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主题：星际旅行观后，略谈超光速飞行 -- songcla
家园 星际旅行观后，略谈超光速飞行 
外链图片需谨慎，可能会被源头改
外链图片需谨慎，可能会被源头改星际旅行应该算是软科幻的片子了。众多以星际为背景的科幻片都面临一个重大的困难，也就是根据狭义相对论，光速是不可超越的，这样任何戏剧性的事件要以现代人类的时间尺度在星际间发生都是不可能的。大部分科幻片都选择回避这个问题，但是星际旅行这个软科幻片选择了一种叫翘曲推进的方式来超光速旅行，有意思的是，这却是最为硬科幻的选择，因为翘曲推进现在看来是一种“可能”，而且是根据现有可靠的物理理论。
在广义相对论里时空是根据物质能量的分配而被决定的，翘曲推进设想飞船前边的空间透过飞船周围特殊的能量和分布被缩短，而飞船后部的空间被伸长，虽然飞船本身是运行在光速以下（因此不违反任何狭义相对论），但是飞船能够在很短的时间能穿越巨大的空间距离而不受光速上限的限制。
这个理论有好几个好处。第一，飞船的实际速度可以非常小，因此时间膨胀效应可以忽略不计，这样主人公不会在挽救人类后发现自己的心上人已经是白发苍苍的老奶奶。第二个好处是飞船的加速度实际为零，这样各位面有菜色的理工wsn不用魔鬼训练也可以yy变身宇航员拯救地球了。
看官要说，好啊，那我们还等啥。问题在于现在没有任何人知道如何在飞船周围建立如此的特殊能量分配，甚至原则上是否可能建立也是有人怀疑的。不过，这个推进确实也似乎不违背现有物理理论。
希望感兴趣的看官可以把它用到你的下一部科幻小说里。
提醒一下宇宙是如此之大。即使飞船的有效速度为1000倍光速，穿越银河系要100年，到达最近的比邻星系要2000年。不过没有关系，银河系有400亿颗恒星，已经是无限广大的舞台了。比风帆时代的加勒比海盗的舞台更加适合幻想故事。
通宝推：山远空寒,家园 可行吗？ 对星际旅行感兴趣的河友不妨看看卢昌海的科普网站外链出处关于wormhole的篇章。简单地说，对空间的弯曲或拉伸，必然伴随着巨量的能量需求。因此所有此类构想，都将面临着一个问题：从哪里找到相当于太阳系质量的十万亿倍的物质？
家园 送花！我是Star Trek 的粉丝 最近又在复习Enterprise.
家园 多大能量能解决这个问题？ 看了电影和cla有过相同的思考。我觉得里面的曲速旅行有点压缩空间的意思，也不知道这样说准确不准确啊。空间的折叠总是有可能的，问题是需要很大的能量。企业号最后弹出的引擎能引爆黑洞也可见一斑。
家园 光速是能量问题还是理论问题 好像看过一些文章，说光速就是宇宙的刻度，理论上是只能无限接近而不可能达到的。
家园 那光的速度是光速吗？
家园 这不就是“缩地成寸”么 飞船前边的空间透过飞船周围特殊的能量和分布被缩短，而飞船后部的空间被伸长家园 天文学家预言太空旅行的速度将会比光速还快 据《星期日泰晤士报》报道：天文学家预言太空旅行的速度将会比光速还快。一向保守的皇家天文学会发表了一份报告，这份报告的观点与爱因斯坦的理论相悖，它预测说，人类 将能以比光速还快的速度进行太空旅行。这份报告是由伦敦大学学院的天文学家伊恩·克劳福德撰写的。 他认为，人类有朝一日能在很近的距离内观察各个星球，最好现在就开始对各种结果做好准备，其中包括 与外星人进行接触等。
克劳福德的这篇论文题为《有关太空旅行速度超过光速意义的一些思考》，它已得到部分科学家的肯 定。该论文正好是在英美两国科学家成立星际推进学会（IPS）的时候发表的，星际推进学会是一个致力于 发现将宇航员带到各个星球去的手段的机构。
