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曲率驱动

胜于蓝2023-08-30【科技杂谈】人已围观

简介曲率驱动指的是一种理论上的推进系统（Theoretical Propulsion System），能让航天器以光速，甚至超出光速数倍的速度飞行。
1994年，墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利（Miguel Al

曲率驱动指的是一种理论上的推进系统（Theoretical Propulsion System），能让航天器以光速，甚至超出光速数倍的速度飞行。
1994年，墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利（Miguel Alcubierre）首次提出了现实生活中曲率驱动的概念。他所设计的曲率驱动概念包括一个足球形状的飞船，其周围是一圈大型的环状结构。科学解释是宇宙空间不是平坦的而是存在曲率的。

科学解释

宇宙的空间并不是平坦的，而是存在着曲率（曲率为曲率半径的倒数，曲率越大表示弯曲程度越大），如果把宇宙的整体想象为一张大膜，这张膜的表面是弧形的，整张膜甚至可能是一个封闭的肥皂泡。虽然膜的局部看似平面，但空间曲率还是无处不在。一艘处于太空中的飞船，如果能够利用某种方式把它后面的一部分空间烫平，减小其曲率，那么飞船就会被前方曲率更大的空间拉过去，这就是曲率驱动。
一个物理原理类似的实验可以让曲率驱动变得通俗易懂。首先，用纸折出一只小船，然后在小船尾部穿一个孔，塞入一块肥皂，放到水中，你会发现，小船在自动往前航行。这是因为肥皂溶解于水，降低了后方的水面张力，小船则被前方较大的张力拉过去。曲率驱动与此相似，减少飞船后方的曲率，飞船便会被前方更大的空间拖动。

提出

这一环状结构设想是用某种奇异的物质建造的，它可以让时空在围绕飞船的四周发生弯曲，从而在其面前形成一个缩小版的空间，以及在其后方膨胀了的空间。与此同时，飞船本身将停留在由平滑时空组成的“气泡”内，这里的时空曲率不受影响。然而后续进行的计算显示这样一种装置将需要无法达到的极高能量才能实现。

研究进展

2012年，物理学家哈罗德·怀特将围绕飞船的那个环状结构从原先设计中的扁平状改为甜甜圈那样的“圆筒形”，计算的结果显示这样一个装置的驱动所需能量相当于美国宇航局在1977年发射的旅行者号探测器那样的质量按照质能方程转化得到的能量值。另外，怀特还发现如果空间弯曲的强度可以随时间发生起伏变化，那么实现这一装置所需的能量将进一步减少。怀特和他的同事们在实验室里实验了他们的小型曲率驱动装置，并在约翰逊空间飞行中心建立了一套被称作“怀特-朱迪曲率场干涉仪”的装置。简单地说基本就是使用一束激光来触发时空在微观尺度上的扭曲。这一想法将有希望让这一科学理论成为真正的现实。
1994年墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利（Miguel Alcubierre）首次提出了现实生活中曲率驱动的概念。然而后续进行的计算显示这样一种装置将需要无法达到的极高能量才能实现。物理学家们表示，原先的曲率驱动模式可以进行改造，从而让它可以用比原先计算少得多的能量条件下实现运行，这一想法将有希望让这种科幻产物成为真正的现实。
2012年9月14日于美国宇航局约翰逊空间飞行中心举办的星际飞船100周年研讨会上，该局科学家哈罗德·怀特（ Harold Sonny White）这样说道。这一研讨会的举办旨在探讨未来星际航行将会遇到的挑战。

产生过程

这个宇宙的空间并不是平坦的，而是存在着曲率，如果把宇宙的整体想象为一张大膜，这张膜的表面是弧形的，整张膜甚至可能是一个封闭的肥皂泡，虽然膜的局部看似平面，但空间曲率还是无处不在。
曾出现过许多极富野心的宇宙航行设想，其中之一就是空间折叠、设想把大范围空间的曲率无限增大，像一张纸一样对折，把"纸面"上相距千万光年的遥远的两点贴在一起。这个方案严格来说不应称为宇宙航行，而应该叫做"宇宙拖曳"，因为它实质上并不是航行到目的地，而是通过改变空间曲率把目的地拖过来。这种气吞宇宙的事只有上帝才做得出来，如果加上基础理论的限制，可能上帝也不行。对于利用空间曲率航行，后来又出现了一个温和的设想，一艘处于太空的飞船如果能用某方式把它后面的一部分空间“熨平”，减小这部分空间的曲率，那么飞船就会被前方曲率较大的空间拉过去，这就是曲率驱动。

媒体报道

据国外媒体报道，借助曲率驱动实现超光速的飞行，这是一种由于科幻电影《星际迷航》而变得流行一时的概念。科学家们认为这一技术可能并非如原先想象的那么难以实现。
所谓曲率驱动的概念就是指通过对时空本身的改造来驱动飞船，利用物理学定律中的漏洞来打破光速不可超越的限制。
时空的扭曲
阿尔库贝利设计的最早期的曲率驱动概念包括一个足球形状的飞船，其周围是一圈大型的环状结构。这一环状结构设想是用某种奇异的物质建造的，它可以让时空在围绕飞船的四周发生弯曲，从而在其面前形成一个缩小版的空间，以及在其后方膨胀了的空间。与此同时，飞船本身将停留在由平滑时空组成的“气泡”内，这里的时空曲率不受影响。
理查德·奥伯塞（Richard Obousy），是一个由科学家和工程师们组成的非盈利协会的主席，致力于实现星际航行。他说：“宇宙中的一切都受到光速极限的限制。但是真正酷的东西是时空，也就是空间的网格，它并不受光速极限的限制。”这样一来，飞船理论上便可以实现以10倍光速飞行，而不会打破宇宙光速极限的限制。
然而科学家们立即发现了问题，那就是，他们发现要想实现这种曲率驱动飞行将需要耗费极大的能量，其能量需求几乎相当于将整个木星质量按照爱因斯坦质能方程全部转化之后所得到的能量。
哈罗德·怀特开始考虑，如果将围绕飞船的那个环状结构从原先设计中的扁平状改为甜甜圈那样的“圆筒形”，会发生什么情况？计算的结果显示这样一个装置的驱动所需能量仅相当于美国宇航局在1977年发射的旅行者飞船那样的质量按照质能方程转化得到的能量值。另外，怀特还发现如果空间弯曲的强度可以随时间发生起伏变化，那么实现这一装置所需的能量将进一步减少。怀特告诉美国太空网表示：“我今天所介绍的这一发现将这一概念从虚幻变为可行，它值得进行进一步的投资。”他说：“借助气泡强度的震荡起伏实现所需能量的减少将会是一项有趣的预测，我们很期待能在实验室中观察到它。”
实验室测试
他们在约翰逊空间飞行中心建立了一套被称作“怀特-朱迪曲率场干涉仪”的装置。简单地说基本就是使用一束激光来触发时空在微观尺度上的扭曲。
怀特表示：“我们想看看能否在桌面实验中实现一个非常微小的成功案例，那就是在1000万分之一的尺度上形成一个极微小的时空扰动。”当将他的实验和真正意义上的曲率驱动相比时，怀特将自己的实验评价为“粗陋不堪”，但是他仍然认为这代表迈出了令人兴奋的第一步。
其他科学家对此也持有开放性的态度，他们表示，如果人类真的想认真考虑星际航行的可能性，那么就必须考虑哪怕现在看起来是最离奇的想法，比如曲率驱动。奥伯塞表示：“如果人类真的想最终变为星际文明，那么我们就必须适当地让我们的思维跳出框框，我们必须大胆一些。”