太空船的甜甜圈部位

文 / 一流人      2017-06-27

太空船的甜甜圈部位


2011 年當桑尼.懷特受邀在「百年星艦討論會」(100 Year Starship Symposium)致詞時,這概念還停在這兒。「百年星艦討論會」是致力於百年內完成星際旅行的一個團體所召開的年度會議。

他說:「我真的沒什麼目標,就在那閒晃。『嘿我們想找你來講講話。』好,其實呢,我不想只講我以前說過的那些事,所以我來講點別的好了。」

在詹森太空中心領導一支進階推進系統團隊和一個「鷹工場」(Eagleworks)實驗室的桑尼,在白板上畫起草圖向我們解釋,他在研究愛因斯坦方程式的過程中,設計了一個不需要那麼多異常物質啟動的太空船。

「這概念需要一個圍繞太空船小小中央部位的甜甜圈。這裡可能是儀器所在的位置。史考堤(譯注:Scotty 是星艦迷航記的角色,在企業號上擔任總工程師,全名為蒙哥馬利.史考特[Montgomery Scott])會在這邊,而這個環就是擺這種異常物質的地方。要讓這整套動東西起來,就得要有那些物質。而我發現,與其把這個環做得非常薄,薄得像結婚戒指──非常薄的長寬比──如果你反過來把它做得像圈圈糖那樣的話,它就會大幅降低這概念所需要的能量。」

除了把環做胖一點之外,桑尼也會改變力場的強度來減低時空的硬度(聽起來實在很怪)。有了這些變化,環繞太空船的環就會產生一個10 公尺寬的彎曲泡泡,以10 倍光速行進。旅途開始時,太空船會以十分之一光速持續往正確的方向前進。打開空間彎曲後,泡泡會朝目的地前進並帶著太空船走向目標,但能有效地達到1 百倍以上的速度。接近旅途尾聲時,曲速驅動器會停止,太空船會以普通動力抵達。

根據數學計算指出,泡泡內的空間會維持平整。沒有重力,沒有扭曲的時間,也沒有加速的感覺。只有空間本身在移動,太空船則是像在颱風眼裡一樣紋風不動。因為太空船並沒有在自己的空間中達到光速,時間的速度跟地球那頭一樣,太空人變老的速度還是跟他們在地球上的兄弟姊妹相同。

有了桑尼的設計後,所需的異常物質量會減到少於1 公噸,比木星質量少了24 個數量級以上。

為撰寫這本書而做研究期間,我們認識了許多迷人的人物,桑尼是我們最喜歡的一位。他似乎沒有眾多成功科學家的那種自大,即便他是如此傑出。相反地,他仍保有一種純然的熱情,那是他小時候頻繁造訪美國國家航空航天博物館而發現的熱忱,他有點像是那種日常生活有一部分建構在《星艦迷航記》虛構宇宙裡的星艦迷。

在2011 年的演說中,他發表了曲速引擎的新想法,以及可能用來測試產生曲速場的設備圖解。宣傳手冊上寫道:「雖然這僅是對該現象的保守示例,但這有可能是本研究領域的『芝加哥1 號堆』(Chicago Pile)誕生時刻。」芝加哥1 號堆是史上第一個核反應爐,1942 年在芝加哥大學(University of Chicago)的壁球場裡完工。

這類型演講產生了一堆誇張的流言,說NASA 已經發明了曲速引擎。桑尼在詹森太空中心鷹工場實驗室的實際裝置,只是企圖在小範圍內產生微弱的曲速效果,而且要以極精準的光學來測試。桑尼相信,真空負能量可以用雷射或強大的電容器來產生,但關於要怎麼實現這個假設,他的態度仍然謹慎。他說,他的設備是拿用剩的東西拼湊出來的,總價不到5 萬美元,他得把這個研究塞在其他NASA 的優先工作之間。

幾位專精負能量研究的物理學達人表示,桑尼的曲速引擎不可能實現,包括當初提出這概念的阿古別列。至今還沒有人發表累積大量負質量或負能量的模型。塔弗茲大學(Tufts University)的賴瑞.福特(Larry Ford)與同事以數學證實了負能量只能受限於極小區域或極短時間,但不可能同時長存又龐大。這演算符合了金屬板縫隙產生卡西米爾作用力的結果。福特寫道,如果沒有這個限制,遠距運作的負能量可以產生永動機,克服熵(entropy)的限制,並違反熱力學第二定律。

讓銀河系近在眼前的方法

儘管桑尼對於他要怎麼在實驗室製造負能量這點秘而不宣,但他確實提出過一種替代工程方案來製造他的救生圈型曲速引擎。他寫了一封一如往常迷人的電子郵件,回答我們對賴瑞觀點的疑問;信中他和我們分享了一個實驗─就只是複製狹窄空隙,來產生卡西米爾作用力。

「如果我製造了很多這種小小的空洞,並在一個小小的基底上一個個並排,就像晶片上的晶體那樣呢?」桑尼這麼寫。「如果接下來,我把一大堆這種晶片一個疊一個地排起來,直到我有了一個,好比說方糖大小的立方體呢?接下來我弄一個立方塊,裡面裝滿了構成那些空洞和基地的普通物質,但這方塊裡因為有數十億個卡西米爾空洞的存在,讓我擁有了一大塊真空負能量。我可以把這個思考過程延伸,來把東西堆到薄荷口味圈圈糖(我最喜歡的口味)的型狀大小,而不只是方糖而已。」

「更進一步地,這個方塊/圈圈糖並不會減少熵,所以也不會違反熱力學第二定律。卡西米爾作用力存在而且獲得測量,但它絕不可能在我的咖啡裡擅自變熱。」

我們的討論已經夠接近理論物理學了。但值得一提的是,新的想法有可能即將突破一個世紀前,從愛因斯坦的苦思開始就屹立不搖的目標─自然力量的統一物理理論,因此和廣義相對論及量子力學的相關研究此刻相當熱門。桑尼的思考正在這些行動的前端,成敗仍是未知之數。

這是否代表我們將要突破光速?針對這個大哉問,桑尼表示,我們可能20年內就會知道,也可能要兩百年,或者永遠不知道。

然而,如果突破光速真能成功的話,桑尼說,銀河系的任何地方都近在眼前。

現在,我們需要的是謙遜。NASA 正著手於曲速引擎的研究,但解釋宇宙如何運作的基本原理依舊未知。物理學家很快就能開拓我們對現實理解的新視野,一如他們在二十世紀初的貢獻。在發明出一種使用量子力學和重力之間關係的技術以前,我們可以合理期待這種對現實的理解會先趨於成熟。現在某些年輕傑出物理學家腦中浮現的想法,可能會永久地終結曲速引擎這種奇想,或者,替穿越星際指出一條活路。

而這個最大的「未知」,可能也是我們離開太陽系最大的希望。


本文節錄自:《地球之後:我們把地球破壞殆盡後,讓另一個星球為此付出代價?》一書,查爾斯‧渥佛斯(Charles Wohlforth)、亞曼達‧R‧亨德里克斯(Amanda R. Hendrix)著,唐澄暐譯,光現出版。

圖片來源:unsplash NASA

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