问题

据称 DARPA 研究人员创造了世界上第一个「曲速气泡」,论文应如何解读?离实现超光速更近了吗?

回答
DARPA 的“曲速气泡”:解读与超光速的距离

DARPA 研究人员声称创造了世界上第一个“曲速气泡”,这一消息无疑激起了公众对于超光速旅行的无限遐想。然而,要理解这一突破的真正意义,我们需要深入解读其背后的科学原理,并审慎评估其距离真正实现超光速的遥远路途。

什么是“曲速气泡”(Warp Bubble)?

首先,我们需要明确“曲速气泡”并非如科幻小说中描绘的那样,是能够包裹飞船并在空间中“跳跃”的完整气泡。在现实的科学语境下,DARPA 研究人员的研究更倾向于对“曲速引擎”工作原理的初步验证和理论模型的实验性探索,而非直接制造出一个能够容纳飞船并实现超光速航行的“气泡”。

“曲速气泡”的核心概念源于阿尔库贝利引擎(Alcubierre drive),这是一个由墨西哥物理学家米格尔·阿尔库贝利在1994年提出的理论模型。其核心思想是利用时空本身的伸缩来移动飞船,而不是让飞船自身的速度超过光速。具体来说:

1. 收缩前方时空: 引擎会在飞船前方的空间区域创造一个时空压缩,将飞船前方的空间“拉近”。
2. 膨胀后方时空: 同时,它会在飞船后方的空间区域创造一个时空扩张,将飞船后方的空间“推开”。
3. 飞船静止于气泡内: 飞船本身则处于这个扭曲时空中的一个“平坦”区域,即“曲速气泡”内部,理论上在这个气泡内,飞船的速度可以远低于光速,甚至可以保持静止。

这样一来,飞船就好像被一个波浪推动着前进,而飞船本身并未突破局域时空的物理限制,从而绕过了狭义相对论中关于任何有质量物体都无法达到或超过光速的限制。

DARPA 研究人员的“曲速气泡”论文解读

虽然目前关于 DARPA 研究人员创造“曲速气泡”的公开细节相对有限,但我们可以根据已有的信息和对相关科学领域的理解,进行以下解读:

实验的性质: DARPA 的研究很可能不是直接制造一个宏观的、能够容纳飞船的曲速气泡。更可能的是,他们进行了一项实验室规模的实验,旨在验证阿尔库贝利引擎理论模型中的某个关键物理现象或原理。
能量或物质的操纵: 构建阿尔库贝利引擎需要极大量的负能量(negative energy)或奇异物质(exotic matter)。这些物质具有反引力效应,能够扭曲时空。DARPA 的研究可能是在尝试:
在微观尺度上生成或操纵具有类似负能量效应的现象。 例如,一些量子效应或高能粒子相互作用可能会产生局部时空扰动,研究人员可能是在尝试测量或放大这些扰动。
验证某些与曲速气泡形成相关的数学模型或理论预测。 这可能涉及到在特殊的实验装置中,通过精确控制能量或物质的分布,来观察是否出现了预期的时空弯曲效应。
使用一种新的实验方法或设备,来模拟或探测“曲速效应”的可能性。
“气泡”的定义: DARPA 研究人员所称的“曲速气泡”,可能是一种微观的、局域的、暂时的时空扰动,而不是一个能够稳定存在并包裹宏观物体的区域。这个“气泡”可能只是在极短的时间内、在极小的空间范围内,表现出类似阿尔库贝利引擎所需的时空扭曲特性。
测量和验证: 研究人员很可能通过高精度测量设备来检测实验中产生的微小时空变化,并将其与阿尔库贝利引擎的理论模型进行比对,以验证其理论的有效性。
论文的意义: 如果 DARPA 的研究确实取得了进展,其论文的意义在于:
提供实验证据支持了阿尔库贝利引擎的理论可行性。 这是对一个长期以来被认为是纯粹理论概念的重大突破。
开辟了研究超光速旅行的新途径。 即使只是微观层面的验证,也为未来的理论和实验研究奠定了基础。
可能揭示了新的物理现象或新的操控时空的方法。

离实现超光速更近了吗?

