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光速旅行的想法多年来不仅让科幻小说家着迷，也让科学家着迷。光速令人惊叹，达到每秒 299,792,458 米。以这样的速度，一秒钟就能绕地球七圈以上，人类终于可以探索太阳系以外的宇宙了。1947 年，人类首次超越了音速（顺便说一句，音速要慢得多），为协和式飞机等商用飞机和其他超音速飞机铺平了道路。但我们能以光速旅行吗？
根据我们目前对物理学和自然界极限的理解，答案很遗憾是否定的。根据爱因斯坦的 狭义相对论光速（c）是宇宙中速度的极限，由著名的 E=mc² 方程描述，是无法超越的。因此，以光速或更快的速度行进在物理上是不可能的，尤其是对于任何有质量的物体，例如航天器和人类。
即使对于非常微小的物体，例如亚原子粒子，接近光速所需的能量 (E) 也是一个重大挑战。大型强子对撞机 (LHC) 是地球上最大、最强大的粒子加速器，它已将质子加速到尽可能接近光速的速度。然而，即使是微小的质子也需要几乎无限的能量才能达到光速，而人类尚未弄清楚“几乎无限的能量”究竟意味着什么。
然而，物理学家和爱好者们确信，没有任何基本物理定律阻止人类穿越太空——只是非常非常困难。所以今天，让我们讨论一下该领域专家眼中几种可能的星际旅行方法，从最不可能到最合理。
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比光速还快
你永远无法以超过光速的速度旅行。至少，这是我们通过爱因斯坦的狭义相对论所理解的——这一革命性的理论将空间和时间融合在一起，使它们相互联系。虽然我们很容易说未来物理学的进步可以克服这一限制，但在实践中实现这样的概念可能会复杂得多。
狭义相对论是物理学中经过最彻底检验的理论之一。这是因为它不仅仅是一个理论；它是一个 meta-理论。它是一套帮助我们建立其他物理理论的指令。狭义相对论告诉我们空间和时间是如何从根本上相互联系的。这种联系的性质将光速设定为基本速度极限。它不仅与光或运动有关；它还与因果关系本身有关。
这一理论为过去、现在和未来的联系奠定了基础。换句话说，以比光更快的速度旅行可以实现时间旅行，而这在我们的宇宙中似乎是不可能的。由于所有其他现代物理理论都是建立在相对论的基础上的，因此每次我们测试其中一个理论时，我们也在测试相对论。虽然我们可能对时空的基本结构有误解，但光速极限不太可能被推翻。
虫洞
光速极限也与虫洞的不可能性有关。虫洞是连接宇宙中任意两点的空间捷径。这些奇怪的物体是爱因斯坦广义相对论的自然预测，该理论解释了引力是如何从时空的曲率和扭曲中产生的。
广义相对论允许虫洞通过一种非常特殊的方式扭曲时空而形成。然而，有一个小警告：这些物体极不稳定。任何东西，即使是一个光子，一旦试图穿过虫洞的咽喉，它就会立即破裂。已知的唯一稳定虫洞的方法是将一缕奇异物质引入其中。这种物质具有负质量，这就像时间旅行一样，在我们的宇宙中似乎是被禁止的。
我们的后代完全有可能找到另一种方法来稳定虫洞，使星际旅行成为现实。然而，发现物理学上必要的突破可能需要的时间可能比星际之旅本身还要长。
世代相传的船只
虽然将宇宙飞船送往另一颗恒星可能不是什么基本物理问题，但它却带来了许多工程挑战。星际旅行的一个迷人想法是制造代际飞船——大型、缓慢移动的飞船，大多数乘客都无法活着到达目的地。相反，他们会在一艘自给自足的城市飞船上生活几代，最终到达另一颗恒星。
从技术上讲，人类已经是一种星际物种。许多年前，旅行者 1 号宇宙飞船穿越了太阳系边界的日球层顶，进入了星际空间。好消息是，这一壮举只用了几十年就完成了。然而，坏消息是，这只是一个开始。即使以超过 57,940 公里/小时的惊人速度，如果旅行者 1 号朝着距离我们最近的恒星比邻星（虽然它不是）前进，距离我们约 4.2 光年，飞船也需要大约 40,000 年才能到达目的地。这个时间跨度早于第一批城市的发展和农业的出现。然而，好消息是，得益于重力辅助机动，帕克太阳探测器目前的最高速度为 700,000 公里/小时。如果它前往比邻星，大约需要 6,500 年才能到达。进步是显而易见的。
因此，“代际飞船”不只是几代人，而是几百代人，所有人都需要在星际之间的虚空中自给自足地生活，没有额外的水源、燃料、食物或备用零件。因为即使是 6,500 年也是一段很长的时间。
