曲率引擎模拟软件为宇宙光速飞行打开探索之门

根据广义相对论的概念，质量可以扭曲时空。

阿尔库比埃尔驱动器产生的曲速场。

曲率引擎是一种基于广义相对论的假设性推进系统，旨在通过改变时空结构来实现超光速飞行。逸文曲率引擎是一种基于广义相对论的假设性推进系统，旨在通过改变时空结构来实现超光速飞行，至少从数学角度来看，曲率引擎是科幻小说中较为可信的概念之一。现在，由国际科学家和工程师组成的跨学科组织“应用物理学”（AppliedPhysics）推出了开源软件“曲率工厂”（WarpFactory），任何人都可以用它来设计功能强大的曲率引擎。“应用物理学”的首席执行官詹尼·马蒂雷（GianniMartire）说：“物理学家现在只需点击几下，就能生成和完善一系列曲率引擎设计，使我们能够以曲速推进科学发展。‘曲率工厂’就像一个虚拟风洞，让我们能够测试和评估不同的曲率设计。科幻小说正一步步接近科学事实。”很多人都熟悉曲率引擎，至少知道这个概念。科幻电影《星际迷航》和其他科幻系列的粉丝们已经接受了以比光速更快的速度进行太空旅行的想法，一方面，这可以加快故事的叙述，另一方面，这意味着角色可以穿越星系而不会衰老数千年。但许多人可能会惊讶地发现，曲率引擎其实是有一定科学依据的。曲率引擎的物理原理：爱因斯坦、保龄球和橡胶板在科幻文学中，超光速旅行（FLT）是通过扭曲或变形物体（如宇宙飞船）周围的时空来实现的，因此被称为“曲率引擎”。但什么是时空呢？在物理学中，时空是一个概念模型，它将空间的三个维度（一组x、y和z坐标；一个物理位置）与第四个维度：时间（t）融合在一起。将宇宙视为空间和时间相互交织的单一连续体意味着，根据经典物理学，时间被视为一个独立的实体，但当物体在空间中移动时，时间实际上会受到影响。爱因斯坦帮助发展了时空概念，将其作为相对论的一部分，而相对论实际上是两个相关的理论。爱因斯坦的狭义相对论解释了空间、时间、质量和能量之间的关系，指出能量（E）等于质量（m）乘以光速（c）的平方。E=mc2。也就是说，能量和质量是同一事物的不同的、可互换的版本，但光速是一个常数——它在宇宙中的任何地方都是一样的。这一著名理论的一个结果是，随着物体移动速度的加快，其观测质量也随之增加。当物体接近光速时，其观测质量变得无限大，因此需要无限多的能量才能使其运动。因此，根据狭义相对论，光速是宇宙的绝对速度极限。狭义相对论涉及不加速的物体（称为惯性参照系），但它不包含引力。这就是广义相对论的作用。广义相对论指出，引力是质量扭曲空间和时间的方式。质量越大，对时空的扭曲就越大。这些扭曲或曲线限制了宇宙万物的运动，因为物体必须沿着扭曲的曲率运动。这就是保龄球（代表巨大物体）被放置在拉伸的橡胶板（代表时空）上的经典画面。如果在橡胶板上放一颗弹珠，它就会滚向保龄球，甚至会绕着它旋转。出现这种情况并不是因为较大的质量发出了吸引较小质量的力，而是因为较小的质量沿着因较大质量的存在而变形的表面运动。曲率引擎是爱因斯坦场方程的解决方案，它构成了爱因斯坦广义相对论的核心，可以计算出物质和能量的特定分布是如何使时空变形的。曲率引擎研究：从理论到现实？爱因斯坦的理论告诉我们，空间可以通过能量发生变形。物体（如宇宙飞船）周围的能量气泡会收缩其前方的空间，膨胀其后方的空间。这种变形会使所需位置更靠近物体，这意味着它可以不动声色地旅行。但所有这一切的最大问题是：气泡是由什么构成的？气泡是由哪种能量构成的？