翘曲速度的原理

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《星际迷航》(Star Trek)中由威廉·夏特纳(William Shatner)饰演詹姆斯·t·柯克船长(Captain James T. Kirk)，但他们要怎么处理星系间的太空旅行呢?

当《星际迷航》(Star Trek)的编剧们坐下来计划这个系列时，他们发现自己遇到了一些问题。他们实际上是在创造一个太空歌剧这是科幻小说的一个分支，故事发生在太空中，涵盖了多个领域星系和数以百万计的光年。《星球大战》电影是太空歌剧亚流派的另一个例子。正如名字中的“歌剧”部分所暗示的那样，像《星际迷航》这样的电视剧并不意味着缓慢或普通——当人们想到这个系列时，他们可能会想到其中涉及的情节夸张外星人，太空旅行和激动人心的激光打架。

因此，该系列的创作者吉恩·罗登贝里(Gene Roddenberry)和其他编剧不得不找到一种方法，及时、戏剧性地让剧中的角色在宇宙中穿梭。与此同时，他们想尽力遵守物理定律。最大的问题是，即使星际飞船能以光速飞行，从一个星系到另一个星系仍然需要数百年，甚至数千年的时间。一段旅程地球例如，如果你以光速飞行，要到达银河系的中心需要大约25000年的时间。当然，这不会成为非常激动人心的电视节目。

翘曲速度的发明解决了这个问题的“歌剧”部分，因为它允许企业号以比光速快得多的速度飞行。但是怎么解释呢?他们如何解释一个物体以超过光速的速度运动，而爱因斯坦在他的理论中证明了这是不可能的狭义相对论？

艾略特·谢赫特/盖蒂图片社
当这架航天飞机进入轨道时，它将以每小时17000英里的速度飞行。人类可以在这种类型的航天飞机中承受这样的速度，但如果航天飞机试图接近光速，其结果将对阿斯特朗是致命的

作家们必须面对的第一个障碍比你想象的要简单得多。在理解扭曲速度之前，你需要知道的最重要的事情之一实际上是物理学书中最古老的技巧之一，牛顿第三运动定律. 你可能以前听过，这个定律说，对于每一个动作，都有一个相等和相反的反作用力。这仅仅意味着，对于两个物体之间的每一次相互作用，都有一对力作用于它们。例如，如果你掷一个台球的球直接撞到另一个静止的物体上，它们会对对方施加相等的力。运动中的球会撞击静止的球并把它推开，但它也会被后者推回来。

每当你在汽车中加速或在飞机中飞行时，你就会感到这条定律开始发挥作用飞机．当汽车加速向前移动时，你会感到座位上有压力。座位在推你，但你也对座位施加了一个力。

那么这和《星际迷航》和《企业》有什么关系呢？即使有可能加速到光速的一半，如此剧烈的加速也会把人撞在座位上致死。尽管他会以一个相等和相反的力向后推，但他的质量与星际飞船相比实在太小了——当一个宇宙飞船蚊子撞到挡风玻璃，溅了一身水。那么，企业号如何才能在不杀死船上成员的情况下，以超过光速的速度前进呢?

在下一节中，我们将看到《星际迷航》的创造者如何开始解决以超光速在太空中发射物质的问题。

为了回避牛顿第三运动定律的问题和物质运动速度不可能超过光，我们可以看看爱因斯坦和空间之间的关系时间．总的来说，空间，包括三个维度(上下，左右，前后)和时间都是所谓的时空连续体．

理解爱因斯坦关于时空连续体的工作以及它与企业号在空间中的旅行的关系是很重要的。在他的狭义相对论，爱因斯坦提出了两个假设:

1. 光速(大约每秒3亿米)对所有的观察者来说都是一样的，不管他们是否在移动。
2. 任何以恒定速度运动的人都应遵守同样的物理定律。

把这两种想法结合起来，爱因斯坦意识到时间和空间是相对的——一个运动的物体实际上以比静止的物体更慢的速度经历时间。虽然这对我们来说似乎很荒谬，但与光速相比，我们的旅行速度非常慢，所以当我们跑步或在飞机上旅行时，我们不会注意到手表上的指针走得更慢了。科学家们已经通过发送原子钟赶上高速火箭船只。他们回到地球稍微在地上的时钟后面。

这对柯克船长和他的团队意味着什么?一个物体的速度越接近光速，它所经历的时间就会明显变慢。如果进取号以接近光速的速度安全地驶向我们的中心星系从地球上看，这需要25000年的地球时间。然而，对于机组人员来说，这次旅行可能只需要10年。

尽管这个时间框架对飞船上的个人来说是可能的，但我们面临着另一个问题——一个试图运行星系间文明的联邦将会遇到一些问题，如果一艘星际飞船需要5万年才能击中我们的银河系中心并返回。

因此，企业号必须避免光速，以保持机上乘客与联邦号的时间同步。与此同时，它还必须达到比光速更快的速度，才能有效地围绕宇宙运行。不幸的是，正如爱因斯坦在他的狭义相对论中所说，没有什么比光速更快。因此，如果我们看狭义相对论，太空旅行将是不可能的。

