问题

1000年内能发明出曲率引擎吗?

回答
1000年,对于人类文明而言,这是一个相当长的时间尺度。在这漫长的岁月中,我们积累了知识,发展了技术,也见证了无数曾经只存在于幻想中的事物的实现。那么,在那遥远的未来,人类是否有可能发明出曲率引擎?

要回答这个问题,我们得先明白曲率引擎到底是什么。简单来说,曲率引擎是一种设想中的推进装置,它不像我们现在熟知的火箭发动机那样通过喷射物质来产生推力。相反,它利用一种更“优雅”的方式——扭曲时空。想象一下,你不是在空间中“推”着飞船前进,而是让飞船周围的时空本身发生弯曲,从而“拉”着飞船前进。这种方式的理论优势在于,它有可能让飞船的速度远远超过光速,而且在飞船内部,乘客感受不到任何加速度,就像静止一样。

这个概念最出名的来源是墨西哥物理学家米格尔·阿库别瑞(Miguel Alcubierre)在1994年提出的“阿库别瑞度量”(Alcubierre metric)。他的理论基于爱因斯坦的广义相对论。广义相对论告诉我们,质量和能量会使时空弯曲。阿库别瑞的设想是,通过在飞船前方压缩时空,同时在飞船后方扩张时空,就可以在飞船周围形成一个“曲率泡”或“虫洞”,飞船就在这个泡泡里,随着时空的扭曲而移动。

听起来很棒,对吧?但实现起来可不是那么简单。这里面隐藏着几个巨大的挑战,就像摆在我们面前的一座座技术高峰:

1. 负能量(Exotic Matter)的门槛: 这是最棘手也是最核心的问题。根据阿库别瑞的理论,要扭曲时空,需要一种我们称之为“负能量”或“奇异物质”的东西。这种物质拥有负质量密度,能够产生排斥引力,从而扩张时空。问题是,我们从未在自然界中发现过这种物质,也无法在实验室中合成。我们知道一些量子效应,比如卡西米尔效应,可以在特定条件下产生微小的负能量区域,但要产生驱动飞船的曲率泡所需的巨大负能量,那简直是天方夜谭。

2. 能量需求: 即便我们能找到或创造出负能量,驱动曲率引擎所需的能量也是天文数字。早期的计算表明,可能需要相当于数倍木星质量的负能量才能启动一个曲率泡。后来,随着对理论的深入研究,科学家们发现可以通过一些巧妙的调整来降低能量需求,比如改变曲率泡的形状,甚至可能只需要一个相对较小的负能量区域。但无论如何,这个能量需求依然远超我们目前的技术能力。

3. 控制与稳定: 就算我们解决了负能量和能量需求的问题,如何精确地控制和维持曲率泡也是个难题。时空的扭曲是一个极其精密的动态过程,任何微小的偏差都可能导致灾难性的后果。我们需要能够对时空进行极其精密的“雕刻”,并且要保证这个“雕刻”在整个航行过程中都能稳定持续。

4. 因果律与信息传递: 另一些理论上的问题也伴随而生。例如,在曲率泡内部,信息是否能传递到外部?如果不能,那么飞船上的船员就无法与外界进行通信,更无法提前知道前方是否有危险。还有,如果曲率引擎能让速度超过光速,那么它是否会违反因果律,导致时间旅行的悖论?这涉及到宇宙最基本的物理定律。

那么,1000年后呢?

1000年,是足够让科学技术发生翻天覆地的变化的。我们可以从以下几个角度来设想:

理论物理的突破: 科学研究的总是在不断探索未知的边界。在未来1000年里,人类可能会在量子引力理论、弦理论、圈量子引力等前沿领域取得革命性的突破。这些突破或许能为我们揭示负能量的本质,或者找到绕过负能量限制的替代方案。也许,时空本身并非我们现在所理解的那样,存在着我们尚未触及的“属性”可以被利用。

新材料与新技术的发现: 科学的进步往往伴随着新材料和新技术的发明。谁能说准,在1000年后的某个实验室里,我们不会偶然发现一种全新的物质,它能够神奇地产生负能量,或者能够以一种我们现在无法想象的方式操纵时空?就像我们今天使用的激光、半导体技术,在几百年前也是不可思议的存在。

计算能力的飞跃: 随着量子计算、通用人工智能的发展,我们将拥有前所未有的计算能力。这能帮助我们更深入地模拟时空行为,设计出更精密的曲率引擎模型,甚至可能通过高度复杂的模拟来“预测”和“规避”负能量产生的难题。

对宇宙的更深层理解: 随着太空探索的深入,我们可能会发现一些我们目前无法想象的宇宙现象,这些现象或许能为曲率引擎的实现提供灵感或直接的线索。例如,我们可能会发现某种自然存在的、能够扭曲时空的现象,并从中学习。

乐观与谨慎的展望:

