曲率飞行可以实现吗?曲速引擎就是一种空间的压缩和扩展技术,即在飞船前段压缩空间,后端再把压缩的空间释放。这样,处在中间的飞船时空...
曲率飞行可以实现吗?
其实这种技术,就是我们祖先说的缩地成寸的翻版而已。制造曲速引擎,关键就是如何实现时空的压缩和膨胀,对应的就是理解空间规则。可惜,人类目前的 科技 还显得太过于简陋,根本没有对空间有何深刻认识。只有爱因斯坦的相对论涉及到了时空的弯曲,即大质量物体可以导致时空弯曲。但是除此之外,我们对时空扭曲和膨胀的了解,几乎为0。所以,如果依照人类现在的 科技 水平,制造曲速引擎基本属于痴人说梦。
不过,人类的 科技 发展也才几千年,相对于宇宙动不动几千万年、几亿年的时间尺度,人类的文明进程显得就太微不足道了。所以,如果给人了足够的时间,相信依人类目前的科学发展速度,掌握空间技术并不是什么难事,制造曲速引擎也是易如反掌。毕竟,在1900年,人们还很难想象什么是电视,电脑,手机。而现在,不都是常见物件了吗?
曲速飞行在理论上是可以实现的,需要使用阿库别瑞引擎,压缩飞船前方的空间,让飞船后方空间扩张,形成一个曲速泡,飞船就可以裹在泡泡中超光速行驶了,不会受到爱因斯坦相对论的限制,时间也不会膨胀变慢。
但阿库别瑞引擎也仅仅在理论上可行,现实中还没法实现。
首先,阿库别瑞引擎消耗的能量是你完全无法想象的,仅仅运送几颗原子,就需要消耗掉三个太阳的质量。
其次,阿库别瑞引擎会出现负能量密度的情况,需要奇异物质来驱动,而奇异物质目前仅在理论上存在,宇宙中还从未发现过。
第三,阿库别瑞引擎并未完全排除回到过去的时间旅行,违背了时序保护机制,宇宙可能永不准许任何人把它生产出来。
第四,宇宙中虽然物质稀疏,但装备阿库别瑞引擎的飞船既然可以超过光速的速度前进,必然会影响整个时空。就像你驾着一架飞机在森林里飞,很可能会撞上前方的树木。曲速泡也是一样,你前面的空间既然被压缩了,那些星系、恒星、行星和智慧生命又会遭受何等恶劣的待遇呢?你自己也敢保证自己绝对安然无恙?
理论上,曲率航行或者说曲速航行是不违背物理学原理,完全是能够实现的,这种驱动方式本身就是基于已有的物理学理论所提出来的。利用这种特殊的驱动方式,我们可以突破光速限制,实现真正意义上的星际旅行。但需要注意的是,《三体》和《星际迷航》所说的曲速航行是不一样的。
在宇宙中,空间中分布着各种物质,它们会导致空间弯曲。所有的空间都不是平坦的,它们都会存在一定的曲率。在《三体》中,曲速飞船能够减小后方空间的曲率,导致前方曲率更大的空间会把飞船拉过去,从而使飞船以亚光速航行。在这种情况下,曲速飞船会产生巨大的相对论效应——尺缩钟慢,基于此就能实现星际旅行。
在《星际迷航》中,曲速飞船可以压缩前方空间,并扩大后方空间,使得曲速飞船能够相对于弯曲空间做“超光速”运动。在这种情况下,曲速飞船相对于局域空间并没有超光速,而是处于静止的状态,所以不会出现相对论效应。
但不管是哪一种曲速航行,这都需要负质量的东西来改变空间曲率,而我们现在对这种神秘的东西一无所知。
曲率飞行就是采用曲速引擎为动力的飞行,严格意义上来说这种移动不能叫做飞行,而是时空跳跃。总体上来说,时空通讯对曲速引擎的前景持乐观态度。
从理论上来说,只要有足够大的能量,就能扭曲时空,对时空产生折叠效应。
就像一张纸,如果从这头到那头,一只蚂蚁要爬很久,但如果把它折叠起来,根据折叠的皱褶多少,就能够一步或者几部跨越。
这个有点像我们古代描述的一种功夫叫缩地功,可以把大地压缩,距离缩短,于是此人就能日行千里。
而曲速引擎是压缩时空,把时空折叠起来,这与所谓的缩地功道理相同但效果天壤之别。
这是广义相对论时空弯曲理论的延伸,这个科幻中的设想正在逐渐地进入到科学家们的实际研究。
在科幻电影星际迷航中,使用的就是这项技术,里面对曲速航行具体操作细节介绍的不多,但最终把曲速层级定为最大值曲速10级。曲速1级为真空光速(c),随着层级增加曲速呈指数增加,但10级为速度无限大,无法达到,只能无限接近。
