的“收缩膨胀”效应,而时空本身并不受光速极限的限制,这样,曲率飞船理论上便可以实现以超光速飞行,而不违反物理学中的“光速最快”限制。关于曲率飞行,我们可以用肥皂小船实验做一个比喻,在《三体Ⅲ·死神永生》中,程心和艾AA也是从肥皂小船实验中得到灵感,破译了云天明给出的最后一个暗示。

实验原理和曲率飞行相似,把一艘小纸船放到水面上,由于水表面张力(曲率)的存在,纸船会漂浮在水面上,当在小船尾部放入肥皂,由于肥皂含有表面活性剂,可以降低水的表面张力,所以当肥皂溶解到水中时,小船尾部水面的表面张力降低,小船前部的表面张力不变,这样就像拔河一样地把小船“拉”到了前方,即便小船自身没有任何动力。

既然曲率飞行可以让人类实现星际旅行的梦想,但这个梦想距离现实还是比较遥远的,因为“曲率飞行”目前仍然只是理论中可能出现的情况,并且,如果基础理论和人类的技术没有超越式的突破,曲率飞行就永远存在于科幻小说和电影中了。不说技术上的问题,按照现有的理论来看,曲率飞行需要的能量十分巨大,用曲率飞行的方式把一个原子运输到一光年之外,就需要消耗掉大约2个太阳的全部能量。

在《三体3:死神永生》中,使用曲率引擎驱动,飞船应如何正确脱离光速?

在《三体3:死神永生》中,使用曲率引擎驱动,飞船应如何正确脱离光速

我们从从曲率驱动和光速飞船开始。在讲之前要先给大家普及一点狭义相对论的知识,很多人都听到过,根据相对论,光速是任何物体运动的极限速度,讲的更准确一点儿就是任何信息和能量的转播速度都无法超过光速。这个结论是怎么得出的呢?简单来说,在狭义相对论中,物体的质量会随着运动速度的增大而增大,我们都知道,根据牛顿第二运动定律,物体的加速度等于受到的力除以质量,如果加速度恒定,那么质量增大,给物体施加的力就必须也增大,于是,如果物体的速度要达到光速,那么质量就会是无限大,力也必须无限大,对不起,宇宙中不存在无限大的力,所以物体的速度永远不可能达到光速。

但是在《死神永生》中,提到了曲率驱动引擎,这种引擎的工作原理绕开了牛顿第二定律,驱动飞船产生速度并不需要力,而是空间本身被拉扯了。打个比方,我们把空间想象成一张地毯,飞船摆放在地毯上,曲率驱动就是飞船本身并不动,而是拉扯地毯,使得飞船移动,因此飞船也就没有加速的过程,直接进入光速。在小说中,人类观察到三体第二舰队就是这样直接进入光速的,没有任何加速的过程。

这个原理在目前我们人类已知的科学理论中是否站得住脚呢?根据我的调研,虽然有一些物理学家认为该方案可行,但主流的声音是否定曲率驱动的。首先,空间会有曲率这个没有争议,根据爱因斯坦的广义相对论,时空是可以被弯曲的,这已经是一个经受住了严苛的物理实验检验的客观事实了。换句话说,假设A星球和B星球原本相距1光年,但由于某种原因,导致AB星球间的时空被弯曲了,那么理论上,它们之间的距离就会小于1光年。

于是,在1994年,有一个物理学家叫阿尔库贝利提出了一个气泡飞行方案。他说,我们可以设法使空间的某个区域极度弯曲,形成一个时空气泡,这个气泡就可以在空间中以任何速度移动而不违反相对论,飞船就藏身于这个气泡中,这样就实现了飞船的光速甚至超光速飞行。根据计算,这个气泡在移动的过程中,空间在气泡的后面膨胀了,在气泡的前面缩小了,这个就很像大刘在小说中描写的曲率驱动,程心也是看到肥皂驱动小船前进时猛然受到启发。

但进一步的计算表明,根据广义相对论的方程,维持这个气泡需要负能量。负能量是存在的,在物理学中有一个著名的效应叫做卡西米尔效应,就是在两块很大的平行金属板之间,由于量子涨落会出现极为短暂的能量不守恒现象,其原因就是真空中会凭空产生电子和反电子,他们会向真空借能量,然后又迅速地互相湮灭归还能量,在从产生到湮灭的这段短暂的时间中,真空就出现了负能量,但持续的时间及其短暂。

继续的计算又表明,阿尔库贝利气泡速度移动的越快,就需要越大的负能量,气泡中包含的质量越大,也就需要更大的负能量,最终的计算结果是,如果想要用这种方式驱动一艘普通的飞船达到光速,那么需要的负能量比宇宙中已知的总能量还要大,这显然不可能啊,根本就没有这么多能量可以借的。但还是有一些科学家不死心,比如2013年有一条被广泛转载的新闻,说美国宇航局的哈罗德•怀特博士和他的研究小组试图创造一个阿尔库贝利气泡,使得气泡中的一个光子实现超光速运动,但这项研究不了了之,再没看到下文了。

还有报道说有科学家计算出来,驱动一个原子超光速飞行的负能量的绝对值可以降低到三个太阳质量,甚至还有科学家说可以降低到几毫克。但这些说法都属于小道消息,目前为止,我并没有查到在科学界的核心期刊有支持曲率引擎设想的论文,也没有查到有哪个知名的科学家认为曲率引擎在理论上可以实现。实际上,曲率引擎面临的最大问题并非科学原理或者技术方面,而是逻辑方面的矛盾。

虽然,小说中的星环号飞船只是达到光速,并没有超过光速。但是,曲率引擎的实现原理并没有限制光速就是最高速度,而是可以超过光速的。那么一旦超过光速,问题就出来了,按照闵可夫斯基的四维时空理论,如果超过光速,就可以突破事件光锥的限制,说的通俗一点儿,就是可以回到过去了。回到过去的最大逻辑矛盾就是祖母悖论,最简单的说就是如果我回到过去杀死过去的自己,那么又怎么会有我存在呢?这个悖论不解决,一切时间旅行的理论都面临逻辑危机,也就意味着一切允许超光速运动的理论也面临同样的逻辑危机。

文章TAG:三体曲率航天驱动

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