其實這種技術,就是我們祖先說的縮地成寸的翻版而已。制造曲速引擎,關鍵就是如何實現時空的壓縮和膨脹,對應的就是理解空間規則。可惜,人類目前的 科技 還顯得太過於簡陋,根本沒有對空間有何深刻認識。只有愛因斯坦的相對論涉及到了時空的彎曲,即大質量物體可以導致時空彎曲。但是除此之外,我們對時空扭曲和膨脹的了解,幾乎為0。所以,如果依照人類現在的 科技 水平,制造曲速引擎基本屬於癡人說夢。
不過,人類的 科技 發展也才幾千年,相對於宇宙動不動幾千萬年、幾億年的時間尺度,人類的文明進程顯得就太微不足道了。所以,如果給人了足夠的時間,相信依人類目前的科學發展速度,掌握空間技術並不是什麽難事,制造曲速引擎也是易如反掌。畢竟,在1900年,人們還很難想象什麽是電視,電腦,手機。而現在,不都是常見物件了嗎?
曲速飛行在理論上是可以實現的,需要使用阿庫別瑞引擎,壓縮飛船前方的空間,讓飛船後方空間擴張,形成壹個曲速泡,飛船就可以裹在泡泡中超光速行駛了,不會受到愛因斯坦相對論的限制,時間也不會膨脹變慢。
但阿庫別瑞引擎也僅僅在理論上可行,現實中還沒法實現。
首先,阿庫別瑞引擎消耗的能量是妳完全無法想象的,僅僅運送幾顆原子,就需要消耗掉三個太陽的質量。
其次,阿庫別瑞引擎會出現負能量密度的情況,需要奇異物質來驅動,而奇異物質目前僅在理論上存在,宇宙中還從未發現過。
第三,阿庫別瑞引擎並未完全排除回到過去的時間旅行,違背了時序保護機制,宇宙可能永不準許任何人把它生產出來。
第四,宇宙中雖然物質稀疏,但裝備阿庫別瑞引擎的飛船既然可以超過光速的速度前進,必然會影響整個時空。就像妳駕著壹架飛機在森林裏飛,很可能會撞上前方的樹木。曲速泡也是壹樣,妳前面的空間既然被壓縮了,那些星系、恒星、行星和智慧生命又會遭受何等惡劣的待遇呢?妳自己也敢保證自己絕對安然無恙?
理論上,曲率航行或者說曲速航行是不違背物理學原理,完全是能夠實現的,這種驅動方式本身就是基於已有的物理學理論所提出來的。利用這種特殊的驅動方式,我們可以突破光速限制,實現真正意義上的星際旅行。但需要註意的是,《三體》和《星際迷航》所說的曲速航行是不壹樣的。
在宇宙中,空間中分布著各種物質,它們會導致空間彎曲。所有的空間都不是平坦的,它們都會存在壹定的曲率。在《三體》中,曲速飛船能夠減小後方空間的曲率,導致前方曲率更大的空間會把飛船拉過去,從而使飛船以亞光速航行。在這種情況下,曲速飛船會產生巨大的相對論效應——尺縮鐘慢,基於此就能實現星際旅行。
在《星際迷航》中,曲速飛船可以壓縮前方空間,並擴大後方空間,使得曲速飛船能夠相對於彎曲空間做“超光速”運動。在這種情況下,曲速飛船相對於局域空間並沒有超光速,而是處於靜止的狀態,所以不會出現相對論效應。
但不管是哪壹種曲速航行,這都需要負質量的東西來改變空間曲率,而我們現在對這種神秘的東西壹無所知。
曲率飛行就是采用曲速引擎為動力的飛行,嚴格意義上來說這種移動不能叫做飛行,而是時空跳躍。總體上來說,時空通訊對曲速引擎的前景持樂觀態度。
從理論上來說,只要有足夠大的能量,就能扭曲時空,對時空產生折疊效應。
就像壹張紙,如果從這頭到那頭,壹只螞蟻要爬很久,但如果把它折疊起來,根據折疊的皺褶多少,就能夠壹步或者幾部跨越。
這個有點像我們古代描述的壹種功夫叫縮地功,可以把大地壓縮,距離縮短,於是此人就能日行千裏。
而曲速引擎是壓縮時空,把時空折疊起來,這與所謂的縮地功道理相同但效果天壤之別。
這是廣義相對論時空彎曲理論的延伸,這個科幻中的設想正在逐漸地進入到科學家們的實際研究。
在科幻電影星際迷航中,使用的就是這項技術,裏面對曲速航行具體操作細節介紹的不多,但最終把曲速層級定為最大值曲速10級。曲速1級為真空光速(c),隨著層級增加曲速呈指數增加,但10級為速度無限大,無法達到,只能無限接近。