在现实中,最早提出这个概念的是上世纪五十年代的德国物理学家海姆,它指出曲速航行就是利用时空扭曲和时空跳跃实现超光速飞行,并提出了一些设想。
但一直到他辞世,他的理论并没有引起重视,因为大家都认为凭着人类掌控的物质条件,不可能制造出那么大的引力场。
一直到2005年,德国物理学家豪泽与同事德勒舍尔共同撰写了一篇以海姆理论为基础的论文,探究“超时空发动机”制造的可能性,没想到此举竟得到了美国航天学会的青睐,授予他们为2005年度“核能和未来航空”项目大奖。由此,这项看起来很科幻的理论重新得到了科学界的重视。
一些科学家开始了行动。
美国能源部圣迪亚国家实验室太空动力研究员罗格·雷纳德正在筹划着做一场实验,他准备用一部X光发生器,提供实验所需要的磁场。
2021年6月,美国太空总署(NASA)机械工程师、物理学家怀特正在研究开发可作星际旅行的宇宙飞船“IXS企业号”。他近日和3D艺术家拉德梅克合作,制作出宇宙飞船的概念图,宣称一旦飞船面世,只需两周便可到达距离太阳4光年远的地方。
2021年5月,美国NASA的科学家们开展了对曲速引擎的研究工作,工作室位于NASA约翰航天中心Eagleworks实验室,首席科学家为Harold White博士,他们已经研究出一套被称为EM drive的动力装置,这种装置已经获得了某种推力,这种推力似乎违反了动量守恒定律,一些难题还在研究中。
一些科学家认为,曲速引擎需要巨大的引力场,制造这种场所需能源非常巨大,目前人类无法实现。但另一些科学家却反驳了这种观点,认为制造一个小的曲率泡,只要很少的能量就能达到曲率跳跃的要求。
这项工作还仅仅是个起步,但的确有一个十分诱人的前景。
光速是我们这个时空的限制,常规飞行无法突破这个限制,使星际航行变得难以实现。
曲速引擎的设想为人类打开了另一扇窗户。
采用曲速引擎实现时空跳跃,能够突破光速限制,甚至获得若干倍光速的穿梭,但由于其不是采用常规速度飞翔,并不违背光速限制原则,而且也不会产生时间膨胀效应。
这样就不会产生祖孙佯谬的悖论,人们可以在正常的时光流逝中实现星际的跨越。
这是一个多么美妙的前景啊,虽然目前这项研究还处于半幻想半真实的状态,但这项理论已经得到了重量级科学机构的实际进入,这些科学家可不是吃素的,他们正在使这项原本不可能的事情一步步走向可能,超光速跨越或许已经不再是梦想。
所以时空通讯有理由相信,曲速引擎极有可能会成为人类达到二型恒星级文明时,走向星际空间的最重要工具。
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人类要想进行宇宙间星际航行的话,理论上有三种方式,一种是常规的宇宙旅行,就是靠发动机来推动飞船,随着发动机的进步,人类星际旅行的速度会越来越快,但是根据广义相对论来看,这种方式之下的航行,永远不可能超过光速,因为凡是有静止质量的物体,达到光速的话将需要无限多的能量,所以这样看来将来的星际航行要超越光速简直是不可能的!然而科学家们还提出了另外两种星际航行的方式,一种是虫洞穿越,另一种就是曲速飞行了。
虫洞穿越和曲速飞行,理论上都是可以超越光速的航行方法,不过这两种方式其实都不不是在速度上下功夫了,而是跳出了追求速度的范畴,从而在时间和空间上打主意了,就是说虫洞穿越和曲速飞行玩儿的已不是速度,而是时空。
虫洞又叫爱因斯坦-罗森桥,它是相对论中预言的一种天体或者说现象,通常会出现的黑洞附近,对它的穿越比较好理解,就是因为虫洞弯曲某一部分时空,导致不同地点的距离变近了,就好像一张纸上的这边到那一边,本来需要走过一条边的距离,但是如果把纸对折起来的话,几乎一下子就到了,所以虫洞是一种捷径。
但是虫洞又有一种限制,就是它出现的地点不容易设定,所以利用虫洞穿越的话就只能穿越到它们本来存在的地方,星际航行很难利用它,而且人类至今也没有发现虫洞的存在,理论上如果它存在的话也是非常细小和短暂的,根本不允许宇宙飞船这样大的物体穿过,所以利用虫洞穿越是很不现实的。
