比光速还快：《星际穿越》的是与非
Stuart Clark　文　Shea　编译
	电影《星际穿越》描绘了人类探索深空的情形，而本文则将探究使用虫洞、曲速引擎和负能量来高速在宇宙中穿行的可能性。 你都收拾好了，在候机厅等候。无数次地检查自己的护照，心里在想途中会有什么电影可看。虽然你不喜欢长途飞行，但为了到达目的地也算值得。然而，你要去的地方并非是几千千米之外的另一个大洲。相反，你登上的是一艘星际飞船，将要旅行数千光年。 星际旅行是我们大多数人都有过的梦想。它也是许多科幻电影共同的主题：前往遥远世界的旅行，进入黑洞，或者逃离濒死的地球从而拯救人类。后者便是导演克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）最新电影《星际穿越》的故事设定，其中一组宇航员利用空间和时间的捷径——虫洞——在整个宇宙中寻找宜居的行星。 在盘算星际旅行的时候，遇到的最大问题就是极其遥远的距离。比邻星是离我们最近的恒星，其距离为40万亿——4后面跟着13个“0”！——千米。鉴于这个“天文”数字，天文学家们构建了长度单位“光年”。1光年是光的传播1年所走过的距离，为9.5万亿千米。以此为单位，比邻星的距离为4.2光年。 [图片说明]：《星际穿越》电影海报。 什么是时空？ 时空是爱因斯坦在广义相对论中所用的坐标系。此时，时间和三维空间没有本质上的区别。没有人知道，时空是一种数学结构，还是物理上的现实。迄今探测时空内在结构的尝试都未取得成功，仍然处于初期阶段。 天文学家之所以选择光的速度，是因为它是宇宙中运动得最快东西。19世纪和20世纪的实验表明，无论你在空间中运动得有多快，光速都是你所能达到的绝对上限。 人类迄今所建造的速度最快的宇宙飞船是欧洲空间局的太阳神空间探测器。在20世纪70年代中期，它们以超过每秒70千米的速度飞过太阳。当然，这远不及光，后者的速度高达每秒3亿米。即便我们可以以光速运动，仍然需要4.2年才能抵达比邻星，而这还仅仅是距离最近的恒星。绝大多数的恒星都远在成百上千甚至几十万倍远的距离之外。 如果想让星际旅行变得真正切实可行，就必须找到一种方法来来规避这一绝对的速度上限。此时虫洞就能派上用场。在广义相对论中，虫洞是一个基本问题。 [图片说明]：《星际穿越》电影海报。 什么是负能量？ 负能量是一种假想的成分，会产生反引力。它通常和另类的物质有关，后者也是假想中的，迄今还从未在实验室中观测到它们。没有人知道，这些物质是否真的存在，或者仅仅是数学上的可能性。 映射空间 广义相对论是爱因斯坦对宇宙的描述。它提供了一个坐标系统，被称为时空，所有的天体都位于其中。时空经常被描述成一个涵盖整个宇宙的连续结构。当你在时空中运动时，你既在空间中也在时间里运动。天体会扭曲时空，虽然这一扭曲在很大程度上是不可见的，但它会产生引力并使得光线发生偏折。 虫洞是连通时空的隧道，可以把它们看作是捷径，可以让你免于长途星际旅行。1957年，约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）在《物理学年鉴》的一篇论文中第一个使用了这个词。1935年，爱因斯坦本人与他的同事内森·罗森（Nathan Rosen）研究了它的可能性，而德国数学家赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）则在20世纪20年代就提出了它们的存在。 根据黑洞的数学描述，爱因斯坦—罗森桥，即虫洞，应该是微观结构。它们本身也是不稳定的。因此，虽然微观的虫洞可以不断地形成，但在有任何东西穿过它们之前，虫洞就会坍缩。 时间跳转到1988年。美国加州理工学院的物理学家基普·索恩（Kip Thorne）发现，如果在形成的那一刻能给它注入合适的能量，虫洞就能稳定下来并会增大，从而使它变得可以穿越。