干货科普｜重返群星
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【第070期】= Astronomy
A
stronomy
猫爪课堂
May it be an evening star, shines down upon you;
May it be when darkness falls, your heart will be true.
—— 指环王主题曲
千年以来，人们一直凝视着浩瀚宇宙的群星，漫天星斗亦幻亦真，让人如痴如醉。我们曾以为星星离我们很近，近到触手可得，它们也很小，小如世间凡尘。几乎在每个有记载的文明中，天上的群星都是神明的居所，那是一个可望而不可求的天上人间，以至于古代的先人们认为即使活着的时候不能飞升到星星所在的地方，那么死后让自己的灵魂升入天堂也是一种莫大的殊荣。
现如今，我们了解了宇宙的浩渺无穷，知道地球不再是宇宙的中心，知道我们和最近的恒星相距25万亿英里之遥。于是在不安分的我们探索宇宙的漫漫长路上，一个问题就显得格外重要：我们如何才能跨越这些几乎不可能跨越的距离，重返群星？
科幻小说或者电影中的桥段往往是这样的：一艘星际战舰以光速的50%巡航在浩淼的太空中，这时，全息投影亮了起来，指挥官给战舰下达了最新的指令，让他们马上出发去α星系，于是战舰前方的虚无中顿时展开了一个巨大如漩涡的跃迁入口。战舰指挥官下达了跃迁指令，曲速引擎开足马力，战舰全速冲入跃迁大门的入口，消失不见了。可事实真的如此吗？我们真的能实现星际穿越吗？星际穿越又有哪些靠谱的手段呢和基础呢？本期，小编就带你走进理论物理的大门，看看那些世界上最聪明的大脑所开出的脑洞是多么的深不见底！
曲速引擎DISCOVERY
这个故事首先要从爱因斯坦的相对论说起。爱因斯坦提出的质能方程可谓是周所周知，E=mc²，这个方程最美妙的地方就在于它将质量和能量第一次有机的联系在了一起，而且爱因斯坦清楚的认识到，质量和能量的本质是一样的，并且两者可以相互转换；另一方面，时间和空间也是相对的，相互联系的；一个著名的比喻就是在一张绷紧的布料上放一个小球，你会发现原本平坦的布料会被小球的重量压得凹陷下去，那张布料就代表着时空，即任何有质量的东西都可以扭曲它周围的时空，而且，质量越大，这种扭曲的程度就越大。
/图.质量引起的时空扭曲/
既然质量能够影响周围的时空，那么我们能否利用时空的这一特点完成星际穿越呢？于是，一个叫做Miguel Alcubierre的人提出了一个大胆的设想——曲速引擎（Wrap Drive）。这个脑洞最大的特点在于它设法用空间本身的移动代替物体的移动，简而言之，就是空间本身在移动。你可以让你前面的空间收缩，并同时让你后面的空间膨胀，于是宏观上，你就跟随者你所在的时空一起向前移动了。这个想法最美妙的地方就在于它让速度的极限不再是光速，只要你能以更快的频率压缩或舒张前后的空间，你就可以跑的更快，甚至是，比光速还快。这有点像中国古代传说中的“走山”——一个人在山上休息，一觉醒来发现自己已经不在之前的位置了，他没动，而是山在动。
/图.围观状态下的量子涨落/
但无论这个想法是多么的美妙，总有一个东西是绕不过去的，那就是我们该怎样压缩或者舒张周围的空间呢？答案在与负能量。量子力学告诉我们在看似平坦的空间中充满着波光粼粼的波动，那是现实中此起彼落的粒子所产生的能量脉冲，每一片真空都有自己的能量密度，而这被称为“零点能”，在零点能之下的那部分能量则被称为“负能量”，而这便是曲速引擎的动力来源。
/图.验证克什米尔效应的实验，图中央两块平板会因此越靠越近/
虫洞DISCOVERY
星际穿越的第二套备选的方案落在了“虫洞”身上。虫洞就好像时空之中的捷径通道一般，能让物质和信息在两个完全不同的空间中自由穿梭，这对于我们而言无疑是巨大的吸引力，如果我们能构建或者找到一个虫洞，那星际旅行也许就不再是遥不可及的梦想了。由于物质进入虫洞时是向内汇聚的，而离开虫洞时则是向外飞散的，这种由汇聚变成飞散的过程意味着在虫洞的深处存在着某种排斥作用。由于普通物质的引力只能产生汇聚作用，因此，同样只有负能量物质才能够产生这种排斥作用。所以要想让虫洞成为星际旅行的通道，必须要有负能量的物质作为这个虫洞的稳定剂。
/图.虫洞模型/