在現實中,最早提出這個概念的是上世紀五十年代的德國物理學家海姆,它指出曲速航行就是利用時空扭曲和時空跳躍實現超光速飛行,並提出了壹些設想。
但壹直到他辭世,他的理論並沒有引起重視,因為大家都認為憑著人類掌控的物質條件,不可能制造出那麽大的引力場。
壹直到2005年,德國物理學家豪澤與同事德勒舍爾***同撰寫了壹篇以海姆理論為基礎的論文,探究“超時空發動機”制造的可能性,沒想到此舉竟得到了美國航天學會的青睞,授予他們為2005年度“核能和未來航空”項目大獎。由此,這項看起來很科幻的理論重新得到了科學界的重視。
壹些科學家開始了行動。
美國能源部聖迪亞國家實驗室太空動力研究員羅格·雷納德正在籌劃著做壹場實驗,他準備用壹部X光發生器,提供實驗所需要的磁場。
2014年6月,美國太空總署(NASA)機械工程師、物理學家懷特正在研究開發可作星際旅行的宇宙飛船“IXS企業號”。他近日和3D藝術家拉德梅克合作,制作出宇宙飛船的概念圖,宣稱壹旦飛船面世,只需兩周便可到達距離太陽4光年遠的地方。
2015年5月,美國NASA的科學家們開展了對曲速引擎的研究工作,工作室位於NASA約翰航天中心Eagleworks實驗室,首席科學家為Harold White博士,他們已經研究出壹套被稱為EM drive的動力裝置,這種裝置已經獲得了某種推力,這種推力似乎違反了動量守恒定律,壹些難題還在研究中。
壹些科學家認為,曲速引擎需要巨大的引力場,制造這種場所需能源非常巨大,目前人類無法實現。但另壹些科學家卻反駁了這種觀點,認為制造壹個小的曲率泡,只要很少的能量就能達到曲率跳躍的要求。
這項工作還僅僅是個起步,但的確有壹個十分誘人的前景。
光速是我們這個時空的限制,常規飛行無法突破這個限制,使星際航行變得難以實現。
曲速引擎的設想為人類打開了另壹扇窗戶。
采用曲速引擎實現時空跳躍,能夠突破光速限制,甚至獲得若幹倍光速的穿梭,但由於其不是采用常規速度飛翔,並不違背光速限制原則,而且也不會產生時間膨脹效應。
這樣就不會產生祖孫佯謬的悖論,人們可以在正常的時光流逝中實現星際的跨越。
這是壹個多麽美妙的前景啊,雖然目前這項研究還處於半幻想半真實的狀態,但這項理論已經得到了重量級科學機構的實際進入,這些科學家可不是吃素的,他們正在使這項原本不可能的事情壹步步走向可能,超光速跨越或許已經不再是夢想。
所以時空通訊有理由相信,曲速引擎極有可能會成為人類達到二型恒星級文明時,走向星際空間的最重要工具。
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人類要想進行宇宙間星際航行的話,理論上有三種方式,壹種是常規的宇宙旅行,就是靠發動機來推動飛船,隨著發動機的進步,人類星際旅行的速度會越來越快,但是根據廣義相對論來看,這種方式之下的航行,永遠不可能超過光速,因為凡是有靜止質量的物體,達到光速的話將需要無限多的能量,所以這樣看來將來的星際航行要超越光速簡直是不可能的!然而科學家們還提出了另外兩種星際航行的方式,壹種是蟲洞穿越,另壹種就是曲速飛行了。
蟲洞穿越和曲速飛行,理論上都是可以超越光速的航行方法,不過這兩種方式其實都不不是在速度上下功夫了,而是跳出了追求速度的範疇,從而在時間和空間上打主意了,就是說蟲洞穿越和曲速飛行玩兒的已不是速度,而是時空。
蟲洞又叫愛因斯坦-羅森橋,它是相對論中預言的壹種天體或者說現象,通常會出現的黑洞附近,對它的穿越比較好理解,就是因為蟲洞彎曲某壹部分時空,導致不同地點的距離變近了,就好像壹張紙上的這邊到那壹邊,本來需要走過壹條邊的距離,但是如果把紙對折起來的話,幾乎壹下子就到了,所以蟲洞是壹種捷徑。
但是蟲洞又有壹種限制,就是它出現的地點不容易設定,所以利用蟲洞穿越的話就只能穿越到它們本來存在的地方,星際航行很難利用它,而且人類至今也沒有發現蟲洞的存在,理論上如果它存在的話也是非常細小和短暫的,根本不允許宇宙飛船這樣大的物體穿過,所以利用蟲洞穿越是很不現實的。
