从物理角度看星际迷航:人类如何实现星际飞行

2009年06月1日  |  12:08分类:关于未来  |  标签:  |  1,634 次浏览

一位宇宙艺术家笔下的超光速飞行时的瑰丽景观

霍金坐在轮椅上指出,理论的革新可能使太空旅行的速度获得革命性进展,继而使开拓外星殖民地成为可能。“科学幻想可在一瞬间使你到达目的地,”霍金说,“不幸的是,这将违背科学法则。科学法则说,任何事物的速度都不能超过光速。”

1905年,爱因斯坦发表了《论动体电动力学》一文。这极大地激发了科幻想象,但也制造了一个无情的梦魇———任何物体相对运动速度不可超越光速。不过,超光速旅行依然是人类对宇宙畅游最美的一个梦。科幻片《星际迷航》已经率先超越爱因斯坦。

1、翘曲飞行:瞬间到达目的地

为了实现超空间旅行,五花八门的幻想特技在《星际迷航》中轮番上阵———翘曲飞行(Warp Drive)、虫洞、三维传输器、全息幻觉甲板等等。

对观众来说,翘曲飞行是一种炫技;但对“企业号”来说,这是它的基本技能。为了故事情节的需要,主角必须在光年量级的银河系中,迅速地从地球到达另一星球。

企业号的翘曲飞行,是将普通空间中距离甚远的出发地和目的地,在高维空间上重叠在一起,从而来实现超光速旅行。在上海交通大学教授江晓原和他的一名博士生穆蕴秋合作的论文中,他们指出在《星际迷航》的专门技术手册中甚至能看到制作者为“企业号”翘曲飞行编写的基本公式。随着电视新系列的推出,企业号的升级换代,这个公式还被不断加入新的参数来进行修正和完善,尽管它从未直接在电视画面中出现过。

科普作家张旭表示,从柏拉图到牛顿再到爱因斯坦,虽然物理学概念理论已经天翻地覆,“但支撑物理学的因果律岿然不动”。比如,炮弹要先打出炮膛才能击中敌人,不可能炮弹先击中敌人再打出炮膛,相对论不允许超光速,“因为超光速破坏因果律,物理的逻辑性就消失了。”

《星际迷航》聪明地使用了翘曲飞行,既不破坏因果律,又实现了超光速。表面上,它是在很短时间里到达光速都到达不了的地方,实际上飞船在负能量密度的奇异物的支持下,改变空间物理结构、建立捷径缩短空间距离,让太空船在时间上“打败光速”航行。

尽管,《星际迷航》的翘曲飞行是个幻想,却依然在点燃科学家的热情。近日,贝勒大学物理学副教授克利文(Gerald Cleaver)及其博士后研究员奥伯塞(Richard Obousy),制定了一项雄心勃勃的计划,试图让《星际迷航》中展现的翘曲飞行向现实迈进一步,当然他们成功的可能性依然微乎其微。

2、虫洞:在宇宙中“穿越”

一个虫洞的模型。如果要从宇宙中的A地飞行到B地,传统飞行路线较长,而利用虫洞则可以快速抵达

美国理论物理学家索恩(Kip Thorn)提出的著名“虫洞”理论和翘曲飞行有异曲同工之妙。

“虫洞”的性质很早就被讨论过了。江晓原与穆蕴秋指出,1916年,爱因斯坦广义相对论发表后的几个月,史瓦西在爱因斯坦引力场方程里发现了一个解———著名的史瓦西解。1935年,爱因斯坦和其学术助手罗森在一篇论文中,把连接宇宙中两个遥远区域之间的假想通道称为“桥”———后来这被称为“爱因斯坦-罗森桥”,也就是“虫洞”。

科普作家张旭举例说,假设我们生活的普通宇宙是一个苹果,人类是生活在宇宙表面的虫子。他们只有能力在表面爬来爬去,如果有一天他们认识到他们说明的果面是曲面,并且具备了咬穿果面的能力,虫子在苹果里“咬”了一个洞。那么,从一地到另一地的距离就也要比果面距离短很多。我们的宇宙未必就是平直的、朴素的,有可能存在更高维的空间。地球距离织女星是26.5光年,但若通过一条虫洞连接它们的话,也许就才1千米。

