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宇宙物理科普:物体的速度可能超光速吗?
来源:
科普时报
发布时间:
2020-04-04
浏览次数:
2161
宇宙物理科普:物体的速度可能超光速吗?
□ 陈思进
我在《(上)》(《科普时报》2020年3月6日第3版)中最后提到,前几年,欧洲宇航局试验的新型“吸气式电推进器”,虽然最终能使飞船达到光速的0.23%,可是距离光速的1%都还差得很远。我们接着来讨论这一话题。
物体的速度可能超光速吗?
早在17世纪,开普勒就提出了太阳帆,直到上个世纪20年代后期,航天学家弗里德里希·灿德尔经过近10年的淬练,再度提出并完善了此概念。
在太阳帆飞船上配置一个巨大的薄膜镜片,来反射太阳或其他来源的光,照射在镜面上的光,经由光子的反射产生辐射压提供了微小的推力,调整反射风帆与太阳间的角度,可以让飞船受到的推力方向相对应地产生改变,它比“吸气式电推进器”的速度更快。
不过,从地球到太阳的距离上,光在一平米太阳帆上产生的推力只有0.9达因,还不到一只蚂蚁的重量。因此,这个太阳帆就要造得非常大,并且开始的速度非常慢。不过,这和离子发动机一样,只要时间够长,就可以产生惊人的速度。由于太阳帆飞船可以到达的距离非常远,所以欧航局的科学家估计,它将最终加速到7.5万公里/秒,即光速的25%!
然而,即使达到光速的四分之一,太阳帆飞船距离真正的超光速,还差得很远很远。
根据相对论的原理,飞船飞得越快,就需要越多的能量。当飞船接近光速时,飞船的质量会变的无穷大,那再加速的能量也就需无穷大。
光速限制不断地提醒人类,到此为止吧,不能再往前了!也就是说,如果光速真是宇宙的终极速度,那么人类倾其所有,也无法制造出超光速飞船。但是,人类在未来,能否有其他方法可以绕开这个限制,以达到超光速的目的呢?
爱因斯坦倒是有一个非常巧妙的解决办法,在他的广义相对论之中,空间非但是平的,而且还可以弯曲。这一理论很快就被对太阳系的高精度天文观测所证实,时空的确是可以被折叠甚至压缩的,质量足够大的恒星就可以弯曲周围的空间。这就好比在一个席梦思床上放一个很重的球,这个球就会陷下去,这和空间弯曲的表现非常类似。而在太阳系中,就因为太阳使得周围空间弯曲,使得八大行星好似“定格”在太阳周围的弯曲空间之中,并围绕着太阳旋转。
基于这一理论基础,1994年,墨西哥理论物理学家米给尔·阿库别瑞(Miguel Alcubierre),在遵守广义相对论中爱因斯坦方程的前提下,提出了阿库别瑞引擎(也称“曲速引擎”,而《三体》称之为“曲率引擎”),通过时空弯曲使得超光速航行变为可能。
有意思的是,早在上个世纪60年代的科幻影视系列《星际迷航》中,就已经将曲速引擎作为太空船的标配发动机了。在剧中,飞船使用的是一种可以扭曲时空的神秘物质,激活这种物质后,由引力压缩飞船前方的时空,并将时空拖到飞船的后方。这并非飞船超越了光速限制,而是时空在飞船周围的移动,人在飞船里不受任何引力影响,甚至一点感觉都没有。飞船的前方可以看到所有星球都被快速拉伸成一条线,但在飞船后面则是一片漆黑,什么都看不到。
从理论上而言,曲速引擎飞船能够以光速,超光速10倍、甚至几十倍的速度到达目的地,使得人类到达几百光年之外都成为可能,一旦成为现实,我们去小灰人家乡串门儿,就像从家里的客厅走到书房一样(说不定小灰人就是这么做到的)。
但问题是,当阿库别瑞发现曲速引擎所需的神秘物质,必须具有负压强和负能量,这与目前已知的所有物质属性都完全不同,因此,物理学家将其命名为Strange matter(奇异物质)。
然而,在实验室中合成奇异物质,要比合成反物质(之前已介绍过反物质)还要困难,甚至穷尽整个地球资源也只能合成几个原子级别的奇异物质。通过计算得知,要建造一艘超越光速一倍的曲速飞船,所需要的奇异物质总量,相当于太阳质量的三分之一,这显然不是在短时期内人类所能做到的。而《星际迷航》中企业号飞船服役的时间是2151年,也就是100多年之后。很显然,20世纪60年代的编剧对于获取奇异物质的难度一无所知。
不过,奇异物质可能存在于中子星或者是黑洞的内部、甚至到千米级别的夸克星。而夸克星是极有可能存在的,那么奇异物质的获取就将成为可能,曲速引擎也就有可能在遥远的未来变成现实。
但是,那个遥远至少对我们来说是遥不可及的,那让我们再换一种思路——让思维来超光速旅行吧:
我们之所以想发明超越光速的飞船,是为了能够让自己能快速到达某个地方,但是对我们的身体和飞船本身来说,把任何质量大于光子的东西加速到光速都是不可能的。
如果能够最终搞清楚意识是什么,是一种能量,还是一种物质,抑或是一种波?如果它是一种波,并且可以使用一种方式脱离物质单独存在,那么把这种波加速到超光速就成为可能。未来,也许等这种技术成熟了,我们只要宅在家中足不出户,就可以遨游整个宇宙,甚至回到过去或者去向未来。不过,这一切的到来,都需要我们先真正搞明白意识是怎么一回事。
看上去,研究意识好像比研究超光速要简单得多,而且这一切一旦真正实现了,人类就将进入苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫(Nikolai Kardashev)提出的4级文明了(关于卡尔达肖夫文明指数,将撰文详谈)。
最后顺便提一下,我正在创作中的科幻长篇系列小说《超时空拯救》(第一部已经出版)中的一个科幻设定,就涉及了意识的跨时空旅行……(下)
(作者系加拿大某国际财团风险管理资深顾问,科幻作家)
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