探究超光速——真的存在超光速吗?

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光速在宇宙中似乎是一个可望不可及的速度,真的存在超光速吗?今天为光学人们详解一种“超光速”的现象。

超光速即大于光在真空中传播的速度299792458m/s的速度。之所以会成为一个讨论题目,是因为相对论中于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制,光速(真空中大约为3亿米/秒,光速定义值c=299792458m/s=299792.458km/s)成为许多场合下速率的上限值。

在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。除非世上存在自旋超过5的粒子,不然是不可能达到的。

什么是曲速引擎

曲速引擎是一种超光速(faster-than-light, FTL)推进系统,和跳跃引擎、超光速引擎、星际传送器等设备都是科幻作品中相似但理论不同的常见技术。曲速引擎以在影片《星际旅行》系列电影中最为常见。和其他科幻作品不同,曲速引擎的理论在设定上并不允许在两点间进行瞬时旅行。

曲速技术设想通过在宇宙飞船周围出了一种正常时空的人工“气泡”,使得飞船可以安全的以快于光速的几个数量级的速度航行,同时又回避了时间膨胀的相对论性的问题。

运用空间翘曲作为引擎来推进已成为一些物理学家所研究,例如米给尔·阿库别瑞的阿库别瑞引擎。目前尚未有坚实的技术方法被提出,也不知道阿库别瑞所提的效应理论上要怎么引发。

历史

20世纪50年代,德国物理学家海姆开始探索“超时空动力”的概念,他提出:“曲速航行”就是利用时空扭曲和时空跳跃实现超光速飞行。他认为强力磁场就可以制造引力场,以高速推动宇宙飞船。如果磁场足够强大,宇宙飞船就可以进入一个比我们所在的时空更高的二度次空间,以超光速航行。当磁场一消失,宇宙飞船就会重返现在的时空。

海姆用“二度次空间”学说补充爱因斯坦四维时空说,因此,宇宙就变成了六维时空。在海姆看来,万有引力和电磁力可以互相转化,因此旋转磁场将削弱地球引力,从而使得飞船能够离开地面。

1957年当海姆公开发表理论。但当时很多物理学家都表示难以接受,因为他们认为在当时的物质技术条件下,很难制造出那么巨大的磁场。直到2001年海姆辞世,他的理论也随之消声灭迹。

2005年德国萨尔茨吉特应用科学大学的物理学家豪泽与同事德勒舍尔共同撰写了一篇,以海姆理论为基础的实验论文,探究“超时空发动机”制作的可行性。意想不到的是:突然被美国航空航天学会授予2005年度“核能和未来航空”项目大奖。与此同时美国空军对能够超越光速的“超时空发动机”表现出了极大兴趣,并派代表与豪泽见了面。见面时豪泽强调计划还处于相当初步阶段,若证明理论可行,5年后便可建造测试模型飞船。

因此,美国航空航天学会颁发的这个论文大奖在全球物理学界引起了不小的震动,这一举动一定程度上认可了海姆理论的部分学说。接着美国能源部圣迪亚国家实验室的太空动力研究员罗格·雷纳德公开宣布:他们目前拥有一部X光发生器——Z机器——可以提供实验所需要的磁场。他说:“即使实验证明结论是错误的,在我看来,这也是个成功的实验。”

2014年6月,美国太空总署(NASA)机械工程师、物理学家怀特(Harold White)正在研究开发可作星际旅行的宇宙飞船“IXS企业号”。他近日和3D艺术家拉德梅克合作,制作出宇宙飞船的概念图,一旦飞船面世,只需两周便可到达距离太阳4光年远的地方。

2015年5月,美国宇航局的科学家已经开展了对曲速引擎的研究工作,并对这种科幻级的动力系统进行了测试。这一消息公布后引发了多方关注,支持者认为曲速引擎的研发能够让我们不带笨重的燃料前往宇宙深处,甚至能够比光速运行得还快。这听起来似乎非常棒,这个的工作室位于美国宇航局约翰逊航天中心Eagleworks实验室,首席科学家为Harold White博士,他们已经通过一套被称为EM drive的动力装置获得了推力。而这个装置的原理,并非一般意义上靠扭曲时空行进的“曲速引擎”。

EM drive的工作原理实际上是通过电磁波在一个圆锥形金属封闭空间内产生的一部分能量,外界认为这个想法存在原则问题,即违反了物理学上的动量守恒。这就像你坐着汽车驾驶座上推动仪表盘,汽车就会前进。科学家认为Eagleworks实验室的方案仍然有待解决。在此前的测试中,物理学家没有在真空环境中运行这套系统,而且实验设置可能还存在问题。而更大的问题是,该实验背后的数学和物理原理目前还不完善,甚至可能并不存在。

特点

航行速度

曲速航行的速率通常以曲速层级(warp factor)代之。一般认为曲速1级是真空光速(c);更高的层级下,速率呈指数增加。原始电视系列剧的数个剧集曾设定了企业号冒著危险以高曲速层级航行,一度高到曲速14.6级("That Which Survives")。然而,任一曲速层级的实际速度从未在萤幕上显明地被陈述,以作为经典纪录。更甚者,各电视系列剧中航行时间与星际距离在陈述上,从未严格地保持一贯性(甚至是相当松散的)。

在了解这是个问题后,《星际迷航:下一代技术手册》的创造者决定曲速10级应作为最大值。后台的星际奇旅术语建议将曲速尺标重新调整,将旧曲速6级变为新曲速5级,而曲速10级为无限大速度而无法达到。制作人指示船只可以任意接近曲速10级,但就是无法到达刚好曲速10级。如此则贵族与旅人等生命体则能以相当快的速度航行,又可以回避限制。

举例而言,据估计,旅人将企业号推进到曲速9.999996级的速度。而第四代电视系列剧《重返地球》中的剧集"Threshold"附议了这项设定,其中角色提到曲速10级的速度是不可能达到的,因为那是无限大的速度——但不管如何,随后他们却达到了,伴随了快速地(反向)演化成两栖类的蝾螈的副作用。(虽然是许多影迷、制作人员,甚至该集的编剧与制作人Brannon Braga都普遍忽略的事件。)

时间展长

以曲速航行的船舰不会感受到任何形式的时间展长;毕竟总体来说,曲速船舰与宇宙间没有资讯交换。若船舰是采用脉冲引擎,速度则为次光速(亚光速),会感受到时间展长,因为脉冲引擎驱动的船只,仍处在正常时空连续体中。也因为这样,多数船只会将冲量速度限制在大约四分之一光速。

超曲速

超曲速(transwarp)被多次使用,指的是曲速引擎的高阶形式,常为博格人所使用;但也是一项不成功的星际舰队开发计划的课题,出现在电影《石破天惊》中。如同欲进入曲速而不会用上无限多的能量,是要在星舰的周遭产生曲速场来突破光速障(在我们的宇宙中是个理论上不可能的事件);相似地,也需要超曲速场来达到非常高的超光速速率(使得船舰能在很短时间内横越银河等级的距离。)

来源:贤集网    时间:2018-06-29

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