曲率驱动太空旅行

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曲率驱动太空旅行

读三体，学物理，大家好，我是你的老朋友转述师龙吟，下面将由我帮李淼老师，为你讲解《三体中的物理学》的第6期——曲率驱动太空旅行。

人类从古代开始就总是幻想着太空旅行，神话故事中有“嫦娥奔月”，现代有1969年“阿波罗”11号飞船首次登月。人类飞到月球要花多长时间呢？阿波罗11号登月飞船：整个飞行历时8天3小时18分钟，其中在月面停留21小时18分钟，实际飞行时间7天6小时。

距离我们最近的恒星比邻星有多远？4.2光年。以光速飞到那里要4.2年，感觉也很漫长。以现在最快的航天器飞到那里要七万多年！别说等你飞到那里黄花菜都凉了，人类繁衍也有两三千代了。

那么，未来我们是不是能实现科幻小说和电影里的太空旅行呢？这一期我们来讨论一下《三体》中，人类舰队和三体舰队是怎么实现太空旅行的。

《星际迷航》里，提出了“曲速飞行”——企业号一加速，嗤的一下，留下几行闪亮的航迹，飞船突然就不见了。“曲速飞行”可不得了，曲速1等于光速，曲速2是光速的8倍，曲速3是光速的27倍，到了曲速9就是光速的729倍。在我们地球人看来，企业号用曲速9飞到比邻星只需要两天。

光到底跑得有多快呢？17世纪之前人们认为光速无限大，后来天文学家通过天文观测证实光速也是有限的，再后来物理学家通过实验测出光速大约是每秒30万公里。

刘慈欣在《三体》里没有像《星际迷航》的编剧们那么大胆，他将三体人第一舰队的速度限制在光速的百分之一，也就是说，四光年外的三体人航行到地球需要四百多年。除了要符合科学定理，刘慈欣这么做自有他自己的理由，因为他的故事展开需要四百多年。一开始就这么设定实在太牛了，你想，《三体》三部曲一共写了四五年，作者开始的时候就想好了故事的框架了，要展开四百年来写。

到了第二部，奇迹出现了！三体人派出了第二支舰队，一共有四百一十五艘星舰，这些星舰的航行速度达到了光速！他们是怎么做到的？根据小说，在这期间，三体人发明了“曲率驱动”。

啥叫“曲率驱动”？就是星舰的发动机利用空间弯曲中含有的能量，将速度加速到光速。若干年后，有人问刘慈欣，你是怎么想到“曲率驱动”这个点子的？他说，小时候将纸折成小船，将小船放在水里希望它能够动，就在纸船的船尾放一块小肥皂，肥皂在水里融化就驱动小船向前走了。

我觉得刘慈欣这么设定很有道理，而《星际迷航》的曲速2等等没有道理！因为物理学家并没有解决超光速带来的可怕的问题。什么问题呢？一旦允许超光速存在，我们就可以穿越回过去。

你可能会说，能够穿越回过去挺好啊，我做梦也想回到大唐朝见见杨贵妃呢。或者，我在少年时代犯了了大错，我现在穿越回去告诉我自己，这错误不能犯，这不是挺好吗？

穿越剧一度很受欢迎，但在物理学家眼里，这一“穿越”新的问题来了：假如你不小心穿越回到你祖父还没有结婚的时代，不小心杀了你的祖父，那么你的父亲也就不会出生，然后你自己也不会出生，那么怎么可能有你呢？这就是物理界讨论时空旅行的时候常提到的、著名的“祖父悖论”。

接下来我们谈谈超光速为什么会导致“祖父悖论”，以及超光速太空旅行的可能性。

所有人都知道，爱因斯坦的相对论设定了光速是不变的。这是啥意思呢？假如你在地球上测量光速，得到的结果是每秒三十万公里；现在你坐上一艘以一半光速飞行的宇宙飞船，你再测量光速，它还是每秒三十万公里。

这个假设实在太不可思议了。为什么呢？因为我们都知道，假如你在高铁里，你开始慢跑，速度比如是每秒3米，再假如高铁的速度是每秒80米，我在地面上看你的速度就是3+80=83米，当然在这里我是假设你在高铁里的运动方向和高铁是保持一致的。也就是说，你的移动速度，和我在哪里测量有关。我在高铁上测量你的速度，就是每秒3米，在地面上测量你的速度，就是每秒83米。

按照我们前面说的，光速难道不也是如此吗？爱因斯坦大胆地假设，光速真和你在什么地方测量无关。

这个假设带来了很多有趣的结果。第一个结果就是大家熟悉的“双生子问题”：一对孪生兄弟，其中一位坐着接近光速的星舰出门旅行了一圈回来，发现留在地球上的兄弟比他老。当然，这个问题并不是问题，因为出门旅行的那位坐飞船经过了加速和减速，留在地球上的兄弟没有这种体验，他们的时钟不一样，他们体验的时间也不一样，并不奇怪。

物理学家其实每天都在检验这个推论。比如说有些基本粒子，静止的时候寿命很短，以接近光速飞行的时候寿命就变长了。因为，假如你跟着它飞行，它的寿命还是很短，我们静止在地面上的人看它的寿命就长，因为我们体验的时间不一样。

