航空航天

《三体》航天考(三):曲率驱动

航天 推进 发动机 星际旅行 科幻 舰队 曲速 引擎

赵洋 发表于  2014-12-22 18:30

在《三体》小说引述的“红岸工程”文件中,把科学基础理论研究成果转化为实用技术分为两种模式:渐进型和突变型。其中,宇航技术的发展与突破属于渐进性,核武器的出现属于突变型。(《三体1》p121)这份文件载于20世纪60年代的《内部参考》,受时代局限,科学家并未预料到宇航技术也可能迎来“基础理论成果被迅速转化为实用技术”的突变。曲率驱动就是这样一种突变。

来势汹汹的三体第二舰队之所以能够后发先至,就是因为三体文明出现了技术突变,将曲率驱动技术实用化:

地球人“对三体第二舰队的观测表明,曲率驱动的宇宙飞行器加速到光速几乎不需要时间,光速飞船有可能在几十分钟的时间里从地球航行到木星。”(《三体3》p330)

利用时空特性进行光速乃至超光速飞行,绝非崭新的概念。在20世纪60年代的科幻系列剧《星际迷航》中,超光速飞船的推进装置叫做“曲速引擎”。影片中,只见星舰舰长一声令下,机器运转,飞船前方的星星都被拉成细线。片刻之后,星舰出现在遥远的目的地,速度比光速还快……

曲率驱动的原理

要理解空间曲率(或曲速)驱动的原理,不妨设想这样一幅场景:你和一只猫坐在一张地毯的两端,猫以速度c(这也是它在地毯上奔跑能达到的最高速度)向你跑来,这时你以速度z猛然拽动地毯,把地毯和在地毯上跑动的猫一并拽到跟前。在拽地毯时,猫相对于你的速度是c+z——超过了c,但猫与猫脚下的地毯是一并移动的,它并没有超过自己在那块区域的速度极限。现在,把猫替换成飞船,把地毯替换成宇宙空间,把拽地毯的动作替换成曲率驱动,把c设为光速,你就得到了曲率驱动的基本图景。

曲速引擎的原理是将空间拉伸,这与虫洞折叠空间正相反。有趣的是,近年来科学家发现,科幻片中的曲速引擎竟然并不违反物理法则。

1994年,物理学家米基尔•阿库别瑞(Miguel Alcubierre)提出可用波动方式拉伸空间,使飞船前方的空间收缩而后方的空间扩张,飞船在太空里“乘”着空间的“波浪”前进。这个“波浪”区间叫做“曲速泡”,里面是一块平坦时空。飞船在泡内并非真的在移动,而是被泡带着走,并不违反物理学中的“光速最快”限制。目前还不知道怎样引发这样的波动,或是一旦引发了,飞船该怎么离开它。因此,阿库别瑞发动机仍属于理论概念范畴。对此,美国国家航空航天局突破推进物理项目的前主管马克•米利斯指出,在宇宙大爆炸后早期的快速膨胀期间内,时空以远高于光速的速度向往膨胀,“如果大爆炸能做到,为什么我们的飞船做不到?”答案在于能量。宇宙大爆炸具有开天辟地的能量,如果人类也能掌握这种能量,拉伸空间就不是难事。

《星际迷航》中的曲率驱动飞船。图片来源:howsyourrobot.com

在《星际迷航》中,飞船首先使用曲速线圈产生“子空间场”,当其呈现不对称蠕动形式并达到一定场强之后,会成为“曲速场”。此时飞船就处在曲速泡中,从而完成超光速的星际旅行。至于其中的具体技术细节,只有天知道。

细细推敲起来,《三体》中的曲率驱动与在《星际迷航》里出现、又经阿库别瑞阐发的曲速驱动并不完全一样。大刘写道:“一艘处于太空中的飞船,如果能够用某种方式把它后面的一部分空间熨平,减小其曲率,那么飞船就会被前方曲率更大的空间拉过去,这就是曲率驱动。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。”(《三体3》p301)可见,《三体》里只承认“无限接近光速”的扭曲空间飞行,没有涉及超光速的曲速飞行。

