《三體》《星際爭霸戰》中的「曲速引擎」究竟是科幻還是科學

探索未知的深空領域 比如說到達一個遙遠的內地行星 去尋找一片未被開發的新大陸 或者更多的生命文明 一直是人類最渴求能實現的夢想之一 可是受限於科技平行 和我們自身生命週期的限制 人類目前依然只能在太陽系內打開 大家似乎只能將這些偉大的夢想 實現在那些充滿了腦洞和浪漫主義情懷的科幻作品 在大流的三體中 就有一種叫做曲率驅動引擎的心理推轉 而在星際迷航裏 這個可以實現在遙遠星系間自由穿梭的機也好 使用的也是同樣原理 叫做曲速引擎的飛船驅動系統 那今天我們就要來聊聊這個曲速引擎 究竟只是停留在科幻層面的場面 還是說真的能夠成爲 我們實現探索未知領域的夢想的一把利器 首先想要探索其他的恆星系 所要花費的時間 對我們來說都是首要考慮的問題 因爲任何關於載人星系旅行的總時長 都不能超過人類的自然生命週期 否則它就是一個註定沒有人會報名的可笑記錄 可是看看我們浩瀚的宇宙 單單從我們所在的銀河系來看 它的直徑就已經達到了十萬光年之距 而在所有我們可見的宇宙範圍之內 它甚至連一粒沙都算不上 因爲我們可見的宇宙範圍之內 最多可能有多達5000億個大小不等的行星 所以想要在如此浩瀚的宇宙中 哪怕只移動那麼一點點的距離 都是非常困難的 因爲即使是銀河系中 那些毗鄰的恆星系之間 它們的距離都是遙遠的無法想象的 那麼在距離如此之大 時間又如此有限的情況下 我們只能考慮用更快的速度來實現我們的目標 那麼放眼整個宇宙 速度最快的就只有光速 我們都知道在真空環境下 它可以以接近每秒30萬公里的速度 在宇宙中行進 這個速度看起來是非常不錯的 如果我們真的可以以光速行進的話 那麼到達距離我們的四光年 也就是離我們最近的恆星系 萬人馬座的阿爾卿 看起來只需要大概五年的時間 可是至今爲止 不要說設計出一款能夠達到光速的推行器 就連在大型量子對撞機中 使一個小小的粒子加速這光速 都是不可能達成的 最多也只能達到光速的99.999% 原因其實也很簡單 看看這個智能方程 也就是能量等於質量乘以光速的平方 它決定了任何物質 只要速度越快 那就代表着其質量也會相應的增加 那麼當物質達到光速時 其質量也就是無限大 所以想要讓某個物質達到光速 顯然在相對論的框架下 是根本不可能實現的 那麼根據愛因斯坦的相對論 連一個極其微小的粒子 都沒有辦法加速這光速 就更別提讓一個巨大的飛行器 達到光速的可能性 而且即便未來某些未知的高科技 可以將飛行器加速到無限接近於光速 它們還是會面臨一個很大的問題 因爲要讓一個質量接近於無限的物體 持續保持其移動的速度 它需要的能量總量 也會無限接近於整個宇宙的總量 而且這其中還會有非常多 無法解決的悖論問題 所以如果想要完成探索未知領域的目標 顯然我們需要更換跑道 但似乎不管從哪個角度考慮 想要突破光速的限制 都會毫無懸念的 被愛納耶的相對論嚴酷地攻擊 可是有一個叫做米格爾·阿庫別瑞的理論物理學家 卻找出了突破光速限制的方法 首先我們先要了解一個叫做時空的概念 在愛納耶的相對論裏 時間和空間不是不同的紋路 反而它們是緊密相連的 愛因斯坦描述的時空是這個樣子的 宇宙中所有的星體都停留在它的表面 而且根據這些星體自身質量產生的重力 還會對時空產生作用 導致時空彎曲 而且時空不但能彎曲 原則上它甚至可以被摺疊或者壓縮 那麼假如說我們不可以通過自身的移動 實現突破光速的限制 可不可以通過摺疊或者壓縮時空的方式 縮短我們與目標之間的距離呢 根據愛納耶的理論 這個想法看起來似乎完全沒有問題 這就是在當時還只是個學生的科幻迷 阿庫別瑞在看完星際爭霸後 想到的解決方法 他不但在不違反相對論的情況下 使用相對論解決了光速的限制 而且還以相對論爲基礎提出了阿庫別瑞引擎 也就是我們口中取速引擎的數學表達式 也正是通過這個想法成功在科學期刊的發表 預示着阿庫別瑞把取速引擎這個科幻概念 正式帶入了理論科學的方程 同樣也爲他自己敲開了通往理論物理學家的大門 那麼這個理論究竟是如何發揮它的作用呢 它的原理其實並不像蟲洞那樣 在空間中打了一個洞 而是飛行器使用某種特殊的能量 形成可以使時空扭曲的泡泡 在泡泡的前端扭曲壓縮空間 當然你也可以理解成將空間進行摺疊 