超光速飛行,離我們還遠嗎?

2020-12-04 小狸2233

超光速(faster-than-light, FTL或稱superluminality),即大於光在真空中傳播的速度(299792458m/s)。會成為一個討論題目,源自於相對論中於局域物體不可超過真空中光速c的推論限制,光速(真空中大約為3億米/秒,光速定義值c=299792458m/s=299792.458km/s)成為許多場合下速率的上限值。

狹義相對論認為,任何物質速度如要超過光速,則其質量會無窮大,需要的能量也無窮大。

(按照狹義相對論,靜質量為正實數的通常物質其運動速度一定小於光速c,這類物質稱為亞光速物質(或亞光速粒子),它們的全體稱為亞光速世界。狹義相對論也允許超光速世界的存在,其中所有物質的速度都超過光速c,這類物質(或粒子)稱為快子,其靜質量是虛數(其平方小於零)。物理學家曾經設計過許多實驗,但都沒有發現快子的蹤跡。如果在亞光速世界裡能夠出現快子,就會有違反因果律的現象發生:考慮在某一給定慣性系中的第一點發生了第一個物理事件,同時有一個超光速信號把這個信息傳送到第二點而觸發了第二個事件,我們說這兩個事件具有因果聯繫且滿足因果律:「原因」(第一個事件)在「結果」(第二個事件)之前發生。但按照洛倫茲變換,總能找到另外一些慣性系,在這些慣性系中「結果」(第二個事件)是在「原因」(第一個事件)之前出現的。因此,在狹義相對論中因果律排除了超光速信號的存在。)

故狹義相對論中否定了超光速的可能性,但在廣義相對論裡,空間的運動速度並不受光速限制。

所以星際迷航中的曲速,與三體中的曲率,它們的飛行原理都相近,都是拉伸飛行器後方的空間,壓縮飛行器前方的空間。但是三體的曲率還是趨於狹義相對論,只能無限接近光速。而曲速就直接超越光速。

那曲速或者曲率飛行需要什麼條件去實現呢?

曲速旅行(warp travel)是一種通過在壓縮時空中航行的技術,其原理就是在運動物體周圍利用反物質驅動的曲速引擎製造一個人工的曲力場(warp field),從而使物體能在這個扭曲的時空泡(warp bubble)中以若干倍於光速的速度移動。曲速(warp)就是衡量在這個時空泡裡運動的物體的速度。

根據時空扭曲(或者說壓縮)的程度,曲速分為0-10。其中曲速10在理論上是達不到的,因為以曲速10運動的物體就意味著在任何時間在任何地點都出現,而即便在科幻作品中也還沒有發明一種能達到曲速10的曲速引擎(warp drive)。而曲速2已經超過光速了,曲速9的飛船能在26秒內飛躍一個太陽系的距離。《星際迷航:航海家號》系列中星聯最快的星艦能達到曲速9.99.。

那麼反物質又是什麼呢?

顧名思義反物質是正常物質的反狀態,是由反粒子構成的物質。當正反物質相遇時,雙方就會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大能量。

正電子、負質子都是反粒子,它們跟通常所說的電子、質子相比較,電量相等但電性相反。科學家設想在宇宙中可能存在完全由反粒子構成的物質,也就是反物質。電子和反電子的質量相同,但有相反的電荷。

質子與反質子也是這樣。粒子與反粒子不僅電荷相反,其他一切可以相反的性質也都相反。

那麼能夠人工製造反物質嗎?答案是能。

1995年歐洲核子研究中心的科學家在實驗室中製造出了世界上第一批反物質——反氫原子。1996年,美國的費米國立加速器實驗室成功製造出7個反氫原子。

1997年4月,美國天文學家宣布他們利用伽馬射線探測衛星發現,在銀河系上方約3500光年處有一個不斷噴射反物質的反物質源,它噴射出的反物質形成了一個高達2940光年的「反物質噴泉」。由於我國參與了這項研究,因此新聞媒體曾熱心地宣傳過它。美國著名華裔科學家丁肇中也正致力於此。

1998年6月2日,美國發現號太空梭攜帶阿爾法磁譜儀發射升空。阿爾法磁譜儀是專門設計用來尋找宇宙中的反物質的儀器。然而這次飛行並沒有發現反物質,但採集了大量富有價值的數據。

2000年9月18日,歐洲核子研究中心宣布他們已經成功製造出約5萬個低能狀態的反氫原子,這是人類首次在實驗室條件下製造出大批量的反物質。

但需要大批量製作反物質,顯然我們的科技水平還沒有到達這個地步。但明顯,少量的製造反物質已經為我們在曲速引擎的研究上奠定了一定基礎。

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