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用理性分析科幻——考察《星球大战》中的“超空间”

动力炉设计图 zzwthegreat 8018℃ 已收录 3评论

本文力图对“《星球大战》的宇宙”中所有和超空间有关的现象作一个综述。我用现象学的方法概括了在电影以及更多非正规资料里所观察到的超空间特征。我把这些凭经验得出的事实以及它们的物理学意义融合进了这篇涉及现实世界超光速理论物理学某些方面的综述中。《快子、磁单极子以及相关问题》中对狭义相对论的扩展是本文相当重要的理论基础。读者千万别把我的结论运用到《星球大战》的故事之外。你现在所读到的,是对大多数著名科幻故事系列中一个重要方面的最合理解释。它并不是一篇有关现实物理学的综合论文或权威论文。

一、超光速物理学

宇宙的对称性要求有一种速率不因观察者视点的不同而改变。电磁学的定律之一就是光在真空中仅仅以一个恒定的速度传播,这个速度就是“光速”。光速的数值通常以字母“c”表示。(其值大约为2.998×10^8米/秒。)不管一个人相对别的观察者以多快的速度移动,一束光对这两个观察者而言总是以光速在运动。从这个基本事实就能推出时间膨胀和其它一切与狭义相对论有关的效应。

光并不是唯一能按照光速传播的实体。引力也按照光速传播。所有按照光速传播的实体质量都必须是零,而且不能以任何其它速度传播。它们被统一称为“勒克桑”。

对具有一定质量的粒子而言,其运动速度既能低于光速,也能高于光速。前者被称为“慢子”,后者被称为“快子”。(在现实世界,探测快子其实很困难,而且尚未成功过。宇宙中大部分物质相对地球而言似乎都是以亚光速运行的。)快子范畴的基本粒子和慢子范畴的是一样的,因为对观察者的视点而言,它们唯一的区别仅在于速率。快子的优势在于它能朝一个方向以超光速移动。然而,快子与慢子之间的交互在许多方面与我们所熟悉的慢子与慢子之间的交互很不一样。有些特殊的结论是很奇怪的,这在后文会讨论。

为了在《星球大战》中进行超光速旅行,有必要把相对静止的银河系看成“实空间”,而对各个星系而言,任何属于快子范畴的物体都被认为处于一个叫“超空间”的环境内。 物体能量的相对变化取决于其对观察者而言的速率。在静止状态下,能量处于质能极小值。在光速状态下,能量变为无限。在超光速状态下,能量随着速率的增大而不断减小。(《快子、磁单极子以及相关问题》) 物体动量大小的相对变化取决于其对观察者而言的速率。静止时,物体动量为零。以光速运动时,物体动量变为无限。当物体在超空间中高速运动时,动量会无限趋近于物体的静止质量。(《快子、磁单极子以及相关问题》)

二、跳跃

1、运动学

对普通的星际飞船而言,在跳入超空间之前必须有一个短暂而猛烈的加速过程以达到相对论速度,然后通过某些未知的装置跃过光速。与大多数人的理解不同,相对银河系背景而言的高速率其实与跳跃过程无关,因为如果选择适当的观察参照系,即使是最大的亚光速也能转换成任何其它亚光速(例如,完全静止)。尽管某一时刻的速率并不重要,但加速似乎是启动跳跃装置的一道机关、一个前提或一种副作用。

与超光速推进系统相连的抗惯性装置必须保护飞船、它的乘员和设备免受加速效应的侵害,否则在达到更大的亚光速之前,整个系统都会被加速度压力摧毁。对抗惯性装置的任何误操作都会导致安全系统关闭飞船的超空间跳跃功能。据此推断,帝国间谍正是对抗惯性装置进行了修改,从而使“千年隼”的超光速推进器在飞离贝斯坪的时候失灵。如果系统设置正确,那机器人R2-D2将被前推,这个方向正好和跳跃加速产生的惯性力方向相反。然而,“千年隼”却在高速旋转以匹配合适的跳跃方向;未受阻挡的惯性(飞船加速度参照系中的“离心力”)有可能是R2-D2被后推的原因。这一切似乎都说明了抗惯性装置的精度下降和阻尼出错,并由此引发了它的失灵和其它正常设备的起火。对安全系统和抗惯性装制的任何小改动都能轻易杀死船上的每一个人。

物体能以任何高于或低于光速的速度移动,但永远无法正好处于光速状态。一个亚光速物体的移动速度越快,维持或增大其加速度就越困难,因为高速度必然伴随着质量的相对增加。把物体正好加速到光障那一点将需要无限的能量输入。另一方面,一个超光速物体的减速也是非常困难的。把物体正好减到光障那一点也需要无限的能量。快子随着其能量的流失而越来越快。当一个物体在超空间达到无限速度的时候,其能量将为零。

一艘星际飞船可以在高于或低于光速的状态下顺利运行,但却无法以常规的物理手段突破光速。然而,所有小于某亚原子尺寸的常规物理实体都无法精确定义,这样,我们或许可以推测,在《星球大战》中有某些超级技术得以应用于超光速推进器。突破光速的跳跃就利用了某种量子力学的效应,从而不经中间速度,直接从亚光速跳跃至超光速。就像外部观察者所看到的,跳跃在一个普朗克时间内完成,这一时间小到可以忽略不计。

从某种意义上而言,跳跃进超空间类似于通过一个黑洞。从一个外部视点来看,落入黑洞的物体在穿过视界的时候变成了快子物质。在那个点上,物体是无法从黑洞外面的实空间被观察到的。这一相似之处以及跳跃尾涡中的空间扭曲都显示出超光速推进器的运行从本质山至少和引力有部分关系。

