主题：星际旅行观后，略谈超光速飞行 -- songcla

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。

对于星际旅行我以前是相当的感兴趣，读书时，曾跑到图书馆翻了不少书，不过现在都忘干净了。广义相对论和狭义相对论当时翻了翻，感觉头有点变大。事实证明，我就不是学习那块料。但这个也不妨碍我对这些科幻或科学的东西感兴趣。对于星际航行和时间旅行，也只能做基本物理知识基础的理解。

除非再出个爱因斯坦，对物理学进行一次革命性的变革，提出一套划时代意义的理论，否则星际旅行就是不现实的，永远不可能成真的。

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。

人类对万有引力的认识还太浅，不过我看到过一个理论，我觉得是种不错的想法。

这个理论是基础是假设，正电荷之间的斥力与负电荷之间的斥力，是不等的，差别很微小，或者说，正电荷之间的斥力，在当前空间和负电荷之间斥力有微小差别，多维度空间效应上有滞后性，其结果是：在天体质量的宏观层次上，总体的天体物质间引力大于斥力。这个微小差别是造成宏观万有引力的成因。

有个比较有说服力的，是万有引力的公式和电荷效应的公式是极其相似的。

有个推论很有意思，就是反物质之间，这种宏观力应该是斥力，万有斥力？呵呵

数学的基础一直不怎么牢固，但是一个是数学基础过于晦涩，外加大家主要还是关心数学如何应用，只要能够应用那么基础不扎实也无所谓了。然而我觉得还是先要有数学上惊天动地的革命，才能有物理学上惊天动地的革命，毕竟他们同时指向哲学。

这个推论如何解释正负离子在地球引力场里受到的力是一样的这个现象？

一般学物理的都被广义相对论的美妙吸引住了，所以提出的替代理论也很少完全跳出广义相对论的。不过，驱使爱因斯坦当时思考广义相对论的有两条，任何替代的理论也必须解决这两条。

一是引力质量和惯性质量。引力质量是牛顿万有引力定律带来的质量，惯性质量是牛顿第二运动定律带来的质量。两者的来源不同，但是其差别从来没有在测量的误差范围之外，让人联想是否引力和运动有天然联系。

二是惯性参照系假设。牛顿定律假设宇宙有个绝对静止系，狭义相对论将它扩展到加速度为0的匀速系，但于情于理都知道，这种东西实在太别扭。所以有必要将它扩展到任意系统。

广义相对论将质量与空间曲率相联系，完美地解决了这两个问题。质量分布改变了空间弯曲程度，物质沿着伪黎曼流形的“直线”运动。因为黎曼空间（球形空间，任何直线最终相交）的直线是相互靠近的，所以就成了“引力”。如果有人建立一种基于闵可夫斯基流形（马鞍形空间，平行线是相互远离的）的理论，那万有引力就成了“斥力”了。对反物质来说，它在量子场论的世界线上可以看成是正物质逆时间轴运动，在广义相对论中，它与正物质没有区别——不管反物质月亮是顺时针还是逆时针运动，只要是是黎曼空间，就总是沿圆形轨道的“引力”。

广义相对论的起点也许太高，至今能够做的直接实验证据都很少，而无论是直接实验证据，间接实验证据或是思想实验，都没有足够的精度发现理论与实际的决定性误差。因此任何替代引力理论（超弦，M理论）也是基于广义相对论——但是基于的原理可能更深刻。

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。

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。

看来这是两个最有可能成为现实的方法了。