无所不能的MATLAB|证明曲速引擎的物理学原理

曲速引擎概念的普及可能得益于《星际迷航》，但这种旅行方式的早期记载可以追溯到 20 世纪 30 年代 JackWilliamson 的科幻小说《The Cometeers》。曲速引擎在科学幻想小说中随处可见，但这“科学”部分却始终无法实现。

据《大众机械》报道，“研究人员一直对曲速引擎的概念很感兴趣，这一概念由墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利于 1994 年首次提出。”“根据理论上的阿尔库贝利曲速引擎概念，航天器可以通过收缩前方空间和膨胀后方空间来实现超光速飞行。”

但是，这些早期的理论设计依赖一些奇特的概念，如负能量或负质量。膨胀和收缩时空并非易事！

《TheCometeers》于 1936 年出版，距今已近 90 年。Applied Physics 高级推进实验室 (APL) 的一个国际科学家和工程师小组近期宣布，他们从数值上获得了一种新的时空曲速引擎解决方案，不涉及奇异概念。这项研究成果发表在《经典和量子引力》杂志上。

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曲速引擎解决方案

这种新的曲速引擎解决方案在已知的物理学范围内运行。新解决方案能保持恒定的速度，尽管比光速慢。

“之前的模型需要一种‘非物理’的物质-能量含量，这意味着它具有我们在常规宇宙中看不到的特征，比如负能量，”研究公司 Applied Physics (AP)的资深科学家兼首席作者Jared Fuchs 解释说。“我们的方法是在解决方案中加入正能量，同时尽可能保留曲速效应，从而避免需要这种外来物质。”

与此同时，他们在《经典和量子引力》杂志中发表了研究论文《使用 Warp Factory 分析曲速引擎时空》。WarpFactory 是一个在 MATLAB 中运行的开源代码库，可供任何物理学家或研究人员测试物理曲速引擎的想法。

“我们在 MATLAB 中开发了 Warp Factory，是因为 MATLAB 能够在单一集成环境和语言中提供理想的功能：利用 GPU 与 CPU 进行强大的并行数值计算、提供直观的可视化工具和易用性。”阿拉巴马大学亨茨维尔分校和 Applied Physics 高级推进实验室的 Christopher Helmerich 解释道，“这些功能使 Warp Factory 能够高效地分析复杂的曲速引擎时空，并获得对其物理特性的新见解。”

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WarpFactory Toolbox

MathWorks 公司技术撰稿人、普渡大学物理学兼任教授 Matt Lister 说道，“在未来，通过翘曲气泡在星际间实际旅行的前景令人着迷。这说明，使用 MATLAB 中的高级数学工具来探索爱因斯坦引力理论等基本物理概念会产生令人惊叹的结果。”

除了模拟曲速引擎解决方案外，该工具箱还支持研究人员使用 GPU 友好型三维有限差分求解器，以数值方式执行爱因斯坦广义相对论计算，例如根据时空度量计算时空曲率。

MathWorks的物理学科经理 Temo Vekua 说道，“该工具箱对用户很友好，而且包含交互式实时脚本形式的示例。”“您可以直接在 MATLAB Online 中打开它。”

对于标准时空度量，使用此工具包和 Symbolic Math Toolbox 也能得到类似的结果，为 WarpFactory 的精确性提供基准测试。

应力-能量张量的动画。横截面上区域颜色越浅，能量密度越高。蓝线显示翘曲气泡内的动量流动方向。图片所有权：Applied Physics。

由此产生的翘曲气泡动量通量不会收缩和膨胀空间。Fuchs 解释说：

“与流行的说法相反，翘曲并不会膨胀或收缩空间。相反，它依靠大量能量在乘客舱内快速移动，从而在舱内产生传送带效应。这种能量运动就像一个烟圈，但在这个烟圈的内侧，它可以通过重力将乘客送达目的地。如果您在改变这种传送带效应的同时让这个物质环运动起来，便拥有了一个可以沿着时空运送乘客的曲速引擎。”

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超越科幻小说

Fuchs 在一份新闻声明中说道，“这项研究改变了关于曲速引擎的讨论。”“通过展示一个同类首创模型，我们证明了曲速引擎可能从科幻小说中步入现实。”