乐观地看,1000年的时间足以孕育出我们现在难以想象的科学发现。如果基础物理理论得到了颠覆性的革新,或者我们找到了某种“替代性”的超光速旅行方式,那么曲率引擎(或其某种演进形式)并非不可能。想象一下,我们可能不再需要负能量,而是能够直接“编织”时空,或者找到一种方式,让飞船在一种“折叠”的空间中移动,而无需扭曲外部时空。

但我们也要保持谨慎。曲率引擎的概念之所以如此吸引人,恰恰是因为它似乎是在与我们目前所理解的物理定律“擦边”,甚至可能触及了最根本的“底线”。如果爱因斯坦的理论是宇宙运行的终极真理,并且负能量是时空扭曲不可或缺的要素,那么在没有彻底推翻现有理论的情况下,发明曲率引擎将是极其困难的。

总结来说,1000年内发明曲率引擎的可能性,其关键在于我们能否在基础物理学领域取得颠覆性的突破,尤其是关于负能量的理解和应用,或者找到全新的、绕过这些限制的物理原理。 这不是一个简单的工程问题,而是一个关于我们是否能真正“读懂”宇宙法则,并找到利用它们的方法的问题。

这1000年,将是人类智慧、好奇心和毅力不断挑战极限的1000年。我们或许会发明出曲率引擎,也或许会发现另一条通往星辰大海的、我们现在尚未知晓的道路。这正是科学探索的魅力所在,未知永远充满着无限的可能。

网友意见

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曲率引擎是以接近光速或超光速航行的一种方式,和“虫洞”等时空穿越的方法不同,曲率引擎通过改变时空的曲率而得到接近光速,甚至能够超越光速,这是真正的以高速连续穿过时空。

最早提出类似设想的是德国人布克哈德*海姆,他曾尝试建立一种宇宙万有理论,以调和相对论和量子力学的矛盾。他的主要方法也很简单:增加维度。他曾希望用一个六维时空的框架,而从基本物理常数直接推导出粒子质量,据说结果很符合,但却很少被科学界接受。

后来,有些人用海姆理论推导出暗物质和超光速航行,引起了很多科幻爱好者的关注,而且他们走的比科学更快更远,其中最有名的就是科幻片《星际迷航》系列。剧中描述了一个未来的平行宇宙,时间跨度大约从21世纪中期延伸至24世纪末。在这个平行时间线上,人类于21世纪中期爆发了一场几乎毁灭全球的第三次世界大战。战争结束后十几年,人类进行了第一次突破光速障碍的试验飞行——曲率推进(Warp drive),这意味着人类进入了曲速时代。人类通过曲率推进认识了外星种族瓦肯人,此后的五十年里,人类结束了自身的贫穷、疾病和战争,共同创建了星际联邦,进一步探索宇宙。原来,曲率推进给我们带来了一个如此乐观的未来。


《星际迷航》总共出了6部电视剧、1部动画片和13部电影,在后续的影片中,其中的曲率推进也被演绎的眼花缭乱。超光速已经够神奇的了,竟然还有9级,甚至9.9999级超光速,远超光速20万倍。

在《星际旅行:下一代》第七季电视剧“Force of Nature”中,发现了曲速航行对时空有不利影响,频繁使用曲速航行会造成空间裂缝。这一点也被刘慈欣的《三体3——死神永生》借鉴,书中被称为“航迹”和“死线”。

至于曲率引擎的工作原理,剧中如此描述:“正物质和反物质的反应产生的等离子体会使曲速机舱周边的空间几何结构发生变化,产生曲速场。

谁能想到,1994年,墨西哥物理学家阿库别瑞为这种超光速旅行背书了。他研究了广义相对论中爱因斯坦方程,提出了一个阿库别瑞度规(Alcubierre metric),这个度规符合爱因斯坦方程。它用一种波动方式展延空间,导致航行器前方的空间收缩而后方的空间扩张,前后所连成的轴向即为航行器的航行方向。

竟然是幻想在前,理论在后。究竟是科学引导了科幻,还是科幻启发了科学?

阿库别瑞度规有些独到之处,虽然它可以超光速,但飞船实际上处于一个平坦的“曲率泡”里,所以不会出现狭义相对论的尺缩钟慢等效应。飞船上的时钟和外界观察者的时钟一样,从观察者看来飞船的质量也没有增加,虽然飞船在他/她看来真的是在超光速航行。

阿库别瑞还指出:即使船在加速,它仍然是航行在自由落体的测地线上。也就是说,利用曲速来加速或减速的船永远处在自由落体状态,宇航员也感受不到一般加速下会出现的强大引力。庞大的潮汐力只会出现在“曲率泡”的边缘。

这实在是星际旅行,必备宝船啊!


刘慈欣的《三体》里面的曲率引擎就是这种阿库别瑞引擎,大刘用一个程心洗澡玩肥皂的故事将其原理更加形象的展示出来。原来,水面存在表面张力,对应于时空的张力,而肥皂(或其他表面活性剂)可以有效的降低小纸船尾部的表面张力,这种前后张力的不平衡,就会推动小纸船前行。

回顾完历史,我们回到提出的问题:1000年内能发明出曲率引擎吗?

