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帖子主题:打破相对论,全新动力学,走进人类梦寐以求的超光速巡航

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打破相对论,全新动力学,走进人类梦寐以求的超光速巡航

最近上映的《星球大战:原力觉醒》一度成为人们目前炙手可热的话题。在影视中的飞船能轻松的通过先进的引擎技术进行空间跃迁与超光速飞行,让人非常神往。人类要真正进入宇宙纪元,超光速动力技术的支持是不可或缺的。

超光速会成为一个热门的讨论题目,有多方面的原因。其一是因为宇宙空间过于浩瀚无垠,大到要用光年作为距离单位。所以超越光速的推进器是人类是否能进行星际旅行的关键性技术之一;其二天才物理学家爱因斯坦在自己的相对论中推导出局域物体不可能超过真空中光速c的推论,在宇宙中一个物体速度越快,相应物体的时间就越慢,大自然会始终让这个关系保持平衡状态,即物体永远无法达到超光速。

▍矢量火箭推进系统的淘汰,打破传统思维

不过相对论的说法从今天来看却并不是那么绝对了,随着科技的发展与对物质结构的研究,人们发现了越来越多的动力解决方案。对于未来的星际巡航来说,传统物理学原理和思维方式已经进入死角,依赖动量守恒定律的矢量推进系统已经过时。按霍金所说的,人类如果继续使用火箭推进飞船,要加速到光速,即使在燃料够的情况下也需要长达百年的加速时间。好在基础物理学告诉我们要让一个物质拥有速度,除了施以外部的力以外也可以通过直接改变自身内在的微观状态来获得速度,这为动力学的研究开展带来了全新的方向。

现在世界上比较公认的宇宙演变学说是宇宙大爆炸说,其实如果宇宙真的是如此诞生的,那就代表这世界上早就存在过拥有超光速的物质。众所周知,在宇宙大爆炸的时刻,整个宇宙的物质都压缩成一个点,如此高密度的奇点几乎可以吞噬一切物质,如果当时已经存在光子的话,它也同样无法从奇点中逃逸出来。原因在于黑洞可以吞噬光,而奇点的密度远远胜于黑洞。

所以我们现今的宇宙之所以能存在从而演变出人类,一定是因为在奇点和大爆炸时由于某些因素让当时的光子的速度远远大于现在的光子速度。而现代物理学认为其中最主要原因很有可能是当时的背景空间的能场比现在的背景空间的能场高,这个拥有超光速速度的光子在这样的背景空间场内其实依然是光速,只是相对于场外的光速更加快。所以如果我们能制造出那种背景空间能场,并利用磁场等方式产生背景空间场的堆积,使在场内光子的速度超过场外光子速度,那么飞行器就很容易得到超越光速的速度。

▍改变内在结构与曲速引擎:切实可行的超光速原理

相信大多数人在初中物理课上都学过一个经典的案例。一束光射入玻璃中,光的速度小于真空的速度。而当光束穿过玻璃之后,光的速度又恢复了真空的速度。但一颗子弹射向玻璃,如果玻璃结构足够薄,子弹能够穿过。但是穿过后的子弹的速度比原来的小。于是引发了疑问,为什么这个过程中光子不会损耗速度呢?

现代物理学认为正反物质粒子接触并湮灭成光子并产生速度变化的现象是能量守恒定律的体现。但事实上这种现象单纯用能量守恒和动量守恒定律来解释过于笼统,而且不够严谨。人类在常规思维下偏于重首尾,但物理是一种注重现象过程的领域。因此对于这种速度变化过程中,物质自身的内在成分是如何变化的,才是探索新动力技术的实质性方向。

哲学内外因辩证关系认为,外因总是通过内因才能改变事物状态。由于日常生活中,人们常见的物体运动总是由作用力产生,所以很多人以为物体需要外界的力而产生运动,而实际上这种想法是错的。事实上作用力之所以让物体产生运动是因为当物体受到诸如反作用力等外界条件时,自身微观的基元状态发生了改变从而导致宏观运动状态与速度发生了改变。不论是动量守恒定量还是相互作用力都是作为改变运动状态的条件或手段之一,所以不同速度的物体其内部必然有不同的微观状态。

