《三體》航天考(三):終極曲率驅動!

2021-01-15 快科技

前情回顧:

《三體》航天考(一):太空電梯、階梯計劃

《三體》航天考(二):令人神往的無工質推進

在《三體》小說引述的「紅岸工程」文件中,把科學基礎理論研究成果轉化為實用技術分為兩種模式:漸進型和突變型。

其中,宇航技術的發展與突破屬於漸進性,核武器的出現屬於突變型(《三體1》p121)。這份文件載於20世紀60年代的《內部參考》,受時代局限,科學家並未預料到宇航技術也可能迎來「基礎理論成果被迅速轉化為實用技術」的突變。曲率驅動就是這樣一種突變。

來勢洶洶的三體第二艦隊之所以能夠後發先至,就是因為三體文明出現了技術突變,將曲率驅動技術實用化:

地球人「對三體第二艦隊的觀測表明,曲率驅動的宇宙飛行器加速到光速幾乎不需要時間,光速飛船有可能在幾十分鐘的時間裡從地球航行到木星。」(《三體3》p330)

利用時空特性進行光速乃至超光速飛行,絕非嶄新的概念。在20世紀60年代的科幻系列劇《星際迷航》中,超光速飛船的推進裝置叫做「曲速引擎」。

影片中,只見星艦艦長一聲令下,機器運轉,飛船前方的星星都被拉成細線。片刻之後,星艦出現在遙遠的目的地,速度比光速還快……


《星際迷航》中的曲率驅動飛船

曲率驅動的原理

要理解空間曲率(或曲速)驅動的原理,不妨設想這樣一幅場景:你和一隻貓坐在一張地毯的兩端,貓以速度c(這也是它在地毯上奔跑能達到的最高速度)向你跑來,這時你以速度z猛然拽動地毯,把地毯和在地毯上跑動的貓一併拽到跟前。在拽地毯時,貓相對於你的速度是c+z——超過了c,但貓與貓腳下的地毯是一併移動的,它並沒有超過自己在那塊區域的速度極限。

現在,把貓替換成飛船,把地毯替換成宇宙空間,把拽地毯的動作替換成曲率驅動,把c設為光速,你就得到了曲率驅動的基本圖景。

曲速引擎的原理是將空間拉伸,這與蟲洞摺疊空間正相反。

有趣的是,近年來科學家發現,科幻片中的曲速引擎竟然並不違反物理法則。

1994年,物理學家米基爾·阿庫別瑞(Miguel Alcubierre)提出可用波動方式拉伸空間,使飛船前方的空間收縮而後方的空間擴張,飛船在太空裡「乘」著空間的「波浪」前進。

這個「波浪」區間叫做「曲速泡」,裡面是一塊平坦時空。飛船在泡內並非真的在移動,而是被泡帶著走,並不違反物理學中的「光速最快」限制。

目前還不知道怎樣引發這樣的波動,或是一旦引發了,飛船該怎麼離開它,因此,阿庫別瑞發動機仍屬於理論概念範疇。

對此,美國國家航空航天局突破推進物理項目的前主管馬克·米利斯指出,在宇宙大爆炸後早期的快速膨脹期間內,時空以遠高於光速的速度嚮往膨脹:「如果大爆炸能做到,為什麼我們的飛船做不到?」

答案在於能量。宇宙大爆炸具有開天闢地的能量,如果人類也能掌握這種能量,拉伸空間就不是難事。

在《星際迷航》中,飛船首先使用曲速線圈產生「子空間場」,當其呈現不對稱蠕動形式並達到一定場強之後,會成為「曲速場」。此時飛船就處在曲速泡中,從而完成超光速的星際旅行。至於其中的具體技術細節,只有天知道。

細細推敲起來,《三體》中的曲率驅動與在《星際迷航》裡出現、又經阿庫別瑞闡發的曲速驅動並不完全一樣。大劉寫道:

「一艘處於太空中的飛船,如果能夠用某種方式把它後面的一部分空間熨平,減小其曲率,那麼飛船就會被前方曲率更大的空間拉過去,這就是曲率驅動。曲率驅動不可能像空間摺疊那樣瞬間到達目的地,但卻有可能使飛船以無限接近光速的速度航行。」(《三體3》p301)

可見,《三體》裡只承認「無限接近光速」的扭曲空間飛行,沒有涉及超光速的曲速飛行。

2008年7月,美國貝勒大學的兩名物理學家宣布,人類可以藉助巨大的能量控制更高的維度,並最終開發出速度可以超過光速的曲率驅動飛船。

其中一位物理學家格羅德·克裡夫(Gerald Cleaver)認為,可以根據廣義相對論和弦理論研製出這種曲率驅動飛船。宇宙大爆炸發生後的很短時間內,空間構造的運行速度比光速要快,航天工程師所要做的只是在飛船四周重建這個宇宙膨脹期而已。

儘管這個提法在理論上沒有破綻,但接下來的問題是如何擴充飛船後面的空間和縮小飛船前面的空間。

克裡夫和他的合作者理察·奧伯斯(Richard Obousy)認為,通過操控11維空間就可以構造出這種能否拉伸的空間。11維空間是M理論(弦理論的後繼理論)中的一個特殊構想。如果飛船背後的11維空間能縮小,那麼就可以構造出包含暗物質的氣泡,這些暗物質能隨著時間的推移而使宇宙加速運動。與此同時,在飛船前面擴充11維空間能夠降低光的速度。