答案是:很可能非常、非常遥远。

尽管 DARPA 的研究听起来激动人心,但距离真正实现载人超光速旅行还有极其漫长且充满挑战的道路。以下是几个关键原因:

1. 能量需求:
阿尔库贝利引擎的原始理论模型预测,构建一个能够容纳飞船的曲速气泡需要天文数字般的负能量,远远超出我们目前能够产生的范围。一些后续研究表明,通过更精细的理论设计,能量需求可以大大降低,但仍然是巨大的。
DARPA 的研究即使成功,也可能只是在微观尺度上演示了产生极小量类似效应的机制,其能量需求与驱动一个实际飞船完全不是一个量级。
2. 奇异物质(负能量):
负能量或奇异物质是阿尔库贝利引擎的关键驱动力。目前,我们并不确定它们是否真实存在,或者以何种形式存在,以及是否能够被稳定地产生和控制。卡西米尔效应(Casimir effect)是已知的一种可能产生负能量的现象,但其规模非常小且难以利用。
DARPA 的研究可能是在尝试在实验室中模拟或探测负能量的间接效应,而不是真正制造出可用于驱动曲速引擎的奇异物质。
3. 控制和稳定:
即使能够产生足够的负能量,如何精确地控制其分布以形成一个稳定且可控的曲速气泡,并确保飞船在其中安全运行,是另一个巨大的挑战。
如何启动和关闭曲速气泡,如何进行导航,以及如何处理气泡前方的物质碰撞问题,都是未解决的难题。
4. 因果关系和信息传递:
超光速旅行还可能引发关于因果关系和信息传递的悖论。如果能够超光速旅行,理论上可以回到过去,这与我们对宇宙运行规律的理解相悖。
一些理论认为,曲速气泡的形成可能会在气泡后方产生一个“视界”,使得从气泡外部无法与内部进行通信,也无法将其关闭,这带来了严重的控制和通信问题。
5. 工程实现的复杂性:
将理论模型转化为可行的工程设计,需要克服无数技术难题。这不仅仅是能量问题,还包括材料科学、推进系统、控制系统等各个方面的突破。

结论

DARPA 研究人员声称创造“曲速气泡”的研究,如果属实,无疑是科学界的一项重大进展,它为阿尔库贝利引擎的理论模型提供了初步的实验支持,将“曲速驱动”的探讨从纯粹的数学和物理理论推向了实验验证的领域。

然而,这离实现真正的超光速旅行还相去甚远。这项研究更像是对未来可能性的一次微观探索和基础验证,而非制造出能够瞬间跨越星际的飞船。它是一个重要的里程碑,标志着科学家们正在一步步地探索操控时空的奥秘,但要实现科幻小说中的场景,我们还有无数的科学和工程挑战需要克服,这可能需要几个世纪甚至更长的时间,或者需要我们对物理学的理解发生颠覆性的变革。

总而言之,DARPA 的研究是一次令人振奋的科学尝试,它提醒我们,在遥远的未来,人类也许真的能够实现跨越光速的旅行,但我们必须保持科学的审慎和耐心,认识到这条道路的漫长和艰辛。

网友意见

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太长不看版:不是真的。


想看长的版:

看看文章摘要就行了,不用看很长——

While conducting analysis related to a DARPA-funded project to evaluate possible structure of the energy density present in a Casimir cavity as predicted by the dynamic vacuum model, a micro/nano-scale structure has been discovered that predicts negative energy density distribution that closely matches requirements for the Alcubierre metric. The simplest notional geometry being analyzed as part of the DARPA-funded work consists of a standard parallel plate Casimir cavity equipped with pillars arrayed along the cavity mid-plane with the purpose of detecting a transient electric field arising from vacuum polarization conjectured to occur along the midplane of the cavity. An analytic technique called worldline numerics was adapted to numerically assess vacuum response to the custom Casimir cavity, and these numerical analysis results were observed to be qualitatively quite similar to a two-dimensional representation of energy density requirements for the Alcubierre warp metric. Subsequently, a toy model consisting of a 1 µm diameter sphere centrally located in a 4µm diameter cylinder was analyzed to show a three-dimensional Casimir energy density that correlates well with the Alcubierre warp metric requirements. This qualitative correlation would suggest that chip-scale experiments might be explored to attempt to measure tiny signatures illustrative of the presence of the conjectured phenomenon: a real, albeit humble, warp bubble.

想看长的但是又看不下去的太长不看版:

研究者们用一种改进的数值分析方法跑了一些模拟,发现在某种特定的微结构下可以跑出负的能量密度分布,看着有点像阿库别瑞度规需要的那种负能量。研究者们建议(要不再给点钱)咱试试造个真的,也许就真的看到曲速泡了。

然后写文章的媒体就看到上面的最后半句话:“真的看到曲速泡了。”


突然发现原问题里引用了报道文章的这样两段话:

Warp drive pioneer and former NASA warp drive specialist Dr. Harold G "Sonny" White has reported the successful manifestation of an actual, real-world "Warp Bubble." And, according to White, this first of its kind breakthrough by his Limitless Space Institute (LSI) team sets a new starting point for those trying to manufacture a full-sized, warp-capable spacecraft.
"To be clear, our finding is not a warp bubble analog, it is a real, albeit humble and tiny, warp bubble," White told The Debrief, quickly dispensing with the notion that this is anything other than the creation of an actual, real-world warp bubble. "Hence the significance."