1994年，理论物理学家米格尔·阿尔库比埃尔（MiguelAlcubierre）提出，利用这种收缩—膨胀机制，宇宙飞船的速度可以超过光速。从本质上讲，飞船将被包裹在一个能量气泡中，其船员不会感知到星际旅行。遗憾的是，阿尔库比埃尔的数学方程式并没有解释他提出的曲率引擎是如何实现超光速旅行的。此外，它还需要大量的“负能量”——一种根本不存在的东西。人们普遍认为阿尔库比埃尔驱动器是不可能实现的。阿尔库比埃尔之后，曲率引擎的“现实性”受到了重创。直到2020年，另一篇重要论文问世，曲速驱动器的概念才真正复苏：阿列克谢·博布里克（AlexeyBobrick）和詹尼·马蒂雷（GianniMartire）的《物理曲率引擎介绍》（IntroducingPhysicalWarpDrives）。在这篇论文中，理论天体物理学家博布里克和自学成才的物理学家兼科技企业家马蒂雷首次建立了物理曲率引擎模型，避免了阿尔库比埃尔模型的问题。重要的是，研究人员的模型将关注点放在了亚光速旅行，即比光速慢的旅行。来自“应用物理学”的研究人员将曲率引擎描述为“惯性移动的正负能量物质外壳，它将一个‘乘客’区域包围在一个平面度量中”。球形外壳的质量越大，它对内部时空的影响就越大——巨大的质量会产生巨大的影响。博布里克-马蒂雷模型将能量需求降低了30倍，并证明了曲率引擎可以在没有负能量等理论燃料的情况下运行，表面上证实了曲率引擎在物理上是可能的。虽然这项研究没有解释物体如何加速到超光速，但它为研究曲速驱动器提供了坚实的数学基础。物理学家埃里克·伦茨（ErikLentz）小时候看过《星际迷航》后，就立志要将曲率引擎变为现实。加上最近发表的博布里克和马蒂雷模型的论文，伦茨在2021年发表的论文引起了全球媒体的轰动，在公众意识中重新点燃了超光速旅行的想法。伦茨利用爱因斯坦的场方程，将未经探索的曲率气泡构型（他称之为“孤子”）拼接在一起，得出了一种只需利用传统能源的正能量就能实现超光速旅行的排列方式。在该研究的新闻稿中，伦茨假定，只要能产生足够的能量，他所使用的方程式就能实现从地球到比邻半人马座（已知距离太阳最近的恒星）的太空旅行，“在数年内而不是数百年或千年内”返回。然而，能量仍然是实现现实物理曲率引擎的障碍，伦茨没有解释他的正能量模型是如何避免负能量的。“这种驱动以光速运行，半径为100米的宇宙飞船所需的能量是木星质量的数百倍，”伦茨说，“假设大幅节省能源约30个数量级，才能达到现代核裂变反应堆的范围。”关于“曲率工厂”2024年，博布里克和马蒂雷再次参与讨论，他们与以色列理工学院和阿拉巴马大学的研究人员合作发表了一篇题为《用曲率工厂分析曲率引擎时空》的论文。与这项研究同时发布的还有“曲率工厂”（WarpFactory）软件。“曲率工厂”由先进推进实验室（APL）开发，它使决心将曲率引擎变为现实的研究人员能够建立曲率引擎时空模型。该开源软件可执行爱因斯坦场方程和计算能量条件等，并为用户提供二维和三维可视化效果。代码可在GitHub上获取。研究人员说：“通过使用‘曲率工厂’，研究人员可以广泛探索各种曲率指标，尤其是在分析计算变得不切实际的情况下。物理学家现在只需点击几下，就能生成和完善一系列曲率引擎设计，使我们能够以曲速推进科学发展。”自2021年以来，包括《应用物理学》（AppliedPhysics）的《物理曲率引擎介绍》在内的一系列论文提出，曲率引擎可以按照物理定律构建，曲率引擎领域因此再度兴起。“曲率工厂”提供了对这些结果进行严格评估的手段，使该领域更接近这一目标。