科幻大未來:科學家認真思考「曲速航行」

拜愈來愈進步的天文觀測技術次賜,天文學家這些年發現了愈來愈多系外行星,而且有一些可能具備生命存在的條件,不過那些新世界都離我們太遠了,在數光年到數百光年之間,也就是說,即使我們以光速航行,都要花數年到數百的時間才會到達。不過在「星際爭霸戰」(Star Trek)這樣科幻故事裡,有一種稱為「曲速」(warp)的航行法,只要按下按鈕,這種花哨的驅動系統(其工作原理無法解釋),就會以相將帶領我們在極短的時間航越數百光年的距離,到到另一個完全不同於太陽系的世界。這原本只存在於科幻故事,但是,隨著引力波的發現,科學界開始認真思考曲速航行,是否在概念上可行。

今日宇宙(Universe Today)報導,今年8月19日至22日,在美國印第安納波利斯舉行的美國航太動力研究論壇期間,阿拉巴馬州立大學亨次維爾推進研究中心(PRC)的研究員約瑟夫·安格紐(Joseph Agnew)發表了一篇名為「曲速理論的技術檢驗,以及可行性」的演講,表示曲速推進的理論其實相對簡單,它不會只是科幻作家的空想而已。

「曲速航行」這個名詞,最早是1966年,科幻影集「星際爭霸戰」首次提出,當然只是科幻作家的架空科技而已,沒有任何理論基礎。然而到了1994年,墨西哥物理學家米蓋爾‧阿庫別瑞(Miguel Alcubierre)提出符合愛因斯坦廣義相對論的曲速航行假設,使得曲速航行有了理論基礎,他的理論被稱為「阿庫別瑞驅動法」(Alcubierre drive )。

阿庫別瑞認為,假如我們能證明宇宙空間是可以拉長以及壓縮的,那麼只要在太空船週邊建立起一個有別於現存宇宙的「扭曲泡泡」(科幻小說稱它為子空間),然後將前方的空間收縮,並將後方的空間擴展,那麼太空船不需自己移動,就能夠以幾十倍的光速前往遙遠的地方。

從理論上講,「扭曲氣泡」並不是是原本的時空中移動,因此傳統的相對論效應(例如時間膨脹)將不適用。

安格紐在演講時說:「我從小就著迷數學和科學,自然也對科幻小說和科幻理論感興趣。我很喜歡星際爭霸戰的《原初世代》(Star Trek: The Original Series ),以及續作《銀河飛龍》(Star Trek: The Next Generation),這系列作品預言或啟發了手機、平板電腦和其他便利設施的發明。

我思考劇集中的其他技術,例如光子魚雷(Photon Torpedo)、相位砲(Phaser )和曲速引擎(warp drive),我偶然發現了阿庫別瑞的原始論文,在消化了一段時間之後,我開始尋求其他關鍵詞和論文,並深入研究了該理論。」

除了安格紐,科學界也有其他阿瑞別瑞理論的支持者,比如美國航太總署詹森中心高級推進物理實驗室(Eagleworks)的哈蘭德「山尼」懷特博士(Harold“ Sonny” White ),他在2011年的星際太空船研討會上,提出了新的計算方法,認為曲速航行的門檻沒有科學想的那麼高,也並不違反愛因斯坦理論。

最近的科學發現也對曲速理論有了新幫助。2016年,科學界證實了黑洞合併造成的重力波(GWS),這發現既證實了愛因斯坦一個世紀前所做的預測,也證明了曲速航行的基礎存在於自然界。

安格紐說:「在我看來,發現重力波,是科學領域的一次巨大飛躍,因為它通過實驗證明了時空可以在巨大的引力場壓縮與拉伸,並且會如漣漪一般,在整個宇宙中傳播。這是愛因斯坦,但我們現在可以肯定了。」

「在我看來,下一個問題是:我們如何研究它,以及我們如何在在實驗室中產生?顯然,這樣的工作是未來的研究方向。」

安格紐也提到未來研究的挑戰。本質上,曲速引擎所需要的是一種以局部方式,隨意擴展和收縮時空的方式,這些工作圍繞在太空船週邊。我們可以肯定的是,要達成這樣的工作,能量密度很高,可能一種電磁場或質量的變化,才能引起時空彎曲。

要多大的能量,才能造成時空彎曲?有一種說法是「可能需要一整個木星質量的能源才能辦到。」這聽起來很不可能,但是,這個說法其實已經比過往的能源估計值已經有了很大的下降,以前的說法是「需要整個宇宙的能量才行」。

安格紐說,當然,木星質量仍然過大,所以仍然需要其他的重大進展,才能將能源需求降低到更現實的標準。實現這一目標的唯一可預見的方式,是通過量子物理學和超材料的進一步發展。包括更進步的超導體、干涉儀和電磁發生器,我們要先製造出可實驗的人工引力波,以確定扭曲空間的特性,這始終是一個挑戰。

安格紐的結論是:「到目前為止,曲速理論已經發現它是可能的,這已經有自然界的證據。既然在自然界發生,那麼我們就可能做出來。我認為曲速航行就像過往的重大發明,比如核能研究、航空電子設備、太空探索、電動汽車和可重複使用的火箭助推器一樣,這些已經問世的發明,在早期概念時都被認為不可能,但是我們都一步一步的克服困難,然後發明出來。」

中時電子報 江飛宇

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