能不能解释一下曲速引擎?如果从概念到实际运用,要考虑什么后果?

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29个答案
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章鱼喵.时见疏星理论物理专业,西夏文爱好者

2013-05-29 16:54


什么是曲率引擎
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Warp drive 作为一个科幻概念,在 Star Trek 中被发扬光大。相比 Heart of Gold 的 Infinite Improbability Drive[4] 而言,warp drive 是一种更加切合实际的设想。

## 什么是 warp drive

Warp drive,其实就是通过操控空间来从一个地方移动到另一个地方的推进技术。

如果把空间看作是橡皮膜,那么 warp drive 实际上就是在通过压缩前方的空间,拉伸后方的空间来「移动」的。就是说,我们想从 A 点出发到达 B 点,实际上我们只需要把飞船前方的空间压缩一下,全部拿到飞船的后方来,不就可以到达 B 点了么。有点像是,「我不过去,山会过来」。如果我们仅仅操控空间,而不影响时间,那么就太好了,我们可以从 A 以任意速度到达 B 地点,但是总会花费一点时间,因为我们把空间这块橡皮膜压缩起来或者伸展开去总需要一定的时间吧。

这种推进有种很大的优势,那就是飞船里面的人不会察觉到飞船移动状况的改变,因为局域的来看,我们实际上根本没动嘛。

## 推进器的重要参数 —— warp factor

在 Star Trek 中,速度一直是使用 warp N 来表示的,warp 1 表示一倍光速,其他的按照

来计算,其中 v 是闵氏时空中的测量速度,c 是光速,w 便是 warp factor(扭曲因子,wikipedia 上翻译为「曲率层级」,我觉得不够直观)。一开始的时候,开到 warp 5 就已经不得了了呢。

后来的剧集中,Okuda 更改了 warp factor 的定义,新的定义为 warp factor 为 1-9 时

而超过 9 就直接手绘了一条趋向无穷的曲线。到了 1995 年,有人给出了一个解析公式。[5] 下图是 wikipedia 中的新旧 warp factor 的对照表以及其能量需求等等量直接的关系。


## 能源

在 Star Trek 中,核心的能源是正反物质湮灭提供的,也就是电视剧中的 warp core. 在理想的情况下,这算是最大程度的利用了物质所含能量。所以如果需要用到常规物质的作为能源的话,我们有希望能像电视剧中一样将物质按照 E=mc^2 转换成可利用的能量。

## 从科幻到科学

看起来 warp drive 相当不错,可以达到很多倍的光速,而且时间膨胀效应很小,所以 warp drive 就是我们理想的载人航行器!

可是如何实现这类曲率引擎呢?

在 1995 年,S. V. Krasnikov 提出一种可以用来连接空间两点的便捷「管道」[6],这个「管道」可以使得你从地球出发到达却立刻即到达 20.3ly 那么遥远的 Gliese 581. 问题在于,这个管道是需要修建的,第一次修建的时候,还是需要一个亚光速飞船……

因此我们暂且排除 Krasnikov 这种方法。Krasnikov 这种方法类似于 hyper jump,广义上来讲,可以跟 warp drive 归于一类,但是因为第一次使用需要修建这一点,所以不能满足大家的要求。

后来有一位 Miguel Alcubierre 提出了一种神秘的度规,这种度规恰好可以帮我们实现曲率推进,该度规就被称为 Alcubierre metric. [7]

Alcubierre 度规是像是一个可以将飞船包裹起来的时空泡泡,泡泡内部还是正常的闵氏时空,然而这个时空泡泡却有一个时空剧烈变动的外壳。

Einstein 的场方程的两端可以分别是物质和时空

现在要做的只是设计一个合理的度规,然后按照上面的方程解出所需要的物质的分布和特性。


## Alcubierre 度规

Alcubierre 度规可以从 ADM 形式中猜出来,但是这个 Alcubierre 前辈已经写出来了,抄过来:

其中,




并且 σ>0,R>0。

怎么看这个度规呢,其实我们可以把飞船看做一个点,放在并让飞船的轨迹沿着 x 轴,然后 可以看做是离开飞船的距离。然后我们看一下这个函数的渐进行为。这个函数里面的 σ 这个参数是用来调节 tanh函数的陡峭程度的,同时也可以调节 f(rs) 这个函数的陡峭程度。下面我们看一个极端情况

