人類實(shí)現(xiàn)超光速旅行的日子已近在咫尺？宇宙中的強(qiáng)大推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)嗎？揭秘曲速引擎。

圖為一位藝術(shù)家對(duì)利用蟲(chóng)洞在太空旅行所做的解釋，索恩在科學(xué)界開(kāi)始了關(guān)于是否可能利用蟲(chóng)洞實(shí)現(xiàn)太空旅行的嚴(yán)肅討論。

(圖片來(lái)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(wàn)億英里或 40萬(wàn)億公里）。目前在太空中的帕克太陽(yáng)探測(cè)器(Parker Solar Probe)是有史以來(lái)速度最快的航天器，最高時(shí)速將達(dá)到每小時(shí)45萬(wàn)英里，若以該速度運(yùn)行，僅需20秒就可以從洛杉磯抵達(dá)紐約，但若要抵達(dá)離地球最近的相鄰太陽(yáng)系卻要花上6633年。

(圖為半人馬座。圖片來(lái)源：百度圖片)

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

（圖為阿西莫夫經(jīng)典小說(shuō)改編科幻劇集《基地》預(yù)告片宣傳圖。圖片來(lái)源：百度圖片）

（圖為電影《星際迷航》宣傳海報(bào)。圖片來(lái)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(chóng)洞在幾秒間就完成了太陽(yáng)系間的旅行。而另一種方式《星際迷航》的粉絲一定不會(huì)陌生，那就是通過(guò)曲速引擎(Warp Drive)。盡管曲速引擎技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中還很難實(shí)現(xiàn)，但是在理論上是成立的。最近兩篇相關(guān)論文的發(fā)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(xiàn)實(shí)存在許多挑戰(zhàn)，而他們已經(jīng)克服其中之一。

但是這些理論上可行的曲速引擎在現(xiàn)實(shí)中要如何運(yùn)作呢？人類會(huì)盡快實(shí)現(xiàn)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(shí)空氣泡，它是一個(gè)曲率驅(qū)動(dòng)器，四周是經(jīng)壓縮的時(shí)空，從右側(cè)（曲線之下）延伸到左側(cè)（曲線之上）。（圖片來(lái)源：AllenMcC/維基共享資源）

壓縮和擴(kuò)張

物理學(xué)家現(xiàn)在對(duì)于時(shí)空的理解來(lái)自阿爾伯特愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論認(rèn)為，空間與時(shí)間是融為一體的，沒(méi)有事物的運(yùn)行速度能超過(guò)光速。廣義相對(duì)論還描述了質(zhì)量和能量扭曲時(shí)空的方式——恒星和黑洞等大型物質(zhì)會(huì)沿四周的時(shí)空曲線運(yùn)動(dòng)。這種曲率就是你感覺(jué)到的重力，也是許多太空英雄擔(dān)心 "卡在 "或 "掉進(jìn) "重力井的原因。早期的科幻小說(shuō)家約翰-坎貝爾和阿西莫夫?qū)⑦@種曲線運(yùn)動(dòng)視為規(guī)避速度限制的一種方式。

一艘飛船在擴(kuò)展后方時(shí)空的同時(shí)壓縮了前方時(shí)空會(huì)發(fā)生什么？《星際迷航》引用了這一觀點(diǎn)，并將這個(gè)過(guò)程命名為曲速引擎。

墨西哥理論物理學(xué)家米格爾-阿爾庫(kù)比雷（Miguel Alcubierre）1994年表示，在廣義相對(duì)論定律下，擴(kuò)展飛船后方時(shí)空的同時(shí)壓縮前方時(shí)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(shè)A、B兩點(diǎn)相距10米（約33英尺），當(dāng)你站在A點(diǎn)，運(yùn)行速度為1米每秒時(shí)，到達(dá)B點(diǎn)要花10秒。但是，假設(shè)現(xiàn)在你可以以某種方式壓縮你和B點(diǎn)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(guò)前方時(shí)空，一秒左右就能到達(dá)B點(diǎn)。理論上來(lái)說(shuō)，這個(gè)方法與相對(duì)論并不相悖，因?yàn)槟愕囊苿?dòng)速度沒(méi)有超過(guò)四周空間中的光速。阿爾庫(kù)比雷表示，《星際穿越》中的曲速引擎在理論上是可能實(shí)現(xiàn)的。

