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首個曲率泡被發現,曲率引擎研究迎來轉機,超光速旅行要來了?

网瘾少女 2022/10/28

只需推動拉桿, 飛船就能從一個星系飛去另一個星系,時間的花費只在一眨眼。

相信經常觀看科幻電影的同學都知道,飛船擁有如此強大的星際旅行能力,那麼飛船中一定會有 曲率引擎

《星際爭霸戰》作為現代科幻電影的代表,企業號在執行任務時常常需要在多個星系之間來回穿梭。

每次飛船在進行飛行的時候都會有 曲率引擎啟動的特寫鏡頭,盡管這只是人類當下對未來星際旅行的藝術表現手段, 但在現實中,科學家也沒有放棄對曲率引擎的探索

《星際爭霸戰》的小說給現代科學家帶來了許多啟發,并且在設計思路方面與電影中的表現也有很多相似之處。

例如兩者都是利用 扭曲時空的方法將飛船放置在一個空間中。

被扭曲的時空則是飛船的空間,外部空間則一切正常。

穿越空間時的設想

飛船的運行過程就如同在宇宙空間中的 曲速泡一樣, 前面的空間進行收縮,后面的空間在這之后膨脹。事實上運動的不是飛船本身,而是 空間運動

因此它也就忽視了相對論中關于光速的限制,從而在這一層面上實現「超光速」。

NASA前工程師哈羅德·懷特帶領的團隊在過去很長一段時間都在試圖尋找這種可能性,如今他們已經發現了一個適合曲率引擎的條件。

這個發現來自他們在實驗室中制造的一個的 曲率泡,或者說經線氣泡,它就像一輛汽車沿著經線行駛在高速公路中一般。

懷特團隊實驗構建中的曲率泡

最早的實驗想法來自 阿爾庫維雷教授在1994年的一篇論文中指出, 曲率泡允許一個人在任意短的時間內穿越任意長的距離,并且這種運動不會打破光速本身。

被扭曲的空間狀態

這是現實中科學家提出的 曲率相關理論,并且大多數曲率引擎的討論都來自阿爾庫維雷的理論模型。

但如今這個理論模型陷入到了一種僵局中,盡管相關理論模型已經迭代多次,但是曲率泡必須被 負能量包裹,這種負能量可能來自 反重力

進入曲率狀態,空間被扭曲

可惜的是, 制造負能量幾乎不可能在實驗室的條件下誕生

好消息是,想要制造負能量也不是不可能,解放方案可能來自「卡西米爾效應」。

曲率引擎實驗

NASA前工程師懷特帶領的團隊正是在這一系列相關理論模型中對曲率引擎做出了討論, 在他們的實驗設計中,曲率泡可以被制作出來

懷特團隊的平行板腔設計

首先是 研究動態真空模型對平行板腔中表現出來的卡西米爾能量分布結構可能性的預測。

科學家分析了與之相關的幾何結構,其中包括一個 標準的平行板卡西米爾腔,該 腔體中配備有沿腔平面排列的柱子

懷特團隊的動態真空模型預測中,平行板空腔中存在的負真空能量密度不是各向同性的,空腔中存在變化的能量密度場。

據推測,卡西米爾腔中的能量密度結構與真空波動中的小極化場耦合,這會導致沿腔中平面起源并終止于接地的小型非零靜電場空心墻出現。

實驗的結果表現

如果這些空腔可以做得足夠小,并以足夠大的數量排列在一起增加儲存的能量,那麼就可以在實驗室環境中檢測到這種預測的瞬態電壓信號的幅度以及持續時間。

但是 關鍵在于,如果卡西米爾腔中的柱子存在會起到屏蔽自身的作用,這會導致它無法看到預測的負真空能量密度梯度。

為了研究這一問題,科學家們做了實驗分析。

板-板和板-球案例的驗證運行圖

通過模型演示,空腔中的柱子存在確實會擾亂場,但它實際上有助于將柱中看到的有效負真空能量密度略微增加3~5倍。