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非常非常快的船
其他爱好者则认为，为了更快地到达其他星球，你不需要一艘巨大笨重的飞船。相反，飞船应该尽可能小。这样，火箭或其他类型的燃料就可以达到更高的速度，缩短旅程。此外，相对论在高速飞行时也有所帮助。由于光速恒定，空间中的运动与时间中的运动不同。物体在空间中移动得越快，它在时间中的移动就越慢。当速度接近光速时，旅行者的一年可能会缩短为几个月、几天甚至几分钟。
不幸的是，这些相对论效应只有当物体速度达到光速的 90% 以上时才会发生，而人类尚未达到这一里程碑。不过，粒子加速器经常将粒子加速到接近光速，因此这并非不可能。
挑战在于我们面对的是微小粒子，而不是巨大的航天器。要将人体大小的物体加速到光速的 90%，所需的能量可能比太阳一千年产生的能量还要多。但这更多的是一个工程问题，而不是基本的物理限制。
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传统曲速引擎概念
传统科幻小说中曲速引擎的概念涉及以一种非常特殊的方式扭曲时空：在飞船前方压缩时空，在飞船后方膨胀时空。从理论上讲，这将使飞船能够有效地以超光速飞行，而不会真正超过当地速度限制。然而，早期对这一想法的研究表明，要实现这一目标，需要具有“负能量密度”的奇异物质形式。这些奇异材料纯粹是理论上的，尚未被观测到，它们在制造和稳定方面带来了重大挑战。
在我们的日常生活中，能量总是被视为正能量。即使在真空中，也存在少量的正能量，称为“真空能量”或“零点能量”。这是因为 海森堡的不确定性原则 量子力学指出，系统中总是存在能量波动，即使在最低能量状态下也是如此。
在已知物理学的框架内，负能量密度的存在是高度推测性的和有问题的。热力学定律和广义相对论中的能量条件似乎禁止大量负能量密度的存在。一些理论，如 卡西米尔效应 以及某些量子场论表明，在特定条件下存在少量的负能量密度。然而，这些影响通常非常小，并且仅限于微观尺度。
这正是新研究发挥作用的地方。应用物理学的研究人员已经确定了一种新方法，有朝一日可以使曲速引擎技术成为可能。该团队引入了“恒速曲速引擎”的概念，这与相对论原理相一致。
新模型不再需要外来能量，而是使用传统和新型引力方法的复杂组合来创建能够在已知物理范围内高速传输物体的曲速泡。“这项研究改变了我们对曲速引擎的理解，”主要作者 Fuchs 博士说。“通过展示这种首创的模型，我们证明了曲速引擎并非科幻小说。”
新型曲速泡的理论模型采用了传统和创新的引力方法，这得益于他们公开的工具 Warp Factory。该解决方案能够以高速但亚光速的速度运输物体，而无需外来能源。这是通过设计时空曲速引擎使其在引力上表现得像普通物质来实现的，标志着此类解决方案的首次出现。
“尽管这样的设计仍需要大量能源，但它表明，无需特殊形式的物质即可实现曲速效果，”研究报告的合著者克里斯托弗·赫尔默里奇博士补充道。“这些发现为未来降低曲速引擎的能源需求铺平了道路。”
与飞机或火箭不同，乘坐曲速飞船的乘客不会受到任何引力的影响。这与一些科幻小说的描述形成了鲜明对比。该团队的研究展示了如何使用普通物质建造这样的飞船。“虽然我们还没有为星际旅行做好准备，但这一成就标志着一个充满可能性的新时代，”应用物理系首席执行官詹尼·马蒂尔解释说。“随着人类进入曲速旅行时代，我们将继续稳步前进。”
应用物理团队目前专注于应对这些挑战，继续完善他们的模型，并与各个学科和机构合作，将曾经的奇妙梦想变成现实。
结论
当我们站在太空探索新时代的门槛上时，创造曲速引擎的前景比以往任何时候都更加诱人。随着每一个新发现和突破，我们距离星星和广阔太空中等待我们的无限机遇又近了一步。随着人类开始寻求超光速旅行，可能使用曲速引擎，我们只能想象宇宙为我们准备了令人难以置信的冒险和发现。
在遥远的未来，假设我们目前对物理学的理解是正确的（至少在超光速旅行和虫洞方面），人类可能只会向其他恒星和宜居行星发送少量的适度任务。然而，在我们自己的太阳系内，有无数的地方——数百颗卫星和数千颗小行星——有朝一日可以被称为家园。这是一个广阔的空间，充满了尚未揭开的谜团。
金窝银窝不如自己家里的狗窝。
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