《星际迷航》

本栏目曾向大家介绍了《星际迷航》系列电影，该系列是科幻史上里程碑式的作品，讲述了英勇的寇克舰长和伙伴们乘坐着星舰“企业号”在太空中穿梭，对抗邪恶敌人，探索未知星球的故事。在这些精彩的宇宙历险故事中，坚实的科学知识背景最为引人注目，其中星际战舰、量子传送、虫洞等关于宇宙航行的科幻元素也因此被普罗大众所接受。物理学大师霍金就曾经是电视剧《星际迷航·下一代》的科学顾问，而且客串了一个角色——他自己。霍金的学生、物理学家彭罗斯担任该系列电影的顾问时，首次引入了“曲速飞行（Warp Drive）”这一理论，把超越光速的宇宙航行表现得更加真实可信。我们就跟随电影，看看未来的宇航之旅究竟是怎样的吧。

曲速飞行

在《星际迷航》系列电影中，星舰是未来的宇宙交通工具。我们知道，宇宙极其空旷，星系之间的距离以光年计算，寇克船长们即使以光速行驶，也得花费成百上千年，这可不符合故事的要求。因此，超光速飞行方式—“曲速飞行”闪亮登场了！

熟悉相对论的读者可能会对“超光速”的说法不屑一顾。是的，物质的移动速度无法超过光速，但空间的移动速度却不在相对论的限制之内。物理学家米给尔·阿库别瑞于1994年提出了“曲速飞行”：通过空间扩张和收缩，使一块空间以大大超越光速的速度行进。

在进一步解释曲速飞行之前，我们先来了解一下正质量和负质量。在20世纪之前，物理学中的质量都用正数表示，物理学家们也从来没有考虑过负数质量的问题。然而到了20世纪中期，物理学家研究宇宙膨胀的问题时，发现了一种物质间的排斥力，这种排斥力的大小完全可以用引力定律来描述——与引力大小一样，只是多了一个负号。于是，很多人猜测，这是一种负质量物质。

正质量的物质可以使空间收缩，而负质量的物质则相反，可以让空间扩张。如果在宇宙飞船的前方喷出正质量物质，在后方喷出负质量物质，那么飞船周围的空间就会变得“前低后高”，高速向着前方行进，这就是曲速飞行（也有曲速引擎等称呼）。作曲速飞行的是飞船附近的空间，而飞船在这个空间中是相对静止的。就像乘坐快艇的人，他可以静止在船中，但岸上的人看上去，他正在水上高速运动呢。

人工黑洞与“红物质”

除了曲速飞行，虫洞在《星际迷航》系列的电影里也常常出现，成为星际航行的捷径和穿越时空的通道，与之相关的黑洞更是必不可少的剧情要素。特别是在《星际迷航2009》中，反派角色甚至能利用“红物质（Red Matter）”人工制造黑洞。那么，黑洞真的能被人工制造吗？

人工黑洞理论上是可以实现的。为了检验弦理论和模拟宇宙“大爆炸”，2008年，科学家试图利用欧洲大型强子对撞机（LHC）制造人工黑洞。他们给粒子加速，使其能量增加，由于能量和质量是等效的，因此相当于增加了它的质量。当粒子速度非常高，质量非常大，密度达到黑洞水平以后，它就变成一个人工的迷你黑洞了。遗憾的是，2010年该实验宣布失败，看来我们离《星际迷航》还有一段不小的距离。

那么电影中小小的“红物质”有科学依据吗？首先我们应该问，什么物质可以制造出黑洞？答案是高度集中的能量，把足够强大的能量汇集在一点就能够造出黑洞。电影中的“红物质”很可能是一种高密度的反物质。

反物质是指由反质子和反电子构成的物质。反质子和反电子是质量与质子、电子相等，但电性相反的粒子。如果物质跟反物质接触就会发生湮灭，质量完全转变成能量。500克的反物质与500克物质湮灭可以产生超过一个氢弹的能量！如果把这些能量集中到一个微小的体积之内，产生一个黑洞是完全有可能的。例如，反物质的密度达到中子星的密度（1011千克/厘米3），那么湮灭时的能量密度是异常巨大的。反物质的储存并不困难，只要不跟任何物质接触就行了，现在储存等离子体的磁约束也可以做到。现在已经有一些人造卫星在太空中找到了反粒子，但事实上，大量的反物质很难被找到，因为它们只能离物质远远的，否则我们这个物质世界早就湮灭了。在以数百万光年计算距离的星系间，反物质与物质稀薄地分布着，互不相见。

电影中，人工黑洞被制造出来的时候，我们看到了这样一幕：星体变成了黑洞，外层空间的宇宙飞船仓皇出逃，稍慢一点的就被吸入黑洞。这样的情节其实是违反物理规律的。在星体外部，飞船所受引力的强弱与该星体的质量、飞船与星体中心的距离有关。因此，当一个星体变成黑洞时，这两个因素没有发生变化，引力也就不会变化了。所以飞船不会被吸入黑洞，根本用不着逃跑。

那么，黑洞的引力强在哪里？是星体原体积范围内的引力变强了。在变成黑洞之前，在星体内部，离中心越近，引力就越小。当星体变成黑洞后，原来体积之内的引力才变强，而且是越靠近中心越强。

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