其实,关于这方面的研究已经在进行中了。

1996年,美国国家航空航天局(NASA)成立了突破性推进物理计划(Breakthrough Propulsion Physics Program, BPP),其中部分经费支援了曲速引擎方面的推测性工作,这项计划不知道取得了什么样的成果,最终项目在2002年中止。

对于阿库别瑞引擎的工作原理,科学家们也颇有异议。

虽然阿库别瑞度规在数学上是可行的,符合爱因斯坦方程,但其计算结果可能没有物理学上的意义,更无法等同于的能够建造出这种装置。

还有人指出,阿库别瑞引擎的暗示了负的能量密度,因此需要奇异物质才能使用,而这种奇异物质究竟是什么,我们现在一点概念都没有。

阿库别瑞曾经辩称,两个平行的板子之间产生的卡西米尔效应可以满足阿库别瑞引擎的负能量需求。但卡西米尔力是保守力,也就意味着真空零点能必须是有借有还的,根本无法为阿库别瑞引擎提供持续的动力。

还有人指出,虽然阿库别瑞度规没有违反广义相对论,但广义相对论并没有包含量子力学的机制。一些科学家因此认为,虽然广义相对论理论上也允许回到过去的时间旅行,但结合了调和了量子力学和广义相对论的未来的量子引力理论必须包含“时序保护猜想”,也就是说这种时间旅行根本不可能。

看样子,在物理学家发现量子引力理论之前,阿库别瑞引擎是真是假,还未可知呢。

不管怎样,人类还将在科学的道路上继续攀登,所以一步一步来才是正道。在曲率引擎之前,我们还有很多事情要做呢。

在不远的将来,最有希望成为更远外太空旅行飞船推进器的是VASIMR等离子火箭(可变比冲磁等离子体火箭),它最早由华裔航天员张福林于上世纪70年代提出,它不依靠静电场加速离子,而是先将推进剂(氩或氙)加热到100万度,将它们变成离子,再将它们压缩进一个回旋加速器中,这些离子受磁场的洛伦兹力而转圈,调整磁场的方向和频率,给离子不断加速,最终以极大的速度从尾部喷出。

根据这样的设计,VASIMR的比冲将达到3000-50000秒,又提升了一个档次,而且它的比冲可任意调节。它也不会像之前的氙离子推进器那样比冲大推力小,存在短板,而是可以兼顾比冲和推力。这不再是温和的无人飞行器变轨发动机,而是强大的太空飞船推进器,载人星际旅行不再是梦想。

张福林目前已经是Ad Astra公司的总裁兼CEO,专注于等离子体火箭事业的发展,经过十余年的研究开发,他认为VASIMR推进器已日臻完善。Ad Astra公司更是提出了一项“39天到达火星”的计划,火星度假,真的不是梦想!

1960年,美国物理学家巴萨德提出了一种冲压发动机,他在飞船头部设计了一个巨大的漏斗,其中有一个巨大的磁场,用以将星际尘埃粒子收集起来,传递到发动机内部,作为核聚变发动机的原料,核聚变产生的辐射作为动力从尾端发射出去。就这样,星际尘埃从拦路虎变成了原料仓库,而且是取之不尽用之不竭的。人们设想,有了这样的飞船,人类将很容易将飞船加速到亚光速。在人类的有生之年,星际穿越也不再是梦想。

有一部科幻作品《宇宙过河卒》(Tau Zero),讲的就是一个利用巴萨德发动机的飞船失控了以后,一直飞到了宇宙尽头,其中探讨了宇宙中的人性观、时空观,以及……男女观,的确很有意思。


华丽总结:

曲率引擎能否研发出来,要看未来的量子引力理论。如果未来的量子引力理论不支持阿库别瑞度规,那么阿库别瑞曲率引擎一万年也搞不出来,或者需要去找新的方程的解,发明其他原理的曲率引擎。

如果阿库别瑞度规也可以很好的被包括在未来的量子引力理论中,那我对人类有信心!

在另一个平行宇宙的《星际迷航》里,曲率引擎是在2063年初次试飞的。我想,本平行宇宙里的我们,不会比他们差太远吧?

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开篇明义,曲率引擎应该就只存在于科学幻想层面。

曲率引擎的极限就是二向箔,将空间上的两点拉近。

曲率引擎的日常就是我们星球上的空气动力学,因为不是真空,所以空气承担了作用过程中的媒介物。

如果是真空宇宙呢?

如果认可能量和空间的对称性的存在,那么对空间的操作反过来必然会影响能量。真空没有其他的媒介物,此时对象间的作用关系更加直接,仅仅依赖两者之间的能量和空间,这样就会引申出另外一个问题:我们追求曲率引擎的目的是什么?破坏自身还是破坏目标对象?这个问题有点像莫比乌斯环,内部问题需要外部参数来解决,而如果外部参数能掌控,内部问题还存在吗?变成了一个宇宙哲学逻辑问题。

所以,这就回到了篇头的小结,曲率引擎成为看上去很美的废物。支持程心,反对维德。逃~

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