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美國科學家可能發現「曲速泡」,理論上可以製造超光速飛船
2022/02/23
2022/02/23

2021年12月9日,國外一篇報導稱美國宇航局(NASA)和國防高級研究計畫局(DARPA)的科學家可能發現了能夠製造曲速引擎的時空泡,這就意味著原本只存在于科幻電影的超光速時空曲速引擎有變成現實的可能了。

這篇名為「凱西米爾空腔中存在的能量密度的可能結構」的研究論文已經發表在7月份的《歐洲物理雜誌》上了。

論文摘要部分說,科學家在研究能量如何圍繞波長分佈時意外地發現了一個納米級結構,這一結構預測了負能量的分佈,並且與阿庫別瑞度規的要求十分匹配。

你可能聽不懂這些物理名詞。首先阿庫別瑞是墨西哥物理學家兼數學家。並于1994年提出波動方式的展延空間理論,也就是一種可以讓太空船在不違背相對論的情況下,進行超光速飛行的曲速引擎,所以這種曲速引擎也叫阿庫別瑞引擎。但是要製造這種超光速曲速引擎卻需要負能量。而此次NASA和DARPA發現的納米結構預測的負能量分佈就特別符合阿庫別瑞引擎所需的能量要求。

當然,咱們得嚴謹一點,發現這個並不意味著曲速引擎在實踐中就完全可行了。這裡面最重要的原因是,用負能量製造曲速引擎所需的時空泡並不排除只是數學上的技倆。

下面咱們簡單分析一下曲速引擎的理論基礎。狹義相對論最基礎的一個要求是,任何有靜止質量的物體都不可以被加速到光速,只能小于光速。光子之所以能達到光速是因為光子沒有靜止質量,這裡要注意的是,光子沒有靜止質量指的是光子就沒有靜止狀態,光子只能以光速運動。

而太空船是有靜止質量的,所以不可能達到光速飛行,那麼我們就不可能把太空船加速到光速。這樣的推論來自狹義相對論。但是我們可以利用廣義相對論做一個投機取巧的假設。

在廣義相對論中,物體在空間中就會造成時空彎曲,這種時空彎曲指的是3維空間加時間,如果要具體量化彎曲時空每一點的質量和能量分佈就不能用傳統的曲面幾何工具了。而是用度規張量,克里斯多夫爾符號,曲率張量,裡奇張量,裡奇標量。

這些工具是用來描述能量與動量在時空中的密度和通量的,所以可以統一起來,稱為能量-動量-應力張量,這是引力場方程右邊的表達項。代表的是物質導致的時空如何彎曲,左邊代表的是時空曲率決定物質如何運動。

所以物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。在正常情況下,物質不可能超光速運動,所以物質造成周圍時空曲率的取值就在一定的范圍內,而曲速引擎的邏輯是反著來的。

先是假定有一個扭曲空間,這一空間能讓飛船以任意速度飛行在時空中,然後再計算這一彎曲空間對應的物質分佈。通過計算,只有負值的能量密度造成的空間曲率才能維持飛船以任意速度飛行。飛船前方的空間收縮,後方空間擴張,飛船所在的空間為平直時空,所以飛船就在一個曲速泡中波動「前進」。其實飛船並沒有動,而是泡泡帶著船動。

但是要製造這樣的曲速泡必須要用到負能量。負能量其實並不難理解,如果給一個物體施加一個力,該物體沿著力的方向加速運動,那麼這裡體現的就是正能量的作用。

如果施加一個力,物體在力的反方向減速運動,那麼這裡面體現的就是負能量的作用。其實負能量早在1948年就被發現了,這就是凱西米爾效應,這是一種由磁場波動造成的吸引力,數值與距離的4次方成反比,而引力和距離的平方成反比,所以這種吸引力不是引力造成的。

當兩塊中性金屬片距離遙遠時,能量為零。當它們彼此靠近,我們能從中吸取能量,其時金屬板的能量即為負值。所以研究凱西米爾效應就可以搞懂如何提取負能量,對曲速引擎的發展有至關重要的影響。此次科學家就是在研究凱西米爾效應時意外發現了一個符合曲速泡能量分佈的結構體。

至于到底是不是曲速泡,現在還是理論預測,既然都不確定,為什麼要發論文說這極可能是曲速泡呢。我想著,不吊足胃口,怎麼張口要經費!其次如果後續證實這真的是曲速泡,那和曲速引擎的實現還差著好幾個戴森球呢!畢竟凱西米爾效應產生的那一點負能量和曲速引擎所需的負能量還差好多個量級呢。

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