然後在泡泡的後端將扭曲壓縮的空間釋放 從而得到了持續向前的推力 而這一切幾乎就發生在一瞬間 所以它比光速快很多倍 這裏有一張圖表顯示了不同的取速層級 可以達到的不同速度層級 你可以看到當取速達到9.999級的時候 穿越直徑十萬光年的銀河系也只需要6公尺 所以簡單來說 這個取速引擎可以使飛行器前方的空間縮短 同時把飛行器後端的空間擴大 爲了能夠直觀的理解 我們來舉一個簡單的例子 我們假設一個客廳裏鋪着地毯 地毯的一頭是你 另一頭有張桌子 你就必須在地毯上走一段距離 但是你也可以換一種做法 把地毯一點點的捲起來 然後把桌子拽到地毯上 這樣的話你基本上沒有挪動地方 但是桌子已經在你的面前了 也就是說 卷地毯的過程 就是縮短你與桌子之間空間的過程 當然這樣的舉例也有很大的缺陷 因爲它只解釋了飛行器前端時空被扭曲壓縮的過程 卻沒有解釋後端空間被擴張的過程 OK 我們簡單瞭解了取速引擎的工作原理 但是問題呢 剛纔我們說到的 可以產生時空扭曲泡泡的某種特殊能量 要到哪裏去找呢 這種特殊能量又是個什麼東西呢 首先我們要知道的是 如果想達到讓取速引擎正常工作的話 就必須提供等同於一整個木星質量的能量 在阿庫別人的設想中呢 這個可以讓時空扭曲的泡泡 其實就是一個能量場 如果把相對論方程應用在這個取速引擎上 你就會發現 一種叫做負物質 或者說負能量的東西 纔是讓取速引擎變爲現實的核心能量 取速引擎必須要有足夠多的負能量和正能量共同作用 才能夠製造出可以彎曲壓縮時空的能量場 其中正能量是用來壓縮飛行器前端的時空 負能量呢 是用來延伸飛船身後的時空 要建造這樣的飛行器呢 需要一個球體作爲宇航員的座艙 然後在這個球體壁上 沿着球體的赤道線 安裝一圈負能量發生器 啓動引擎後呢 會依照能量場產生的曲率層級 來等比收縮和擴張飛行器前後端的時空 而在能量場 也就是泡泡中的宇航員 它實際上並沒有引動 但是當它從球體中出來的時候呢 其實已經到達了目的地 那麼這個對曲率引擎如此重要的核心能源 也就是負物質 或者說負能量 究竟是個啥東西呢 這個是維基百科的搜索結果文獻 我就不念了 有興趣的同學可以暫停 或者是自己去搜索一下 簡單說呢 它是理論物理學的一個概念 它的質量正負值 正好啊 與正常的物質相反 也就是 你去稱正常的一公斤正物質 你把它放在秤上就好 但是假如你想要稱一公斤的負物質 那你就必須得把秤翻過來 然後放在負物質的上面纔行 而這個時候呢 負物質施加給這個秤的力 就可以轉化爲所謂的負能量 不過這個例子並沒有考慮秤本身的重量 只是幫助大家理解這個概念 另外重點說一下這個負物質與反物質 它是完全不同的概念 負物質擁有的是負質量和負能量 而反物質呢 具有的是正質量和正能量 反物質和普通物質 一樣會被重力場所吸引 但負物質不會受到重力場的吸引 反而會相持 回到我們的主題 剛纔我們也說了 這個負物質或者說負能量 它只是理論物理學中的一個概念 那麼這個東西到底存不存在呢 首先負物質仍然在探索線裏 並沒有被發現 但是負能量是的確存在的 比如在卡西米爾效應的實驗中 將兩塊無電荷的金屬板平行放置 並彼此靠近 理論上就可以得到負能量 因爲板外側的虛粒子 施加的壓力 比板內側的虛粒子更大一些 所以這兩塊板 就會產生一個互相吸引的力量 而這個力量理論上就是負能量 不過這種效應呢 只會在微觀尺度下產生 而且呢 它也已經在實驗中 被證實確實存在了 如果你不能理解這種現象的話 我們把它帶入到宏觀世界中 簡單說呢 就是你把兩個東西平放在一起 它倆雖然離得非常近 但是中間還有一點點的小距離 然後在不考慮任何外部環境因素干擾的情況下 它倆應該是一直保持這樣的一個狀態 但是詭異的是啊 最後它倆就慢慢的合在一起 那你就要考慮了 是什麼力促使它倆集中合在一起 沒錯啊 就是負能量 但問題是啊 這樣能得到的負能量 實在是太少了 還不足以作爲飛船的驅動力 因此呢 想要讓這個取速引擎成爲現實 如何得到或者產生出足夠多的負能量 纔是最關鍵的問題 否則這個取速引擎呢 就永遠只能停留在理論和科幻之中 不過我們其實也不用太過沮喪 這顯然不是探索升空偉大夢想的唯一途徑 接下來的幾期 我會持續爲大家介紹更多 關於超高速飛行器動力系統的解決方案