這兩個步驟需要獨立進行,但是如何對11維進行擴充和縮小,目前還不得而知。

克裡夫表示:「這些計算是基於一些相當超前和令人感到陌生的技術。使用這些技術並藉助巨大的能量,我們就可以操控更高的維度。」

科學家們目前需要測算所需能量的大小,在技術允許的情況下,改變維度需要1045焦耳能量。根據公式E= mc2,這些能量需要將整個木星的質量都化成純能量才能獲取,遠遠超出了當前人類能夠掌控能量級別。

內在矛盾的局限性

曲率驅動堪稱「終極」航天推進方式。但完美之物並不存在,它也有發明者未曾預料的局限性,其中,航跡暴露便是大劉設想出的一個主要弊端。

防範三體人來襲的人類觀察者發現,三體艦隊顯然能夠在極短的時間內達到或脫離光速,但它們卻不敢在三體星系或太陽系附近這麼做。艦隊起航後,用了整整一年時以常規速度航行,直到與三體星系相距六千個天文單位時才進人光速;在距太陽系同樣距離處脫離光速降至常規推進速度.這段距離光速航行只需一個月,艦隊卻不惜再花一年的時間用常規推進航行。這樣,第二艦隊的航行時間比完全光速航行整整多出了兩年。(《三體3》p147)

能想到的解釋只有一個:這是為了避免四百一十五艘飛船進入光速時對兩個世界產生影響。……一個顯而易見的事實:曲率驅動飛船在進人光速的加速段會留下航跡。三體第二艦隊用了一年時間進行常規航行,在距母星系遠達六千個天文單位時才啟動曲率引擎進人光速,是為了避免因曲率驅動航跡暴露母星文明。第二艦隊在距太陽系六千個天文單位的遠方就匆匆脫離光速也是這個原因。(《三體3》p335)

時空扭曲會使光線「彎曲」,透過曲率驅動航跡觀察後方天體,會產生哈哈鏡一樣的扭曲效果。這種扭曲將暴露曲率驅動飛船的航跡。

更可怕的是:

「在曲率驅動的航跡上,空間的結構也被改變了,如果把同樣的第二艘曲率驅動飛船放在第一艘飛船的航跡範圍裡,它將寸步難行。」(《三體3》450頁)

這將使宇宙的空間結構變得支離破碎,大大限制了曲率驅動的大規模應用。

除了會在科幻小說的時空中留下雪泥鴻爪外,現實世界的科學家也發現這種曲率驅動技術存在著不易克服的內在矛盾。

2002年,有研究表明,對於進入曲率飛行狀態的飛船而言,無法向「曲速泡」的前方發送信號,這就意味著太空人將無法操控飛船。

這還不是最糟糕的。更新的研究顯示,曲率驅動飛船很可能無法安全脫離超光速狀態。

2012年初,雪梨大學物理學院的幾位教授對阿庫別瑞曲率驅動發動機進行計算機模擬時發現,扭曲時空是有風險的。在超光速飛行時,與「曲速泡」所含能量相反的粒子將在泡前方堆積,有些粒子甚至會進入到曲速泡中,形成累積效應,曲速泡飛行的距離越長,前方堆積的粒子就會越多。

當飛船最終到達目的地開始減速時,一路上積累的大量能量會在瞬間全部釋放,足以毀滅任何與其接觸的物體。

一直隱藏在曲速泡中的粒子也會對飛船本身造成威脅。比如,飛船在路過塵埃雲時意外脫離了曲速泡,災難性的碰撞就會發生;如果飛船在距離目標行星過近的地方減速,意外釋放的能量會在瞬間把這顆行星從星圖上抹去。

儘管如此,能夠達到甚至超越光速的曲率驅動堪稱航天推進皇冠上的寶石,足以誘惑一切有實力的技術文明去探索,何況,它還是主動逃脫「黑暗森林「打擊的最有效方式。

其實,星際飛船的速度越高,生存概率越高。《三體3》中有記載為證:亞光速的三體第一艦隊最終「建立了殖民地,就在距這裡一百光年的範圍內」。

還有:「金牛座附近爆發了一場大規模戰役,很慘烈,殘骸形成了一片新的塵埃雲。我們可以肯定其中的一方就是三體第二艦隊,不知道另一方是誰,戰役的結果也不清楚。」

從這隻言片語的描述可知,配備巴薩德衝壓發動機的三體第一艦隊儘管在塵埃雲中損失慘重,但總算找到了生息之所;掌握曲率驅動技術的三體第二艦隊雖然航跡暴露,至少也獲得了面對敵人拼死一搏的機會。若如小說中的地球人一樣,固步自封、壓制技術發展,只能連逃生的機會都葬送掉。

至此,《三體》三部曲裡陸續登場的關鍵航天技術已基本「考證「完畢。地球人與三體人從分子間作用(化學火箭)起步,進入原子核(核火箭)以及核子範疇(巴薩德衝壓火箭),最終達到物理學的基本層面——對時空本性的利用(曲率驅動)。隨著他們對物理原理的利用越來越高超,太空飛行器的速度也越來越高,直至超越光速。

從現實向科幻一路走來,涉及的科技原理愈發天馬行空,有些在工程上或許永無實現的可能,但窮盡科技的種種可能性,探討人在其中的命運,恰是以《三體》為代表的科幻作品魅力之所在。

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