曲速驱动器:物理学家提供了超光速太空旅行的机会

 

超光速旅行是人类在适当的时间内到达其他恒星的唯一途径。 

<span class="caption">Faster than light travel is the only way humans could ever get to other stars in a reasonable amount of time. </span> <span class="attribution"><a class="link rapid-noclick-resp" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wormhole_travel_as_envisioned_by_Les_Bossinas_for_NASA.jpg" rel="nofollow noopener" target="_blank" data-ylk="slk:Les Bossinas/NASA/Wikimedia Commons">Les Bossinas/NASA/Wikimedia Commons</a></span>

离地球最近的恒星是比邻星。它距离我们大约 4.25 光年,或大约 25 万亿英里(40 万亿公里)。现在在太空中的帕克太阳探测器将达到 450,000 英里/小时的最高速度,是有史以来最快的航天器。以这样的速度从洛杉矶到纽约市只需要 20 秒,但太阳探测器需要大约 6,633 年才能到达地球最近的邻近太阳系。

如果人类想要在恒星之间轻松旅行,人们将需要比光速更快。但到目前为止,超光速旅行只有在科幻小说中才可行。

如电影《星际穿越》和《雷神》中的宇航员——使用虫洞在几秒钟内在太阳系之间穿行。“星际迷航”粉丝熟悉的另一种方法是曲速驱动技术。现有的技术上,曲速驱动理论上是牵强可行的。最近的两篇论文做了标题在三月份的时候研究者声称克服的是站在曲速引擎和现实的理论之间的众多挑战之一。

但是这些理论上的曲速驱动器究竟是如何工作的呢?人类会很快跳到翘曲速度吗?

A circle on a flat blue plane with the surface dipping down in front and rising up behind.

平面蓝色平面上的一个圆,表面在前面向下倾斜并在后面上升。

压缩和扩展

物理学家目前对时空的理解来自阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。广义相对论指出,空间和时间是融合的,没有什么可以比光速传播得更快。广义相对论还描述了质量和能量是如何扭曲时空的——像恒星和黑洞这样的大物体在它们周围弯曲时空。这种曲率就是你感觉到的重力,也是为什么许多航天英雄担心“陷入”或“掉入”重力井的原因。早期的科幻作家约翰坎贝尔和阿西莫夫认为这种翘曲是一种绕过速度限制的方法。

如果一艘星舰可以压缩它前面的空间同时扩展它后面的时空怎么办?《星际迷航》采纳了这个想法,并将其命名为曲速引擎。

1994 年,墨西哥理论物理学家 Miguel Alcubierre 表明,在飞船前面压缩时空,在后面扩展它是 在广义相对论的范围内在数学上是可能的. 那么,这意味着什么?想象两点之间的距离是 10 米(33 英尺)。如果您站在 A 点并且每秒可以移动 1 米,则需要 10 秒才能到达 B 点。但是,假设您可以以某种方式压缩您和 B 点之间的空间,使间隔现在仅为一米. 然后,以每秒一米的最大速度穿越时空,您将能够在大约一秒钟内到达 B 点。从理论上讲,这种方法与相对论并不矛盾,因为您在周围空间中的运动速度不会超过光速。Alcubierre 表明,《星际迷航》中的曲速驱动实际上在理论上是可能的。

比邻星我们来了,对吧?不幸的是,阿尔库比尔压缩时空的方法有一个问题:它需要负能量或负质量。

A 2–dimensional diagram showing how matter warps spacetime

显示物质如何扭曲时空的二维图

负能量问题

Alcubierre 的曲速引擎的工作原理是在宇宙飞船周围创造一个平坦的时空气泡,并在该气泡周围弯曲时空以减少距离。曲速引擎需要负质量(一种理论上的物质类型)或负能量密度环才能工作。物理学家从未观察到负质量,因此负能量是唯一的选择。

为了产生负能量,曲速引擎会使用大量的质量来造成粒子和反粒子之间的不平衡。例如,如果一个电子和一个反电子出现在曲速驱动器附近,其中一个粒子会被质量捕获,这会导致不平衡。这种不平衡导致负能量密度。Alcubierre 的曲速引擎会使用这种负能量来制造时空气泡。

但是要让曲速引擎产生足够的负能量,你需要大量的物质。Alcubierre 估计,带有 100 米气泡的曲速引擎会需要整个可见宇宙的质量.

1999 年,物理学家 Chris Van Den Broeck 表明,扩大气泡内部的体积但保持表面积不变将 显着降低能源需求,大约是太阳的质量。一项重大改进,但仍远远超出所有实际可能性。

科幻未来?

最近的两篇论文——一篇由 阿列克谢·博布里克和詹尼·马蒂尔 另一个通过 埃里克·伦茨 – 提供似乎使曲速驱动更接近现实的解决方案。

Bobrick 和 Martire 意识到,通过以某种方式改变气泡内的时空,他们可以消除使用负能量的需要。但是,该解决方案不会产生可以比光速更快的曲速驱动器。

独立地,伦茨还提出了一个不需要负能量的解决方案。他使用不同的几何方法来求解广义相对论的方程,通过这样做,他发现曲速引擎不需要使用负能量。伦茨的解决方案将允许气泡以超过光速的速度行进。

必须指出的是,这些令人兴奋的发展是数学模型。作为一名物理学家,在我们有实验证明之前,我不会完全相信模型。然而,曲速引擎的科学正在进入人们的视野。作为一个科幻迷,我欢迎所有这些创新思维。

本文转载自 conversation 

文章来源:https://news.yahoo.com/warp-drives-physicists-chances-faster-173833579.html

原著作者:Mario Borunda,俄克拉荷马州立大学物理学副教授

翻译:南极的那只企鹅

 

本文由奇点天文作者上传并发布,奇点天文仅提供文章投稿展示,文章仅代表作者个人观点,不代表奇点天文立场。

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