18新利最新登入曲速如何工作

赫尔顿存档/盖蒂图片社
《星际迷航》让威廉·夏特纳饰演詹姆斯·t·柯克船长，但他们打算在星际太空旅行中做什么呢?

当《星际迷航》的编剧坐下来规划这个系列时，他们发现自己面临着一些问题。他们实际上是在创造一个太空歌剧这是科幻小说的一个亚类型，故事发生在太空，涵盖了好几部小说星系数以百万计光年。“星球大战”系列电影是太空歌剧亚类型的另一个例子。正如名字中的“歌剧”部分所暗示的那样，像《星际迷航》这样的电视剧并不意味着缓慢或普通——当18新利最新登入人们想到这个系列时，他们可能会想到情节夸张的情节外星人太空旅行和精彩纷呈现激光打架。

因此，该剧的创作者吉恩·罗登贝瑞(Gene Roddenberry)和其他编剧必须找到一种方法，以一种及时、戏剧性的方式让剧中人物在宇宙中穿梭。18新利最新登入与此同时，他们希望尽最大努力遵守物理定律。最大的问题是，即使一艘星际飞船能够以光速飞行，从一个星系到另一个星系的时间仍然可能需要数百年，甚至数千年。一段从地球例如，如果你以低于光速的速度旅行，到我们银河系的中心将需要大约25000年。当然，这不会成为令人兴奋的电视节目。

曲速的发明解决了歌剧部分的问题，因为它允许企业号比光速快得多。但是怎么解释呢?18新利最新登入他们如何解释一个比光速还快的物体，这是爱因斯坦用他的理论证明不可能的事情狭义相对论?

艾略特J.谢克特/盖蒂图片社
当航天飞机进入轨道时，它将以每小时17000英里的速度飞行。在这种类型的航天飞机中，人类可以承受这种速度，但如果航天飞机试图接近光速，对阿斯特隆来说将是致命的

编剧们面临的第一个障碍比你想象的要简单得多。在理解曲速之前，你需要知道的最重要的一件事实际上是物理学书中最古老的技巧之一，牛顿第三运动定律．你以前可能听说过这个定律，即每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。它仅仅意味着两个物体之间的每一次相互作用，都有一对力作用于它们。例如，如果你掷出一个台球一个球直接撞向另一个静止的球，它们会对彼此施加相等的力。移动的球会撞击静止的球并将其推开，但它也会被后者推回去。

每次你开车加速或乘飞机时，你都能感觉到这个定律在起作用飞机．当汽车加速前进时，你会感觉到座位上的压力。座位在推你，但你也对座位施加了一个力。

那么这与《星际迷航》和进取号有什么关系呢?即使有可能加速到光速的一半，这种强烈的加速度也会把人撞到座位上致死。尽管他会用一个相等的相反的力往回推，但他的质量与星际飞船相比太小了——同样的事情也会发生在一个蚊子撞在挡风玻璃上，溅了一地。那么企18新利最新登入业号怎样才能在不杀死船上成员的情况下超过光速呢?

在下一节中，我们将看到《星际迷航》的创作者如何开始解决以超光速18新利最新登入将物质送入太空的问题。

为了回避牛顿第三运动定律的问题和物质运动速度不可能超过的问题光，我们可以看看爱因斯坦和空间之间的关系时间．总的来说，由三维(上下左右前后)组成的空间和时间都是所谓的空间的一部分时空连续体．

理解爱因斯坦关于时空连续体的工作，以及它与企业号在太空中的旅行有什么关系，是很重要的。18新利最新登入在他的狭义相对论，爱因斯坦提出了两个假设:

1. 光速(大约每秒3亿米)对于所有的观察者来说都是一样的，不管他们是否在移动。
2. 任何以恒定速度运动的人都应遵守相同的物理定律。

把这两种想法结合在一起，爱因斯坦意识到空间和时间是相对的——运动中的物体实际上比静止的物体经历时间的速度要慢。虽然这对我们来说似乎很荒谬，但与光速相比，我们的速度慢得令人难以置信，所以当我们跑步或乘飞机旅行时，我们不会注意到手表上的指针走得慢了。事实上，科学家已经通过发送信号证明了这种现象原子钟高速向上火箭船只。他们回到了地球稍微落后于地面上的时钟。

这对柯克船长和他的团队意味着什么?一个物体的速度越接近光速，这个物体体验时间的速度就会明显变慢。如果企业号以接近光速的速度安全飞行到我们的中心星系从地球上发射，需要地球时间的两万五千年。然而，对于宇航员来说，这次旅18新利最新登入行可能只需要10年时间。

虽然这个时间框架对飞船上的个人来说是可能的，但我们面临着另一个问题——如果星际飞船需要5万年才能到达银河系中心并返回，那么试图运行星系间文明的联邦将会遇到一些问题。

因此，企业号必须避免光速，以使船上的乘客与联邦时间同步。与此同时，它还必须达到比光更快的速度，才能有效地在宇宙中移动。不幸的是，正如爱因斯坦在他的狭义相对论中所说，没有什么比光速更快。因此，如果我们用狭义相对论的话，太空旅行是不可能的。