如果說蟲洞是壹種宇宙時空現象,那麽曲速飛行就是壹種人造時空現象了,它是要在宇宙飛船前進的時候將飛船前面的時空進行壓縮,同時將飛船後面的時空進行擴張,這樣如果宇宙飛船的速度極快的話,理論上飛船將可以超過光速。
不過雖然理論上如此,然而要想壓縮和擴張時空,幾乎需要無限多的能量,雖然《星際迷航》等很多科幻電影中有曲速飛行的假設,但目前我們人類對實現這樣的星際航行還是不可想象的。
我們先看看曲率驅動是怎麽回事。
曲率驅動是壹種通過改變飛行器前後空間的曲率獲得飛船前進動力的驅動方式。這是科幻小說和電影裏面常用的梗。
它的理論來源於墨西哥物理學家明戈·阿爾庫貝利在1994年提出概念。其本質就是通過空間的收縮和膨脹驅動飛船,從而“繞過”相對論對極限速度的限制(這個限制是真實存在的)。
我們通過觀察到的宇宙存在了137億年,而我們觀察到的最遠的天體離我們有400多億光年的距離。這說明了: 宇宙空間膨脹的速度遠遠大於光速。 妳可以簡單的把膨脹的氣球看成是宇宙,而星體就是氣球上的小點。
這違背了相對論了嗎?並沒有,相對論描述的是:信息不能超過光速傳播。空間本身是不攜帶信息的。
所以,曲率飛行在理論上是可行的。
但是,科學家通過計算,把壹艘宇宙飛船加速並超過光速,彎曲和抹平空間的能量,需要集中整個太陽系的能源才能完成。
這可能需要我們發展到第二類文明,掌握了戴森球才有可能制造這種飛行器。
綜上所述,制造曲率飛行器是未來1000年內不能完成的任務。
利用所謂的“時空彎曲”實現“曲率飛行”,只能是科幻者的神邏輯的天方夜譚,而絕不可能在物理邏輯中實現。
以下我來厘清壹下相關概念,做壹些深度解讀,但願對壹些走火入魔者有所警示。
壹,曲率的大致意思。
曲率(k),是單位弧長(s)轉過的角度(θ):k=Δθ/Δs。曲率半徑或圓半徑(r),是曲率的倒數:r=1/k。因為:k=Δθ/Δs=Δθ/rΔθ=1/r。
凸起的曲率是正的,意味著能量遞增。凹陷的曲率是負的,意味著能量遞減。拐點的曲率是零,意味著短暫的平坦。
二,慣性定律的深度解讀。
慣性定律,是壹個宇宙大法則:任何物系的運動,保持勻速直線運動或相對靜止。物系勻直運動意味著它最終的動態平衡,維持運動的能量不多不少,沒有剩余的可被利用。
在黎曼幾何中,勻直運動就是測地線循環,是最小曲率的勻速圓周運動。因此,慣性定律的勻直運動要改成“勻圓運動”。
所有的自然物系,都在勻圓運動,它們是自然的最經濟的永動機,其驅動力只夠自身運動,沒有多余的可被投機取巧。
▲為什麽邊緣帶的電子雲密度越發稀疏呢?
三,熵增加原理的深度解讀。
熵,表示物系運動的混亂程度或無序度。熵增加原理,即ΔS≥0。意思是:物系運動總是不斷衰減降頻,不斷趨向最終的慣性、動態平衡、勻直運動、勻圓運動。因此,熵增加原理是慣性定律的熱力學表述,異曲同工。
例如,恒星輻射的電磁波,在深太空的長期旅行中,能量不斷衰減,頻率不斷降低。這種現象叫“熵增紅移”,可顛覆宇宙大爆炸理論。
四,時空彎曲論的深度解讀。
廣義相對論的核心是時空彎曲論,甚囂塵上。也許因為這個神邏輯,科幻作家劉慈欣臆造了曲率飛行。
▲時空彎曲論把愛因斯坦變成了科學大神
其實,光走曲線,只是因為承載光的空間介質在天體附近的質密梯度(▽×m)或能密梯度(▽●E)較大而已。但是,光走曲線也是壹種動態平衡,其質量曲率或能密梯度,只能自給自足,不能被投機取巧。
▲讓人“腦洞大開”的曲率飛行的壹個設計。
這就好比:龍卷風把附近的 汽車 席卷進去,不是因為時空彎曲,二是空氣介質的能密梯度很大而已。
綜上:曲率飛行的幻謬,責任不在劉慈欣,歸根結底,是愛因斯坦的廣義相對論在作怪。
答:理論上存在這種可能性,實際上實現難度極大!
