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宇宙物理科普:物體的速度可能超光速嗎?
來源:
科普時報
發布時間:
2020-04-04
瀏覽次數:
2328
宇宙物理科普:物體的速度可能超光速嗎?
□ 陳思進
我在《(上)》(《科普時報》2020年3月6日第3版)中最後提到,前幾年,歐洲宇航局試驗的新型“吸氣式電推進器”,雖然最終能使飛船達到光速的0.23%,可是距離光速的1%都還差得很遠。我們接著來討論這一話題。
物體的速度可能超光速嗎?
早在17世紀,開普勒就提出了太陽帆,直到上個世紀20年代後期,航天學家弗裏德裏希·燦德爾經過近10年的淬練,再度提出並完善了此概念。
在太陽帆飛船上配置一個巨大的薄膜鏡片,來反射太陽或其他來源的光,照射在鏡麵上的光,經由光子的反射產生輻射壓提供了微小的推力,調整反射風帆與太陽間的角度,可以讓飛船受到的推力方向相對應地產生改變,它比“吸氣式電推進器”的速度更快。
不過,從地球到太陽的距離上,光在一平米太陽帆上產生的推力隻有0.9達因,還不到一隻螞蟻的重量。因此,這個太陽帆就要造得非常大,並且開始的速度非常慢。不過,這和離子發動機一樣,隻要時間夠長,就可以產生驚人的速度。由於太陽帆飛船可以到達的距離非常遠,所以歐航局的科學家估計,它將最終加速到7.5萬公裏/秒,即光速的25%!
然而,即使達到光速的四分之一,太陽帆飛船距離真正的超光速,還差得很遠很遠。
根據相對論的原理,飛船飛得越快,就需要越多的能量。當飛船接近光速時,飛船的質量會變的無窮大,那再加速的能量也就需無窮大。
光速限製不斷地提醒人類,到此為止吧,不能再往前了!也就是說,如果光速真是宇宙的終極速度,那麽人類傾其所有,也無法製造出超光速飛船。但是,人類在未來,能否有其他方法可以繞開這個限製,以達到超光速的目的呢?
愛因斯坦倒是有一個非常巧妙的解決辦法,在他的廣義相對論之中,空間非但是平的,而且還可以彎曲。這一理論很快就被對太陽係的高精度天文觀測所證實,時空的確是可以被折疊甚至壓縮的,質量足夠大的恒星就可以彎曲周圍的空間。這就好比在一個席夢思床上放一個很重的球,這個球就會陷下去,這和空間彎曲的表現非常類似。而在太陽係中,就因為太陽使得周圍空間彎曲,使得八大行星好似“定格”在太陽周圍的彎曲空間之中,並圍繞著太陽旋轉。
基於這一理論基礎,1994年,墨西哥理論物理學家米給爾·阿庫別瑞(Miguel Alcubierre),在遵守廣義相對論中愛因斯坦方程的前提下,提出了阿庫別瑞引擎(也稱“曲速引擎”,而《三體》稱之為“曲率引擎”),通過時空彎曲使得超光速航行變為可能。
有意思的是,早在上個世紀60年代的科幻影視係列《星際迷航》中,就已經將曲速引擎作為太空船的標配發動機了。在劇中,飛船使用的是一種可以扭曲時空的神秘物質,激活這種物質後,由引力壓縮飛船前方的時空,並將時空拖到飛船的後方。這並非飛船超越了光速限製,而是時空在飛船周圍的移動,人在飛船裏不受任何引力影響,甚至一點感覺都沒有。飛船的前方可以看到所有星球都被快速拉伸成一條線,但在飛船後麵則是一片漆黑,什麽都看不到。
從理論上而言,曲速引擎飛船能夠以光速,超光速10倍、甚至幾十倍的速度到達目的地,使得人類到達幾百光年之外都成為可能,一旦成為現實,我們去小灰人家鄉串門兒,就像從家裏的客廳走到書房一樣(說不定小灰人就是這麽做到的)。
但問題是,當阿庫別瑞發現曲速引擎所需的神秘物質,必須具有負壓強和負能量,這與目前已知的所有物質屬性都完全不同,因此,物理學家將其命名為Strange matter(奇異物質)。
然而,在實驗室中合成奇異物質,要比合成反物質(之前已介紹過反物質)還要困難,甚至窮盡整個地球資源也隻能合成幾個原子級別的奇異物質。通過計算得知,要建造一艘超越光速一倍的曲速飛船,所需要的奇異物質總量,相當於太陽質量的三分之一,這顯然不是在短時期內人類所能做到的。而《星際迷航》中企業號飛船服役的時間是2151年,也就是100多年之後。很顯然,20世紀60年代的編劇對於獲取奇異物質的難度一無所知。
不過,奇異物質可能存在於中子星或者是黑洞的內部、甚至到千米級別的誇克星。而誇克星是極有可能存在的,那麽奇異物質的獲取就將成為可能,曲速引擎也就有可能在遙遠的未來變成現實。
但是,那個遙遠至少對我們來說是遙不可及的,那讓我們再換一種思路——讓思維來超光速旅行吧:
我們之所以想發明超越光速的飛船,是為了能夠讓自己能快速到達某個地方,但是對我們的身體和飛船本身來說,把任何質量大於光子的東西加速到光速都是不可能的。
如果能夠最終搞清楚意識是什麽,是一種能量,還是一種物質,抑或是一種波?如果它是一種波,並且可以使用一種方式脫離物質單獨存在,那麽把這種波加速到超光速就成為可能。未來,也許等這種技術成熟了,我們隻要宅在家中足不出戶,就可以遨遊整個宇宙,甚至回到過去或者去向未來。不過,這一切的到來,都需要我們先真正搞明白意識是怎麽一回事。
看上去,研究意識好像比研究超光速要簡單得多,而且這一切一旦真正實現了,人類就將進入蘇聯天文學家尼古拉·卡爾達肖夫(Nikolai Kardashev)提出的4級文明了(關於卡爾達肖夫文明指數,將撰文詳談)。
最後順便提一下,我正在創作中的科幻長篇係列小說《超時空拯救》(第一部已經出版)中的一個科幻設定,就涉及了意識的跨時空旅行……(下)
(作者係加拿大某國際財團風險管理資深顧問,科幻作家)
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