根据爱因斯坦的广义相对论，物质会扭曲空间和时间的结构。时空连续体的扭曲甚至影响了光的行为。

这就是为什么我们需要研究爱因斯坦后来的理论广义相对论，描述了重力如何影响空间的形状和时间18新利最新登入的流动。想象一张展开的床单。如果你把一个保龄球放在床单中间，床单会因为球的重量向下压而弯曲。如果你把棒球放在同一张床单上，它就会滚向保龄球。这是一个简单的设计，空间不像二维床单，但它可以应用于像我们的太阳系这样的东西——更大质量的物体，比如我们的太阳会扭曲空间影响周围行星的轨道。当然，行星不会落入太阳，因为它们运行的速度很高。

在下一页中，我们将看到这是如何在企业号上发挥作用的。18新利最新登入

操纵空间的能力是关于曲速的最重要的概念。如果企业号可以通过扩大后面的区域和收缩前面的区域来扭曲时空连续体，船员们就可以避免以光．只要它创造了自己的引力场，星际飞船就可以在当地以非常慢的速度飞行，从而避免了牛顿第三运动定律的陷阱，并保持时钟与发射地点和目的地同步。这艘船本身并不是在以“速度”行驶——它更像是在把目的地拉向自己，同时把起点往后推。

环绕在星际飞船周围的翘曲气泡，在空间和时间扭曲时保护飞船和船员。

因为爱因斯坦的广义相对论背后的思想是复杂的，仍然有多种解释，这给科幻小说作家留下了很大的可能性。我们可能不知道如何用现有的技术弯18新利最新登入曲空间和时间，但在未来的一个虚构文明中，只要有正确的想象力，可能完全有能力发明这样的设备。

在《星际迷航》的宇宙中，曲速是通过使用翘曲航行．曲速引擎是由物质驱动的反物质这些反应是由一种叫做双锂．这个反应产生高能量等离子体被称为electro-plasma这是一种具有自身磁场的物质，它会与星际飞船的磁场发生反应经线圈．翘曲线圈通常被封装在《星际迷航》作者所说的经发动机舱．整个装置在企业号周围制造了一个“翘曲场”或“气泡”，使飞船和船员在周围空间操纵时保持安全。

在第一部电视剧(《星际迷航:初代》)和第二部电视剧(《星际迷航:下一代》)之间的某个时候，编剧们决定给翘曲速度设定一个限制——使用翘曲-1到翘曲-10的范围，企业号不允许在任何时间任何地点飞行，因为这样会让情节变得太容易。在节目中，War18新利最新登入p-10成为了一个不可能的最大速度，在这个无穷大的速度中，星际飞船将同时出现在宇宙中的所有点。根据“下一代”技术手册，Warp-9.6是所允许的最高速度——它被设定为1909倍光速。虽然有一些不一致，但下面列出了《星际迷航》宇宙中不同的速度:

在下一节中，我们将看看曲速概念遇到的一些问题。

Les Bossinas /美国国家航空航天局
艺术家对以曲速飞行的宇宙飞船的演绎。

所以，爱因斯坦帮助《星际迷航》的作者在一个科幻宇宙中操纵空间，但真的有可能建造一艘宇宙飞船，在相对较短的时间内推动人们穿越巨大的星系吗?

物理学家米格尔·阿尔库别雷建议使用所谓的“奇异物质”，这是一种理论上具有负能量的物质。如果这种奇异物质能够被发现或创造出来，它就会排斥空间和时间，产生引力场。

不幸的是，这就是可能的燃料来源——当涉及到为曲速提供动力的概念时，问题比解决方案更多。即使企业号以亚光速飞行，也就是脉冲驱动对于《星际迷航》的粉丝来说，在太空中快速飞行所需的燃料和能量对一艘星际飞船来说太多了。进取号的脉冲驱动是由核聚变驱动的，这和点亮太阳并产生巨大的爆炸核弹．根据理论物理学家、《星际迷航物理学》(The Physics of Star Trek)的作者劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)博士的说法，如果柯克船长想要以光速的一半(每秒15万公里)飞行，星际飞船需要燃烧81倍于自身质量的氢，氢是核聚变的燃料。《星际迷航:下一代》(Star Trek: The Next Generation)的技术手册上列出的企业号重量超过400万吨，因此这艘船需要超过3亿吨的氢气才能前进。当然，要减速到停下来，星际飞船还需要另外3亿吨燃料，还有一次穿越太空的可能星系需要“企业号”质量的6642倍。

一些人提出了一个系统，在这个系统中，一个设备在星际飞船航行时收集氢气，从而放弃了储存大量燃料的必要性，但克劳斯建议这个设备必须有大约25英里宽，才能收集任何值得使用的东西。尽管氢是银河系中最丰富的元素，但只有一种原子每立方平方英寸的氢。

使翘曲航行工作是另一回事。《星际迷航》里的曲速引擎通过与物质反应来获得能量反物质——结果是完全湮灭和纯能量的释放。由于反物质在我们的宇宙中并不常见，联邦必须生产它，这是我们今天在费米国家加速器实验室(费米实验室)可以做到的伊利诺斯州．同样，问题是驱动曲速引擎所需燃料的数量。克劳斯指出，费米实验室能够在一小时内产生500亿个反质子——足以产生千分之一瓦特的能量。你需要10万个费米实验室来驱动一个灯泡．就我们目前的技术水平而言，产生足够多的反质子来弯曲时空连续体几乎是不可能的。

尽管本世纪人类几乎没有机会开发出一艘可以弯曲空间并以超过光速的速度前往遥远星系的宇宙飞船，但这并没有阻止科学家和该系列的粉丝们思考其潜力。就在2007年11月，英国星际学会召集了几位物理学家参加了一个名为“比光更快:打破星际距离障碍”的会议[来源:《卫报》］．