分析結果進一步表明, 在沒有柱子的情況下,柱子不會以一種阻止它看到的空腔中的場強方式對自身進行不利的自我屏蔽

相反,這會帶來略微升高的狀態。

在進一步的模型構建中,懷特的團隊引入了 阿爾庫維雷度量,并且已經確定和討論了關鍵元素。

科學家們對曲率泡概念的奇異物質要求和定制卡西米爾腔的數值分析結果進行了比較。

圓圈代表 位于腔中平面的球體

結果顯示,基于模型平面中帶有圓柱的平行板腔的自定義卡西米爾腔的結果,科學家 假設了一個玩具模型

該模型由一個 直徑為1微米的球體組成,球體懸掛在一個 直徑為4微米的圓柱體中。

如果可以制造具有這些類型的 納米結構芯片(一種懸浮在納米管中的納米球),那麼就可以設計一個實驗并進行測試。

通過測量電流通過球體中心的微小導體,并與電流通過沒有外管的鏡像系統運行的時間進行比對。

如果能夠觀察到傳輸時間的差異,那麼便可以證實曲率泡在納米級空間產生

與 阿爾庫維雷度量相關的運動

無論這個氣泡看起來有多小,這將會人類的一個偉大進步。

需要說明的是,整個實驗設計和發現都是理論階段,限于技術條件,目前人類還無法制造這種微小又精密的裝置

而且更重要的是,實驗只要成功,便不再是理論上的模擬,而是人類真正可以在物理層面實現空間翹曲,將飛船帶往另一個星系。

未來的可能

為什麼實驗進展到這里會如此困難,除了懷特團隊的理論外,我們前面也提到了卡西米爾效應。

這是目前驗證曲率引擎可行性的關鍵,也是阿爾庫維雷關于曲率引擎討論的重點。

要理解卡西米爾效應,首先必須了解關于空間真空的知識。現代物理學中的真空定義不是完全空無一物,假設真空充滿了 永遠無法消除的波,例如電磁波。

能量在空間中運動永遠不會停止,所有波的運動會有自己的波長,它們的存在意味著空間中包含一定的能量。

卡西米爾教授

這一概念由 荷蘭物理學家卡西米爾的名字命名,相關概念最早出現在1948年關于電磁系統的研究中。

我們可以將其理解為巨觀材料界面的存在,例如導電金屬和電介質。

這會改變二次量子化電磁場能量的真空期望值,由于該能量值取決于材料的形狀和位置,因此卡西米爾效應為這些物體之間的一種力。

舉一個例子,在真空中面對面放置兩面鏡子,一些波會夾在它們中間并來回反彈,但另一些卻不會。

不過隨著兩面鏡子彼此靠近時,較長的波將不再適合兩面鏡子內的空間。

結果便會導致板之間真空中的總能量將會比真空中其他地方的能量少一些。

卡西米爾效應的展示

所以鏡子在此時會相互吸引,就像兩個被拉伸固定在一起的彈簧,隨著彈性勢能的能量減少,彈簧會彼此靠得更近。

但問題在于,現實生活中不會像卡西米爾想的那樣是完全光滑的平面鏡

現實中的鏡子也不會完美地反射所有頻率的波,另外在極高的頻率下,鏡子反射效果會失效,由此變得透明。

很難有這樣理想的鏡面

這也是為什麼懷特團隊的實驗設計會如此艱難,但是一旦成功就是新的突破。

并且值得一提的是,曲率引擎所需的負能量極大,至少需要一顆行星質量那麼大,并且可以進行壓縮的能量,這樣才能利用引力效應,避免對負能量的需求。

所以就目前來講,曲率引擎仍然只能存在于電影中,但這并不意味著不存在可能性。

科學家的努力在今天也不全然只是空洞的理論,人類科技在今天其實是一種全面發展的狀態,各個學科都相互交織在一起。

新的發現總會給人帶來希望,而這種希望正是我們前行的動力。

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