不过,以虫洞来进行超光速旅行所面临的问题,那就是怎样保证虫洞的开放时间。索恩的最终设想是以具有“负能量密度”的奇异物作为保持虫洞持续开放的物质条件,由此虫洞将被改造成违背因果律的时间机器用于星际航行。“此外,用两个黑洞来作为虫洞也成为一种假设被提出。”中国科学院理论物理研究所研究员李淼指出。

3、光波传送:回到过去,飞往未来

《星际迷航11》中,年少不羁的寇克被分解成“量子”,被放逐到雪地里,遇到怪物袭击,意外地见到了老年史巴克。

寇克的这一奇遇之旅是“企业号”的“光波传送系统”实现的。这一高科技传送装置也是一时间机器,能让企业号的成员到达任何地方。这一装置是虚构的。可为了实现时间旅行,众多的时间机器被设计出来。而其相关理论都源自这样一个观念:和构成空间的三个维度一样,时间也是一个可变的维度。

1905年之前,物理学家们认为,时间如同一支射向未来的箭,射出了就不会转向。而要想让时间倒转,就需要超光速。然而,光速是一个无法逾越的极限。李淼指出,无论是经典力学还是量子力学,光速都是无法超越的。然而也有特殊情况,那就是在量子力学范畴中的纠缠态。量子物理学认为,一对相互作用的微观粒子可能有着某种特定的联系。对其中一个粒子作用,可能同时对另外一个同时产生影响,即使两者已经相距很远。很显然,这种同时作用超越了光速。

与此同时,科学界无数的假说在破解着超光速的难题,从而为时间机器的超光速之旅找到依据。1937年,荷兰物理学家J. van Stockum从爱因斯坦场方程中得到一个解,指出有一根快速旋转而又无限长的柱体重力场。这样一个场将会违反因果律,它允许出现连接两个时空的闭合类时间曲线。1949年,奥地利数学家哥德尔(Kurt Godel)发现一个爱因斯坦场方程的解,描述了一个旋转但既不膨胀也不收缩的全宇宙。从理论上而言,它允许时间旅行。当然,我们观测到的宇宙正在膨胀,但并没有呈现出转动。李淼指出,尽管现在出现了一些对爱因斯坦场方程的解,但目前对于时间机器的假说中大都是关于这种闭合的类时曲线。

■ 外传:现实版《星际迷航》

科学与科幻总是在双向推进。出现在科幻影片中的一些高科技正逐渐变成我们的现实。下面就是《星际迷航》给我们带来的几项具有现实意义的技术。

●军用激光枪

“单兵便携式非致命激光步枪”是由美国空军研究实验室定向能总部研制成功的。它采用一种带有两个不同波长的激光系统可使敌人暂时失明。它与《星际迷航》中的光炮来福枪颇为相似。

●透明铝盔甲

透明铝盔甲(铝氧氮化物,ALON)已被美国军方作为一种轻型、高强度材料进行测试。ALON是一种类陶瓷材料,具有非常高的耐压强度和耐久性,比传统玻璃钢材料的性能更出色。《星际迷航》中的透明铝材料与ALON有着相似之处。

●宇宙银河间准货币

《星际迷航》中宇航员他们需要用钱来购买货物和享受各种服务。宇航员在未来真实太空生活中将用到“宇宙银河间准货币”(QUID),这是科学家专门给未来星际游客使用的太空货币。据称,1 QUID可兑换6.25英镑。

●语言翻译器

《星际迷航》中“企业”号成员经常会接触星系中其他智能生命,当遇到不同星球的语言时,他们会使用“宇宙翻译器”将外星语言翻译过来。在现实中,美军在伊拉克使用的Phraselator翻译器也能够进行语言翻译。

新知专题采写/本报记者 李健亚

本专题感谢:

李淼(中国科学院理论物理研究所研究员) 江晓原(上海交通大学科学史系主任)

穆蕴秋(上海交通大学科学史系博士生) 张旭(科普作家) 瘦驼(科普作家)

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1条评论 关于 “从物理角度看星际迷航:人类如何实现星际飞行”

  1. 仓天通牒 发表于: 二月 23rd, 2010 18:10

    其实人是能从一个星球转瞬间到达另一个星球,这不是一个常规思维所能解释,


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