于是新动力学的思路就清晰了,放弃传统需要消耗大量燃料获得反作用力的火箭推进系统,转而选择一种能直接改变自身矢量方向与内量场的全封闭式飞行器,这种飞行器的动力系统可以通过改变自身微观基元组合结构来产生宏观的速度效应。更关键的是,除了拥有更加理想化的动力资源以外,由于可以随时获得与改变动力的矢量方向,停止与运行不再需要缓冲时间,所以对于飞行轨道的计算也不再那么重要了。

至于曲速引擎,相对前者来说更加广为人所知,它是一种超光速推进系统,和跳跃引擎、超光速引擎、星际传送器等设备都是科幻作品中相似但理论不同的常见技术。曲速引擎以在影片《星际旅行》中最为常见。和其他科幻作品不同,曲速引擎的理论在设定上并不允许在两点间进行瞬时旅行。曲速技术设想通过在宇宙飞船周围出了一种正常时空的人工“气泡”,使得飞船可以安全的以快于光速的几个数量级的速度航行,同时又回避了时间膨胀的相对论性的问题。

曲速航行的速率通常以曲速层级代之。一般认为曲速1级是真空光速。更高的层级下,速率呈指数增加。在星战电视系列剧的数个剧集中曾设定了企业号冒著危险以高曲速层级航行,一度高到曲速14.6级("That Which Survives")。然而,任一曲速层级的实际速度从未在萤幕上显明地被陈述,以作为经典纪录。更甚者,各电视系列剧中航行时间与星际距离在陈述上,从未严格地保持一贯性。

▍星游视野本期云观察

选择这个主题进行解说很大程度只是出于星战的热点与个人喜好,真正拥有这种概念并作为游戏去开发的别说是移动平台,即使是在PC端也未曾见过。不过如果单说超光速这个题材却在游戏领域中非常泛滥。

由Subset Games开发的模拟太空策略游戏《超越光速》便是其中一个经典的体现。游戏中玩家担任飞船舰长,通过远距离的超空间跳跃,探索一个随机生成的宇宙。同时还要管理太空船的动力分配和全体机舱人员,以顺利解救被太空海盗劫持的平民、成功攻击敌人的防卫站、还要确保始终比你的追捕者叛军领先一步。在这款与众不同、充满挑战的游戏中,玩家每一次都能享受独特游戏体验,每一次打开游戏都极富娱乐性。

《FTL》最早于 2012 年 9 月登陆 PC 平台,以其独特的太空俯视角和模拟太空的迷宫冒险玩法赢得广大玩家的好评,而且是 Kickstarter 上筹资最为成功的案例之一。《FTL》在全球拥有众多 Fans,而游戏中“FTL”的理念和一些策略系统设置对后来的太空科幻作品影响也非常深远,《FTL》对很多后来推出的太空模拟策略游戏都有很深远的影响,当然《FTL》本身也带有浓厚的 roguelike 游戏特色,比如随机生成地图和人物永久死亡,iOS 平台上的《星际指挥官(Star Command)》就借鉴了不少舰船管理和部门分类的设计。

飞船前进的方式就是曲速跃迁,每次游戏打开的航行图都是随机的,注意在地图左侧也就是飞船身后是紧随而来的反叛军,一旦被这波红圈追上立刻 Game Over,所以我们只有不断前进。航行图上你会看到 Exit 的绿点,这个是前往下一张星图的入口,也就相当于迷宫的出口,我们的目标。一路航行中你会遇到各种各样的事件,不过最多的还是战斗。

▍走进宇宙纪元的人类文明展望

虽然目前来说对于超光速飞行的实现还任重道远,但是科学家们从未停止过对于这一领域的研究,例如米给尔·阿库别瑞的阿库别瑞引擎。早在2014年6月,美国太空总署(NASA)就已经开展了对曲速引擎的研究工作,并对这种科幻级的动力系统进行了测试。这一消息公布后引发了多方关注,大多数人认为如果这种引擎得以实现,不但将大幅度降低燃料需求,更加节能环保还会使得飞行器拥有一直处于假想状态的超光速。虽然这个装置的原理,并非和科幻游戏一样是靠扭曲时空行进的“曲速引擎”,但无疑也为人类与超光速的梦想更进了一步。或许在有生之年,超光速飞行就会从影视与游戏中走到我们身边。

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      2016/1/20 9:48:39

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