超空間驅動器為什麼至今造不出來?

2021-01-15 中國物理學會期刊網

作者：Elizabeth Howell 

翻譯：螳吉呵呵

審校：yangfz


Han Solo 在《星球大戰中》利用超空間驅動器進行光速旅行。我們為什麼不能造一個出來？  來源：盧卡斯電影


如果你是科幻迷，那麼你一定知道星球大戰，你也一定知道超空間驅動器（Hyperdrive）。超空間驅動器是「星戰宇宙」中的常見驅動裝置，早在1977年的第一部星戰電影中，Han Solo 就和他的同伴駕駛靠超空間驅動器驅動的千年隼號進行超光速星際旅行。


那麼，超空間驅動器是否真的能被製造出來呢？你可以比光跑地更快嗎？和物理中的其他事情一樣，這個答案也相當複雜。也許我們只能回答，是什麼什麼樣的技術障礙在阻止我們超越光速？





彎曲時空。來源：SPACE.com


超空間驅動器遇到的第一個障礙就是，所有具有質量的物體都不能超越光速。這是愛因斯坦的狹義相對論裡的基本原理。簡而言之，當飛船達到光速時，它的質量就會達到無窮大。也就是說你需要無窮多的能量去推動它，這比炸掉奧德蘭所需要的能量還要多得多。所以，想要達到光速是不可能的事。


但是，愛因斯坦的公式並沒有禁止你通過彎曲空間來超越光速。你可能知道，我們生活在三維空間加一維時間的時空中。空間球本身的膨脹速度是可以超光速的。例如，宇宙大爆炸發生之後的很短時間內，時空本身的膨脹速度是超過光速的。


曲速引擎可以利用彎曲空間來實現超光速飛行。曲速引擎的概念還存在很多的問題，所以現階段它只是一個數學上的概念。理論上講，曲速引擎會引起飛船前方時空收縮而後方時空膨脹。單獨考察空間，物理學家Eric Davis和Gerald Cleaver分別單獨地把這個現象和衝浪做了對比。可以想像衝浪板就是飛船，運動員就是駕駛員。運動員在浪頭前進時仍然站在衝浪板上，相同的飛船在時空隧道裡時仍然處在時空之中。

 




運行中的曲速引擎。  圖片來源：wiki


在我們利用千年隼號躲開Kylo Ren之前，還有很多問題需要物理學家解決。


Cleaver、Richard Obousy和Jeff Lee已經考察了部分問題。首要的問題是如何將千年隼號啟動。「僅僅是啟動階段所需要的能量就相當於整個木星的質量所轉化的能量。」 Cleaver在採訪中說。


不過，可以假設我們可以完成千年隼號的啟動。接下來的問題就是保證飛行過程中能量的流動。當曲速引擎達到光速時，宇宙微波背景中的光子就會被飛船吸收。這對飛船本身和船員來說都是不利的。


「從運動方向上傳來的星光會劇烈的藍移」Davis 接受採訪時說，這就是說飛船的高速運動會壓縮光子並提高光子的頻率。「它們會變成超強輻射並殺死飛船上所有人」。同時，飛船會因為時空帶來的問題停止運轉。


「由於能量會轉化給藍移的光子，飛船的能量會持續地流失。」Cleaver說。「飛船上必須有一個巨大的能量源來補充流失的能量。」在這個模型中，你需要持續提供大量的能量，大到Cleaver認為不可能通過技術手段製造出來。





普朗克衛星拍攝的微波背景輻射全天圖


Davis最近在訪問Baylor時做了關於處理曲速引擎的變動問題的報告。他提到了他最近閱讀的C.B. Hart等人2002年掛在Arxiv上名為「關於超光速曲速引擎飛船上有害物和輻射問題」的文章。


Hart結合了自己團隊和其他物理學家的工作，指出了關於曲速引擎的其他問題。其中有一個對飛船來說致命的問題——以接近光速撞擊小行星或者其他物體。這個問題對於千年隼號同樣存在。


另外，曲速引擎附近的輻射使得你不可能向保護罩外的任何人傳遞信息。更糟糕的是，這種環境下，你甚至不能通過控制時空去你想要去的地方。


不過，根據Hart和他的合作者的理論，我們可以通過調節方程式來避開部分麻煩。物理學家Chris Van Den Broeck提出了一個改進曲速引擎的方案。在一次採訪中，Davis說這個理論的數學對於非數學工作者來說太過於複雜。但實際上，Chris Van Den Broeck通過給數學方程乘上一個時空度量給出了改進方案。結果它降低了曲速引擎工作所需的能量。（從整個銀河系的能量減小到整個太陽的能量，雖然能量依然很大，但是已經是一個了不起的進步）。
Hart 組根據Davis的工作做了更多的數學方面的工作並提出被用多層保護罩包圍曲速引擎的改進方案。換句話說，飛船上的駕駛員被層層盾牌保護起來。


「內部曲形罩的作用可以解決外部曲形罩帶來的問題。這樣就不再有危險的輻射，飛船不能和外界聯繫的問題也解決了」他說。「這也大大減少了製造曲速引擎的能量」。即便如此，仍有大量問題需要進一步研究。





星際穿越穿過蟲洞。來源：星際穿越電影


如果曲速引擎的方案不能實現，至少還有兩個方案讓你可以駕駛千年隼號進行高速空間旅行。


第一個是蟲洞，蟲洞理論上連接了空間中不同的兩個點。一個關於蟲洞如何工作的經典例子出現在Madeleine L'Engle的書《A Wrinkel in Time》中，這個例子將會在2018年被拍入電影。


在這本書中，小女孩Meg學到了一個叫「tesseract」的概念，書中也稱為「時間的褶皺」。Meg被要求在一張紙上畫一幅螞蟻行軍圖。這張紙代表時間。你可以通過摺疊紙張來縮短螞蟻走過的距離，在實際情況中你可以通過彎折時空縮短兩點之間的距離。


「如果有人可以彎折時空，我們很難想像這會是什麼樣子。因為我們生活在三維世界中，這就造成我們很難想像四維世界的情形，」Patrick Johnson說。


問題在於，蟲洞彎曲時空需要大量的能量。在電影「星際穿越」中，飛船進入了土星附近的蟲洞進行時空旅行。「如果蟲洞距離土星像電影中那麼近，土星會被整個撕碎，」Johnson說，他補充道，這個過程中需要的能量大到無法想像。

    

NASA建造的射頻共振空腔推進器原型機


另一個選擇是射頻共振空腔推進器，這是被NASA和其他航天機構仔細考慮過的高速飛行的概念。它的原理是在椎體內發射微波，微波在密閉空間內反覆地反彈，進而產生的輻射壓推動椎體前進。很多科研人員說，這個方案違背了物理定律，儘管射頻共振空腔推進器已經被不同的研究組驗證過。但NASA的相關研究人員目前仍不願接受相關採訪。


無論超空間驅動器能否真正實現，它的確可以為科幻小說帶來很多素材。星戰並不是唯一想要實現超光速飛行的小說。與曲速引擎類似的裝置大量出現在《太空堡壘》《星際迷航》和《神秘博士》等作品中。


原文連結：https://www.space.com/39113-star-wars-hyperdrive-light-speed-tech.html

編輯：yangfz


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