曲速：物理學家或可實現超光速星際旅行，這會是真的嗎？

如果人類希望翱翔於星際，那麼必將需要超越目前我們宇宙中速度最快的物質——光。新的研究顯示，我們有可能實現曲速，超越現有星際旅行速度的極限。

超光速穿越蟲洞藝術概念圖。如果這是可能的，人類將會在一個合理的時間範圍內到達其他星系。Imagevia Les Bossinas/ NASA/ WikimediaCommons.

離地球最近的恆星，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，超光速旅行只存在於科幻之中。

在艾薩克阿西莫夫的《基地》系列科幻小説中，人類可以在行星、恆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，現在我是一個理論物理學家，研究納米技術，但我依然痴迷於想象人類究竟會用什麼方式世紀星際旅行。

有些角色——比如説電影《星際穿越》中的宇航員或“雷神托爾”——利用蟲洞在瞬間實現星際間穿梭。另一種方式——對《星際迷航》的粉絲來説很熟悉——就是曲率驅動技術。儘管曲率驅動仍然是一項遙不可及的技術，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攻克了橫亙在曲率驅動理論及現實間眾多難題中的一個。

但是曲率驅動理論實際上是如何工作的？人類就要實現曲速跳躍了嗎？

這幅二維圖像展現出曲率驅動位於中心平整、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量和能量是如何扭曲時空的——比如像恆星和黑洞這樣質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。這也是為什麼許許多多的航天英雄會擔心“被困在”或“掉進”重力穴內。早期的科幻作家約翰·坎貝爾和阿西莫夫將這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後方時空，會發生什麼呢？星際迷航提出了這樣的設想並將其命名為''曲率驅動''。

1994年，墨西哥理論物理學家MiguelAlcubierre提出了在太空船前方壓縮時空、後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學的角度是可以證明的。那麼，這意味着什麼呢？假設兩點間的距離是10米（33英尺），你位於A點，速度為1米/秒，需10秒到達B點。

然而，假設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，那麼你以每秒1米的速度移動至B點就僅需要1秒。從理論上講，既然你移動的速度並沒有超過周圍空間光速，那麼這種方法就與相對論不衝突。Alcubierre表示《星際迷航》中的曲率驅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量。

這幅二維圖像展示了正質量如何彎曲時空（左方的藍色地球）和負質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。曲率驅動要麼需要負質量——一種理論上的物質——要麼需要一個負能量密度的環來工作。物理學家還從沒發現過負質量，因此負能量就成了唯一的選擇。

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

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

1999年，物理學家ChrisVan DenBroeck表示，擴張時空泡內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AlexeyBobrick and Gianni Martire撰寫，另外一篇由ErikLentz撰寫——似乎提供了將曲率驅動現實化的某些方法。

Bobrickand 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，他發現曲率驅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，曲率驅動技術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。

MarioBorunda，俄克拉荷馬州立大學物理系副教授

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

BY：EarthSkyVoices

FY：Astronomicalvolunteer team

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