科學家提出曲率推進新解釋廣義相對論仍然說得通
早在1994年,物理學家米格爾·阿爾庫比爾(Miguel Alcubierre)提出了一項比光速旅行更快的曲率推進(Warp Drive)理論。這個有趣的想法——通過扭曲現實的結構,以繞過宇宙極限速度的約束——甚至吸引了NASA在Eagleworks實驗室開展相關研究。但Alcubierre的設想,似乎也包含了無法解決的問題。
最近,美國物理學家阿列克謝·鮑勃里克(Alexey Bobrick)和詹安·馬蒂爾(Gianni Martire)在一篇新發表的文章中提出了相關問題的解決方案,並且引發了廣泛關注。
雖然距離技術實現還有很長一段路要走,但至少還存在著一絲希望。根據愛因斯坦的廣義相對論,時空(現實的本質)也會隨著物質和能量的存在而發生扭曲,反過來又解釋了物質和能量是如何運動的。
但廣義相對論對星際旅行也提出了兩個限制:首先,約30 萬公里/秒的光速無法被超越。即便以光速前進,抵達最近的比鄰星也需要4 年的時間。
其次,相對於陸地上的時間,接近於光速的太空飛船上的時鐘會變慢(又稱時間膨脹)。假設加速度處於恆定狀態,那或許可在一個人的生命週期內抵達150 光年外的一顆遙遠恆星,但返回地球將超過300 年。
不過Miguel Alcubierre 認為,廣義相對論應該還是允許出現扭曲的時空氣泡(Warp Bubbles)的。意味著我們或許可以扭曲氣泡之前的時空,並氣泡擴展到後方。
如此一來,氣泡內部“平坦區域”(物質和能量呈現獨特的排列性質),就能夠讓飛船以快於光子的速度移動。
為解釋這一語境中’平坦’的含義,可將時空看做一塊橡皮墊,墊子會在存在物質和能量的情況下彎曲(想像在墊子上放了個保齡球)。
所謂的重力(引力),意味著物體滑入由恆星和行星等天體產生的凹痕中的趨勢。而平坦區域就像墊子上沒有放任何東西的那部分。
更棒的是,這種推進方式還可避免時間膨脹帶來的不適後果。就算當事人進入了深空,仍然可以與最親近的人打招呼。那麼Miguel Alcubierre 提出的曲率推進裝置,又是如何工作的呢?
SCI Tech Daily指出,想像地毯上有一個杯子。你既可以在毯子上移動,也可以將毯子拉向自己。扭曲失控的曲率引擎,就像是在拉扯時空以更接近於目的地。
不過這種類比也有其局限性,翹曲並沒有將目的地真的拉向我們,而是縮短了時空、讓我們的路徑變得更短。打開引擎後,你與杯子之間的地毯變得更少了而已。
尷尬的是,儘管這種解釋在數學上表現得相當嚴謹,但普通人仍然很難憑藉日常直覺去理解。慶幸的是,Bobrick 和Martire 的相關工作,就致力於化解這方面的矛盾。
其表示,任何翹曲引擎都必須是處於恆定運動狀態的材料殼,並包含了平坦的時空區域。殼層的能量改變,也會影響內部時空區域的屬性。
以駕車馳騁為例,車身是以物質形式呈現的能量殼,圍繞著平坦區域行進。不同的是,身處車內的人們,其年齡不會因此而更快地流逝。
不過為了讓方程式兩頭能夠平衡,Miguel Alcubierre 的穿梭工具必須以“負能量”(Negative Energy)運行—— 但我們尚未在現實世界中發現任何負能量來源。
此外這種方式對能源的需求量非常大,保守估計要動用宇宙中的全部能量。後續研究中,Bobrick 和Martire 認為曲率引擎可混合正負能量以減少能源開銷,但整體能源需求仍相當巨大。