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今日快看!曲速引擎，科幻电影中的强大系统，NASA让它成真了？

来源：科普中国

人类实现超光速旅行的日子已近在咫尺？宇宙中的强大推进系统会实现吗？揭秘曲速引擎。

图为一位艺术家对利用虫洞在太空旅行所做的解释，索恩在科学界开始了关于是否可能利用虫洞实现太空旅行的严肃讨论。


(资料图片仅供参考)

(图片来源：NASA)

半人马座（Proxima Centauri）是距离地球最近的恒星，约4.25光年（约25万亿英里或 40万亿公里）。目前在太空中的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)是有史以来速度最快的航天器，最高时速将达到每小时45万英里，若以该速度运行，仅需20秒就可以从洛杉矶抵达纽约，但若要抵达离地球最近的相邻太阳系却要花上6633年。

(图为半人马座。图片来源：百度图片)

如果人类想在恒星间轻松移动，就需要超光速运动。但是迄今为止，超光速运动只在科幻小说中实现过。在以撒·艾西莫夫(Issac Asimov) 的科幻小说《基地系列》(Foundation series中，人类可以利用跳跃驱动器从一个星球移动到另一个星球，从一个恒星到另一个恒星，甚至穿越宇宙。我还是孩子时读了尽可能多的此类故事，尽管我现在是一名研究纳米技术的理论物理学家，但我仍然为人类某一天能实现太空旅行的种种方式而着迷。

（图为阿西莫夫经典小说改编科幻剧集《基地》预告片宣传图。图片来源：百度图片）

（图为电影《星际迷航》宣传海报。图片来源:百度图片）

一些电影角色——例如电影《星际穿越》和《雷神》中的宇航员——利用虫洞在几秒间就完成了太阳系间的旅行。而另一种方式《星际迷航》的粉丝一定不会陌生，那就是通过曲速引擎(Warp Drive)。尽管曲速引擎技术在现实中还很难实现，但是在理论上是成立的。最近两篇相关论文的发表成为了三月份的头版头条，原因是研究人员宣称，将曲速引擎理论付诸现实存在许多挑战，而他们已经克服其中之一。

但是这些理论上可行的曲速引擎在现实中要如何运作呢？人类会尽快实现曲速的伟大一跃吗？

这张二维视图的中心是平整而未被弯曲的时空气泡，它是一个曲率驱动器，四周是经压缩的时空，从右侧（曲线之下）延伸到左侧（曲线之上）。（图片来源：AllenMcC/维基共享资源）

压缩和扩张

物理学家现在对于时空的理解来自阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论。广义相对论认为，空间与时间是融为一体的，没有事物的运行速度能超过光速。广义相对论还描述了质量和能量扭曲时空的方式——恒星和黑洞等大型物质会沿四周的时空曲线运动。这种曲率就是你感觉到的重力，也是许多太空英雄担心 "卡在 "或 "掉进 "重力井的原因。早期的科幻小说家约翰-坎贝尔和阿西莫夫将这种曲线运动视为规避速度限制的一种方式。

一艘飞船在扩展后方时空的同时压缩了前方时空会发生什么？《星际迷航》引用了这一观点，并将这个过程命名为曲速引擎。

墨西哥理论物理学家米格尔-阿尔库比雷（Miguel Alcubierre）1994年表示，在广义相对论定律下，扩展飞船后方时空的同时压缩前方时空在算法上是可能成立的。所以这意味着什么呢？让我们一起想象一下。

假设A、B两点相距10米（约33英尺），当你站在A点，运行速度为1米每秒时，到达B点要花10秒。但是，假设现在你可以以某种方式压缩你和B点之间的距离，使间距只剩下一米，然后你以一米每秒的最快速度穿过前方时空，一秒左右就能到达B点。理论上来说，这个方法与相对论并不相悖，因为你的移动速度没有超过四周空间中的光速。阿尔库比雷表示，《星际穿越》中的曲速引擎在理论上是可能实现的。

于是，我们心想，半人马座我们来了！但是不幸的是，使用阿尔库比雷压缩时空的方法会面临一个难题，这种方法需要负能量或负质量的参与。

这张二维平面图向我们展示了正质量是如何绕时空运动的（如图左侧蓝色地球的部分所示），以及负质量是怎样反向绕时空运动的（如图右侧红色地球的部分所示）。（图片来源：托卡马克/维基共享资源，CC BY-SA）

负能量问题

阿尔库比雷提出的曲速引擎运作的方式是：在太空船周围创造一个平坦的时空气泡，然后弯曲气泡周围的时空，以此缩短距离。曲速引擎需要负质量——一种理论型物质——或足够高的负能量密度才能运作。由于物理学家们从未观察到负质量，所以通过负能量使曲速引擎运作是唯一选择。

要创造负能量，曲速引擎就需要用大量物质创造粒子和反粒子之间的不平衡。举个例子，如果一个电子和一个反电子同时出现在曲速引擎附近，其中一个粒子会被质量俘获，这就导致了粒子间的不平衡，而这种不平衡就会提高负能量密度。阿尔库比雷所提出的曲速引擎能利用这种负能量创造时空气泡。

但是，如果要通过曲速引擎创造充足的负能量会需要大量物质。据阿尔库比雷估计，通过曲速引擎创造出直径为100米的时空气泡，将需要一整个可视宇宙的质量。

1999年，物理学家克里斯•凡•登•布鲁克（Chris Van Den Broeck）向我们表明，扩大时空气泡内物质的量的同时保持气泡表面能持续延伸，将大大减少能量需求，需要的质量约相当于一个太阳。这是一个重大进步，但是要使所有粒子都能还远远不够。

一个科幻未来？

发表的两篇论文——一篇由阿列克谢-博布里克（Alexey Bobrick）和詹尼-马尔泰尔（Gianni Martire）合著，另一篇作者是埃里克-伦茨（Erik Lentz）——为我们提供了两种解决方法，似乎能提高实现曲速引擎的可能性。

博布里克和马尔泰尔意识到，如果以某种方式改变时空气泡内的时空，就不需要负能量参与。不过，这种方式会导致曲速引擎无法超光速运行。

伦茨个人还提出了一个不需要负能量参与的解决方案。他用一种不同的几何方法来解广义相对论的方程。由此，他发现曲速引擎将不需要负能量参与，而且他的方法将使时空气泡的运行速度超过光速。

然而，有必要说明的一点是，这些激动人心的进展目前还只是数学模型。作为一名物理学家，直到能够用实验证明这些模型我才会完全相信它们。不过，曲速引擎科学正逐渐进入我们的视野。作为一名科幻小说迷，我欢迎所有这些富有创造性的观点。用皮卡德船长的话说，事情只有在不可能的情况下才是不可能的。

BY:Mario Borunda

FY: 33

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关键词： 广义相对论 物理学家 半人马座

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