光看这两段话,似乎 White 的团队是真的造出了一个曲速泡。

但其实这两段话中间还有一段:

In an interview, White added that "our detailed numerical analysis of our custom Casimir cavities helped us identify a real and manufacturable nano/microstructure that is predicted to generate a negative vacuum energy density such that it would manifest a real nanoscale warp bubble, not an analog, but the real thing." In other words, a warp bubble structure will manifest under these specific conditions. White cautioned that this does not mean we are near building a fully functioning warp drive, as much more science needs to be done (Updated 08/12/21).

这段话明确地表达了这是一个“可以制造出的微纳结构,预期它会产生一个负真空能密度的、真正的曲速泡”。里面反复强调的 real thing 指的并不是他们真的造了出来,而是说这个曲速泡(如果观察到了的话)是真的,不是某种近似模拟(举个例子,很多研究会用声子的行为来近似模拟一些难以制造和观测的量子现象,因为它们服从形式相同的方程。这里强调的是这个实验如果能做成的话,做出来的结果是真的曲速泡。)

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我猜他的团队里面肯定有印度人或者意大利人

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希望是真的,但是我来破几盆冷水:

1,文章中并没有真正创造出曲速气泡,报道被严重夸大了。文章只是说在这个条件下,预测出了一个极小的负能量区域。而负能量则是很久之前提出的Alcubierre Drive(也就是曲速引擎)的一个重要先决条件。至于这个负能量区域是不是真能变成曲速气泡或者曲速引擎,或者是否有其他啥未知的困难限制曲速气泡,都没有研究,还要看后续了。

2,文章的主要作者Harold G. White,这位老兄之前的EM Drive号称突破了物理规律(动量守恒),搞了个大新闻。最近越来越多的证据表明em drive的推动力根本就是地磁场。往好了说就是这位老兄做实验不严谨,精度/误差分析有问题还喜欢提前吹牛,往坏了说就是科研造假。而这次又有上次em drive的韵味了,明明只是理论上还没有造出来吹的跟造出来了一样。

总之,希望这个实验是真实并且严谨的。但至少等他们真造出曲速气泡,并且其他实验室也重复了再来膜拜吧。

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这又是媒体的报道出了偏差,论文本身没那么说。

  • 作者们自己在文末的数据可用性声明中说“This paper is primarily a theoretical work”[1]

题目引用的论文并没声称实际创造出曲速泡或曲速环,他们只是“展望未来”说他们设计的装置“若是有效”则能够如何如何。这新闻延迟了几个月,可以看出西方媒体也不太明白应该怎么吹。

这篇论文里描述的装置看上去不能实现作者的期待,也不能实现题目所称的超光速什么的。类似尺度的结构在自然界是存在的,恐怕没有作者认为的那么大的卡西米尔效应。

对于一篇理论工作,作者阵容中的理论物理学家的人数少得可怜:零。

文中拿来模拟空间中的能量密度的动态真空模型,通常是对单个原子使用的。这篇论文的作者 Harold Sonny White 等人曾在另一篇论文中尝试推广该模型[2]。无论如何,他们这次尝试的对象跟单个原子比起来实在太宏观了,你可以想象那模拟的水准。

这篇文章搞了半天,表明的只是“我们设计的空腔产生的三维能量密度,看起来与阿库别瑞引擎所需的能量密度场有一些定性的相关性”。在数值上,二者完全不匹配。他们既没进行实验,也没进行真正精确的计算。即便在定性方面,他们给出的相关性也局限在微观尺度和极低的能量密度。

这离“实现超光速”一点都没接近。

Harold Sonny White 几年前在搞 EM 驱动的时候,曾经声称在启动实验中发现了疑似曲速泡的现象。我在谈论高级推进手段的回答里多次引用过相关报道,目的是给大家看看那个靠漏磁的微弱不平衡(来自为设备供电的电线的电磁干扰)当“推力”的装置能谈论什么样的科学模型。EM 驱动是无效的。这次的设计看上去也不会比那个更好。

  • 在发现 EM 驱动的疑似推力时,White 激动地声称该装置“违反了牛顿定律”,后来许多科学记者攻击他这一点。

参考

  1. ^ White, H., Vera, J., Han, A. et al. Worldline numerics applied to custom Casimir geometry generates unanticipated intersection with Alcubierre warp metric. Eur. Phys. J. C 81, 677 (2021). https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-09484-z
  2. ^ https://doi.org/10.1016/j.physo.2019.100009

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