如果说虫洞是一种宇宙时空现象,那么曲速飞行就是一种人造时空现象了,它是要在宇宙飞船前进的时候将飞船前面的时空进行压缩,同时将飞船后面的时空进行扩张,这样如果宇宙飞船的速度极快的话,理论上飞船将可以超过光速。
不过虽然理论上如此,然而要想压缩和扩张时空,几乎需要无限多的能量,虽然《星际迷航》等很多科幻电影中有曲速飞行的假设,但目前我们人类对实现这样的星际航行还是不可想象的。
我们先看看曲率驱动是怎么回事。
曲率驱动是一种通过改变飞行器前后空间的曲率获得飞船前进动力的驱动方式。这是科幻小说和电影里面常用的梗。
它的理论来源于墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利在1994年提出概念。其本质就是通过空间的收缩和膨胀驱动飞船,从而“绕过”相对论对极限速度的限制(这个限制是真实存在的)。
我们通过观察到的宇宙存在了137亿年,而我们观察到的最远的天体离我们有400多亿光年的距离。这说明了: 宇宙空间膨胀的速度远远大于光速。 你可以简单的把膨胀的气球看成是宇宙,而星体就是气球上的小点。
这违背了相对论了吗?并没有,相对论描述的是:信息不能超过光速传播。空间本身是不携带信息的。
所以,曲率飞行在理论上是可行的。
但是,科学家通过计算,把一艘宇宙飞船加速并超过光速,弯曲和抹平空间的能量,需要集中整个太阳系的能源才能完成。
这可能需要我们发展到第二类文明,掌握了戴森球才有可能制造这种飞行器。
综上所述,制造曲率飞行器是未来1000年内不能完成的任务。
利用所谓的“时空弯曲”实现“曲率飞行”,只能是科幻者的神逻辑的天方夜谭,而绝不可能在物理逻辑中实现。
以下我来厘清一下相关概念,做一些深度解读,但愿对一些走火入魔者有所警示。
一,曲率的大致意思。
曲率(k),是单位弧长(s)转过的角度(θ):k=Δθ/Δs。曲率半径或圆半径(r),是曲率的倒数:r=1/k。因为:k=Δθ/Δs=Δθ/rΔθ=1/r。
凸起的曲率是正的,意味着能量递增。凹陷的曲率是负的,意味着能量递减。拐点的曲率是零,意味着短暂的平坦。
二,惯性定律的深度解读。
惯性定律,是一个宇宙大法则:任何物系的运动,保持匀速直线运动或相对静止。物系匀直运动意味着它最终的动态平衡,维持运动的能量不多不少,没有剩余的可被利用。
在黎曼几何中,匀直运动就是测地线循环,是最小曲率的匀速圆周运动。因此,惯性定律的匀直运动要改成“匀圆运动”。
所有的自然物系,都在匀圆运动,它们是自然的最经济的永动机,其驱动力只够自身运动,没有多余的可被投机取巧。
▲为什么边缘带的电子云密度越发稀疏呢?
三,熵增加原理的深度解读。
熵,表示物系运动的混乱程度或无序度。熵增加原理,即ΔS≥0。意思是:物系运动总是不断衰减降频,不断趋向最终的惯性、动态平衡、匀直运动、匀圆运动。因此,熵增加原理是惯性定律的热力学表述,异曲同工。
例如,恒星辐射的电磁波,在深太空的长期旅行中,能量不断衰减,频率不断降低。这种现象叫“熵增红移”,可颠覆宇宙大爆炸理论。
四,时空弯曲论的深度解读。
广义相对论的核心是时空弯曲论,甚嚣尘上。也许因为这个神逻辑,科幻作家刘慈欣臆造了曲率飞行。
▲时空弯曲论把爱因斯坦变成了科学大神
其实,光走曲线,只是因为承载光的空间介质在天体附近的质密梯度(▽×m)或能密梯度(▽●E)较大而已。但是,光走曲线也是一种动态平衡,其质量曲率或能密梯度,只能自给自足,不能被投机取巧。
▲让人“脑洞大开”的曲率飞行的一个设计。
这就好比:龙卷风把附近的 汽车 席卷进去,不是因为时空弯曲,二是空气介质的能密梯度很大而已。
综上:曲率飞行的幻谬,责任不在刘慈欣,归根结底,是爱因斯坦的广义相对论在作怪。
答:理论上存在这种可能性,实际上实现难度极大!