克劳福德称，现代物理学认为，有两种可能绕过爱因斯坦理论的方法进行太空旅行，第一种方法是通 过“虫洞”，即太空构造中由强重力场造成的裂缝。爱因斯坦认为，物体在以光速运动时有无限大的质量， 没有足够的能量来使它们运动得更快。克劳福德认为，太空旅行者可以从某一点进入“虫洞”，然后从可 能会相距数干光年的另一点出来。以前科学象们推断，进入强重力场的宇航员会被拉成像一段意大利面 条似的东西，而克劳福德称，最近的研究表明，“虫洞” 可以加以稳定，对其进行控制，从而创造出太空中任 意两点之间的一条捷径。他说：“证明这一点是复杂而又严谨的，但是越来越多的天体物理学家确信，这一 点从理论上来说是可能的。”第二种方法是通过空间翘曲推进器来实现。这种推进系统把太空飞船前面的 空间加以压缩，而对飞船后面的空间进行拉伸，从而将空间扭曲。在高深的数学领域中，时空被看作是一 条直线，在理论上是可以被弯曲的。
看来这是两个最有可能成为现实的方法了。
家园 看后有一个问题 上初中时想一个问题，如果把一个钟表的指针无限延长，比如分针。在一定长度下，它的尖端在沿圆周运动时一定会超过光速的。当时算过时针，分针和秒针分别需要的长度，后来忘了，也懒得再算了，各位老大帮忙解惑吧。
- 复 看后有一个问题
家园 相对论中是不存在刚体的 轴上的力要传导到指针尖端的速度更是远远小于光速，只能和固体中的声速相比。
- 复 看后有一个问题
家园 多谢，不过似乎觉得还是有方法的，我再想想 - 复 看后有一个问题
家园 但针尖达到光速时，其质量无穷，所以没法被推动了 所以，理论上这个钟表是无法运行的。
还有人说用激光在月球（或者够远的其他地方）划线。只要距离够远，月球上的光点移动速度就超过了光速。但问题在于这所谓的“光点”其实不是同一个物体。
家园 不是这个概念 这个是“相速度”，不是光子的“群速度”
相对论说的是光子的运动速度，也就是群速度
群速度传递信息，项速度不能
- 复 看后有一个问题
家园 模型太简化了，现实中不存在零质量刚体做指针
家园 接着讨论如何建立时空泡 作为前理论物理学生和科幻爱好者，我对warp drive也是保持持续关注和想象。
最初的star stek是将时间维作为突破，是time warp，事实上还是保持了经典的（包括狭义相对论）时间是单独的变量而不是物理量的思路。后来，显然是有高人指点，将此完善成了广义相对论框架下的“引力场位移流形”，也就是时空泡，并从此吸引了无数物理学家当作闲时练笔。至于最初的高人到底是谁，有一大堆的各种说法。star trek的fan很多很有组织，有详细的调查报告（只是好像结论还是不明）。
warp drive最关键的当然是要改变引力场。根据广义相对论，改变引力场也就是要改变质量分布。作为飞船，改变质量分布当然得要靠能量去填。这个能量是巨巨巨巨巨巨大的，因为考虑到E=mc2，无数的能量填进去都只能等价于一点点质量。原子弹氢弹爆炸的释放能量，其实只有极微量的质量被转换，有兴趣的可以去算算。
在star trek中，一般都是保持了这个说法，就是用反物质来造成位移场时空泡。这也是当时所能想到的最可能的改变局部引力场的能量来源。物理学家则比较与时俱进，当宇宙暗物质和暗能量被主流物理界接受后，就有人提出可以利用暗能量来改变局部引力场。这十几年来弦论越来越红，就有人提出可以利用超弦（一般10维）的多余维度来控制局部引力场。去年还有人论证了一番，利用第11维来完美地形成时空泡，可惜同时还论证了这泡泡是不稳定的。相信随着欧洲LHC在高能方面出的成果，今后还会有其他的能量来源。比如我曾经想象利用真空涨落Casimir效应，说不定真的会有人提出具体论证……
也有反对的。一个有趣的反对理论是，虽然自己不动让引力场动不违反广义相对论，但这就像第二类永动机一样。第二类永动机违反了热力学第二定律，这个warp engine可能也违反了广义的热力学第二定律（将时空包括在热力学第二定律的对象中）。很有些物理学家将热力学第二定律看作高于一切其他物理定律（量子论，相对论），因为热力学第二定律是基于非常简单普遍的大数数学概率，只要有足够多的对象，那么不管动力学是什么理论，最终一定会走向热力学第二定律。
最后有一个题外话，现在武器发展中，有些国家在发展一种气泡鱼雷，将鱼雷外面形成一个气泡，这样鱼雷速度奇快。我初看到这个新闻时，眼镜都差点掉了。不知道提出这种想法的天才是不是受了star trek的启发。