于是，我們心想，半人馬座我們來(lái)了！但是不幸的是，使用阿爾庫(kù)比雷壓縮時(shí)空的方法會(huì)面臨一個(gè)難題，這種方法需要負(fù)能量或負(fù)質(zhì)量的參與。

這張二維平面圖向我們展示了正質(zhì)量是如何繞時(shí)空運(yùn)動(dòng)的（如圖左側(cè)藍(lán)色地球的部分所示），以及負(fù)質(zhì)量是怎樣反向繞時(shí)空運(yùn)動(dòng)的（如圖右側(cè)紅色地球的部分所示）。（圖片來(lái)源：托卡馬克/維基共享資源，CC BY-SA）

負(fù)能量問(wèn)題

阿爾庫(kù)比雷提出的曲速引擎運(yùn)作的方式是：在太空船周圍創(chuàng)造一個(gè)平坦的時(shí)空氣泡，然后彎曲氣泡周圍的時(shí)空，以此縮短距離。曲速引擎需要負(fù)質(zhì)量——一種理論型物質(zhì)——或足夠高的負(fù)能量密度才能運(yùn)作。由于物理學(xué)家們從未觀察到負(fù)質(zhì)量，所以通過(guò)負(fù)能量使曲速引擎運(yùn)作是唯一選擇。

要?jiǎng)?chuàng)造負(fù)能量，曲速引擎就需要用大量物質(zhì)創(chuàng)造粒子和反粒子之間的不平衡。舉個(gè)例子，如果一個(gè)電子和一個(gè)反電子同時(shí)出現(xiàn)在曲速引擎附近，其中一個(gè)粒子會(huì)被質(zhì)量俘獲，這就導(dǎo)致了粒子間的不平衡，而這種不平衡就會(huì)提高負(fù)能量密度。阿爾庫(kù)比雷所提出的曲速引擎能利用這種負(fù)能量創(chuàng)造時(shí)空氣泡。

但是，如果要通過(guò)曲速引擎創(chuàng)造充足的負(fù)能量會(huì)需要大量物質(zhì)。據(jù)阿爾庫(kù)比雷估計(jì)，通過(guò)曲速引擎創(chuàng)造出直徑為100米的時(shí)空氣泡，將需要一整個(gè)可視宇宙的質(zhì)量。

1999年，物理學(xué)家克里斯?凡?登?布魯克（Chris Van Den Broeck）向我們表明，擴(kuò)大時(shí)空氣泡內(nèi)物質(zhì)的量的同時(shí)保持氣泡表面能持續(xù)延伸，將大大減少能量需求，需要的質(zhì)量約相當(dāng)于一個(gè)太陽(yáng)。這是一個(gè)重大進(jìn)步，但是要使所有粒子都能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

一個(gè)科幻未來(lái)？

發(fā)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(shí)現(xiàn)曲速引擎的可能性。

博布里克和馬爾泰爾意識(shí)到，如果以某種方式改變時(shí)空氣泡內(nèi)的時(shí)空，就不需要負(fù)能量參與。不過(guò)，這種方式會(huì)導(dǎo)致曲速引擎無(wú)法超光速運(yùn)行。

倫茨個(gè)人還提出了一個(gè)不需要負(fù)能量參與的解決方案。他用一種不同的幾何方法來(lái)解廣義相對(duì)論的方程。由此，他發(fā)現(xiàn)曲速引擎將不需要負(fù)能量參與，而且他的方法將使時(shí)空氣泡的運(yùn)行速度超過(guò)光速。

然而，有必要說(shuō)明的一點(diǎn)是，這些激動(dòng)人心的進(jìn)展目前還只是數(shù)學(xué)模型。作為一名物理學(xué)家，直到能夠用實(shí)驗(yàn)證明這些模型我才會(huì)完全相信它們。不過(guò)，曲速引擎科學(xué)正逐漸進(jìn)入我們的視野。作為一名科幻小說(shuō)迷，我歡迎所有這些富有創(chuàng)造性的觀點(diǎn)。用皮卡德船長(zhǎng)的話說(shuō)，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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