曲速飞行是相对于传统推进方式的一种完全不同的驱动方式,基于爱因斯坦的广义相对论——空间是可以弯曲的。然后我们操控并弯曲的空间,并带动空间内的物体,实现等效的相对移动。
这让人想起《三体》中,程心和艾AA乘坐的星环号,使用的就是曲速驱动引擎,等效速度为光速;还有电影《星际迷航》里,曲速引擎也是一项重要的技术,等效速度远超光速。
超光速飞行的一大限制,就是爱因斯坦的相对论,狭义相对论禁止任何形式的超光速传递有效信息,自然也禁止超光速移动物质。
但是广义相对论又留了一个缺口,就是空间的膨胀速度可以超越光速,曲速飞行理论就是利用这一原理,设想了一种操控空间移动的技术。
飞船前方的空间被压缩,然后被移动到飞船后方膨胀,等效于空间把飞船推向前方,而且不对飞船产生“惯性力”。因为空间的移动不受光速限制,所以飞船的等效移动能超过光速。
曲速表示空间翘曲的度量,而不是真实的速度,所以绕过了相对论的光速限制。同时,曲速的效果也可以等效看作移动速度,从而实现等效的超光速移动。
目前技术上最大的困难,就是无法制造足够的能量能让空间弯曲,所以相应的研究,基本停留在理论当中。
对人类来说,曲速飞行或许是遥远未来的唯一出路。试想,如果大自然禁止曲速飞行的存在,那么意味着人类将永远被限制在宇宙的一个小角落里,宇宙是如此广袤,人类只能远观而不可及,这将是多么恐怖的事啊!
理论上分析,确实有可能实现,根据就是爱因斯坦的广义相对论。
广义相对论彻底打破了我们对时空结构的传统认知,从牛顿的绝对时空观但到具有弹性的时空结构。也就是说,我们所在的时空结构并不是平坦的,而是具有弹性,同时可以拉伸,折叠甚至撕裂!
时空这样的特性在理论上可以让科学家们“大做文章”。比如题目中所说的“曲速技术”,也就是曲速引擎技术,在飞船周围制造时空“气泡”,利用强大的磁场就可以制造引力场,如果磁场足够强大,就能进入一个比我们所在时空更高的二度次空间,磁场一消失,飞船就回到现实时空!
所以说,从理论上分析,未来很有可能实现“超光速”飞行,这种超光速并不是绝对速度“超越光速”,而是利用时空结构特性,飞船本身在时空结构中处于相对静止状态!
还有一种可能,利用时空具有弹性的特性,可以制造“虫洞”结构,可以在瞬间达到理论上任何遥远的距离!
虽然光速不允许我们去超越,但大自然并没有关闭所有“大门”,我们可以利用大自然的规则间接地“超越光速”!
答:曲率驱动是在理论上可行的,但是在技术层次上曲率飞行尚不可实现。
爱因斯坦的广义相对论说明空间不是平坦的,如果把空间比作一张薄膜,那么这张薄膜是凹凸不平的。曲率飞行并不是常规的运动方式,它可以称为空间拖曳,它的实质上是对于空间的改造,借此漏洞打破光速不可超越的限制。例如现在被广泛接受的宇宙大爆炸速度是超光速的,也就是说空间的膨胀移动速度是可以超光速的。
同时《三体》中出现的曲率飞行就达到了光速,但是飞船飞过的空间就是一次性的。 这种飞行方式的动力是借助空间的性质进行驱动,并不是常规的施加能量提高速度,这种方式永远达不到光速(没办法,爱因斯坦不允许)。
曲率驱动希望有一天这种出现在科幻作品中的方式,会照进我们的现实。无论是太阳的寿命到了还是仙女座来了,我们都可以愉快的跑了。
曲率引擎被实现之后,真的能超越光速吗?