光速不变的第二个推论，就是超光速会导致穿越。

爱因斯坦并没有说超光速是不可能的。所以，让我们假设你可以造出超光速飞船，奇怪的事情就这样发生了：假定你坐超光速飞船飞到比邻星，然后再坐超光速飞船飞回地球，你会看到什么？不是你的孪生兄弟变老了，而是你回到了过去。至于回到过去的哪一天，和你的飞行速度有关。速度越大，回到过去的日期就越久远。

所以每次我看《星际迷航》中的曲速飞行，我就有一种怪怪的感觉，怎么他们没有回到过去啊？

当然，超光速旅行还会出现这样一种情况，我通过超光速先造访一个遥远的地方，再造访昨天的我，于是在昨天就出现了两个我！

这个第二个我会不会杀死原先的我，造成一个悖论？当然他杀死我之后，自己却活了下来，到了第二天又通过超光速旅行造访昨天。

其实，这个第二个我杀死或不杀死我都会造成一个悖论。如果杀死原先的我，那么原先的我就不会存活下来变成第二天的我，再通过超光速旅行回到昨天。如果第二个我不杀死我，那么就会同时有两个我在我家活到第二天，这和开始的假设矛盾，因为开始时在我家只有一个我。

到底发生了什么？怎么解决这个悖论？

没有人知道。

现在，让我们不去想回到过去出现两个我这个难题，现在盯着这个问题问：

有没有什么神奇的方式，让我们能够做到超光速飞行？

在《星际迷航》中的“曲速飞行”幻想出现接近30年后，到了1994年，有一位墨西哥籍物理学家米给尔·阿库别瑞（Alcubierre）出人意料地发现，超光速原则上是可行的。

要了解他的方法，不得不提一下爱因斯坦的另一个伟大的理论，广义相对论。什么是广义相对论呢？爱因斯坦说，时间和空间在物质存在的情况下，会发生弯曲。我们前面谈到黑洞的时候，已经提到过这个理论了。时间和空间弯曲了，就导致了万有引力，这就像一只苹果放在弯曲的弹簧床上，会滚动起来。

阿库别瑞产生超光速飞行用的办法很简单，直接写下一个弯曲的时间和空间，在这个弯曲的时空中，远离飞船的地方，时间和空间跟没有任何能量存在的时候是一样的，也就是说是没有弯曲。在接近飞船的地方，时空形成一个“气泡”，这个气泡可以用任何速度向前飞行，而飞船藏在气泡中。即使在气泡中，时空的弯曲也可以不大，这样不会导致飞船受到很大影响。

阿库别瑞的“超光速时空气泡”初看上去没有什么特别的，除了气泡以超光速飞行。计算的结果告诉我们，时空在气泡的后面膨胀了，在气泡的前面缩小了，这也许是气泡可以以任何速度运动的原因。

问题来了，阿库别瑞自己用爱因斯坦的理论计算了一下，发现维持这个气泡需要负能量！去哪里找负能量呢？

目前，除了在极端情况下，我们还没有看到过负能量。所谓极端情况，是利用卡西米尔效应得到的一点点负能量。 啥叫卡西米尔效应？拿两块很大的平坦的金属板平行放置，在这两块板之间会出现一点点负能量。但这么一点点负能量远远不够制造曲率驱动气泡。阿库别瑞气泡本身也许不需要太多的负能量，但所需要的也远超过金属板产生的那么可怜一点的负能量。所以，目前用这种方式做太空旅行也还停留在理论的阶段。

也许，人类永远不会实现超光速飞行，但用接近光速的方式飞行还是有可能的。不久前，史蒂芬霍金和一位俄国富豪尤里·米尔纳宣布了一项很有野心的计划——“突破摄星计划”，企图利用激光来驱动光帆。将光帆挂在一个很小的微型飞船上，这样就有可能将飞船的速度驱动到光速的20%左右。最近，扎克伯格也宣布参与到这个计划中。

前不久，“突破摄星”项目成功发射了一个行星飞行器，它的推进器是印度设计的，并且将它负载在一个拉脱维亚科学家设计的卫星上面。目前，飞行器的难点集中在激光推进器的部分，“光帆”是这部分的一个重要技术概念，未来如何保证飞行器把收集的信息传回地球将是这个项目里最重要的事。

很多人对这个计划持怀疑态度，确实它看上去太科幻了。但是，总需要一些大胆的人去做开脑洞的尝试。

总结一下我们这一期谈的内容。

1. 《三体》的曲率驱动在《星际迷航》里已经有了，只是后者更加大胆，是超光速飞行。

2. 相对论原则上允许超光速，但是，超光速会导致很多逻辑问题，例如你造访昨天的自己，没有人知道怎么解决这种悖论。另外，也可以通过超光速气泡来实现，这是一位墨西哥物理学家阿库别瑞最早发现的，可是，需要到那么多的负能量去哪里找呢？

3. 最后，人类已经开始了“突破摄星”计划，这个计划的大胆目标是达到光速的20%，比三体人第一舰队的速度还大了20倍，当然，目前的飞行器还很小很小。

本期内容就到这里，下期，我会讲讲二向箔、空间灾变以及宇宙大爆炸。
  
本文选自：今日头条
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