《三体》航天考,曲率驱动

我们从从曲率驱动和光速飞船开始 。关于曲率驱动这个概念,在1994年由墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利(MiguelAlcubierre)第一次提出 。在《死神永生》中,提到了曲率驱动引擎,这种引擎的工作原理绕开了牛顿第二定律,驱动飞船产生速度并不需要力,而是空间本身被拉扯了 。
曲率驱动真的可以达到光速吗?现在能否做到曲率驱动?

《三体》航天考,曲率驱动


人类对速度的痴迷是与生俱来的,为了追求更高的速度,运动员可以通过更科学的训练来不断打破田径场上的世界纪录,工程师也不断的研究和推出更快的跑车和更高速的飞行器,2018年,美国波音公司连续公布了在5马赫级别(时速超过6100公里)的军用与民用高超声速载人飞机概念与方案,然而对于那些以未来的征途是星辰大海的科学家来说,这样的“高速”实在是“慢”的和蜗牛有一拼,他们心中的高速是能以光速为参照速度的飞行器,如果要想达到恒星际航行的目标,飞行器的速度至少要达到光速的百分之一(3000公里/秒,时速1000万公里以上),参考电影《流浪地球》中,经过500年加速才使地球的速度达到光速的千分之五,飞行千年才能到达最近的恒星系 。
所以,在未来的恒星际航行,这种传统的工质推进的飞行器的动力方式是不可行的 。于是,科学家脑洞大开,在现有理论的框架下,“设计”出了多重航行方式,而曲率驱动也是其中之一 。关于曲率驱动这个概念,在1994年由墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利(Miguel Alcubierre)第一次提出 。依据的理论基础就是,基于人类对宇宙的观测,认为我们的宇宙空间的形状并不是平坦的,不管宇宙是什么形状,都是存在着一定的曲率,在太空的飞船如果可以利用某种技术使其后方空间的曲率变小,应该说是绝对值变小,变得更“平滑”一些,那么飞船就会被前方曲率更大的空间“拉”过去,这样让飞船前方的空间收缩而后方的空间扩张的方式驱动飞船,而飞船本身实际上是“静止”的,飞船只是停留在一个由平滑的时空组成的“曲速泡”内,这里的时空曲率不受影响,飞船的“移动”实际上只是“乘着”这个曲速泡在走,这种设想的驱动方式就算曲率驱动 。
虽然曲率驱动不可能像空间折叠那样瞬间到达目的地,但却有可能使飞船以无限接近光速的速度航行 。也有一些科学家认为,由于这种驱动方式是利用空间的“收缩膨胀”效应,而时空本身并不受光速极限的限制,这样,曲率飞船理论上便可以实现以超光速飞行,而不违反物理学中的“光速最快”限制 。关于曲率飞行,我们可以用肥皂小船实验做一个比喻,在《三体Ⅲ·死神永生》中,程心和艾AA也是从肥皂小船实验中得到灵感,破译了云天明给出的最后一个暗示 。
实验原理和曲率飞行相似,把一艘小纸船放到水面上,由于水表面张力(曲率)的存在,纸船会漂浮在水面上,当在小船尾部放入肥皂,由于肥皂含有表面活性剂,可以降低水的表面张力,所以当肥皂溶解到水中时,小船尾部水面的表面张力降低,小船前部的表面张力不变,这样就像拔河一样地把小船“拉”到了前方,即便小船自身没有任何动力 。
既然曲率飞行可以让人类实现星际旅行的梦想,但这个梦想距离现实还是比较遥远的,因为“曲率飞行”目前仍然只是理论中可能出现的情况,并且,如果基础理论和人类的技术没有超越式的突破,曲率飞行就永远存在于科幻小说和电影中了 。不说技术上的问题,按照现有的理论来看,曲率飞行需要的能量十分巨大,用曲率飞行的方式把一个原子运输到一光年之外,就需要消耗掉大约2个太阳的全部能量 。

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