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电影《阿凡达》中看到的大多数这类飞行器与引力

严格来说,反重力是不存在的

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反重力一直是科幻和电影中的重要主题。不依赖传统的推进方式,制造出可以在天空中自由飞行的反重力飞行器,是很多人的梦想。

然而,我们在电影中看到的大部分飞机并不是真正的“反重力装置”,它们大多只是对抗重力的装置。反重力的确切定义是普遍排斥,在我们低速的宏观世界中,反重力是任何两个物体之间的排斥力,与它们各自的质量成正比,与所证明的距离成反比。物理学将自然界中的一切现象分为四种力,它们有着本质的区别,其中最常见的是万有引力和电磁力。电影《阿凡达》中潘多拉星球上的磁悬浮岛可以漂浮是因为磁力,而不是反重力。

严格来说,反重力是不存在的。事实上,在所有四种基本力中,万有引力是唯一一种只吸引不排斥的力。为什么重力与其他力如此不同?

为了说明这种差异,我们先来比较比较熟悉的电磁力和重力。很多朋友在中学时可能已经注意到,描述点电荷间静电力的库仑公式与牛顿的万有引力公式非常相似。两者都与距离的平方成反比,静电力与电荷成正比,引力与质量成正比。由于电荷有正负两种,宏观物质只有正质量,所以静电力有引力有斥力,两个物体之间只有万有引力,没有万有斥力。

在高中学到的这些法律有一些局限性。电磁力不仅仅是点电荷的静电力,牛顿的万有引力公式只适用于弱引力的情况。更一般地说,引力和电磁力在方向上是否仍然与其他力不同?为此,我们需要深入微观世界,分析力的本质。

什么是力?想象一下,你和你的朋友正在溜冰,彼此相距一段距离。向他扔球,你被球推后中国在研究反重力引擎,他接球时被球向前推,整体效果是通过球在两者之间传递斥力。现代物理学认为,所有的力都是通过“传播者”在物体之间传播的,比如前面提到的球体。不同的力量有不同的微观传播者。例如,电磁力的传播者是光子中国在研究反重力引擎,引力的传播者叫做引力子。这两种粒子的自旋是不同的。计算发现,自旋为 1 的光子可以传递引力和斥力;而自旋为 2 的引力子只能传递引力。相似地,

虽然没有严格的反重力,但有一种方法可以产生类似的效果,那就是寻找负质量物质,能量低于真空的物质。现代物理学认为,真空中每时每刻都有大量虚粒子对产生并湮灭。1948年,H. Kashmir发现真空中平行导体板之间的虚粒子能量比真空中小,两板之间的能量会小于真空中的能量。这种微弱的吸引力被称为克什米尔效应。这样的虚拟粒子相当于具有负质量。如果飞船和地球都是由负质量物质组成,那么飞船和地球之间的引力就会产生相互远离的相对运动,导致许多科幻电影中的神奇漂浮效果。读者可以想象如果航天器的质量为负而地球的质量为正会发生什么。

虽然负能量密度只是微观量子效应,但克什米尔效应不仅仅是一种神秘的物理游戏,在芯片制造中已经有必要考虑这种效应。

顺便说一句,负质量物质可以用来建造持续时间更长的虫洞。

描述引力的理论是爱因斯坦的广义相对论。如果放宽要求,对广义相对论进行修改和扩展,就会更容易获得“反重力”。其中一种方式是要求扭转率不为零(广义相对论默认扭转率为零),而这个修正的广义相对论对应的引力传播子有自旋2部分和自旋1部分。,其中自旋 1 部分会导致反重力。这可能是成本最低的反重力理论,比引入负质量物质的牺牲要少得多。

其他手段包括打破狭义相对论满足的洛伦兹对称性,或者打破广义相对论的等价原理,这也是代价高昂的。总之,要引入反重力,就要牺牲现有理论中一些非常重要且不可改变的起点,并付出非常沉重的代价。以牺牲这些起点为代价,这些理论必然与现实世界的实验相矛盾。所以反重力只是一个理论上的游戏。