曲率引擎被实现了之后,是不是真的就能超越光速,这个理论上是可以的,但是没有真正实现过,谁知道真正应用之后会产生什么样的变化呢?因为现有的理论框架根本不支持任何有质量的物体超越光速,换句话说现在的理论体系里面光速就是宇宙运行速度的上限。
曲率引擎这个是最早在电影星际迷航之中所提出来的一个概念,或者说一个科技上的幻想,简单的说,它就是利用空间探索的力量,产生一个爆炸的空间排斥力,让飞船快速前进,就是把前方的空间弄坍缩,这样后面空间的那个力就会推着这个飞船快速往前走,但是以什么样的力量达到什么样的强度才能把空间弄坍缩,这个飞船本身应该达到什么样的材料强度才能承受得起这么强大的加速度,人本身能不能受得了,这都是未知的问题。
如果在理论上没有做出一个突破,突破到证明爱因斯坦的广义相对论里面所提出的有质量的物体,只能无限接近光速,不能超越光速,这个理论不正确,那么人就不可能研究出来真正的取境引擎,这个东西它只是科幻作品中的一个概念而已,不是现在的有力理论体系的科学,没有任何一个科学家提出了完整的科学理论,是经得起推敲的,是有各种各样科学原理的支撑的证明这个东西真的能够大规模的应用并且生产出来。
人类的飞船飞行速度要想超越光速就必须另辟蹊径,不是绝对意义上的光速,而是说通过相对参考系的改变空间位置的改变来超越光速,因为单纯凭力量推动,想要突破光速的限制,几乎是不可能的。找到类似于虫洞这样的一个空间的连接的点来实现远距离的传输,这个相对来说更可靠。
曲率驱动真的可以达到光速吗?现在能否做到曲率驱动?
然而对于那些以未来的征途是星辰大海的科学家来说,这样的“高速”实在是“慢”的和蜗牛有一拼,他们心中的高速是能以光速为参照速度的飞行器,如果要想达到恒星际航行的目标,飞行器的速度至少要达到光速的百分之一(3000公里/秒,时速1000万公里以上),参考电影《流浪地球》中,经过500年加速才使地球的速度达到光速的千分之五,飞行千年才能到达最近的恒星系。所以,在未来的恒星际航行,这种传统的工质推进的飞行器的动力方式是不可行的。于是,科学家脑洞大开,在现有理论的框架下,“设计”出了多重航行方式,而曲率驱动也是其中之一。
关于曲率驱动这个概念,在1994年由墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利(Miguel Alcubierre)第一次提出。依据的理论基础就是,基于人类对宇宙的观测,认为我们的宇宙空间的形状并不是平坦的, 不管宇宙是什么形状,都是存在着一定的曲率 , 在太空的飞船如果可以利用某种技术使其后方空间的曲率变小,应该说是绝对值变小,变得更“平滑”一些,那么飞船就会被前方曲率更大的空间“拉”过去,这样让飞船前方的空间收缩而后方的空间扩张的方式驱动飞船,而 飞船本身实际上是“静止”的,飞船只是停留在一个由平滑的时空组成的“曲速泡”内,这里的时空曲率不受影响,飞船的“移动”实际上只是“乘着”这个曲速泡在走, 这种设想的驱动方式就算曲率驱动。 虽然曲率驱动不可能像空间折叠那样瞬间到达目的地,但却有可能使飞船以无限接近光速的速度航行。也有一些科学家认为,由于这种驱动方式是利用空间的“收缩膨胀”效应,而时空本身并不受光速极限的限制,这样, 曲率飞船理论上便可以实现以超光速飞行,而不违反物理学中的“光速最快”限制。
关于曲率飞行,我们可以用肥皂小船实验做一个比喻,在《三体Ⅲ·死神永生》中,程心和艾AA也是从肥皂小船实验中得到灵感,破译了云天明给出的最后一个暗示。实验原理和曲率飞行相似,把一艘小纸船放到水面上,由于水表面张力(曲率)的存在,纸船会漂浮在水面上,当在小船尾部放入肥皂,由于肥皂含有表面活性剂,可以降低水的表面张力,所以当肥皂溶解到水中时,小船尾部水面的表面张力降低,小船前部的表面张力不变,这样就像拔河一样地把小船“拉”到了前方,即便小船自身没有任何动力。
既然曲率飞行可以让人类实现星际旅行的梦想,但这个梦想距离现实还是比较遥远的,因为“曲率飞行”目前仍然只是理论中可能出现的情况,并且,如果基础理论和人类的技术没有超越式的突破,曲率飞行就永远存在于科幻小说和电影中了。不说技术上的问题,按照现有的理论来看,曲率飞行需要的能量十分巨大,用曲率飞行的方式把一个原子运输到一光年之外,就需要消耗掉大约2个太阳的全部能量。这样的超高能耗不是一个还没有达到Ⅰ型文明的人类能够负担得起的。如果驱动一艘飞船,也许全宇宙的能量也不一定够用,
不管怎么样,至少曲率驱动给人类在理论上一个方向,现在的人类不能掌握这种技术,谁说未来的人类不会办到呢?毕竟,未来有无数种可能。
通过曲速引擎驱动达到甚至超过光速,理论上是可以的,但目前还处于幻想 探索 之中。
这种引擎的理论基础是广义相对论。引力可以扭曲时空,也可以看作是折叠时空,就是把时空折叠起来,比如一张纸,把一张长方形的纸从中间对折,这张纸两头的边缘就合在了一起,纸张这头的蚂蚁就可以瞬间移动到纸张的另一头,省却了纸张中间很长距离的爬行。
如果把一光年的时空折叠成这样,这一光年不就一步跨过去了吗?那要比光速快多少倍?
