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超空間驅(qū)動(dòng)器為什么至今造不出來?

科學(xué)無國(guó)界

我們是知識(shí)的搬運(yùn)工


福利時(shí)間

今天我們將送出三本由圖靈新知提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍黑洞與暗能量--宇宙的命運(yùn)交響

本書圍繞黑洞與暗能量?jī)纱笾黝},詳細(xì)闡述了恒星、黑洞等宇宙天體誕生、演變與隕滅的精彩歷程,揭示了黑洞與暗能量的真實(shí)面貌,在圍繞人類揭秘宇宙的恢弘人文與歷史背景中,講述探索宇宙的物理與天文知識(shí)。

如何才能得到這本《黑洞與暗能量--宇宙的命運(yùn)交響》呢?參與的方式非常簡(jiǎn)單!只要你認(rèn)真閱讀下面的這篇文章,思考文末提出的問題,嚴(yán)格按照[互動(dòng):你的答案]的格式在評(píng)論區(qū)留言,就有機(jī)會(huì)獲得獎(jiǎng)品?。≒S:格式不符合要求者無效)截止到本周四中午12點(diǎn),點(diǎn)贊數(shù)前三名的朋友將獲得一本《黑洞與暗能量--宇宙的命運(yùn)交響》。


【互動(dòng)問答示例】

互動(dòng):這里就可以自由發(fā)揮你的答案啦~


作者:Elizabeth Howell 

翻譯:螳吉呵呵

審校:yangfz


Han Solo 在《星球大戰(zhàn)中》利用超空間驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行光速旅行。我們?yōu)槭裁床荒茉煲粋€(gè)出來?  來源:盧卡斯電影


如果你是科幻迷,那么你一定知道星球大戰(zhàn),你也一定知道超空間驅(qū)動(dòng)器(Hyperdrive)。超空間驅(qū)動(dòng)器是“星戰(zhàn)宇宙”中的常見驅(qū)動(dòng)裝置,早在1977年的第一部星戰(zhàn)電影中,Han Solo 就和他的同伴駕駛靠超空間驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的千年隼號(hào)進(jìn)行超光速星際旅行。


那么,超空間驅(qū)動(dòng)器是否真的能被制造出來呢?你可以比光跑地更快嗎?和物理中的其他事情一樣,這個(gè)答案也相當(dāng)復(fù)雜。也許我們只能回答,是什么什么樣的技術(shù)障礙在阻止我們超越光速?


速度限制


彎曲時(shí)空。來源:SPACE.com


超空間驅(qū)動(dòng)器遇到的第一個(gè)障礙就是,所有具有質(zhì)量的物體都不能超越光速。這是愛因斯坦的狹義相對(duì)論里的基本原理。簡(jiǎn)而言之,當(dāng)飛船達(dá)到光速時(shí),它的質(zhì)量就會(huì)達(dá)到無窮大。也就是說你需要無窮多的能量去推動(dòng)它,這比炸掉奧德蘭所需要的能量還要多得多。所以,想要達(dá)到光速是不可能的事。


但是,愛因斯坦的公式并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(shí)間的時(shí)空中??臻g球本身的膨脹速度是可以超光速的。例如,宇宙大爆炸發(fā)生之后的很短時(shí)間內(nèi),時(shí)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(shí)現(xiàn)超光速飛行。曲速引擎的概念還存在很多的問題,所以現(xiàn)階段它只是一個(gè)數(shù)學(xué)上的概念。理論上講,曲速引擎會(huì)引起飛船前方時(shí)空收縮而后方時(shí)空膨脹。單獨(dú)考察空間,物理學(xué)家Eric Davis和Gerald Cleaver分別單獨(dú)地把這個(gè)現(xiàn)象和沖浪做了對(duì)比??梢韵胂鬀_浪板就是飛船,運(yùn)動(dòng)員就是駕駛員。運(yùn)動(dòng)員在浪頭前進(jìn)時(shí)仍然站在沖浪板上,相同的飛船在時(shí)空隧道里時(shí)仍然處在時(shí)空之中。

 

曲速引擎的限制


運(yùn)行中的曲速引擎。  圖片來源:wiki


在我們利用千年隼號(hào)躲開Kylo Ren之前,還有很多問題需要物理學(xué)家解決。


Cleaver、Richard Obousy和Jeff Lee已經(jīng)考察了部分問題。首要的問題是如何將千年隼號(hào)啟動(dòng)。“僅僅是啟動(dòng)階段所需要的能量就相當(dāng)于整個(gè)木星的質(zhì)量所轉(zhuǎn)化的能量?!?Cleaver在采訪中說。


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


“從運(yùn)動(dòng)方向上傳來的星光會(huì)劇烈的藍(lán)移”Davis 接受采訪時(shí)說,這就是說飛船的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)壓縮光子并提高光子的頻率。“它們會(huì)變成超強(qiáng)輻射并殺死飛船上所有人”。同時(shí),飛船會(huì)因?yàn)闀r(shí)空帶來的問題停止運(yùn)轉(zhuǎn)。


“由于能量會(huì)轉(zhuǎn)化給藍(lán)移的光子,飛船的能量會(huì)持續(xù)地流失。”Cleaver說。“飛船上必須有一個(gè)巨大的能量源來補(bǔ)充流失的能量?!痹谶@個(gè)模型中,你需要持續(xù)提供大量的能量,大到Cleaver認(rèn)為不可能通過技術(shù)手段制造出來。


新的希望


普朗克衛(wèi)星拍攝的微波背景輻射全天圖


Davis最近在訪問Baylor時(shí)做了關(guān)于處理曲速引擎的變動(dòng)問題的報(bào)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(guān)于超光速曲速引擎飛船上有害物和輻射問題”的文章。


Hart結(jié)合了自己團(tuán)隊(duì)和其他物理學(xué)家的工作,指出了關(guān)于曲速引擎的其他問題。其中有一個(gè)對(duì)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(gè)問題對(duì)于千年隼號(hào)同樣存在。


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


不過,根據(jù)Hart和他的合作者的理論,我們可以通過調(diào)節(jié)方程式來避開部分麻煩。物理學(xué)家Chris Van Den Broeck提出了一個(gè)改進(jìn)曲速引擎的方案。在一次采訪中,Davis說這個(gè)理論的數(shù)學(xué)對(duì)于非數(shù)學(xué)工作者來說太過于復(fù)雜。但實(shí)際上,Chris Van Den Broeck通過給數(shù)學(xué)方程乘上一個(gè)時(shí)空度量給出了改進(jìn)方案。結(jié)果它降低了曲速引擎工作所需的能量。(從整個(gè)銀河系的能量減小到整個(gè)太陽的能量,雖然能量依然很大,但是已經(jīng)是一個(gè)了不起的進(jìn)步)。


Hart 組根據(jù)Davis的工作做了更多的數(shù)學(xué)方面的工作并提出被用多層保護(hù)罩包圍曲速引擎的改進(jìn)方案。換句話說,飛船上的駕駛員被層層盾牌保護(hù)起來。


“內(nèi)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(xiǎn)的輻射,飛船不能和外界聯(lián)系的問題也解決了”他說?!斑@也大大減少了制造曲速引擎的能量”。即便如此,仍有大量問題需要進(jìn)一步研究。


四維引擎和射頻共振空腔推進(jìn)器


星際穿越穿過蟲洞。來源:星際穿越電影

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