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出版者:中国国际广播出版社

作者:张浩

出品人:

页数:376

译者:

出版时间:2002-1

价格:22.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787507820850

丛书系列:

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探秘星际航行：超光速引擎的理论与实践 本书导言：超越光速的边界 自古以来，人类从未停止过对宇宙的遐想与探索。从仰望星空的好奇，到发射探测器触及太阳系的边缘，我们对浩瀚宇宙的认知不断深化。然而，即便是最先进的航天器，在宇宙尺度面前也显得如蚍蜉般渺小。星际旅行的瓶颈，始终是光速的限制。相对论告诉我们，任何有质量的物体都无法达到或超越光速。但如果，我们能找到一种绕过这一限制的方法呢？《探秘星际航行：超光速引擎的理论与实践》正是为了探索这一宏伟目标而诞生的。 本书并非科幻小说集，而是基于现有物理学框架，结合理论物理学最前沿的设想，对“超光速”这一概念进行全面、深入的剖析和推演。我们旨在搭建一座连接当代物理学与未来星际航行梦想的桥梁，详细论述当前物理学界最具潜力的几大超光速推进理论，并探讨其实验验证的可能性与工程实现的巨大挑战。 第一部分：光速限制的物理学根基与突破口 在深入探讨超光速方案之前，我们必须对现有物理学——尤其是爱因斯坦的狭义相对论——进行一次严谨的回顾。 第一章：狭义相对论的铁律 本章详细阐述了狭义相对论的两个基本假设：光速不变原理和相对性原理。我们深入探讨了时间膨胀（Time Dilation）和长度收缩（Length Contraction）效应，并清晰地解释了为什么加速到光速需要无限的能量，这构成了经典物理学中星际旅行的最大障碍。我们还将简要回顾洛伦兹变换（Lorentz Transformations）的数学结构，用以精确描述高速运动对时空测量的影响。 第二章：拓扑空间与时空弯曲的引力视角 广义相对论为我们提供了另一个思考角度。光速是局域光锥内的速度极限，但时空的整体结构是否可以被“操纵”？本章重点介绍黎曼几何在描述弯曲时空中的应用。我们讨论了度规张量（Metric Tensor）的概念，并分析了如何通过引入负能量密度或奇异物质，理论上改变时空自身的拓扑结构，从而实现超越光速的“有效旅行”。 第二章的重点在于区分“局部速度”与“有效速度”： 飞船本身可能从未超过局域光速，但它所处的时空区域却被扭曲，使得目的地在观测者看来被更快速地“抵达”。 第二部分：超光速引擎的理论模型构建 本部分是本书的核心，我们将详细考察目前物理学中最具代表性的三种超光速推进理论框架。 第三章：曲速驱动（Alcubierre Drive）的深入解析 曲速驱动是当前讨论度最高的超光速概念之一。本章将从数学上重建米格尔·阿库别雷（Miguel Alcubierre）在1994年提出的场方程解。 几何构造： 我们将详细绘制和分析“曲速泡”（Warp Bubble）的结构——飞船前方时空被收缩，后方时空被膨胀。 能量条件与奇异物质： 理论要求在曲速泡的特定区域存在具有负能量密度的物质，即“奇异物质”（Exotic Matter）。本章将深入探讨卡西米尔效应（Casimir Effect）等量子场论现象中是否存在获得负能量的理论途径，并评估其在实际工程中所需的数量级。 稳定性与因果律挑战： 探讨曲速泡的形成、维持和解体的稳定性问题，并严格分析超光速旅行对时空因果结构可能造成的潜在破坏（如时间悖论）。 第四章：虫洞（Wormholes）的理论框架与跨越 虫洞是连接时空中遥远两点的捷径。本章主要聚焦于爱因斯坦-罗森桥（Einstein-Rosen Bridge）及其后继理论。 虫洞的拓扑学基础： 解释虫洞如何作为爱因斯坦场方程的非平凡解出现。 可穿越性（Traversability）： 静态虫洞通常是瞬时的且具有奇点。我们详细分析基普·索恩（Kip Thorne）等人提出的“可穿越虫洞”模型，该模型同样需要负能量物质来维持喉部的张开，防止其坍缩。 虫洞的生成与稳定： 讨论是自然形成（如量子泡沫中）还是人工制造的可能性，并评估维持一个宏观稳定虫洞的能量需求。 第五章：量子推进：利用零点能场的猜想 不同于时空几何的宏观操纵，本章探索基于量子力学层面实现超光速的理论可能性，尽管这些理论目前更偏向于推测。 零点能（Zero-Point Energy）的潜力： 探讨量子真空中的涨落能量，以及是否能通过某种机制（如动态卡西米尔效应的极端形式）将其转化为推进力。 非定域效应（Non-Locality）的利用： 简要讨论量子纠缠现象是否能以某种未被现有物理学描述的方式，用于信息或能量的瞬时传递，并澄清量子纠缠与经典信息传输的速度限制之间的严格区别。 第三部分：工程化挑战与未来展望 理论构建的最终目的是指导实践。本书的第三部分将冷静地评估将上述理论转化为实际星际飞船的技术壁垒。 第六章：负能量物质的物理实现难题 所有主流的超光速理论都指向一个共同的瓶颈：负能量物质的获取与操控。 量子场论的限制： 深入分析“平均零能量条件”（Averaged Null Energy Condition, ANEC）的含义及其对负能量总量和持续时间的限制。 能量密度需求估算： 基于曲速驱动所需的曲率变化，计算出驱动一艘小型载人飞船所需的负能量等效质量，并与已知宇宙中的能量储备进行对比，以凸显工程规模的难度。 第七章：辐射、导航与时空效应的实用考量 即使解决了能源问题，超光速航行仍面临一系列独特的工程挑战。 “泡前”粒子积累问题： 当曲速泡向前推进时，真空中的普通粒子（如光子、尘埃）会被“推挤”到泡的前缘。理论预测，当飞船停止时，这些积累的粒子将以极高能量爆发出来，可能摧毁目的地或飞船本身。本章将探讨潜在的缓解方案，例如“被动式”曲速泡设计。 导航与观测： 在扭曲的时空中，如何精确地进行导航？飞船如何感知外部环境？我们将分析在弯曲时空内进行光信号通信和外部观测的几何光学限制。 惯性与冲击吸收： 即使是“平稳”的曲速泡，其边界处的时空梯度也可能对船体结构和宇航员生命维持系统构成巨大挑战。 第八章：迈向测试：从地面实验到星际前哨 本书最后一部分展望了从纯理论走向实验验证的路线图。 宏观效应的低能模拟： 探讨是否可以通过精确测量极微小尺度的时空扰动（如利用高精度激光干涉仪探测微弱的零点能场变化），来验证曲速驱动理论的基本要素。 粒子加速器中的“曲速信号”搜寻： 分析现有高能物理实验能否间接探测到负能量密度的存在迹象。 长期愿景： 总结人类何时可能从目前的化学火箭时代过渡到利用时空本身进行旅行的新纪元。本书坚信，对物理极限的理解越深刻，对未来的突破就越有帮助。 结语：敬畏与坚持 《探秘星际航行：超光速引擎的理论与实践》是一部严谨的、面向严肃爱好者的物理学读物。它要求读者具备高等物理学的基础知识，但其目标并非提供现成的解决方案，而是清晰地界定我们当前站在何处，以及通往星辰大海的道路上，最坚固的障碍究竟是技术，还是我们对宇宙基本法则的理解深度。探索永无止境，而光速，或许只是一个需要被重新定义的标尺。

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