關於太空旅行的爭辯:人類能否製造出比光速快的曲速引擎?

太空旅行是否可能成真(圖:NASA/Les Bossinas )

物理學家仍然沒有放棄快速穿梭於宇宙的夢想。事實上,墨西哥國立自治大學National Autonomous University of Mexico)核子科學研究所的米給爾·阿庫別瑞教授(Miguel Alcubierre),很早就提出一個極度先進的方法來實現此夢想。

科幻影集的啟發

阿庫別瑞教授的構想來自科幻影集《星艦迷航記》(Star Trek)。在影集中,太空船靠著「曲速引擎」(warp drive)驅動,在宇宙穿梭。不過劇中太空旅行的概念,違背了愛因斯坦的狹義相對論,因為比光速快的飛行是不可能的。

不過,加入奇異物質(exotic matter)的假設條件後,這種科幻小說中的發明,似乎就能符合愛因斯坦廣義相對論的範疇。於是物理學家開始計算及討論,是否真的能製造出曲速引擎這樣的裝置,並使用於太空旅行中,不過目前尚未得到結論。

阿庫別瑞教授思考能否建構出一個類似曲速引擎幾何形狀的時空,讓超越光速的旅行成為可能。他想到的解決方法,是建構一個廣義相對論方程式的特例,一個曲速泡(Warp bubble)的模型。

假說理論

曲速泡的作用是先縮緊在太空船前端的空間,然後擴張太空船後端的空間,在泡泡內的太空船就能以感覺比光快的速度,但其實是靜止的狀態,被泡泡帶著在太空中行進。例如,距離地球最近的星系為 4.4 光年外的南門二星系(Alpha Centauri)。將一艘太空船放在曲速泡內,這個泡泡會將前方的宇宙縮成幾公分的長度,然後再於後端將其擴張至 4.4 光年,最後將太空船從泡泡中彈出。如此一來,這艘太空船就能用比光速快的時間,抵達南門二星系。

阿庫別瑞博士將此概念比喻為機場的電動步道。他提到:「你只要站在電動步道上就會移動了。你根本不需要動,它就會帶你前進。這個想法的關鍵在於廣義相對論中並沒有限制太空擴張的速度,太空是可以用任意的速度擴張的。」

難以達成的限制

然而,要能達成阿庫別瑞博士所描述的曲速泡,還缺少一個現今仍不存在的東西,也就是一種能量密度為負的物質。所有的已知物質,包括恆星、岩石、熱狗、人類和一切事物,因為遵守質能守恆公式 E=mc2,都具有正值的能量密度。

正常的重力場會使空間收縮。但負能量具有反重力的效果,能將空間一分為二,而這正是一個曲速引擎要用來擴張空間所需要的東西。物理學沒有否定負能量場存在的可能性。例如卡西米爾效應(Casimir effect),這是一種奇怪但已證明存在的量子力學現象,所描述就是在真空中仍可產生電磁力,將物質彼此拉近,彷彿真空其實不空(有物質才有能量產生)。卡西米爾效應能應用來產生負能量密度。

而即使能達成負能量密度,早期的計算顯示,曲速引擎需要幾乎不可能產生的超大能量,比起宇宙中存在的所有能量還要多。即使物理學家之後降低該數值的估算,但其數值仍相當於將整個木星質量轉換成能量,如此不切實際的天文數字。

此外,還有其他待解決的問題。物理學家正在爭辯的問題包括:需要多少能量才能扭曲空間?是否需要如同鐵路般,沿著太空艦艇所經的路線設定時空曲速設備?艦艇人員有辦法駕馭曲速泡嗎?從泡泡出來是否會造成聲爆,導致目的地被摧毀?

遙遙可及的夢想

如果超越光速的旅行是可行的,就能將其應用於時空旅行。但這又違反因果關係(causality)這個物理定律,也就是未來不能改變過去。顯然,曲速引擎可能最終只是短暫的科學海市蜃樓。隨著科學家越來越理解宇宙的基本定律之後,他們或許就能證明這一切都是不可能的。

不過,休士頓林頓·詹森太空中心(Johnson Space Center)物理學家哈羅德·懷特博士(Harold G. White)表示,他領導的研究團隊已找到一種方法可構造出原本只是假設的負能量物質,如此一來就能做出曲速引擎。然而,懷特博士仍強調:「我們只是將這個想法,從完全不可能轉到或許可行而已。但我們並沒有說其必可實行。」

至於提出這個構想的阿庫別瑞博士,現在也對這個概念不太樂觀。他表示:「我的想法沒有改變太多,僅管我可能對其越來越懷疑。而且我從來沒提過關於太空船的部分;我甚至不知道要從何開始設計出一台。我得說這個構想大概是不可能的,即使可行,我們可能離達成此目標還有幾個世紀的路要走。」

 

參考資料:

  1. Chang, K., (2018, November 19). Where’s Our Warp Drive to the Stars? The New York Times
黃威翔
黃威翔 98 文章
清華大學材料工程學系碩士畢業生。一個喜歡學外語,但又在科學領域打滾的平凡人,喜歡美食,日劇,電影,旅遊。

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