也就是说,这是一个帽子函数。σ越大,这个帽子就越陡,而且中心越平坦。 实际上这保证了离飞船比较远的地方依然是闵氏时空。

好!有了 metric ,你就可以依据这个 metric 来计算所需要的物质了,然后就是如何得到这种物质并且给出特定的分布。在这之前,你需要检验一下这个度规是否真的满足我们的需求,对不对?
首先,检查一下飞船远处的时空状况。此时 rs 很大,度规退化成

恰是闵氏度规。

这样形象的来看,飞船就是被包裹在一个「时空蛋壳」里了。那么这个飞船可以行进多快呢?答案是想多快就多快。

因为飞船的移动完全依赖于 vs 的大小,我们通过调节这个参数的大小,就可以调节飞船在无穷远的人看来的「移动速度」。而且,Alcubierre 证明[8],这种移动没有时间上的膨胀效应,也就是说,在无穷远的人看来,如果飞船花了一天从 A 地点到达了 B 地点,那么飞船上的人也是同样这么认为的。完美。


## 有何问题

但是,人生最厉害的就是这个「但是」,此推进技术有很多的问题。暂且不管它对一些不是那么确凿的物理定律的违背,在实践上,有个很大的问题是:

该引擎需要消耗难以想象的能量。

最初别人估算的是即使消耗掉了整个可观测宇宙,我们都没法移动一个足够大的距离。但是后来的一些估算显示,如果要推动一艘 1000的飞船会消耗掉整个木星。

另外,如果有 QFT 的限制,这种驱动是有个速度上限的。诸如此类。



## 参考资料

1. SETI, Search for extraterrestrial intelligence ↩
2. Gliese 581 d, 是一颗围绕红矮星 Gliese 581 公转的行星。该星系位于 Libra 星座内。我们于 2008 年向该行星发射无线电波,预计2029年到达。顺便提一句,该行星并不是一直位于此星系的 Habitable zone 之内,而是有一大半的时间不在 Habitable zone。关于此行星的更多资料请看:Exoplanets.org:GJ 581 d ↩
3. 星际移民局, Interplanetary Immigration Agency,简称 IIA. 是一个虚构的非营利性组织。该组织倡导自由的星际移民。 ↩
4. 出自 「Hitchhiker’s Guide to The Galaxies」,详细内容参见 wikipedia 词条: Technology in The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy ↩
5. 见中文维基百科词条: 曲率引擎 ↩
6. Krasnikov Tube, wikipedia 词条:Krasnikov Tube,这个 wikipedia 词条提供了一个更加科普性的链接;Krasnikov 的论文:arXiv:gr-qc/9511068v6 ↩
7. Alcubierre drive, wikipedia 词条: Alcubierre Drive ↩
8. 这个地方我有点怀疑 Alcubierre 的说法。暂且留待以后检查吧。 ↩

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(全文在此


什么后果
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理论上来说,除了消耗能量太大,之外,暂时还不确定有什么后果。

不过,如果处理不好的话,确实会有一些问题。

目前大家也只是有个关于如何让这个时空泡泡带着我们前进的理论,并没有一个好的生成泡泡和从泡泡中出来的相关理论。这其中生成泡泡和从泡泡中出来,很有可能会成为这种推进方式产生严重后遗症的最大隐患。直接在时空上操作,可能导致某些区域的时空变得很诡异,而生成泡泡和跳出泡泡又更加靠近我们的出发和目的地,所以如果处理不好,强大的时空拉伸梯度可能导致路径上的一些星体的破坏等等。

这些还只是假想,并没有严格的理论上考察。

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西游记里早有这技术了。孙悟空想快速追赶的时候,有个【缩地】的能力,他走路的速度没变,但在他看来,他前方的路缩短了!这就是压缩空间嘛。

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FelixHJ建筑结构工程师 自然科学爱好者

2013-05-31 10:56

让自己越过一座山跟把整座山搬到自己身后这能量差别太大了

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支持者: Rainvy

其实问题的重点在于,假如能够操控如此级别的能量,那么用曲率引擎还是别的什么方法,就不是很重要了。。。

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圆滚滚病毒学硕士,法学学士

2013-05-30 18:21

呃……完全看不懂,三体里说的那种飞船和这个是一个概念么?
噢对了不知道有木有人记得机器猫里有一个大长篇,多啦A梦跟大雄解释一个什么空间旅行的理论的片段
就是机器猫问大雄两点之间最近的距离是什么,大雄说直线,机器猫说不对,是直接把纸叠起来,两个点就在一起了……0.0 哎,我有跑题么……?