这似乎给人们那遥不可及的梦想带来了一丝希望，但是科学家们随即算出了稳定一个半径为一公里的虫洞所需要的负能量，其绝对值大约是全部太阳系所有能量的总和，以现在人类的科技水平而言，这无疑是有些不切实际，于是科学家们把希望寄托在能否找到一个虫洞上。你可别觉得这是无稽之谈，越来越多的理论物理学家相信，宇宙中应该存在着很多十分微小的量子虫洞，它们的大小在10的-25次方米的量级上，科学家们认为这些量子虫洞是大爆炸的遗存，他们就像真空中的量子波动一样，不断的出现，湮灭，再出现，以此往复循环。如果我们能发现甚至控制这些小东西的行为的话，也许就能实现穿越时空的旅行了。当然，量子力学的本质就是不确定性，这就意味着你永远不知道虫洞的出口通往何方，所以进入虫洞，除了要有极大的勇气外，还要有相当的运气，希望你出去的地方不是在太平洋海沟或者外星人的军事基地。
/图.《星际穿越》中穿越虫洞的画面/
下面这段视频是从Youtube上扒下来的好东西，里面展现了虫洞入口的样子，十分震撼。值得一提的是，我们总是觉得虫洞的入口应该像是漩涡一样，但其实不是的，真正的虫洞入口在三维空间中应该像是一个泡泡样子的东西，所以你能看到视频中虫洞内部有些许透镜效应。说到这也可以从侧面比较直观的了解为什么虫洞会如此的不稳定，因为你进入虫洞的行为就好像用一根针插进一个肥皂泡泡一样，一不小心就破碎了。
/视频.虫洞模型/
量子纠缠DISCOVERY
还有一个时下炒得很热的概念也被寄予了极大的希望，那就是量子纠缠（Quantum Entanglement）。在介绍这个概念之前，我们先要说一个很有意思的话题：那就是如何才能原封不动的复制或者复原一个物体或系统？答案的关键在信息，即如果你有一个系统中的全部信息，你就有可能通过这些信息来解构，重组，并最终复原这个系统。这就好比将一个苹果放入榨汁机中，流出来的果汁虽然在形态上已经和原来的苹果大相径庭，但是其中每一个原子都没有发生变化，只是原子排列的顺序变化和组合的方式变化了，这就说明原来关于那个苹果的信息还是存在于这瓶果汁中，这就给我们复原这个系统提供了可能：即我们可以通过收集这些零散的信息，整合，在排列，虽然这个重组的过程困难重重，但是最终的结果却是我们会得到和原来一模一样的一个苹果。
/图.量子纠缠示意图/
你可能会问：“这样浩大的工程是几乎不可能完成的，因为不同的排名列方式中所蕴含的信息是无穷无尽的！”没错，但是如果我们能得到一种特殊的载体，它的特点是能关联起这前后两种状态，甚至能记录下两个状态的信息，这样复原的过程就不再显得虚无缥缈了。而这就是量子纠缠最大的魅力。
/图.实验室中科学家们利用同一束光子让两个不相干的原子相互纠缠/
那么什么是量子纠缠呢？用最通俗的语言讲，就是两个相互纠缠的量子不管距离有多远，他们的行为都不是相互独立的，而是相互联系的，而且这种联系是同时发生的。就好比有两个人拿着两枚完全不同的硬币，但是这两枚硬币是相互纠缠的，一个在火星，一个在地球，这两个人同时向空中抛掷硬币，那么如果地球上的那枚硬币是正面朝上，那么火星上的那枚硬币一定会是反面朝上，反之亦然。即使两枚硬币在空间上没有任何关系，只要两者相互纠缠，就会有这样神奇的结果。爱因斯坦形容“量子纠缠”是“远距离的幽灵行动”。这就意味着如果我们能通过量子纠缠的方式隔空将信息从一个地方传递到另一个地方，我们就有可能在另外的地方将信息重组还原成原来的系统——就真的好像超时空传送一样。第一个好消息来自马里兰大学的量子物理实验室，那里的理论物理学家已经成功的将两个不相干的原子纠缠在一起，并用光子在其中一个原子上写下信息，与此同时，他们也成功的在另外一个原子上获得了相关的信息。用他们自己的话说：这是人类第一次以超光速旅行。
有人说，人类的科学就是在向极大和极小这两个方向不停的探索，每一次尺度的延伸和突破都是科学史上的不朽丰碑。虽然宇宙很大（到底有多大？请看猫爪往期文章宇宙到底有多大？多重宇宙又是怎样的景象？），这样的突破的间隔可能长达几个世纪，但我相信人类会在这条路上一直走下去，就像埃德蒙·汉密尔顿在《重返群星》一书中写道的一样：终有一天，我们将成为真正意义上的宇宙公民！明天早上神舟十一号就要发射了，虽然我们可能已经没有当时杨利伟飞天的时候那么兴奋激动了，但请相信，人类就是在这一点一点的积累中才构筑起这样一座通天的科学大厦的。前路漫漫，但我们信心满满！最后提一下本期的歌曲吧，我第一次听到这首曲子的时候是在海洋馆里，听罢真的有一种清洌溪水流入心中的感觉，本期以此为背景音乐，也是希望我们头顶那条壮丽的璀璨星河同样能流入每个人的心中！
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