曲率引擎,突破光速限制的关键所在,实现星际航行的自由梦想
曲率引擎,通常在科幻小说中看到,是一种推进系统,通过改变时空结构而获得速度,可以使飞船的速度超过光速。在硬核科幻剧《星际迷航》中,曲率引擎作为飞船推进器,让主角探索星系。装备这些"太空引擎"的飞船可以在银河系中自由航行,往来于各个恒星系统之间,甚至可以被用作毁灭性的战争机器。
那么什么是曲速引擎,它又是如何工作的?《星际迷航》的曲率引擎能跨越科幻小说的边界成为现实科技吗?
各种版本的曲率引擎利用广义相对论中的一个漏洞,来绕过宇宙的终极速度极限——光速。当你(或任何其他有质量的物体)加速时,质量也会速度地加快而变重,越加速需要的能量越多。由于能量需求呈指数级增长,就算耗尽宇宙的所有能量,也不能将一个电子加速到光速。这就是光速被称为终极速度限制的原因。曲率引擎反其道而行之,通过不使物体本身加速,来突破速度限制。虽然不能将任何有质量的东西加速到光速,但时空本身没有质量,不受广义相对论的终极速度限制的约束。
事实上,在大爆炸后不久的"宇宙暴涨"中,时空以比光更快的速度膨胀。闭着眼睛去想象一下,当睁开眼睛的一刹那,你的眼球已经膨胀为整个银河系。曲速引擎是如何工作的?
从科幻小说《三体》中描述的曲率引擎操作方式,我们比较容易看出来,曲率引擎控制飞船周围的时空区域来获得速度。它只是简单地压缩飞船前面的时空,扩大了飞船后面的时空,压缩和膨胀时空结构的过程,创造了一种可以让飞船位移的时空"波",飞船在"时空波"上滑行(滑行速度比光速快得多),而飞船本身却没有动,就像一个冲浪者在海中冲浪一样,利用大海的波浪冲向前方的。
利用时空结构的漏洞,曲率引擎能够使我们实现超光速旅行,虽然广义相对论存在不能超越光速的限定,仔细理解相对论对光速限制的表述:任何物体相对于其他物体(或某个参照系)的运动速度都不能超过光速。我们不难发现,对于物体光速的限制是对应于某个参照物(参照系)来说的,可对于宇宙时空结构来讲,没有与之对应的参照物体,因为宇宙就是万有,再也找不出一个与之相对的物体,来描述它的运动速度,除非找出另外一个宇宙。因此曲率引擎达到的超光速效果,并没有对相对论造成致命的伤害,相反更加印证了相对论的正确性。最新进展
曲率引擎的关键问题在于,它如何操纵时空来产生"时空波"。首个版本的曲率引擎,由物理学家阿尔库别雷设计,按照他的计算,该款引擎理论上需要系统外物质和"负能量"作为支撑来改变时空结构,要求飞行器利用木星当量的物质和能量来进行时空驱动。但以目前的科技来说,暗物质只是一个猜测,可能存在也可能不存在。
反物质
随着理论物理学和弦理论的最新进展,曲率引擎的概念设计也不断在进步。科研人员已经计算出,如何在弦理论下驱动曲率引擎。尽管仍然远远超出了我们的科技水平,但根据弦理论计算,曲率引擎不再需要外来物质,要让航天飞机大小的飞船曲速飞行,所需的能量大约是100公斤反物质。
弦理论
弦理论版的曲速引擎通过收缩和扩张卷曲在亚原子空间的微小维度,来操纵时空结构,这些维度理论上存在于弦理论中。通过扭曲时空维度,使得曲率引擎产生"时空波",推动飞船在时空的大海中随波航行。有趣的是,在弦理论下,时空的扭曲程度是有极限的,最终的曲速极限大约是每秒3.3万亿光年。当你能以这个速度旅行,30毫秒后,就能看见宇宙的边缘(960亿光年)。