無(wú)所不能的MATLAB|證明曲速引擎的物理學(xué)原理

曲速引擎概念的普及可能得益于《星際迷航》，但這種旅行方式的早期記載可以追溯到 20 世紀(jì) 30 年代 JackWilliamson 的科幻小說(shuō)《The Cometeers》。曲速引擎在科學(xué)幻想小說(shuō)中隨處可見(jiàn)，但這“科學(xué)”部分卻始終無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

據(jù)《大眾機(jī)械》報(bào)道，“研究人員一直對(duì)曲速引擎的概念很感興趣，這一概念由墨西哥物理學(xué)家明戈·阿爾庫(kù)貝利于 1994 年首次提出?！薄案鶕?jù)理論上的阿爾庫(kù)貝利曲速引擎概念，航天器可以通過(guò)收縮前方空間和膨脹后方空間來(lái)實(shí)現(xiàn)超光速飛行。”

但是，這些早期的理論設(shè)計(jì)依賴一些奇特的概念，如負(fù)能量或負(fù)質(zhì)量。膨脹和收縮時(shí)空并非易事！

《TheCometeers》于 1936 年出版，距今已近 90 年。Applied Physics 高級(jí)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 (APL) 的一個(gè)國(guó)際科學(xué)家和工程師小組近期宣布，他們從數(shù)值上獲得了一種新的時(shí)空曲速引擎解決方案，不涉及奇異概念。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《經(jīng)典和量子引力》雜志上。

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曲速引擎解決方案

這種新的曲速引擎解決方案在已知的物理學(xué)范圍內(nèi)運(yùn)行。新解決方案能保持恒定的速度，盡管比光速慢。

“之前的模型需要一種‘非物理’的物質(zhì)-能量含量，這意味著它具有我們?cè)诔Ｒ?guī)宇宙中看不到的特征，比如負(fù)能量，”研究公司 Applied Physics (AP)的資深科學(xué)家兼首席作者Jared Fuchs 解釋說(shuō)。“我們的方法是在解決方案中加入正能量，同時(shí)盡可能保留曲速效應(yīng)，從而避免需要這種外來(lái)物質(zhì)?！?/p>

與此同時(shí)，他們?cè)凇督?jīng)典和量子引力》雜志中發(fā)表了研究論文《使用 Warp Factory 分析曲速引擎時(shí)空》。WarpFactory 是一個(gè)在 MATLAB 中運(yùn)行的開(kāi)源代碼庫(kù)，可供任何物理學(xué)家或研究人員測(cè)試物理曲速引擎的想法。

“我們?cè)?MATLAB 中開(kāi)發(fā)了 Warp Factory，是因?yàn)?MATLAB 能夠在單一集成環(huán)境和語(yǔ)言中提供理想的功能：利用 GPU 與 CPU 進(jìn)行強(qiáng)大的并行數(shù)值計(jì)算、提供直觀的可視化工具和易用性?！卑⒗婉R大學(xué)亨茨維爾分校和 Applied Physics 高級(jí)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的 Christopher Helmerich 解釋道，“這些功能使 Warp Factory 能夠高效地分析復(fù)雜的曲速引擎時(shí)空，并獲得對(duì)其物理特性的新見(jiàn)解?！?/p>

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WarpFactory Toolbox

MathWorks 公司技術(shù)撰稿人、普渡大學(xué)物理學(xué)兼任教授 Matt Lister 說(shuō)道，“在未來(lái)，通過(guò)翹曲氣泡在星際間實(shí)際旅行的前景令人著迷。這說(shuō)明，使用 MATLAB 中的高級(jí)數(shù)學(xué)工具來(lái)探索愛(ài)因斯坦引力理論等基本物理概念會(huì)產(chǎn)生令人驚嘆的結(jié)果?！?/p>

除了模擬曲速引擎解決方案外，該工具箱還支持研究人員使用 GPU 友好型三維有限差分求解器，以數(shù)值方式執(zhí)行愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論計(jì)算，例如根據(jù)時(shí)空度量計(jì)算時(shí)空曲率。

MathWorks的物理學(xué)科經(jīng)理 Temo Vekua 說(shuō)道，“該工具箱對(duì)用戶很友好，而且包含交互式實(shí)時(shí)腳本形式的示例?！薄澳梢灾苯釉?MATLAB Online 中打開(kāi)它?！?/p>

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)空度量，使用此工具包和 Symbolic Math Toolbox 也能得到類似的結(jié)果，為 WarpFactory 的精確性提供基準(zhǔn)測(cè)試。

應(yīng)力-能量張量的動(dòng)畫(huà)。橫截面上區(qū)域顏色越淺，能量密度越高。藍(lán)線顯示翹曲氣泡內(nèi)的動(dòng)量流動(dòng)方向。圖片所有權(quán)：Applied Physics。

由此產(chǎn)生的翹曲氣泡動(dòng)量通量不會(huì)收縮和膨脹空間。Fuchs 解釋說(shuō)：

“與流行的說(shuō)法相反，翹曲并不會(huì)膨脹或收縮空間。相反，它依靠大量能量在乘客艙內(nèi)快速移動(dòng)，從而在艙內(nèi)產(chǎn)生傳送帶效應(yīng)。這種能量運(yùn)動(dòng)就像一個(gè)煙圈，但在這個(gè)煙圈的內(nèi)側(cè)，它可以通過(guò)重力將乘客送達(dá)目的地。如果您在改變這種傳送帶效應(yīng)的同時(shí)讓這個(gè)物質(zhì)環(huán)運(yùn)動(dòng)起來(lái)，便擁有了一個(gè)可以沿著時(shí)空運(yùn)送乘客的曲速引擎?！?/p>

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超越科幻小說(shuō)

Fuchs 在一份新聞聲明中說(shuō)道，“這項(xiàng)研究改變了關(guān)于曲速引擎的討論?！薄巴ㄟ^(guò)展示一個(gè)同類首創(chuàng)模型，我們證明了曲速引擎可能從科幻小說(shuō)中步入現(xiàn)實(shí)?！?/p>