于是，就像变戏法一样，就此可以做星际旅行了！不过在此之前需要先解决一个问题，那就是能量。 [图片说明]：虫洞的艺术概念图。 如何构建一个虫洞 结合尖端技术和负能量，我们可以创造出能够穿越时空的虫洞。 步骤1：获取负能量 找到强大的负能量源，它将被用来抵御虫洞的坍缩。这些负能量必须能被储存起来，进而使得虫洞周围的时空扩张。这涉及极其先进的技术，而且不能保证负能量就真的存在。 步骤2：找到一个虫洞 在宇宙的最小尺度上，虫洞很可能会不断地形成和消失。通过超高倍显微镜或粒子探测器可以看到时空连续体上的这些量子泡沫。需要极其尖端的技术才能抓住微观尺度虫洞的咽喉。 步骤3：试探虫洞 一旦被注入了负能量，虫洞就会稳定下来。此时，需要发射一个探测器通过虫洞去探测其尽头位于何方。如果它指向了无用或者危险的地方，那就只能弃之不用，让它再一次的坍缩。但是，如果它指向有用的地方，然后就要为其注入更多的负能量。 步骤4：空间捷径 只要虫洞足够大，它就可以用于交通。也有可能将其入口和出口移到更好的位置。这需要某种太空拖船利用负能量产生的反引力把虫洞的开口推到更有利的地方。 步骤5：宇宙高速路 最后，虫洞网络可以贯穿银河系内外，甚至还有可能连接其他的宇宙（如果它们存在的话）。因为虫洞是时空的捷径，因此也可以用作时间机器。但你无法回到该虫洞形成之前的时间。 但问题是，必须要对其施加“负压力”。要做到这一点，它必须是某种负能量或质量，能够产生反引力。1997年，天文学家发现宇宙膨胀正在加速。他们认为，正是因为空间着一种负能量，是造成膨胀加速。 他们称它为“暗能量”，但并不适用于虫洞。虫洞所需要的远比暗能量还更为诡异。在对这一能量会对虫洞产生什么影响进行了仔细地分析和计算之后，物理学家得到的并非是好消息。 能量会遵循支配微观世界的量子力学定律。其结果是，它的位置和动量不能同时被精确地测定，所以虫洞是“模糊的”。即便你能穿过它，你将会在何时抵达以及抵达何处，都存在不确定性。换句话说，是的，你可以走时空的捷径，但你无法控制目的地或到达的时间。 所以，虫洞是个非常棘手的问题，无疑远远超出了未来我们可预见的任何技术能力。因此，它仍然是幻想的范畴。事实上，基普·索恩正是电影《星际穿越》的顾问。那么，其他的经典科幻手段，例如曲速引擎，又如何？ [图片说明]：由虫洞网络构成的星际高速路网。 如何找到一个虫洞 在太空深处寻找虫洞是一件非常困难的事情，但也有一些理论为其指出了可能的方向。 通过虫洞的管道，也许能看到位于其另一端的恒星。计算显示，打开虫洞所需的负能量可以把来自虫洞边缘的光集中到一个晕里。 发生在虫洞另一侧的γ射线暴可以揭示出这一特性。在这一情况下，天文学家可以看到这一爆发，但却无法识别出它所在的宿主星系。 另一个想法是，当虫洞会从一颗恒星前方经过时，它会对星光产生影响。通过引力透镜效应，虫洞的强引力场会先放大恒星的光。随着星光进入虫洞，该恒星会变暗。最后，当虫洞逐渐远离恒星，星光由于引力透镜效应而再次增亮。这一光变过程将是虫洞的标志性信号。 或许发现虫洞的最重要意义在于暗示外星人必定存在。大到可见的虫洞唯有高技术文明才能创造出来。 星际冲浪 1994年，墨西哥物理学家米格尔·阿尔库别雷（Miguel Alcubierre）在理论上证明了该如何来构造曲速引擎。他求解了爱因斯坦方程，精确证明时空泡能够被建造出来，空间飞行器可以借此以任意高的速度运动。 不过，它再一次地依赖于某种负能量来扭曲空间并为推动飞船提供反引力。 在美国宇航局约翰逊航天中心，有一个高新推进物理实验室。在工程师和物理学家哈罗德·怀特（Harold White）的领导下，一个科学家和工程师团队重复了一些实验，有人声称其意料之外的特性可以用于未来的推进系统。