如果人類能進入四維空間,就能實現瞬間移動嗎?物理學給出答案

2020-12-15 老胡說科學

美國發現號航空母艦,是我們所見過的第一艘能夠通過孢子驅動的星際迷航飛船,孢子驅動比脈衝引擎和扭曲引擎都要快。如果宇宙中存在額外的空間維度,孢子驅動的想法可能在物理上是可行的,但它可能不會由迅速生長的孢子網絡提供動力。宇宙中有一些規則似乎永遠不會被打破。粒子在真空中的傳播速度不能超過光速;封閉系統的熵永遠不會減小;能量和動量必須守恆。但是,如果宇宙運行的規則與我們今天所理解的不同,許多今天看來被禁止的事情可能終究還是有可能的。

在《星際迷航:發現號》中,有一種新技術比曲速引擎還快:孢子引擎。孢子驅動器可以瞬間從空間中的一個位置「跳躍」到另一個距離很遠、沒有連接的位置。這個想法被斥為一個巨大的科學錯誤,但在適當的環境下,它可能會從科幻小說領域走向現實科學。

星際迷航飛船上的曲速驅動系統使星際旅行成為可能。如果我們有這種技術,就可以很容易地跨越到恆星的距離,但這在今天仍然是科幻小說。星際迷航發現號的孢子驅動為超光速旅行開啟了一種新的可能機制,這種機制甚至可能優於曲速驅動。《星際迷航》系列對太空旅行的設想有以下三種方式:

脈衝驅動,類似於傳統的旅行,用燃料來產生能量,通過向後的排氣產生推力,推動飛船前進。曲速驅動,空間本身在太空飛行器前面被壓縮,在後面被擴展,使其能夠以一種比光速還快的方式穿越壓縮空間。上世紀90年代中期,理論物理學家米格爾·阿爾庫比爾創造了一個時空,在廣義相對論中這是可能的。如果存在負質量或負能量,這可能從數學上的可能性轉移到物理上的可能性。孢子驅動,一個由菌絲孢子組成的網絡遍布整個宇宙,它能讓宇宙飛船瞬間從一個斷開連接的點移動到另一個點。《星際迷航:發現號》實現孢子驅動的方式可能有點可疑,但其基本思想並不像聽起來那麼瘋狂。

保羅·史塔曼茲是發現孢子驅動的關鍵,他發現了菌絲網絡和一艘飛船從一個偶然斷開的空間區域「跳躍」到另一個空間區域的能力之間的聯繫。有一個由真菌孢子組成的網絡,這些孢子來自一種被稱為菌絲體的特殊蘑菇。這些孢子遍布整個星系,不僅滲透到空間中,也滲透到子空間中。

通過與來自船上一個特殊房間的孢子網絡連接,一個位移激活的孢子集線器驅動器可以使飛船能夠在一個完全斷開連接的位置從空間行進到子空間,然後回到空間。當然,這是一個聰明的想法,它設想了一種比曲速驅動器更快速、更精確地到達遙遠地點的機制。

但是,正如《星際迷航》所展示的那樣,它是有根本缺陷的。

當《星際迷航:發現號》的工作人員第一次了解到緩步動物和菌絲孢子的時候,他們根本不知道它是超越曲速傳動的關鍵。以下是一些原因。

《星際迷航:發現號》依賴於太空緩步動物進行水平基因轉移的能力。但動物不能進行水平基因轉移,只有細菌可以。菌絲確實在地球上形成了一個巨大的網絡,但這是由於它的根結構相連。問題是菌絲是一種高級的生命形式,在地球上需要經過數十億年的進化,它不可能出現在其他太陽系、星系或宇宙中。即使這些孢子在量子力學上糾纏在一起,它們也不能用於傳送物質,甚至不能用於比光速更快的通訊。雖然這可能是一個有趣的科幻想法,但背後的科學是站不住腳的。

曲速行進,就像美國航空航天局預想的那樣。如果你在空間的兩個點之間創造了一個蟲洞,其中一個口相對於另一個口運動,那麼在倒後端和後倒後端的觀察者的老化程度就會大不相同。如果不是穿越三維宇宙空間,而是穿越一個不同的、額外的維度,那麼幾乎可以在瞬間連接兩個不同的位置。除非,加入第四個空間維度,得到五個維度的總和。如果宇宙有一個額外的空間維度,並且能夠允許存在於三維空間維度的物體利用第四維度行進,那麼孢子驅動所想像的一切都將成為可能。