爱因斯坦相对论把光速定为我们宇宙最快的速度,任何有质量的物体都无法突破这个藩篱,百年的实践和观测已经钉死了这个规则,谁也没有办法打破。今后人类如何在广袤的太空中穿梭呢?速度这个瓶颈如何突破呢。
曲速引擎似乎给人类一线曙光,这种时空折叠的跳跃式前进,既可以打破光速的限制,又不会受到时间膨胀效应的影响,是突破人类星际航行速度瓶颈的一个最好的预其。
现在对于曲率引擎的设想是公说公有理,婆说婆有道,并没有一个统一的认识。
有消息认为,美国NASA的科学家已经开展了对曲速引擎的研究工作,还发布了一个官方曲率场研究报告(见上下有关配图),这个流传于网上的报告有60页,对曲速引擎研究进行了框架式的描述。
但另一则消息却说明NASA的研究另有途径,他们通过一套被称为“EM drive”的动力装置获得了推力。(见上图)
但这个装置并非一般意义上靠扭曲时空前进的“曲速引擎”,其工作原理实际上是通过电磁波在一个圆锥形金属封闭空间内产生的一部分能量,外界对这项技术并不认同,认为违反了物理学动量守恒定律。
但这里说的似乎是两码事。
持泼冷水态度的科学家却另有说法。
加州理工学院理论物理学家肖恩·卡罗尔详细研究了NASA的报告,得出了不可行的结论。
他认为在曲速场内,飞船必须利用负能量搜索前方的空间,并让后面的空间膨胀,但迄今为止,没有人知道这种负能量到底是什么,更别提如何利用了。
因此报告只是将理论物理学的细枝末节加以装扮,太过理想化。在未来1000年内,实现的可能性为零。
的确,人类现在只捕捉到烧不开一杯开水的反物质,而负能量还是一个理论上存在的谜。所以需要大量负能量才能够实现的曲速航行目前还只能是一个未知数。
但人类要走向深空,总要找到一种突破光速藩篱的办法,否则只能在太阳系里活动。要么在理论上有所突破,要么找到一种新的途径。
理论上曲率驱动可以实现超光速的梦想,但是现在人类的技术达不到,在以后能否实现曲率驱动也很难说。
爱因斯坦的狭义相对论对于光速有要求,有静止质量的物体永远达不到光速,这是理论上的限制而非技术。这意味着人类被光速限制在太阳系内,距离我们最近的恒星是比邻星在4.22光年之外。目前我们最快的速度大约是帕克太阳探测器在接近太阳的过程中受引力加速速度达到70公里每秒,如果按照这个速度飞到比邻星大约需要4285年。
目前距离我们最远的探测器是旅行者一号已经飞行了大约42年,它的平均速度大约是17公里每秒,正好超过第三宇宙速度可以飞出太阳系。按照它的速度大约需要17647年飞出太阳系,飞到比邻星大约需要74470年。这就是人类目前的处境,地球寿命无限但是太阳是有寿命的,太阳演化到红巨星时代人类必须要离开地球,这意味着人类未来必须要飞出地球进行星际航行。
爱因斯坦的广义相对论给了人类希望,按照广义相对论时空是可以弯曲的,虫洞就是时空弯曲留给人类的希望,穿越虫洞可以实现时空穿梭;
除此之外对于时空弯曲的利用还有曲率驱动,如果通过时空弯曲实现超光速运动并不违反爱因斯坦的光速不可超越理论,例如宇宙超光速碰撞就是如此。曲率驱动简单的理解就是通过通过对飞船后方时空曲率的改变,从而使飞船前方的时空把飞船拉过去。大家可以做一个小纸船,在船后方扎个洞放上肥皂小船自己就会向前运动,这是因为肥皂溶解水的时候降低了水的张力,小船就被前方较大的张力吸引过去。
曲率驱动真的可以达到光速吗?现在能否做到曲率驱动?
