399718奇闻趣事网BALI @ 2024.05.26 , 07:03
新型曲速引擎概念：能弯曲时空，但速度不够快
虽然这种引擎无法用于制造实用飞船，但它可能加深我们对相对论的理解。
物理学家团队发现了一种可以建造的真实物理曲速引擎，并且不会违背已知物理定律。但有一个限制：使用曲速的飞船不能超过光速，因此短期内你还是去不了想去的地方。不过这项研究仍然代表了我们对引力理解的重要进步。
在不移动的情况下移动
爱因斯坦的广义相对论是一个解决引力问题的工具包，它将质量和能量与时空的弯曲联系起来。同时，这些时空弯曲又会指示质量和能量如何移动。在大多数情况下，物理学家利用广义相对论的方程来计算特定物体组合的运动方式。他们会设定一些物理场景，比如行星绕恒星运转或两个黑洞碰撞，然后研究这些物体如何使时空弯曲以及系统会如何演化。
不过，我们也可以反过来运用爱因斯坦的数学。我们可以想象一种想要的运动，然后推导需要什么样的时空弯曲才能实现它。墨西哥物理学家 Miguel Alcubierre 就是通过这种方法发现了曲速引擎的物理基础，而曲速引擎一直是《星际迷航》系列的经典元素。
曲速引擎的目标是在广告时间内从一个地方到达另一个地方，这通常意味着超光速旅行。但是狭义相对论明确禁止超过光速的移动。虽然这从未困扰过《星际迷航》的编剧，但却让阿尔库别瑞感到头疼。他发现通过巧妙地操纵时空是可以制造曲速引擎的，方法是让飞船前面的空间压缩，后面的空间拉伸。这会产生一种移动，但严格来说并不是飞船本身在移动。
这听起来似乎矛盾，但这正是广义相对论奇妙之处之一。阿尔库别瑞的曲速引擎之所以没有违反光速限制，是因为它从来不会穿过空间，而是操纵空间本身，本质上是让飞船的目的地更接近它。
然而，尽管令人兴奋，阿尔库别瑞的设计存在一个致命缺陷。为了产生必要的时空扭曲，飞船必须包含某种形式的奇异物质，通常被认为是负质量物质。负质量存在一些概念上的问题，似乎违背了我们对物理的理解，比如你踢一个质量为负 5 公斤的球，它可能会向后飞，违反了动量守恒定律。此外，在现实宇宙中从未观察到过任何具有负质量的物体。
负质量的这些问题促使物理学家提出各种版本的“能量条件”作为广义相对论的补充。这些条件并不是广义相对论本身的一部分，而是额外的附加条件，因为广义相对论允许出现负质量等似乎并不存在于我们宇宙中的东西 – 这些能量条件将它们排除在广义相对论的方程之外。这是科学家们对广义相对论允许超光速运动等令人不安的事实做出的回应，但现实宇宙似乎并不允许这种情况发生。
曲速系数零
能量条件没有经过实验或观测证明，但它们与宇宙的所有观测结果都一致，因此大多数物理学家都非常重视它们。直到最近，物理学家们都认为这些能量条件可以 100% 确定地表明你无法建造曲速引擎，即使你真的很想。
但是有一种方法可以绕过它，@阿拉巴马亨茨维尔大学 Jared Fuchs 领导的国际物理学家团队发现了这一点。(该团队还隶属于应用物理实验室的应用推进部，这是一个虚拟智囊团，致力于研究曲速引擎等许多其他领域。)在发表于《古典与量子引力》杂志的一篇论文中，研究人员深入研究了广义相对论，以探索任何版本的曲速引擎是否可行。
广义相对论的方程非常难以求解，尤其是在曲速引擎这样复杂的案例中。因此，研究团队转向了软件算法; 他们没有尝试手工求解方程，而是通过数值方法探索解，并验证它们符合能量条件。
研究人员并没有真正尝试制造推进装置。相反，他们探索了广义相对论的各种解，这些解可以让物体从一点移动到另一点，而无需飞船经历任何加速或内部乘客承受巨大的潮汐力。然后他们检查这些解是否符合阻止使用奇异物质的能量条件。
研究人员确实发现了一个超光速引擎解决方案：一种操纵空间的方法，使旅行者可以在不加速的情况下移动。然而，天下没有免费的午餐，这个超光速引擎的物理性确实带来了一个主要的警告：飞船和乘客永远不能超过光速。同样令人失望的是，这项新研究背后的研究人员似乎并不关心什么物质配置会允许扭曲发生。
引力的未来
一方面，这是一个巨大的失望。我们已经有了很多比光速慢的旅行方法(火箭、步行等)，因此再增加一种似乎并没有什么兴奋之处。此外，即使我们想建造这种曲速引擎，将这项高度理论化的工作与实际的物理推进机制结合起来，难度也如同将牛顿定律写下来与制造猎鹰 9 号火箭一样大。
但这并不意味着这项新发展不令人着迷。我们还不太了解引力，也知道爱因斯坦的理论并不完善。未来理解引力的一个路标是，广义相对论允许出现有趣、奇异的解 – 例如曲速引擎 – 这些解似乎违反了其他物理学理解领域。
当我们所有的理论都对齐并就宇宙的性质达成一致时，物理学家们会感到高兴。因此，如果能量条件对物理学设定了真正的限制 – 限制了像负质量这样的东西不仅不存在，而且不可能存在 – 那么我们希望有一个物理理论能够从一开始就做到这一点，而不是依赖像能量条件这样的附加条件。
探索曲速引擎如何(可能)工作以及在什么条件和限制下工作，是朝着这个方向迈出的一步。多年来，物理学家们一直认为能量条件禁止了所有类型的曲速引擎，但新研究表明了一种可能的绕行方法。无论结果如何，这都是一个胜利。因为无论这些方向的未来研究结果如何，我们都将了解更多关于引力以及有可能彻底改变我们对引力的理解。
谁知道当我们更好地理解引力时会发生什么？
本文译自 Ars Technica，@ BALI 翻译。
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