人類實現超光速旅行的日子已近在咫尺？宇宙中的強大推進系統會實現嗎？揭秘曲速引擎。

圖為一位藝術家對利用蟲洞在太空旅行所做的解釋，索恩在科學界開始了關于是否可能利用蟲洞實現太空旅行的嚴肅討論。

(圖片來源：NASA)

半人馬座（Proxima Centauri）是距離地球最近的恒星，約4.25光年（約25萬億英里或 40萬億公里）。目前在太空中的帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)是有史以來速度最快的航天器，最高時速將達到每小時45萬英里，若以該速度運行，僅需20秒就可以從洛杉磯抵達紐約，但若要抵達離地球最近的相鄰太陽系卻要花上6633年。

(圖為半人馬座。圖片來源：百度圖片)

如果人類想在恒星間輕松移動，就需要超光速運動。但是迄今為止，超光速運動只在科幻小說中實現過。在以撒·艾西莫夫(Issac Asimov) 的科幻小說《基地系列》(Foundation series中，人類可以利用跳躍驅動器從一個星球移動到另一個星球，從一個恒星到另一個恒星，甚至穿越宇宙。我還是孩子時讀了盡可能多的此類故事，盡管我現在是一名研究納米技術的理論物理學家，但我仍然為人類某一天能實現太空旅行的種種方式而著迷。

（圖為阿西莫夫經典小說改編科幻劇集《基地》預告片宣傳圖。圖片來源：百度圖片）

（圖為電影《星際迷航》宣傳海報。圖片來源:百度圖片）

一些電影角色——例如電影《星際穿越》和《雷神》中的宇航員——利用蟲洞在幾秒間就完成了太陽系間的旅行。而另一種方式《星際迷航》的粉絲一定不會陌生，那就是通過曲速引擎(Warp Drive)。盡管曲速引擎技術在現實中還很難實現，但是在理論上是成立的。最近兩篇相關論文的發表成為了三月份的頭版頭條，原因是研究人員宣稱，將曲速引擎理論付諸現實存在許多挑戰，而他們已經克服其中之一。

但是這些理論上可行的曲速引擎在現實中要如何運作呢？人類會盡快實現曲速的偉大一躍嗎？

這張二維視圖的中心是平整而未被彎曲的時空氣泡，它是一個曲率驅動器，四周是經壓縮的時空，從右側（曲線之下）延伸到左側（曲線之上）。（圖片來源：AllenMcC/維基共享資源）

壓縮和擴張

物理學家現在對于時空的理解來自阿爾伯特愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論認為，空間與時間是融為一體的，沒有事物的運行速度能超過光速。廣義相對論還描述了質量和能量扭曲時空的方式——恒星和黑洞等大型物質會沿四周的時空曲線運動。這種曲率就是你感覺到的重力，也是許多太空英雄擔心 "卡在 "或 "掉進 "重力井的原因。早期的科幻小說家約翰-坎貝爾和阿西莫夫將這種曲線運動視為規避速度限制的一種方式。

一艘飛船在擴展后方時空的同時壓縮了前方時空會發生什么？《星際迷航》引用了這一觀點，并將這個過程命名為曲速引擎。

墨西哥理論物理學家米格爾-阿爾庫比雷（Miguel Alcubierre）1994年表示，在廣義相對論定律下，擴展飛船后方時空的同時壓縮前方時空在算法上是可能成立的。所以這意味著什么呢？讓我們一起想象一下。

假設A、B兩點相距10米（約33英尺），當你站在A點，運行速度為1米每秒時，到達B點要花10秒。但是，假設現在你可以以某種方式壓縮你和B點之間的距離，使間距只剩下一米，然后你以一米每秒的最快速度穿過前方時空，一秒左右就能到達B點。理論上來說，這個方法與相對論并不相悖，因為你的移動速度沒有超過四周空間中的光速。阿爾庫比雷表示，《星際穿越》中的曲速引擎在理論上是可能實現的。

于是，我們心想，半人馬座我們來了！但是不幸的是，使用阿爾庫比雷壓縮時空的方法會面臨一個難題，這種方法需要負能量或負質量的參與。

這張二維平面圖向我們展示了正質量是如何繞時空運動的（如圖左側藍色地球的部分所示），以及負質量是怎樣反向繞時空運動的（如圖右側紅色地球的部分所示）。（圖片來源：托卡馬克/維基共享資源，CC BY-SA）

負能量問題

阿爾庫比雷提出的曲速引擎運作的方式是：在太空船周圍創造一個平坦的時空氣泡，然后彎曲氣泡周圍的時空，以此縮短距離。曲速引擎需要負質量——一種理論型物質——或足夠高的負能量密度才能運作。由于物理學家們從未觀察到負質量，所以通過負能量使曲速引擎運作是唯一選擇。

要創造負能量，曲速引擎就需要用大量物質創造粒子和反粒子之間的不平衡。舉個例子，如果一個電子和一個反電子同時出現在曲速引擎附近，其中一個粒子會被質量俘獲，這就導致了粒子間的不平衡，而這種不平衡就會提高負能量密度。阿爾庫比雷所提出的曲速引擎能利用這種負能量創造時空氣泡。

但是，如果要通過曲速引擎創造充足的負能量會需要大量物質。據阿爾庫比雷估計，通過曲速引擎創造出直徑為100米的時空氣泡，將需要一整個可視宇宙的質量。

1999年，物理學家克里斯?凡?登?布魯克（Chris Van Den Broeck）向我們表明，擴大時空氣泡內物質的量的同時保持氣泡表面能持續延伸，將大大減少能量需求，需要的質量約相當于一個太陽。這是一個重大進步，但是要使所有粒子都能還遠遠不夠。

一個科幻未來？

發表的兩篇論文——一篇由阿列克謝-博布里克（Alexey Bobrick）和詹尼-馬爾泰爾（Gianni Martire）合著，另一篇作者是埃里克-倫茨（Erik Lentz）——為我們提供了兩種解決方法，似乎能提高實現曲速引擎的可能性。

博布里克和馬爾泰爾意識到，如果以某種方式改變時空氣泡內的時空，就不需要負能量參與。不過，這種方式會導致曲速引擎無法超光速運行。

倫茨個人還提出了一個不需要負能量參與的解決方案。他用一種不同的幾何方法來解廣義相對論的方程。由此，他發現曲速引擎將不需要負能量參與，而且他的方法將使時空氣泡的運行速度超過光速。

然而，有必要說明的一點是，這些激動人心的進展目前還只是數學模型。作為一名物理學家，直到能夠用實驗證明這些模型我才會完全相信它們。不過，曲速引擎科學正逐漸進入我們的視野。作為一名科幻小說迷，我歡迎所有這些富有創造性的觀點。用皮卡德船長的話說，事情只有在不可能的情況下才是不可能的。

BY:Mario Borunda

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