从物理角度看星际迷航：未来人类如何飞行(图)
2009-6-1 10:37:04  

　霍金坐在轮椅上指出，理论的革新可能使太空旅行的速度获得革命性进展，继而使开拓外星殖民地成为可能。“科学幻想可在一瞬间使你到达目的地，”霍金说，“不幸的是，这将违背科学法则。科学法则说，任何事物的速度都不能超过光速。”

　　1905年，爱因斯坦发表了《论动体电动力学》一文。这极大地激发了科幻想象，但也制造了一个无情的梦魇———任何物体相对运动速度不可超越光速。不过，超光速旅行依然是人类对宇宙畅游最美的一个梦。科幻片《星际迷航》已经率先超越爱因斯坦。

　　1　翘曲飞行

　　瞬间到达目的地

　　为了实现超空间旅行，五花八门的幻想特技在《星际迷航》中轮番上阵———翘曲飞行(Warp Drive)、虫洞、三维传输器、全息幻觉甲板等等。

　　对观众来说，翘曲飞行是一种炫技；但对“企业号”来说，这是它的基本技能。为了故事情节的需要，主角必须在光年量级的银河系中，迅速地从地球到达另一星球。

　　企业号的翘曲飞行，是将普通空间中距离甚远的出发地和目的地，在高维空间上重叠在一起，从而来实现超光速旅行。在上海交通大学教授江晓原和他的一名博士生穆蕴秋合作的论文中，他们指出在《星际迷航》的专门技术手册中甚至能看到制作者为“企业号”翘曲飞行编写的基本公式。随着电视新系列的推出，企业号的升级换代，这个公式还被不断加入新的参数来进行修正和完善，尽管它从未直接在电视画面中出现过。

　　科普作家张旭表示，从柏拉图到牛顿再到爱因斯坦，虽然物理学概念理论已经天翻地覆，“但支撑物理学的因果律岿然不动”。比如，炮弹要先打出炮膛才能击中敌人，不可能炮弹先击中敌人再打出炮膛，相对论不允许超光速，“因为超光速破坏因果律，物理的逻辑性就消失了。”

　　《星际迷航》聪明地使用了翘曲飞行，既不破坏因果律，又实现了超光速。表面上，它是在很短时间里到达光速都到达不了的地方，实际上飞船在负能量密度的奇异物的支持下，改变空间物理结构、建立捷径缩短空间距离，让太空船在时间上“打败光速”航行。

　　尽管，《星际迷航》的翘曲飞行是个幻想，却依然在点燃科学家的热情。近日，贝勒大学物理学副教授克利文(Gerald Cleaver)及其博士后研究员奥伯塞(Richard Obousy)，制定了一项雄心勃勃的计划，试图让《星际迷航》中展现的翘曲飞行向现实迈进一步，当然他们成功的可能性依然微乎其微。

　　2　虫洞

　　在宇宙中“穿越”

　　美国理论物理学家索恩(Kip Thorn)提出的著名“虫洞”理论和翘曲飞行有异曲同工之妙。

　　“虫洞”的性质很早就被讨论过了。江晓原与穆蕴秋指出，1916年，爱因斯坦广义相对论发表后的几个月，史瓦西在爱因斯坦引力场方程里发现了一个解———著名的史瓦西解。1935年，爱因斯坦和其学术助手罗森在一篇论文中，把连接宇宙中两个遥远区域之间的假想通道称为“桥”———后来这被称为“爱因斯坦-罗森桥”，也就是“虫洞”。

　　科普作家张旭举例说，假设我们生活的普通宇宙是一个苹果，人类是生活在宇宙表面的虫子。他们只有能力在表面爬来爬去，如果有一天他们认识到他们说明的果面是曲面，并且具备了咬穿果面的能力，虫子在苹果里“咬”了一个洞。那么，从一地到另一地的距离就也要比果面距离短很多。我们的宇宙未必就是平直的、朴素的，有可能存在更高维的空间。地球距离织女星是26.5光年，但若通过一条虫洞连接它们的话，也许就才1千米。

　　不过，以虫洞来进行超光速旅行所面临的问题，那就是怎样保证虫洞的开放时间。索恩的最终设想是以具有“负能量密度”的奇异物作为保持虫洞持续开放的物质条件，由此虫洞将被改造成违背因果律的时间机器用于星际航行。“此外，用两个黑洞来作为虫洞也成为一种假设被提出。”中国科学院理论物理研究所研究员李淼指出。