2014年夏天美国宇航局的这个团队成为了热点和争议的焦点，他们公布的结果佐证了一个“不可能”的驱动系统能够正常工作。 该系统最初被称为“Em引擎”，由英国宇航工程师罗杰·肖耶（Roger Shawyer）发明。肖耶认为，在适当的条件下，将微波导入锥形空腔可产生推力。 有物理学家指出他的结果违背了动量守恒，后者是物理学中的一个基本原则。但是，包括怀特的团队在内，其他的一些研究小组似乎在实验中测到了推力。 美国宇航局约翰逊航天中心新闻官拒绝了媒体对怀特进行采访的要求，但在一份声明中表示：“虽然约翰逊航天中心的一个团队在超光速运动的理论研究中引发了一些关注，但这仅仅是概念研究。”换句话说，还没到收拾行李的时候呢。 [图片说明]：曲速引擎的概念图。 超光速的3样东西 我们一直在说，宇宙中没有东西能比光运动得还快，但有3样东西却可以打败光。 宇宙暴胀 在一个假想中的时刻，宇宙陡然增大。为此，时空必须发生超光速膨胀。这并没有违反任务物理学定律，因为宇宙速度的上限仅适用于在时空中运动的物体，而非时空本身。目前还不清楚暴胀是否真的发生过。然而，空间的膨胀正在使得遥远的星系以数倍于光速的速度相对于我们退行。 切伦科夫辐射 当光线在介质（例如水或玻璃）而非真空中传播时，因介质中光速降低，就会产生切伦科夫辐射发生。当高能粒子沿着和光子相同的方向运动时，它受介质减速的影响较小，因此速度会超过介质中的光速。它们会产生激波，后者会把光子推开。在核反应堆周围的水箱中经常可以看到由切伦科夫辐射所产生的幽灵般的蓝光。 快子 这是所有超光速运动的粒子的总称。1967年首次使用了这个词。超光速运动的粒子会违反已知的物理规律，除非它具有一些非常奇特的性质。如果存在快子，它可以回到过去，并且可能永远也不会减速到小于光速。虽然听起来很令人兴奋，迄今还没有发现它们的踪迹。 让星际旅行变得可行的进展也许不仅仅来自于实验。对爱因斯坦的广义相对论进行新的扩展兴许可以打破光速的壁垒。根据现有的理论，我们不可能突破光速。但我们也都知道，目前的理论有其局限性，现实也许会完全不同。 伦敦帝国学院的葡萄牙物理学家乔奥·马古悠（João Magueijo）一直致力于研究一种全新的引力理论，能用于靠近黑洞或者接近宇宙大爆炸那一刻的强引力场情况。而在这两种情况下，广义相对论会失效。马古悠猜想，在大爆炸后的瞬间，光速要比现在在地球上测得的高得多。除了能解决许多宇宙学疑难之外，它还可以开启星际旅行的高速公路。 这兴许是可能的，因为有关早期宇宙的许多理论都预言了一种现象，被称为宇宙弦。它们是宇宙大爆炸的遗存物，尚未被直接观测到。时空中的这些“褶皱”是有着微小不同的空间区域间的边界，就像是晶体中的缺陷。重要的是，它们是有质量的，在靠近宇宙弦的地方光速会增大，此后这会一直保持下去。 这样一来宇宙飞船就可以沿着宇宙弦运动，并把它们用作星际高速公路。其妙处在于你不必去突破光速，而只需要一个巨大的发动机来不断地加速飞船。 然而，这一令人兴奋的技术在成为现实之前仍有很长的路要走，而且对于其是否可性马古悠非常谨慎。很清楚的一点是，广义相对论绝非是最终的理论，但剩下的都仅仅是怀疑。 所以，尽管不情愿，但我们不得不承认，目前我们星际旅行的梦想仍局限在银幕上。在未来很长很长的一段时间里，《星球大战》和《星际迷航》中的星际旅行依然是不可及的。 曲速引擎是什么？ 广义相对论禁止任何在空间中的超光速运动，但时空本身并不受限于此。曲速引擎可以弯曲宇宙的时空，使得飞船前方的时空被压缩而其后方的时空则发生膨胀。随后，飞船会通过在时空中“冲浪”的方式先前运动。
[Focus 2014年11月]

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