2008年7月,美国贝勒大学的两名物理学家宣布,人类可以借助巨大的能量控制更高的维度,并最终开发出速度可以超过光速的曲率驱动飞船。其中一位物理学家格罗德•克里夫(Gerald Cleaver)认为,可以根据广义相对论和弦理论研制出这种曲率驱动飞船。宇宙大爆炸发生后的很短时间内,空间构造的运行速度比光速要快,航天工程师所要做的只是在飞船四周重建这个宇宙膨胀期而已。尽管这个提法在理论上没有破绽,但接下来的问题是如何扩充飞船后面的空间和缩小飞船前面的空间。克里夫和他的合作者理查德•奥伯斯(Richard Obousy)认为,通过操控11维空间就可以构造出这种能否拉伸的空间。11维空间是M理论(弦理论的后继理论)中的一个特殊构想。如果飞船背后的11维空间能缩小,那么就可以构造出包含暗物质的气泡,这些暗物质能随着时间的推移而使宇宙加速运动。与此同时,在飞船前面扩充11维空间能够降低光的速度。这两个步骤需要独立进行,但是如何对11维进行扩充和缩小,目前还不得而知。

克里夫表示:“这些计算是基于一些相当超前和令人感到陌生的技术。使用这些技术并借助巨大的能量,我们就可以操控更高的维度。”科学家们目前需要测算所需能量的大小,在技术允许的情况下,改变维度需要1045焦耳能量。根据公式E= mc2,这些能量需要将整个木星的质量都化成纯能量才能获取,远远超出了当前人类能够掌控能量级别。

内在矛盾的局限性

曲率驱动堪称“终极”航天推进方式。但完美之物并不存在,它也有发明者未曾预料的局限性,其中,航迹暴露便是大刘设想出的一个主要弊端。

防范三体人来袭的人类观察者发现,三体舰队显然能够在极短的时间内达到或脱离光速,但它们却不敢在三体星系或太阳系附近这么做。舰队起航后,用了整整一年时以常规速度航行,直到与三体星系相距六千个天文单位时才进人光速;在距太阳系同样距离处脱离光速降至常规推进速度.这段距离光速航行只需一个月,舰队却不惜再花一年的时间用常规推进航行。这样,第二舰队的航行时间比完全光速航行整整多出了两年。(《三体3》p147)

能想到的解释只有一个:这是为了避免四百一十五艘飞船进入光速时对两个世界产生影响。……一个显而易见的事实:曲率驱动飞船在进人光速的加速段会留下航迹。三体第二舰队用了一年时间进行常规航行,在距母星系远达六千个天文单位时才启动曲率引擎进人光速,是为了避免因曲率驱动航迹暴露母星文明。第二舰队在距太阳系六千个天文单位的远方就匆匆脱离光速也是这个原因。(《三体3》p335)

时空扭曲会使光线“弯曲”,透过曲率驱动航迹观察后方天体,会产生哈哈镜一样的扭曲效果。这种扭曲将暴露曲率驱动飞船的航迹。

更可怕的是:

“在曲率驱动的航迹上,空间的结构也被改变了,如果把同样的第二艘曲率驱动飞船放在第一艘飞船的航迹范围里,它将寸步难行。”(《三体3》450页)

这将使宇宙的空间结构变得支离破碎,大大限制了曲率驱动的大规模应用。

除了会在科幻小说的时空中留下雪泥鸿爪外,现实世界的科学家也发现这种曲率驱动技术存在着不易克服的内在矛盾。

2002年,有研究表明,对于进入曲率飞行状态的飞船而言,无法向“曲速泡“的前方发送信号,这就意味着宇航员将无法操控飞船。

这还不是最糟糕的。更新的研究显示,曲率驱动飞船很可能无法安全脱离超光速状态。2012年初,悉尼大学物理学院的几位教授对阿库别瑞曲率驱动发动机进行计算机模拟时发现,扭曲时空是有风险的。在超光速飞行时,与“曲速泡“所含能量相反的粒子将在泡前方堆积,有些粒子甚至会进入到曲速泡中,形成累积效应,曲速泡飞行的距离越长,前方堆积的粒子就会越多。

当飞船最终到达目的地开始减速时,一路上积累的大量能量会在瞬间全部释放,足以毁灭任何与其接触的物体。一直隐藏在曲速泡中的粒子也会对飞船本身造成威胁。比如,飞船在路过尘埃云时意外脱离了曲速泡,灾难性的碰撞就会发生;如果飞船在距离目标行星过近的地方减速,意外释放的能量会在瞬间把这颗行星从星图上抹去。

