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超光速时代将到来?美科学家发现“曲速泡”,曲速引擎指日可待?

地球的历史似乎正按着《星际迷航》中的设定在向前发展!2063年4月5日,一艘泰坦II型核导弹改装的“凤凰号”从地球轨道上出发了,驾驶它的是疯狂的科学家杰弗里・科克伦(Zefram Cochrane),引擎则是他发明的曲速引擎。

凤凰号测试时的场景

在这种划时代的引擎驱动下,飞船已经突破光速,这次飞行的曲速场立刻被瓦肯星遍布银河系猎户座旋臂边缘的传感器获知,瓦肯星人知道银河系中又有一个文明突破了光速,因此才有了真正的第一次接触!开启了人类的银河纪元时代。

曲速引擎都没影,哪来的按剧本发展?

2021年12月6日,为DARPA 国防科学办公室工作的曲速驱动先驱和前美国宇航局曲速驱动专家哈罗德 G“桑尼”怀特博士报告了一个惊人的发现,他的无限空间研究所(LSI) 团队报告了一个真实世界中发现的“曲速泡”。

真实世界 WARP 气泡的实际图像。图片来源:Harold G. White 博士,无限空间研究所

怀特博士称用Casimir腔的详细数据分析帮助他们确立这个纳米微结构,它将会产生负的真空能量密度,并非是一个模拟的结构,而是一个真正的纳米级曲速泡。它的存在尽管并不能立即为我们制造全功能的曲速引擎,但这个发现至少为我们打开了一扇门,而它将引领我们进入超光速时代!

究竟有如何才能实现超光速?不断加速不行吗?

只要发动机提供推力,速度就会不断增加,特别是在没有大气阻力的太空,只要推动一张纸的离子引擎也能慢慢将探测器推至极高的速度,但这个速度有一个天花板,那就是光速!

狭义相对论中有三个通俗的效应分别是尺缩效应、钟慢效应以及质增效应,尽管它非常通俗但却不容易理解,简单的说就是假如世界真的如狭义相对论描述的那样,那么就能通过洛伦兹变换推导出无论多大的推力都不可能让飞行器超过光速!

因为越接近光速,质增效应就会越明显,最终变成无穷大质量,再大的推力也无法再让它继续加速!尽管很多人都不太相信这个理论,但非常抱歉的是这个三个效应每天都在全球的高能加速器中发生,GPS和北斗卫星的定位修正中发生,而我们处在低速环境中,所以毫无知觉。

究竟要如何才能突破光速?

人类对速度的追求是无止境的,但到现在为止最快的速度也就是飞离太阳系的探测器,速度在17千米/秒左右,帕克探测器尽管达到了200千米/秒左右,但那不过是绕日运动的近日点速度而已。

帕克探测器的轨道

想要突破速度限制,除了在发动机上下功夫,提升潜力,比如离子推进技术,上百千米/秒是没问题的,核聚变推进甚至可能达到光速的1~10%,但想要超光速怎么办?相对论实在是让大家绝望。

但宇宙中至少有一种速度是超越光速的,这就是宇宙膨胀的速度,假如哈勃常数按67.15km/s/Mpc计算的话,宇宙大约在144亿光年外膨胀就将超过光速,空间膨胀叠加的速度不受相对论限制。打个比方就是我们只要能制造出一个超光速膨胀的空间,它就能带着飞船以超越光的速度前进。

究竟要如何才能突破曲速引擎技术?

其实跨越遥远的宇宙距离并不止曲速引擎技术,还有虫洞技术,利用连接两个宇宙空间的一条隧道来实现,或者超空间跳跃引擎技术,但事实上这些技术比膨胀空间驱动的技术更不靠谱,因为我们至少在宇宙中观测到了这种膨胀现象。

但问题是如何实现呢?

科学家提出了扭曲空间的技术,在飞船后方膨胀空间,即可在让这个膨胀的空间推动飞船前进,只要空间膨胀速度够快,那么飞船就能超过光速,但这个引擎有两个问题,因为飞船所处的连续空间仍然与外界发生作用,因此它的速度可以很高,但却无法超过光速,质增效应与钟慢效应都会在飞船内发生。

另一个问题则是如何来扭曲膨胀这个空间,宇宙为何会膨胀的问题中物理学家引入了一个暗能量的概念,但暗能量是什么科学家也是一头雾水,而在膨胀空间的引擎中,需要一种能量密度为负的奇异物质来达到此目的。

1994 年,Miguel Alcubierre提出一种变空间几何形状的方法,使航天器前面的空间结构收缩,而后面的空间膨胀。这艘飞船将在平坦空间区域(称为翘曲气泡)内飞行,使飞船不会与外界时空产生相对论效应的理论,称为阿库别瑞引擎。

尽管这个理论绕过了相对论效应,但它同样绕不开负能量的的奇异物质,不过它的前景是非常诱人的,因为从理论上来看,这个曲速泡的存在使得可以让这种引擎以达到光速的N倍飞行,比如星际迷航中的9.9999级曲速,大约是光速的199516倍光速,它可以在6个月内横穿银河系,10年内到达仙女星系。

但其实对于宇宙来说,这个速度仍然不足,仙女星系只是距离银河系最近的一个星系(大小麦哲伦属于矮星系),而银河系所在的本星系群范围高达1000光年,室女座超星系团则达到了上亿光年,更大的拉尼亚凯亚超星系团则数亿光年,而这只是宇宙微不足道的一部分。

太阳系附近

因此就算实现了曲速引擎,我们想要飞行到宇宙边缘看一看仍然是一个相当不切实际的奢求。

宇宙的结构

延伸阅读:EMDRIVER

2000年初,英国航空太空工程师Roger Shawyer发明了一种奇怪的引擎,它利用微波在射频共振腔内来回反射,最后被引出产生“推力”的一种引擎,就目前而言,它的能量/推力比甚至可以被忽略不计,但好在它不用工质,所以还被称为无工质微波推进器。

有传闻它就是所谓的曲速引擎,但很明显这种引擎即使实验成功也无法逃脱相对论效应,但它不用工质,只消耗能量这种特征真的非常诱人,比如在近地轨道行,能量可以从阳光中获得,但工质只能从地面上携带,而发射每一千克质量到太空都意味着上万美元的成本,因此这种引擎“问世”后受到追捧。

只是到现在为止仍然没有一家声称是真正研制成功的,更没有这种引擎在太空测试,所以很难确定这种引擎是否真的可行。