如果人類希望翱翔于星際，那么必將需要超越目前我們宇宙中速度最快的物質(zhì)——光。新的研究顯示，我們有可能實現(xiàn)曲速，超越現(xiàn)有星際旅行速度的極限。

超光速穿越蟲洞藝術(shù)概念圖。 如果這是可能的，人類將會在一個合理的時間范圍內(nèi)到達其他星系。Image via Les Bossinas/?NASA/?Wikimedia Commons.

離地球最近的恒星，半人馬座比鄰星，也在4.25光年之外，距離地球25萬億英里（40萬億公里）遠。迄今為止最快的飛船，已在深空中的帕克號太陽探測器，最高速度為每小時45萬英里（約合每小時72萬4千公里），如果用這樣的速度飛行，只需要20秒就可從洛杉磯飛到紐約，但要想飛到太陽系最近的鄰居那兒，卻需要6633年。

如果想要讓星際旅行變得更容易，人類需要超越光速。但截止目前，超光速旅行只存在于科幻之中。

在艾薩克 阿西莫夫的 《基地》系列科幻小說中，人類可以在行星、恒星系以及宇宙之間來回穿梭。小時候，我讀了我可以找到的所有“基地”系列故事，現(xiàn)在我是一個理論物理學家，研究納米技術(shù)，但我依然癡迷于想象人類究竟會用什么方式世紀星際旅行。

有些角色——比如說電影《星際穿越》中的宇航員或“雷神托爾”——利用蟲洞在瞬間實現(xiàn)星際間穿梭。另一種方式——對《星際迷航》的粉絲來說很熟悉——就是曲率驅(qū)動技術(shù)。盡管曲率驅(qū)動仍然是一項遙不可及的技術(shù)，但其在理論上確實是可行的。最近的兩篇論文成為了三月份的熱門，研究人員在其中聲明已經(jīng)攻克了橫亙在曲率驅(qū)動理論及現(xiàn)實間眾多難題中的一個。

但是曲率驅(qū)動理論實際上是如何工作的？人類就要實現(xiàn)曲速跳躍了嗎？

這幅二維圖像展現(xiàn)出曲率驅(qū)動位于中心平整、未彎曲的時空泡，其右方為被壓縮的時空（向下的曲面），而左方為膨脹的時空（向上的曲面）。

壓縮和膨脹

物理學家目前對“時空”的理解來自阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論指出，時間和空間是融合的，任何事物的傳播速度都不能超過光速。廣義相對論還描述了質(zhì)量和能量是如何扭曲時空的——比如像恒星和黑洞這樣質(zhì)量巨大的物體就會扭曲它們周圍的時空。這種扭曲就是你感受到的重力。這也是為什么許許多多的航天英雄會擔心“被困在”或“掉進”重力穴內(nèi)。早期的科幻作家約翰·坎貝爾和阿西莫夫?qū)⑦@種扭曲視為繞開速度極限的方式。

假如一架飛船壓縮前方空間同時擴張后方時空，會發(fā)生什么呢？星際迷航提出了這樣的設(shè)想并將其命名為"曲率驅(qū)動"。

1994年，墨西哥理論物理學家Miguel Alcubierre提出了在太空船前方壓縮時空、后方擴張時空以推進飛船的方式在廣義相對論的框架下從數(shù)學的角度是可以證明的。那么，這意味著什么呢？假設(shè)兩點間的距離是10米（33英尺），你位于A點，速度為1米/秒，需10秒到達B點。

然而，假設(shè)你能夠以某種方式將你和B點之間的空間的距離壓縮到1米，那么你以每秒1米的速度移動至B點就僅需要1秒。從理論上講，既然你移動的速度并沒有超過周圍空間光速，那么這種方法就與相對論不沖突。Alcubierre表示《星際迷航》中的曲率驅(qū)動事實上在理論上是確實可行的。

比鄰星我們來了！對不？不幸的是，Alcubierre壓縮時空的方法有個問題：它需要負能量和負質(zhì)量。

這幅二維圖像展示了正質(zhì)量如何彎曲時空（左方的藍色地球）和負質(zhì)量在反方向彎曲時空（右方的紅色地球）。

負能量問題

Alcubierre的曲率驅(qū)動的工作原理是在飛船的周圍生成一個平滑的時空泡，而在泡外彎曲時空以減少行進距離。曲率驅(qū)動要么需要負質(zhì)量——一種理論上的物質(zhì)——要么需要一個負能量密度的環(huán)來工作。物理學家還從沒發(fā)現(xiàn)過負質(zhì)量，因此負能量就成了唯一的選擇。

要想制造負能量，一個曲率驅(qū)動引擎可能需要使用巨大的質(zhì)量來破壞粒子和反粒子間的平衡。舉例來說，如果一個電子和一個正電子同時出現(xiàn)在曲率驅(qū)動引擎旁，其中一個粒子會被質(zhì)量捕獲最終導(dǎo)致平衡被破壞。這種不平衡會導(dǎo)致負能量密度。Alcubierre的曲率驅(qū)動就會利用這種負能量來生成時空泡。

但是曲率驅(qū)動引擎要想產(chǎn)生足夠的負能量，必須消耗大量的物質(zhì)。Alcubierre估計曲率驅(qū)動引擎要想產(chǎn)生一個100米直徑的時空泡，大約需要整個可見宇宙的質(zhì)量。

1999年，物理學家Chris Van Den Broeck表示，擴張時空泡內(nèi)部容量的同時保持其表面積不變可以極大地降低所需能量，大約僅需太陽的質(zhì)量。這是一個巨大的進步，但距實際操作仍很遙遠。

科幻的未來？

最近的兩篇論文——一篇由Alexey Bobrick and Gianni Martire撰寫，另外一篇由Erik Lentz撰寫——似乎提供了將曲率驅(qū)動現(xiàn)實化的某些方法。

Bobrick and Martire 意識到通過以某種方式改變氣泡中的時空，他們可以去除使用負能量的需要。不過這種方法無法超越光速。

Lentz也獨自提出了一種不需要負能量的解決方法。他使用了一種不同的幾何方法來解決廣義相對論方程，通過這樣做，他發(fā)現(xiàn)曲率驅(qū)動是可以不需要使用負能量的。Lentz的解決方法可以允許時空泡超光速運行。

必須指出的是，這些令人激動的進展還只是些數(shù)學模型。作為一個物理學家，得到實驗證實前，我是不完全相信模型的。但是，曲率驅(qū)動技術(shù)正一步步走進人們的視野。作為一個科幻迷，我歡迎所有這些具有創(chuàng)新性的想法。借用一句皮爾德船長的話：

凡事只有在它們成為可能前才是不可能的。

Mario Borunda，俄克拉荷馬州立大學物理系副教授

本文概要：如果人類想要實現(xiàn)星際航行，就必須超越光速。最新研究暗示建造曲率驅(qū)動引擎以打破光速限制是可行的。

BY：EarthSky Voices

FY：Astronomical volunteer team

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