尽管如此,能够达到甚至超越光速的曲率驱动堪称航天推进皇冠上的宝石,足以诱惑一切有实力的技术文明去探索。何况,它还是主动逃脱“黑暗森林“打击的最有效方式。其实,星际飞船的速度越高,生存概率越高。《三体3》中有记载为证:亚光速的三体第一舰队最终“建立了殖民地,就在距这里一百光年的范围内。”还有,“金牛座附近爆发了一场大规模战役,很惨烈,残骸形成了一片新的尘埃云。我们可以肯定其中的一方就是三体第二舰队,不知道另一方是谁,战役的结果也不清楚。”

从这只言片语的描述可知,配备巴萨德冲压发动机的三体第一舰队尽管在尘埃云中损失惨重,但总算找到了生息之所;掌握曲率驱动技术的三体第二舰队虽然航迹暴露,至少也获得了面对敌人拼死一搏的机会。若如小说中的地球人一样,固步自封、压制技术发展,只能连逃生的机会都葬送掉。

至此,《三体》三部曲里陆续登场的关键航天技术已基本“考证“完毕。地球人与三体人从分子间作用(化学火箭)起步,进入原子核(核火箭)以及核子范畴(巴萨德冲压火箭),最终达到物理学的基本层面——对时空本性的利用(曲率驱动)。随着他们对物理原理的利用越来越高超,航天器的速度也越来越高,直至超越光速。从现实向科幻一路走来,涉及的科技原理愈发天马行空,有些在工程上或许永无实现的可能。但穷尽科技的种种可能性,探讨人在其中的命运,恰是以《三体》为代表的科幻作品魅力之所在。(编辑:Jerrusalem

在《三体》航天考(上)与(中)里,我们还讨论了有关太空电梯、光压驱动和核聚变驱动的航天技术。请移步:《三体航天考:太空电梯和阶梯计划》《三体航天考:推进系统

扩展阅读:

本文节选自果壳阅读出品《太空将来时》(赵洋著)

热门评论

  • 2014-12-23 00:48 素食者
    引用文章内容:金牛座附近爆发了一场大规模战役,很惨烈,残骸形成了一片新的尘埃云。我们可以肯定其中的一方就是三体第二舰队,不知道另一方是谁,战役的结果也不清楚

    小说中这段描述总是让我想起《银翼杀手》结尾处,那位垂死的人造人的话:

    “我曾见过你们人类所无法想像的事情
    在猎户座的战火中相互攻击的太空船
    看着C射线在混沌的星门附近闪闪发光
    所有的时光都将湮没在时间的洪流中
    如同落入雨中的泪水……”

    [16] 评论
  • 2014-12-23 13:16 嘛好吃
    引用@科技让世界更美好 的话:呵呵,四级文明利用虫洞技术建成宇宙虫洞高速路网,瞬间跨越千万光年穿来插去表示毫不费力;五级文明研发穿越平行宇宙或独创小宇宙的技术,躲避宇宙的终极毁灭。

    六级文明拿着笔杆子 想怎么写怎么写

    [11] 评论
  • 2014-12-23 13:38 沐海栉山

    我觉得从逻辑上讲任何一种能与可能存在的外星文明进行接触的智慧生物,文明水平都已经爆表,也就已经不再需要与对方对立或竞争......都tm能曲速引擎了还要去抢对方的能量块么?随便弄几颗恒星放进榨汁机里不就好了嘛。或者只是为了证明自己比较厉害?

    [7] 评论

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全部评论(86)
  • 1楼
    2014-12-22 19:16 xcrv2000

    好长

    [0] 评论
  • 2楼
    2014-12-22 20:04 间客_10285

    zhttty的《大宇宙时代》里对宇宙文明的等级做过如下的设定:“一级宇宙文明使用推进力来长途飞行,二级宇宙文明不过将推进力变得更加高级,三级宇宙文明则将这个推进力进化到了质变,达到了曲率航行阶段,但是其原理依然不便,都是向前推进来赶路。但是第四级宇宙文明一下子就直接进入到了虫洞阶段,这中间的跨越之大,简直是难以想象。”我觉得还是比较合理的,目前我们人类还仅仅出于一级宇宙文明阶段。估计未来50~100年里有希望升级到二级宇宙文明。

    [3] 评论
  • 3楼
    2014-12-22 20:52 天天喝稀饭

    我要去买书。。。。

    [1] 评论
  • 4楼
    2014-12-22 22:56 大瞌睡虫TC
    引用文章内容:在宇宙大爆炸后早期的快速膨胀期间内,时空以远高于光速的速度向往膨胀,“如果大爆炸能做到,为什么我们的飞船做不到?”答案在于能量。宇宙大爆炸具有开天辟地的能量,如果人类也能掌握这种能量,拉伸空间就不是难...