天下武功,唯快不破!曾经是对江湖上各种派别武术的评价!当然到现在为止速度仍然是人类不懈的追求,但到现在为止,即使是去到内行星甚至太阳探测的帕克探测器,速度仍然在200KM/S上下徘徊!而到达最近的比邻星也有超过4光年的距离,即使以这个速度赶往比邻星也需要超过6000年的时间!
当然这个速度并不是火箭的极速,毕竟火箭还有非常大的潜力可以发掘,随着离子推进技术的进步,甚至未来核聚变发动机的突破,我们的速度仍然可以往更高的方向进步!但不知道各位有没有发现,我们无论如何努力,总会有一个天花板挡住我们的脚步,这就是光速!因为在速度接近光速的条件下其质增效应会让无论再加大推力都无法让飞行器再快那怕是1M/S,因为质量增加效应已经抵消了火箭的反推所提供的动力!
越接近光速,物体的动质量越大!上图是这是牛顿第二定律的极限,也是火箭的极限,当然我们现在远未达到极限,但可以想象在不远的未来有进步的天花板挡着我们,那是一件多悲哀的事情?因为即使达到光速,人类依然无法在有生之年跨越10万光年半径的银河系!那么有什么手段可以越过这个光速屏障吗?当然有,只不过所有的手段都还在纸面上,一般有如下几种:
一、曲速引擎
这种引擎的原理利用空间的弹性将飞船推向前进,因为空间膨胀并不受光速限制,但这也有一个要求,即《三体》中的曲率引擎和《星际迷航》中的曲速引擎,尽管两者原理一样,但效果则完全不一样,因为曲率引擎的上限是光速,但曲速引擎则几乎没有上限!
上图是曲速引擎的基础,飞行器包裹在曲率空间泡之内(曲率引擎没有这个过程),在曲率空间泡前方制造拉伸空间,后方则压缩空间!前方的空间拉着、后方压缩空间推着曲率空间泡前进!但运动的只是曲率空间泡,内部的飞行器与周围的曲率空间泡并没有相对位移!完美的避开了飞行器速度极限时的质增效应!而曲率引擎因为没有曲率空间泡包裹,因此它相对于空间仍然存在位移,所以曲率引擎的上限一样是光速!
但曲率引擎达不到光速,从理论上来看与空间存在相对位移的引擎依然无法突破质增效应,因此再大的空间弹性也不可能推动无限质量的飞行器以更快的速度飞行,因此我们认为曲率飞行器是无法达到光速的!当然到现在为止我们无论在曲率引擎还是曲速引擎上都没有任何建树,甚至连门道都还没有摸到,以现在的技术来讨论这种引擎,无异于痴人说梦话!
二、虫洞
《星际穿越》中土星附近的虫洞是串接起整部电影前后情节的关键,当然这个并不是一种引擎,而是一种将相隔遥远的空间以爱因斯坦-罗森桥的形式连接起来,进入这个隧道的飞行器,将不需要经过三维空间中的实际路程,而是直接通过隧道到达遥远的宇宙!
就像上图这样,以某种强大的能量将之连接起来!
《星际穿越》中穿越虫洞的景象!当然这是我们对虫洞内部的想象而已,而实际是否存在或者到底是否是这样,则完全不是我们所能考虑的,因为这个理论基础都不全!
科学家的想象力是无限的,引擎和技术并不局限于这几种!但 科技 水平依然有限,毕竟没有技术的支撑,再美好的想象依然如一张废纸,也许不远的未来我们可以实现这种不可能的引擎或者虫洞,各位拭目以待吧!
曲率驱动肯定能够超光速,别说超光速了,就是几十倍的光速几百倍的光速也能够轻易的超过,只是曲率驱动只存在于安宁医院患者的大脑中!