根据爱因斯坦的广义相对论，物质弯曲了时空结构，时空连续体的扭曲甚至影响了光的行为。

这就是为什么我们需要看看爱因斯坦后来的理论广义相对论它描述了重力如何影响空间的形状和时间的流动。想象一张张开的床单。如果你把一个保龄球放在床单的中间，床单会因为球的重量向下推而弯曲。如果你把棒球放在同一张纸上，它会向保龄球滚去。这是一个简单的设计，空间并不像一个二维的床单，但它可以应用到像我们的太阳系这样的东西——更大的物体太阳会扭曲空间并影响周围行星的轨道。当然，行星不会坠入太阳，因为它们的运动速度非常快。

在下一页，我们将看到这是如何在企业号上发挥作用的。

操纵空间的能力是关于扭曲速度的最重要的概念。如果企业能够通过扩大其后面的区域和缩小其前面的区域来扭曲时空连续体，那么机组人员就可以避免以光．只要星际飞船创造了自己的重力场，它就可以在本地以非常慢的速度飞行，从而避免了牛顿第三运动定律的陷阱，并保持其发射地点和目的地的时钟同步。飞船本身并不是在以“速度”前进——它更像是在把目的地拉向自己，同时把起点往后推。

一个环绕星际飞船的扭曲气泡，在空间和时间扭曲时保护飞船和船员。

因为爱因斯坦的广义相对论背后的思想是复杂的，仍然可以解释，这为科幻小说作家留下了广阔的可能性。我们可能不知道如何用现有的技术改变空间和时间，但一个设定在未来的虚构文明也许完全有能力用正确的想象力发明这样的设备。

在《星际迷航》的宇宙中，扭曲速度是通过使用经纱传动．曲速引擎是由物质驱动的反物质由一种叫做二锂．这个反应产生高能量等离子体被称为electro-plasma这种物质有自己的磁场，并与星际飞船的磁场发生反应经线圈. 扭曲线圈通常被“星际迷航”的作者称为翘曲短舱．整个套件在企业号周围创造了一个“曲速场”或“气泡”，让飞船和它的船员在太空操纵他们的时候保持安全。

在第一部电视剧（“星际迷航：原始系列”）和第二部（“星际迷航：下一代”）之间的某个时间，编剧们决定给翘曲速度设定一个限制——使用翘曲-1到翘曲-10的刻度，企业号不允许在任何时间旅行，因为这会使绘图变得太容易。在节目中，翘曲-10变成了一个不可能的最大速度，一个宇宙飞船将在同一时间在宇宙中所有点上的无限大速度e、 根据“下一代”技术手册，Warp-9.6是可达到的最高速度——设定为光速的1909倍。尽管存在一些不一致之处，但下面列出了《星际迷航》宇宙中不同的速度：

在下一节中，我们将看一看翘曲速度概念遇到的一些问题。

Les Bossinas /美国国家航空航天局
艺术家对宇宙飞船曲速飞行的演绎。

所以爱因斯坦帮助《星际迷航》的作者们在一个科幻的宇宙中操纵太空，但真的有可能建造一艘飞船，在相对较短的时间内推动人们穿越巨大的星系吗?

物理学家米格尔·阿库比埃（Miguel Alcubierre）建议使用所谓的“外来物质”，一种具有负能量的理论类型的物质。如果能找到或创造出这种奇异物质，它将起到排斥时空和创造引力场的作用。

不幸的是，这是可能的燃料来源——当涉及到动力曲速的概念时，有更多的问题而不是解决方案。即使企业号以亚光速飞行，也就是脉冲驱动对于《星际迷航》的粉丝来说，快速穿越太空所需的燃料和能量对于一艘星际飞船来说是太多了。进取号的动力是由核聚变驱动的，这种反应照亮了太阳产生巨大的爆炸核弹．据《星际迷航》(The Physics of Star Trek)的作者、理论物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)博士说，如果柯克船长想以光速的一半(每秒15万公里)的速度飞行，星际飞船需要在用于核聚变的燃料氢中燃烧自身质量的81倍。《星际迷航:下一代》(Star Trek: The Next Generation)的技术手册中列出，企业号的重量超过400万吨，因此这艘飞船需要超过3亿吨的氢气才能继续前进。当然，要减速到停止，星际飞船还需要3亿吨燃料，并可能进行一次穿越星系需要6642倍于"企业号"的质量

有些人提出了一种系统，在星际飞船旅行时用一个装置收集氢气，无需储存大量燃料，但克劳斯认为，这个装置必须有25英里宽，才能收集任何值得使用的东西。尽管氢是银河系中最丰富的元素，但也只有一种原子每平方英寸的氢。

制造经纱传动工作就是另外一回事了。《星际迷航》里的曲速引擎是通过物质的反应来获得动力的反物质结果就是完全的湮灭和纯能量的释放。由于反物质在我们的宇宙中并不常见，联邦必须制造它，我们今天可以在费米国家加速器实验室(费米实验室)伊利诺斯州．再次，问题是驱动曲速引擎所需的燃料量。克鲁斯指出，费米实验室能够在一小时内产生500亿个反质子——足以产生1/1000瓦的能量。你需要十万个费米来驱动一个灯泡．以我们目前的技术来看，制造足够多的反质子来弯曲时空连续体几乎是不可能的。

尽管本世纪人类几乎没有机会研制出比光速更快地弯曲空间并到达遥远星系的宇宙飞船，但这并没有阻止科学家和该系列的粉丝们思考这一潜力。就在2007年11月，英国行星际学会召集了几位物理学家参加了一个名为“超光速：打破星际距离障碍”的会议[来源：守护者］．