    或者说,大爆炸初期光速比现在快?

    [1] 评论
  • 5楼
    2014-12-22 23:03 高维时空
    引用@间客_10285 的话:zhttty的《大宇宙时代》里对宇宙文明的等级做过如下的设定:“一级宇宙文明使用推进力来长途飞行,二级宇宙文明不过将推进力变得更加高级,三级宇宙文明则将这个推进力进化到了质变,达到了曲率航行阶段,但是...

    呵呵,四级文明利用虫洞技术建成宇宙虫洞高速路网,瞬间跨越千万光年穿来插去表示毫不费力;五级文明研发穿越平行宇宙或独创小宇宙的技术,躲避宇宙的终极毁灭。

    [0] 评论
  • 6楼
    2014-12-23 00:42 国产零零七

    想象力推动着人类的进步!

    [0] 评论
  • 7楼
    2014-12-23 00:48 素食者
    引用文章内容:金牛座附近爆发了一场大规模战役,很惨烈,残骸形成了一片新的尘埃云。我们可以肯定其中的一方就是三体第二舰队,不知道另一方是谁,战役的结果也不清楚

    小说中这段描述总是让我想起《银翼杀手》结尾处,那位垂死的人造人的话:

    “我曾见过你们人类所无法想像的事情
    在猎户座的战火中相互攻击的太空船
    看着C射线在混沌的星门附近闪闪发光
    所有的时光都将湮没在时间的洪流中
    如同落入雨中的泪水……”

    [16] 评论
  • 8楼
    2014-12-23 09:24 CHEN_63649

    上面那段话真美啊。

    [2] 评论
  • 9楼
    2014-12-23 09:31 木容

    好文章 还没看 先支持一下

    [0] 评论
  • 10楼
    2014-12-23 09:43 爱抚

    木星!木星!这里是飞船!mayday!mayday!请赶快将木星销毁!我们要减速!即将到达木星!请赶快销毁木星!不然我们无法停船! 咦!好像哪里不对!!

    [2] 评论
  • 11楼
    2014-12-23 11:25 中微子四号

    想起旧《星际旅行》里为了曲速安全问题一定要在太阳系外进入曲速,而JJ的新版(Alternate Reality)中进取号(其实我指的是iOS上的Movie FX,星际旅行包)似乎是在旧金山还是什么城市上空进入了曲速……

    [0] 评论
  • 12楼
    2014-12-23 11:46 果壳已是百度_散了吧

    这和3体有毛关系

    [1] 评论
  • 13楼
    2014-12-23 12:22 ReinhardWang

    曲率飞行的时候如果撞上了别的物体会怎么样?

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  • 14楼
    2014-12-23 12:49 JoeeII

    我是小白,弱弱的问下,假设上面那个猫与地毯的情景,然后会不会地毯速度太快,导致猫不能适应。。。猫速度c,地毯速度z。然后z远远超过c。然后就。。。。

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  • 15楼
    2014-12-23 13:13 搬运社原地搬运部部长

    那也许不能当做飞船,但是可以拿来当武器?

    真·歼星炮?

    [2] 评论
  • 16楼
    2014-12-23 13:16 嘛好吃
    引用@科技让世界更美好 的话:呵呵,四级文明利用虫洞技术建成宇宙虫洞高速路网,瞬间跨越千万光年穿来插去表示毫不费力;五级文明研发穿越平行宇宙或独创小宇宙的技术,躲避宇宙的终极毁灭。

    六级文明拿着笔杆子 想怎么写怎么写

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  • 17楼
    2014-12-23 13:25 果壳啥时能加个踩

    是不是现在不提三体两个字,有关科幻的文就没人看了?