為了理解這一點,想像一個有兩個空間維度的宇宙,就像一張紙的表面。想像一下生活在這張紙上的生物,以真正的平地風格,與能夠操縱三維空間的人相遇會是什麼樣子。

這裡顯示的弗拉姆拋物面代表史瓦西黑洞視界外的時空曲率。在愛因斯坦的相對論中,質量是時空結構的曲線。如果時空有額外的維度,那麼利用額外維度所允許的自由,就有可能在瞬間從一個位置移動到另一個位置。一個二維的生物有一個暴露在外面的世界,也就是它身體的輪廓。它的內部也不一樣,所有東西都在裡面。用三維手臂武裝起來,就可以很容易地做到以下幾點:

重新排列內部器官。把手伸進去,把裡面的東西拿開或加進去。把它從紙上拿下來放到紙上的任何地方。甚至摺疊頁面,使兩個不相連的位置重疊,並幾乎立即將該生物從一個位置轉移到另一個位置。簡而言之,對於生活在比我們更低維度的生物來說,我們可以做很多事情。

三維立方體的四維模擬物。額外的維度帶來了額外的可能性。長期以來,人們一直在探索額外維度的概念,包括如何解決宇宙學中許多最重要的問題,甚至解釋了為什麼我們有三維空間以及我們今天所處的宇宙。

如果加入第四個維度,額外的維度能帶來什麼?這與第三個維度能讓外界對一個二維生物產生什麼影響非常相似。特別是,進入第四維度的人可以:

在不切開人體的情況下做手術。插入、移除或重新排列人體內的某些東西。把我們從三維空間中移開,放到別的地方。通過適當地摺疊我們的空間,連接兩個先前不相連的位置,看起來像是瞬間傳輸而不違反相對論定律。

我們今天看到的力、粒子和相互作用都是單一的,需要額外的維度和大量的新粒子和相互作用。對於一個這樣的額外維度,如果它擁有正確的屬性,就可以像《星際迷航:發現號》中的孢子驅動器那樣實現運輸。最後那部分聽起來確實很像《星際迷航:發現號》的孢子驅動程序要實現的目標!一艘宇宙飛船,通過與某種至少有部分駐留在三維空間之外的實體間的某種聯繫,能夠比通過任何已知的方法都要更快地從一個地點運輸到另一個地點。孢子驅動使運輸比普通發動機發生得更快,比光更快,甚至比曲速還快。

現實地說,它能做到這一點的方法是,離開我們的三維宇宙,進入一個額外的空間維度,然後再進入三維宇宙。這就引出了一個奇妙而全面的結論:子空間實際上是一個額外的空間維度。

《星際迷航》中的曲速場,它縮短了前面的空間,同時延長了後面的空間。無論是《星際迷航》中的孢子驅動,還是現實中穿越額外空間維度的物理概念,都能讓我們更快地從A點到B點。《星際迷航》技術的許多其他問題和可能性,通過將子空間確定為另一個維度,立即得到了解決。

子空間通信可以比光速還快,因為信號不是通過空間傳播的,而是通過一個額外的維度,這個維度可以縮短空間傳播的距離。

因為存在額外的維度,一些在宇宙中不存在的粒子,卻可以存在於子空間中。

而且,一些物理實體甚至是一些生物實體不僅可能存在於宇宙中,而且可能在子空間中保持自身存在的一個組成部分,甚至形成一個網絡。

如果存在額外的維度,那麼它們必須非常小。即使在允許的最大值下,大型強子對撞機產生的黑洞的衰變時間也只會增加到極小的幾分之一秒。但如果額外維度是真實存在的,那麼就有可能突然退出我們的三維宇宙,穿越第四空間維度,然後在時空中一個完全不相連的點重新進入。如果宇宙中有一個額外的空間維度,任何能夠通過它控制運動的生物都將能夠克服當今宇宙的許多傳統限制。通過抄近路穿過這個額外的維度,超光速、近乎瞬間的旅行將成為可能。除了上下、左右、前後,還有一種額外的空間移動方式,允許立刻退出當前位置並重新進入其他任何位置。不管移動什麼,哪怕是整個星際飛船,在任意短的時間內任意大的距離,都可以移動。

把這個科幻情節裝置建立在物理粒子上而不是生物有機體上,或許是一個更明智的選擇。無論額外維度中存在何種網絡,它都需要可控制的入口和出口點,以便實現我們在《星際迷航:發現號》中看到的那種傳輸。但是如果額外的維度是真實的,並且我們可以適當地操縱它們,那麼我們最大的科幻夢想可能會離成為現實更進一步。

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