這些方法能打開通向未來的大門？

【博科園-科學科普】即時通訊，星際宇宙飛船的夢想，以及時光倒流的能力是科幻小說的主要內容。在許多方面它們代表著人類最大的希望，然而他們卻依賴於那些超出目前科學所知的可能性的技術。儘管如此在探索前沿進行的實驗中有可能在任何時候打開一扇新的門。如果幸運的話地平線上還有什麼？

在所有實驗中阿爾法合作都是最接近於測量在引力場中中性反物質的行為的。根據研究結果這可能為令人難以置信的新技術打開大門。圖片版權：Maximilien Brice/CERN

如果我們有運氣的話，未來幾十年將要發生的科學實驗將會為我們打開一種科幻電影技術的新途徑嗎？在21世紀結束的時候，有許多奇妙的可能性可以重塑我們的現實。

所有的火箭設想都需要某種燃料，但如果一個暗物質引擎被製造出來，新燃料總能通過穿越銀河系的方式找到。圖片版權：NASA/MSFC

暗物質可能是一個無限的燃料來源，我們不需要隨身攜帶。科學上最大的謎團之一就是暗物質的本質是什麼。由於間接觀察我們知道它確實存在，而且我們知道它很豐富。如果你把所有的暗物質都加在一個大星系裡，就像我們銀河系一樣，你會發現它的數量是正常的(原子的)的五倍。

幾乎可以肯定的是它是由一種具有一般性質的粒子構成的：

1、它有質量,

2、它沒有電或顏色的電荷，

3、它有一個引力相互作用，

4、在某種程度上它應該能夠與自身和/或正常物質發生碰撞。

從愛因斯坦著名的E = mc ^ 2方程中有一個巨大的能量存儲在暗物質：五倍的普通物質的總和，如果宇宙對我們很好話或許就能駕馭它。

星團Abell 370的質量分布圖，通過引力透鏡重建顯示了兩個大而擴散的質量的光環，與暗物質和兩個合併的星團一致，以創造我們在這裡看到的東西。總的來說在每一個星系、星系團和大量的普通物質中存在著5倍的暗物質。圖片版權：NASA, ESA, D. Harvey (école Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF

有大量的實驗都在尋找暗物質與普通物質和自身的碰撞。一般來說有兩種粒子：費米子(半整數自旋)和玻色子(有整數自旋)。如果暗物質是玻色子那就意味著它最有可能是它自己的反粒子，也就是說如果你能利用兩個暗物質粒子，讓它們相互作用，它們就會湮滅。

如果它們湮滅就產生純能量。換句話說這是一個自由且無限的能量來源。因為它無處不在，當你穿越宇宙時你甚至不需要帶著它。所以當你聽到實驗中尋找暗物質的時候，我們所得到無限自由能量是最終的夢想。

這是《星際迷航》中扭曲力場的一個例子，它縮短了前面的空間，同時延長了它後面的空間。圖片版權：Trekky0623 of English Wikipedia

反物質可以有負質量，這意味著它可能是翹曲驅動器的關鍵。如果你想去星際旅行那麼傳統的能源和燃料來源是遠遠不夠的。或者更確切地說它們只會讓你跑得那麼快，將永遠被光速所限制。距離地球最近的類似太陽的恆星Tau Ceti距地球約12光年，這意味著即使到達那裡並將其類似的消息傳回來，這至少需要一代人的時間。但如果我們能在我們穿越星際空間的時候縮小我們面前的空間，同時擴大我們身後的空間，我們就能更快地到達那裡。這就是在1994年由天體物理學家Miguel Alcubierre在堅實的物理基礎上的「翹曲驅動器」的想法。

Alcubierre解決廣義相對論，使運動類似於翹曲運動。這個解需要負質量。圖片版權：Wikimedia Commons user AllenMcC

為了達到實現翹曲驅動器所需的時空配置，需要兩件事：大量的能量以及負質量的存在。

這個負質量目前只是推測性的，被要求以適當的方式變形時空，使翹曲運動成為可能。然而目前尚未測量過反物質粒子的質量，是否在引力場中「向下」或「向上」，是一個未最終完成的實驗。CERN的ALPHA實驗目前正在研究反物質的引力效應，以及它在引力場中的表現。如果答案是它在引力場中「上升」，我們就可能得到負質量，而翹曲驅動器是可能的。

CAM(離心機住宿模塊)的虛擬鐵鳥工具是一種製造人造重力的方法，但它需要大量的能量，只允許一個非常具體的中心尋求的力量。真正的人造重力需要一些與負質量有關的東西。圖片版權：NASA Ame

負質量也允許我們製造人造重力。同樣的可能性——在宇宙中存在某種類型的負質量將使我們能夠以一種我們目前無法做到的方式創造一個人造重力場。電磁學中正電荷和負電荷的存在使我們能夠產生導體，從而使我們能夠操縱它們之間的電場，並使我們遠離它們之外的任何電場。正如我們現在所理解的引力只有一種：正質量。然而如果我們正確地配置它，它的存在將使我們能夠創造一個真正的零重力環境，同時賦予我們創造一個在兩個正質量/負質量系統之間我們想要的任何大小的人造重力場。

時光倒流的想法現在被歸入了科幻小說的範疇。然而如果宇宙中有封閉的時間型曲線，這不僅是可能的而且是不可避免的。圖片版權：Genty / Pixabay

一個旋轉的宇宙可以讓我們回到過去。時間旅行不僅是可能的，而且是不可避免的前進的方向。隨著空間和時間統一到時空的結構中，它將需要一些主要的調整以使時間旅行在向後的方向。回到你在太空的起始位置很容易：當它回到太陽周圍的起點時，地球會會在一個相當大的時間裡(一年)向前走，「封閉的空間型曲線」很容易實現。要及時回到你的起點需要一些的東西：一個「封閉的時間曲線」是膨脹的、充滿物質的宇宙所沒有的特徵，除非宇宙在旋轉。

它不會僅僅是一個旋轉產生封閉的時間曲線的單個星系，而是整個宇宙在全球範圍內。圖片版權：University of Warwick

在一個旋轉的宇宙中存在一個精確的解，如果物質密度和宇宙常數(即暗能量)有特定的值，宇宙一定有封閉的時間型曲線。到目前為止我們只推測了宇宙的整體旋轉，但我們還沒有排除它。如果宇宙在一個特定的速率下旋轉，平衡了物質密度和宇宙常數的要求，那麼我們完全有可能回到過去，回到你的出發點，不僅是在空間上而且是在時空中。如果存在的話即將到來的WFIRST或LSST天文台將會進行的大規模觀測，可能會顯示出這樣的旋轉。

科學上總是有更多奇異的可能性——物理物體的傳送，間斷地點之間的瞬時旅行(蟲洞)，或比光速更快的通信等等。只要有一個實驗給出了意想不到的結果，然而我們不得不去看，科學並不是一個有終點的故事，我們在那裡學習所有的知識，這是一個持續的探索故事，每一個發現每一個數據點，每一個實驗都不可避免地導致更深層次的問題。無論這條路如何走到我們身邊，重要的是要預見到這些可能性，以及在旅程的每一步都要讓它們成真的可能性。

參考：Wikimedia，NASA，ESA，CERN等等

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes

編譯：光量子

審校：博科園

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