《三體》航天考,曲率驅動

我們從從曲率驅動和光速飛船開始 。關于曲率驅動這個概念,在1994年由墨西哥物理學家明戈·阿爾庫貝利(MiguelAlcubierre)第一次提出 。在《死神永生》中,提到了曲率驅動引擎,這種引擎的工作原理繞開了牛頓第二定律,驅動飛船產生速度并不需要力,而是空間本身被拉扯了 。
曲率驅動真的可以達到光速嗎?現在能否做到曲率驅動?

《三體》航天考,曲率驅動


人類對速度的癡迷是與生俱來的,為了追求更高的速度,運動員可以通過更科學的訓練來不斷打破田徑場上的世界紀錄,工程師也不斷的研究和推出更快的跑車和更高速的飛行器,2018年,美國波音公司連續公布了在5馬赫級別(時速超過6100公里)的軍用與民用高超聲速載人飛機概念與方案,然而對于那些以未來的征途是星辰大海的科學家來說,這樣的“高速”實在是“慢”的和蝸牛有一拼,他們心中的高速是能以光速為參照速度的飛行器,如果要想達到恒星際航行的目標,飛行器的速度至少要達到光速的百分之一(3000公里/秒,時速1000萬公里以上),參考電影《流浪地球》中,經過500年加速才使地球的速度達到光速的千分之五,飛行千年才能到達最近的恒星系 。
所以,在未來的恒星際航行,這種傳統的工質推進的飛行器的動力方式是不可行的 。于是,科學家腦洞大開,在現有理論的框架下,“設計”出了多重航行方式,而曲率驅動也是其中之一 。關于曲率驅動這個概念,在1994年由墨西哥物理學家明戈·阿爾庫貝利(Miguel Alcubierre)第一次提出 。依據的理論基礎就是,基于人類對宇宙的觀測,認為我們的宇宙空間的形狀并不是平坦的,不管宇宙是什么形狀,都是存在著一定的曲率,在太空的飛船如果可以利用某種技術使其后方空間的曲率變小,應該說是絕對值變小,變得更“平滑”一些,那么飛船就會被前方曲率更大的空間“拉”過去,這樣讓飛船前方的空間收縮而后方的空間擴張的方式驅動飛船,而飛船本身實際上是“靜止”的,飛船只是停留在一個由平滑的時空組成的“曲速泡”內,這里的時空曲率不受影響,飛船的“移動”實際上只是“乘著”這個曲速泡在走,這種設想的驅動方式就算曲率驅動 。
雖然曲率驅動不可能像空間折疊那樣瞬間到達目的地,但卻有可能使飛船以無限接近光速的速度航行 。也有一些科學家認為,由于這種驅動方式是利用空間的“收縮膨脹”效應,而時空本身并不受光速極限的限制,這樣,曲率飛船理論上便可以實現以超光速飛行,而不違反物理學中的“光速最快”限制 。關于曲率飛行,我們可以用肥皂小船實驗做一個比喻,在《三體Ⅲ·死神永生》中,程心和艾AA也是從肥皂小船實驗中得到靈感,破譯了云天明給出的最后一個暗示 。
實驗原理和曲率飛行相似,把一艘小紙船放到水面上,由于水表面張力(曲率)的存在,紙船會漂浮在水面上,當在小船尾部放入肥皂,由于肥皂含有表面活性劑,可以降低水的表面張力,所以當肥皂溶解到水中時,小船尾部水面的表面張力降低,小船前部的表面張力不變,這樣就像拔河一樣地把小船“拉”到了前方,即便小船自身沒有任何動力 。
既然曲率飛行可以讓人類實現星際旅行的夢想,但這個夢想距離現實還是比較遙遠的,因為“曲率飛行”目前仍然只是理論中可能出現的情況,并且,如果基礎理論和人類的技術沒有超越式的突破,曲率飛行就永遠存在于科幻小說和電影中了 。不說技術上的問題,按照現有的理論來看,曲率飛行需要的能量十分巨大,用曲率飛行的方式把一個原子運輸到一光年之外,就需要消耗掉大約2個太陽的全部能量 。

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