2、星线

星线是从一艘正在进行超光速旅行的星际飞船中看到的效果。可能主要因为相对论效应和驾驶舱透明材料的光学特性,飞船前方的背景星域出现某种失真效果。星光看上去被拉长了,它们沿跳跃轨道向外或向内呈放射状。由于相对论多普勒效应,星光的颜色逐渐变蓝。至少从目前的观察判断,星线效果往往缺少任何旋转分量,但下文概述的尾涡旋转效应却有着旋转的特性。

3、尾涡旋转

进入或离开超空间的飞船一般能暂时造成局部的时空扭曲。附近合适的监测设备能探测到由此引发的引力波。沿轨道跳跃的飞船会导致背景星域旋转一、两秒。类似地,从飞船的驾驶舱里看,在重返实空间之前背景星域似乎也在旋转。这再现了重力透镜效应,只不过在这个扭曲的空间中,光线似乎远没有被扭曲或聚焦。光线通过一个旋转黑洞的附近时也会发生类似现象,黑洞强大的引力带动了周边空间也按照黑洞自转的方向旋转。一艘突破光障进入超空间的飞船似乎给它离开/进入点附近的空间施加了一个极大的角动量,但这一现象很快就被重力波消除。空间被扭曲了一秒的事实足以说明被扭曲的空间长度最起码达到3×10^5千米。

尾涡旋转既可以是顺时针的,也可以是逆时针的。尾涡的手性对一艘飞船而言似乎并不是固定的,因为“千年隼”既进行过左手跳跃,也进行过右手跳跃。超光速推进器之所以能造成空间扭曲的原因依然值得探讨,但这一现象充分说明跳跃过程至少和人造引力技术有关。

这里有必要提一下尾涡旋转对飞船周围其它物体可能产生的影响。如果超光速推进器在行星表面就启动,那空间扭曲有可能会给行星表面带来破坏作用,引发行星表面的地震,其地震范围则取决于跳跃时的能量。但是,正如“千年隼”多次从帝国战舰边上逃脱一样,接近跳跃点的较小物体不会受到空间扭曲的太大影响。当“复仇者号”星际驱逐舰在阿诺特星系跳跃进超空间的时候,它留下的太空垃圾似乎丝毫未受干扰。这说明这条碎片流可能正好位于尾涡的开始区域,尾涡旋转波及不到这里,就像风暴眼往往风平浪静一样。(如果尾涡旋转从物体的一边移动到另一边,那碎片就要被干扰了。)也许更强的跳跃尾涡波及面更广,但压力和旋转坡度将更小。(就尾涡的大小而言,一个行星级的物体将有可能受到更大的影响。)也有可能尾涡区域仅仅从跳跃点延伸到跳跃前的加速起点为止。

4、离开超空间

当飞船在正确的航线上航行了一段时间后,导航计算机或类似设备会自动控制飞船离开超空间。出口与目的地的任何大型天体都没有直接的联系(因为飞船可以在空旷的星际空间任一点跳回实空间);出口与任何其它外部环境因素都无关。但是,如果传感器在足够的时间内探测到飞船正在进入一个引力井的边缘,那安全系统就会自动让飞船返回实空间。(“千年隼”抵达奥德兰废墟时的情形说明碎石场的引力还不足以及时关闭超光速推进器。)人性化的星际飞船导航系统和超光速推进器系统将在飞船接近出口时发出视听警告,这样乘员就能及时开启防护罩和亚光速引擎。

重返实空间的过程看上去就是进入超空间的逆过程。超空间隧道被长短不一的星线所取代,它们逐渐变短直至变成实空间星域里的点点星光。飞船剧烈减速以匹配目的地参考系。目前还不清楚这个减速过程到底由普通的亚光速引擎来完成,还是由其它某些与超光速推进器相连的系统来完成。无论如何,减速失败将导致非常悲惨的后果:飞船继续以极高的亚光速航行,经受时间膨胀,并在很短的时间内与某些物体相撞,坠毁。重返实空间前后也会引发短时间的尾涡旋转,远处物体发出的光线在轨道附近发生扭曲,使飞船乘员感到旋转的幻觉。

一艘飞船的突然出现和减速对其周围物体会产生很大的影响,这种影响也许会被当地人的安全传感器探测到。重返实空间由一股引力辐射脉冲和一股超光波脉冲来完成,但超光波究竟是什么还无法确定。还有一种被称为“克罗瑙辐射”(Cronau radiation)的闪光。在飞船重返实空间时,这种光从一个以飞船轨道为顶点的圆锥体底面发出,持续时间不到一秒。此圆锥体的尖锐度(其内角大小)取决于跳跃的特性。

在超空间和实空间的转换过程中,乘员也许会听到一声巨响。这种“尾啸”是船体释放压力后的结果,因为飞船各部分的差别使转换过程并非仅仅在一瞬间完成。一台完好的超光速推进器应该让整艘飞船的不同部分同时完成转换。如果一台引起尾啸的故障超光速推进器没有得到及时的修理,那意味着当飞船有的部分已经完成转换时,有的部分却还没有完成,一旦这个时间差拉得过大,飞船最终将自毁。“千年隼”的尾啸很微弱,显然还没有严重到让索罗船长担心的地步。

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(3)条精彩评论。
  1. 从来没有这么认真的考虑过星球大战的超空间,博主太有才了,不服不行
    清纯与时尚2012-06-17 14:32 回复| Firefox 13.0| Windows 7 x64
    • @清纯与时尚: 科幻也是需要一点严肃的态度看的,毕竟科幻也有成为现实的可能,没有梦想的指导,技术是没有方向的。
      zzwthegreat2012-06-30 12:17 回复| Internet Explorer 7.0| Windows XP
    • @清纯与时尚: 楼上也喜欢《星球大战》吗?
      zzwthegreat2012-06-30 12:19 回复| Internet Explorer 7.0| Windows XP
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