    [3] 评论
  • 18楼
    2014-12-23 13:38 沐海栉山

    我觉得从逻辑上讲任何一种能与可能存在的外星文明进行接触的智慧生物,文明水平都已经爆表,也就已经不再需要与对方对立或竞争......都tm能曲速引擎了还要去抢对方的能量块么?随便弄几颗恒星放进榨汁机里不就好了嘛。或者只是为了证明自己比较厉害?

    [7] 评论
  • 19楼
    2014-12-23 13:51 mutemob
    引用@Ensign_Katja 的话:是不是现在不提三体两个字,有关科幻的文就没人看了?

    三体被神化的太厉害了

    [3] 评论
  • 20楼
    2014-12-23 15:35 幽鬼小卡

    其实三体1和2我都还认真读的, 到三体3了实在不行了 自诩也是个科技爱好者呢可是三体3实在太硬了啃不动

    还是这篇文章比较通俗那个猫的比喻好贴切!

    [0] 评论
  • 21楼
    2014-12-23 16:06 蓝莓菌

    滚走看三体去了

    [0] 评论
  • 22楼
    2014-12-23 16:09 charujing

    请教楼主,光速不变原理中提到光速不依赖于具体的参考系。我想也不依赖于什么样的空间,独立于具体空间而存在。那么也就是说不同的空间形式不会影响光速。那请问为什么飞船可以超光速?

    感觉自己的表述有些模糊。不知到楼主可明白我的问题?

    [0] 评论
  • 23楼
    2014-12-23 17:27 澹如秋水

    真正的大牛!

    [0] 评论
  • 24楼
    2014-12-23 17:54 墨天筝

    既然光速是恒定的,宇宙大爆炸的速度又超过了光速,那我们是不是永远也无法在实际中探测到大爆炸的那一刻发生了什么?关于宇宙大爆炸只有纯理论么

    [0] 评论
  • 25楼
    2014-12-23 18:01 天朝科学进步党
    引用@沐海栉山 的话:我觉得从逻辑上讲任何一种能与可能存在的外星文明进行接触的智慧...

    难道是变形金刚么23333。自身粒子已经是超越平常宇宙物质的不可毁灭的新元素,明明是可以统一宇宙对抗热寂的超牛逼设定,偏偏和人类打来打去什么狗屁逻辑。

    [0] 评论
  • 26楼
    2014-12-23 18:04 N-Carl

    看得我浮想联翩

    [0] 评论
  • 27楼
    2014-12-23 18:08 卢南泊万

    感觉那个空间气泡式的曲率驱动会违反动量守恒啊

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  • 28楼
    2014-12-23 19:02 yz-nini

    遥记看飞船(是青铜号不?)和水滴飘着的那段好喜欢的...

    我已经在泡泡里,谁也拉不走了.....

    [0] 评论
  • 29楼
    2014-12-23 19:29 今日飞雪

    "需要将整个木星的质量都化成纯能量"

    "光速飞船有可能在几十分钟的时间里从地球航行到木星"

    ——那我们还去木星干嘛……

    [2] 评论
  • 30楼
    2014-12-23 19:39 沐海栉山
    引用@charujing 的话:请教楼主,光速不变原理中提到光速不依赖于具体的参考系。我想也不依赖于什么样的空间,独立于具体空间而存在。那么也就是说不同的空间形式不会影响光速。那请问为什么飞船可以超光速?感觉自己的表述有些模糊。不知...


    假设将宇宙看成是一个气球的二维表面,而我是表面上的一只光速蚂蚁。我极为牛逼地从该表面上的点A以光速爬到点B,但是这已经是极限了,没办法更快。这导致我在到达点B以后陷入了深深的惆怅,以至于静止在B点不动了。就在这时!有个超空间肺活量人类(?)走了过来,拿起我所在的宇宙气球,用力地吹了起来,于是气球就膨胀,显然的,气球表面上的点A和点B就开始离得越来越远。而这个超人肺活量之大,导致这个气球膨胀得如此之快,以至于A和B点相互远离的的相对速度超过了光速——于是,我就以超越光速的速度,不断远离A点了,但某种意义上我自己是无法感知这一点的,直到这个气球爆掉,也就是空间膨胀结束时,我和点A还在爆掉前那一瞬的坐标上,这种超光速移动才算实现。

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赵洋
赵洋 中国科技馆的副研究员,科学史博士,科普作家,著有《太空将来时》等

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