很多朋友应该都看过《星际迷航》这部科幻电影,里面有一种巨大的星际飞船,采用的就是曲率驱动技术,这种飞船可以凭借这种技术达到曲速飞行,电影里面称其速度可以超越光速,那么现实中这种技术理论真的可行吗?将来人类有可能制造出曲率驱动的超光速飞行器吗?
曲速飞行这一概念并非《星际迷航》首次提出来的,有一位德国物理学家早在上世纪50年代就提出来了,然而那个时候的人们都认为他在痴人说梦,根本不可能实现的,但是科幻小说和电影创作者们却从中找到了灵感,于是电影中出现了用曲速飞行的巨大飞行器。
曲率驱动飞行到底指的是什么呢?其实它涉及到了理论物理的一种时空模型,要想做到曲速飞行,首先要有一个强大的曲率引擎,不过这种曲率引擎并非发动机,而是一种能改变时空结构的机器,比如装有曲率引擎的飞船,那么曲率引擎就可以把飞船前面的空间迅速弯曲缩小,同时将飞船后面的空间迅速弯曲扩大,那么飞船退出后面的空间进入前面的空间就会省去不少时间,即便飞船本身的速度无法达到光速,但是由于时空被改变时间被缩短,那么也就等于达到或超越了光速。
然而想改变时空结构可不是那么简单的事情,我们知道宇宙中能大幅度改变时空结构的只有那些黑洞之类的大质量天体,但是我们又不可能给飞船上装个黑洞,有人计算认为改变飞船前后的时空需要相当于太阳10亿倍的能量,这简直是不可想象的。
还有一个问题就是,如果扭曲飞船前后的时空,那么飞船将处于有着强大差别的引力场中,而要想达到光速,那么这个引力场应该要强到接近黑洞视界边缘的强度,然而如果引力场强到这个级别上的话,我们已知的任何物质都会被撕得粉碎,连原子都很难存在,因此用什么样的材料来制造这样的飞船,并且将这样的飞船至于什么样的保护之下,也是一个不可想象的难题。
所以目前来看,利用曲率驱动达到光速或者超光速飞行是个理论和技术上都让人徒呼奈何的事情,至少在未来的很长时间内,这样的飞行技术都只能在想象中存在,有科学家就认为这样的飞船至少在1万年内都不会出现,因为技术难关太大了。
曲率驱动,又被叫做曲速引擎,目前更多的只是科幻题材,还远远谈不到科学。利用曲速引擎技术,速度不仅仅能达到光速,理论上可以比光速快很多倍!
曲速引擎的原理是利用爱因斯坦的广义相对论,我们所在的时空并不是平坦的,也不是一成不变的,而是可以弯曲压缩折叠的,利用空间的这种特性就可以实现“超光速飞行”!
简单说就是创造一个“时空泡沫”,飞船位于时空泡沫中,驱动飞船前后方的时空,压缩飞船前方时空,同时伸展飞船后方空间,如此一来,飞船就能实现告诉飞行,本之前飞船本身并没有飞行,是飞船所在的时空泡沫在超光速移动!
这种原理就类似操控帆船在海浪上乘风破浪一样。因为时空本身的速度可以超过光速,所以飞船就能以超光速飞行!
目前的人类 科技 远不能实现曲速引擎技术,而且在可以预见的未来几百年时间也很难做到,因为操控时空结构需要极大的能量,同时还要保证飞船周围时空的稳定性!
在《三体3 死神永生》里,星环号用曲率驱动只是无限接近光速,但为什么200多光年的行程只用了50小时,有人讲过
别说曲率驱动能不能达到光速,实际上有这种想法的人本身只是一个任吗不懂的崇拜者,因为他连光速是如何产生的都不知道,就梦想用什么方式可以达到光速!
曲率引擎,或时光穿梭机,来自时空弯曲理论,基本估计:爱因斯坦放了广义相对论的一个屁,天下的应声虫屁颠颠的寻屁!
仅凭光线路过太阳附近而弯折,就能断言大质量天体会弯折时空么?纯属牵强附会!
众所周知,太阳附近的等离子体分布密度较大,电磁波路过太阳附近,有更多机会与等离子体发射康普顿散射效应,进而弯折了光路,降低了频率,拉长了波长,这就是所谓引力透镜红移的本质,与时空弯曲没有毛线关系。
当然,引力弹弓效应是可利用的,这不过是万有引力定律在多体问题中的表现,可以根据五个拉格朗日点理论解释。
好了,本答stop here。请关注物理新视野,共同切磋物理逻辑与中英双语的疑难问题。
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