世界不思議

深度科普:曲速引擎可達光速20萬倍,能讓人類實現星際旅行嗎?

隨著科技的發展,我們已經實現了登上月球、向火星發射探測器等壯舉,還發射了如旅行者一號、二號在內的 5 個深空探測器,它們正朝著太陽系邊緣飛去,旅行者一號目前距離地球已達 225 億公里 。這些成就讓我們對宇宙探索充滿信心,然而,宇宙的廣袤遠超想像,距離成為了我們邁向星際旅行的巨大阻礙。
以目前人類探測器的速度,想要實現星際旅行簡直是天方夜譚。
就像旅行者一號,它在助推火箭及行星引力的作用下,速度曾達到每秒 17 公里,這已經是個相當驚人的速度了。但即便如此,它要穿越太陽系最外側的奧爾特雲,真正離開太陽的引力範圍,還需要大約 3 萬年的時間;而到達比鄰星,至少需要 8 萬年 。這樣漫長的時間,遠遠超出了人類的壽命,也讓傳統的星際旅行方式變得不切實際。
除了距離,星際旅行還面臨著難以想像的消耗問題。根據動能方程 Ek=mv²/2(其中 V 是物體的速度,M 是物體的質量),如果想要在短短幾十年內飛出太陽繫到達比鄰星,飛船的速度至少要比現在快幾十倍到上百倍,相應地,所需要的能量至少將是現在的數百萬倍 。以人類目前的科技水平和能源儲備,這無疑是一個天文數字,難以實現。

即便解決了能源和能耗問題,宇宙中幾乎無處不在的宇宙塵埃和宇宙氣體,也會對星際旅行構成威脅。在低速狀態下,它們可能無害,但一旦與超高速飛船相遇,這些看似軟綿綿的物質,卻能對船體造成致命的傷害 。
此外,長時間的星際航行對飛船材料的要求極為嚴格,同時,也會對飛船內的人員帶來諸多考驗,如強大的生命維持系統、長時間的密閉空間、低重力下的人體病變以及致命的宇宙輻射等問題,都亟待解決。
面對這些重重困難,人類並沒有放棄對星際旅行的追求。科學家們基於目前掌握的航天推進技術,進行了諸多嘗試。
例如,嘗試用無人探測器探索深空,像伊卡洛斯計劃、代達羅斯計劃、突破攝星計劃等,希望製造出體積和質量極小的納米飛船,以接近光速的速度送入宇宙進行深空探測 。針對載人星際航行,也提出了太空冬眠計劃、胚胎冷凍計劃等大膽設想。但要真正實現星際旅行,關鍵還在於推進動力的突破。
傳統的化學推進雖然推力較大,但比衝量低,噴氣速度大約為 5 千米 / 秒;離子發動機噴氣速度雖能達到 15 – 35 千米 / 秒,是常規化學推進的好幾倍,但推力相對較小;普通的核裂變發動機推力大,能達到 15% 的光速,可達到這個速度需要幾百年的加速時間;目前理論上動力最強勁的反物質推進技術,其理論速度能達到 90% 光速,但也僅僅停留在理論階段 。
在這樣的背景下,超光速飛行技術成為了人類實現星際旅行的希望之光。如果能夠實現超光速飛行,那麼星際旅行中的距離和時間問題都將得到極大的緩解。而曲速引擎技術,作為一種備受矚目的超光速飛行設想,為我們展現了一種可能的解決方案。

在眾多的超光速飛行設想中,曲速引擎的概念備受矚目,最早出現在 1957 年美國科幻作家約翰・坎貝爾所寫的小說《太空島》中,後來因著名科幻片《星際迷航》而被大眾熟知 。1994 年,墨西哥物理學家米給爾・阿庫別瑞受到《星際迷航》中曲速引擎的啟發,提出了科學意義上的曲速引擎概念 —— 阿庫別瑞引擎,為這個充滿科幻色彩的概念奠定了一定的理論基礎 。

曲速引擎正是利用了時空的這種可彎曲特性來實現超光速飛行。其原理是通過在飛船周圍創造一種特殊的時空結構 ——「曲速泡」(也叫 「曲率泡」)。
在這個曲速泡中,飛船前方的空間被壓縮,後方的空間則被拉伸膨脹 。這就好比你在吹氣球時,氣球的一端被擠壓變小,另一端則被拉伸變大,而飛船就位於這個被扭曲的時空泡中。由於空間本身的壓縮和膨脹,曲速泡能夠帶著飛船以超光速的速度前進,而飛船在曲速泡內部相對周圍空間卻是靜止的。這就如同在傳送帶上的物品,物品本身沒有移動,但隨著傳送帶的運動而被快速運輸到遠處 。

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這種超光速飛行方式巧妙地避開了狹義相對論中 「任何攜帶信息和能量的物體都無法達到或超越光速」 的限制,因為並不是飛船本身在時空中以超光速移動,而是飛船所處的時空在發生運動,而時空的運動並沒有傳遞信息,所以不違反大自然法則 。這就好像宇宙大爆炸之後,宇宙一直在以超過光速的速度膨脹,這種超光速膨脹並未傳遞信息,同樣不違反物理規律。

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而最為引人注目的 9.9999 級曲速引擎,更是速度上的奇蹟,它可以達到近 20 萬倍光速 。如此驚人的速度,對星際旅行有著不可估量的意義。以我們目前可觀測宇宙的直徑 930 億光年為例,如果一艘飛船以 9.9999 級曲速引擎飛行,穿越整個可觀測宇宙所需的時間將大大縮短,這使得我們對宇宙的探索不再受限於漫長的時間 。原本需要無數代人才能完成的旅程,在這樣的速度下,或許在一個人的有生之年就能夠實現。

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