曲速飛行是相對於傳統推進方式的壹種完全不同的驅動方式,基於愛因斯坦的廣義相對論——空間是可以彎曲的。然後我們操控並彎曲的空間,並帶動空間內的物體,實現等效的相對移動。
這讓人想起《三體》中,程心和艾AA乘坐的星環號,使用的就是曲速驅動引擎,等效速度為光速;還有電影《星際迷航》裏,曲速引擎也是壹項重要的技術,等效速度遠超光速。
超光速飛行的壹大限制,就是愛因斯坦的相對論,狹義相對論禁止任何形式的超光速傳遞有效信息,自然也禁止超光速移動物質。
但是廣義相對論又留了壹個缺口,就是空間的膨脹速度可以超越光速,曲速飛行理論就是利用這壹原理,設想了壹種操控空間移動的技術。
飛船前方的空間被壓縮,然後被移動到飛船後方膨脹,等效於空間把飛船推向前方,而且不對飛船產生“慣性力”。因為空間的移動不受光速限制,所以飛船的等效移動能超過光速。
曲速表示空間翹曲的度量,而不是真實的速度,所以繞過了相對論的光速限制。同時,曲速的效果也可以等效看作移動速度,從而實現等效的超光速移動。
目前技術上最大的困難,就是無法制造足夠的能量能讓空間彎曲,所以相應的研究,基本停留在理論當中。
對人類來說,曲速飛行或許是遙遠未來的唯壹出路。試想,如果大自然禁止曲速飛行的存在,那麽意味著人類將永遠被限制在宇宙的壹個小角落裏,宇宙是如此廣袤,人類只能遠觀而不可及,這將是多麽恐怖的事啊!
理論上分析,確實有可能實現,根據就是愛因斯坦的廣義相對論。
廣義相對論徹底打破了我們對時空結構的傳統認知,從牛頓的絕對時空觀但到具有彈性的時空結構。也就是說,我們所在的時空結構並不是平坦的,而是具有彈性,同時可以拉伸,折疊甚至撕裂!
時空這樣的特性在理論上可以讓科學家們“大做文章”。比如題目中所說的“曲速技術”,也就是曲速引擎技術,在飛船周圍制造時空“氣泡”,利用強大的磁場就可以制造引力場,如果磁場足夠強大,就能進入壹個比我們所在時空更高的二度次空間,磁場壹消失,飛船就回到現實時空!
所以說,從理論上分析,未來很有可能實現“超光速”飛行,這種超光速並不是絕對速度“超越光速”,而是利用時空結構特性,飛船本身在時空結構中處於相對靜止狀態!
還有壹種可能,利用時空具有彈性的特性,可以制造“蟲洞”結構,可以在瞬間達到理論上任何遙遠的距離!
雖然光速不允許我們去超越,但大自然並沒有關閉所有“大門”,我們可以利用大自然的規則間接地“超越光速”!
答:曲率驅動是在理論上可行的,但是在技術層次上曲率飛行尚不可實現。
愛因斯坦的廣義相對論說明空間不是平坦的,如果把空間比作壹張薄膜,那麽這張薄膜是凹凸不平的。曲率飛行並不是常規的運動方式,它可以稱為空間拖曳,它的實質上是對於空間的改造,借此漏洞打破光速不可超越的限制。例如現在被廣泛接受的宇宙大爆炸速度是超光速的,也就是說空間的膨脹移動速度是可以超光速的。
同時《三體》中出現的曲率飛行就達到了光速,但是飛船飛過的空間就是壹次性的。 這種飛行方式的動力是借助空間的性質進行驅動,並不是常規的施加能量提高速度,這種方式永遠達不到光速(沒辦法,愛因斯坦不允許)。
曲率驅動希望有壹天這種出現在科幻作品中的方式,會照進我們的現實。無論是太陽的壽命到了還是仙女座來了,我們都可以愉快的跑了。