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实际运用的话,真能造出来么...

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支持者: 巴别她她她

真正的星际飞行的基本公式已经建立,这充分说明星际飞船是完全可行的^^

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GZ4M各种业余爱好者,某镇守府提督.飞行员兼坦克车长....

2013-05-30 21:01

Warp Drive Active
Jumping

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我反正怎么看怎么像是三体里边的。。。

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就像扭曲物质一样,扭曲空间也有可能造成空间的异常甚至坍塌哟

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结合时空泡与管道建设可以节省资源(理论上)

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那个复杂的解释完全没有看懂...天书的感觉.
..如果要是简单的理解为 空间如纸一样折叠起来。然后从A跳到B。
那空间折叠 这个过程 要多少时间呢...是个什么速度呢

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我的问题是,如果是压缩前面的空间,拉伸后面的空间。已经压缩和拉伸的空间还能让别的船舰压缩么?

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三体里面有,可以看做这样,改变水的密度,让船跟着密度渐变的水走,不耗费动力。曲率也一样,改变空间曲率,让飞船跟着空间的曲率划着走。

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传说古时候有一种很实用的道门法术叫做“缩地成寸”,缓缓前行瞬息万里,跟曲率引擎的原理和现象都差不多

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有人验证一下EmDrive么。。。毕竟这东西个人财力就能验证了。特别是那个关于频谱集中性和效率的关系的结论。

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苗方方作为一个腐女,要比别人有常识

2016-02-13 17:02

宇宙战舰大和号啊……

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我也不是太懂这个东西

不过举个不太恰当的例子来说,某个科学家住在天津。老婆跟隔壁老王去上海旅游了。就这样,时间渐渐的过了五年。

五年后他突然感觉事情不太对劲,于是到了个电话找到了老婆,他要老婆回来。但是他等不及,他又有无穷的力量,顺着老婆的火车的那条线用力的拉,将上海到天津的距离无限拉近

那么老婆坐火车的速度为5,上海到天津缩短距离为6.那么他老婆实际运动的速度就是5+6=11.这个过程就是“曲率航行”

至于副作用,显而易见的。他看到他老婆带回了一个完全不认识的小孩,老婆也心神不定科学家终于明白了一切,嚷着要回东北老家。

结果一看,从秦皇岛到赤峰已经隆起了一座比珠穆朗玛峰一样高的山峰。整个东北已经与世隔绝,只能跟朝鲜人俄国人玩儿了。

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没有超光速的吧,是以光速前行时时间变慢

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比如在纸船后方放一块接触水的小肥皂,就能看到船在自动前行……这跟曲率引擎的感觉有点像,相当于前面的空间利用曲率差把后方的东西“拽”过去了……当然一楼已经解释得很详细了……(前面的实验部分来自《三体》~~)

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珀西_比希_骏现实理想主义者

2013-05-30 21:52

理论是很完美,但问题的关键是,我们怎么来改变空间的曲率(摊手)

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茶水仙人_雨翔工程管理硕士 蒹葭汉化组组长

2014-04-03 10:16

其实不用那么复杂了,机器猫的时间机器已经给你解释的很清楚了。
那个时光机既能穿行于时间,又能穿行于空间。

简而言之就是把起点A和终点B看作一张纸上的两个点,现在从A到B需要走的距离就是AB连线的长度;空间跳跃的话,就是把纸弯曲,让AB点贴在一起,这样AB连线的长度就无限小了。

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射秽主义溅射软件工程师,反病毒达人,数学控

2013-05-22 14:59

引擎详见各种百科

要考虑实际。。。

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三体。。话说这个是科幻小说共有资源还是谁抄谁?。。。

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信得化学工作者

2013-05-30 22:04

看《三体》吧,第三部后面有详细介绍,根据书里面的说法,曲率驱动飞船可以超过光速,脱离银河系

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