超越光速——曲速引擎

2025年，中國製造出了速度非常接近光速的太空飛船, 命名為「鯤鵬」號。隨後國家啟動了「三體」探索計劃，準備發射「鯤鵬」去半人馬星座。半人馬星座距我們有4.2光年之遙, 是離我們最近的恆星, 中國著名科幻作家劉慈欣曾設想在其周圍可能存在詭異的地外文明.

那麼你猜「鯤鵬」去半人馬星座要多長時間?

你可能馬上給出答案: 大約四五年. 這個答案也對, 也不對. 說它對, 是因為在地球上的人看來, 的確需要這麼久, 但是對飛船上的人來說, 這段旅程花去的時間可以任意短. 這是由於狹義相對論的時鐘延緩效應.

對速度恆為光速的光子而言, 這段距離花費的時間為零, 因為光子走測地線, 固有時為零. 聽起來不錯！適當調整飛船的速度, 你可以在任意短的時間裡到達半人馬座！

但是別高興太早, 在這段旅途中, 飛船其實是一架飛往未來的時間機器！等你在半人馬座作了半年科學考察, 返回地球, 你發現你回到的是十年後的地球！十年了, 總統都換了兩屆了, 真是令人唏噓啊！但是，你心中想到了加加林，想到了楊利偉。

別騙人，你的心中一定是這樣的！

略作休息, 領導找你談話.

首先, 他高度評價了你的工作；

然後, 你被告知: 由於你是國內唯一具有星際飛行經驗的人, 因此組織上將派你執行一次更為艱巨的任務, 你將前往銀河系中心去考察那裡是否真的存在一個巨大的黑洞。

你說: 銀河系中心?！那離地球30100光年啊！

領導說: 沒錯, 是很遠, 你要克服困難, 不要辜負組織上對你的信任。

你將看到世界盡頭的火和時空邊界的奇異景象.....

你心裡非常清楚, 對你而言, 這段旅程並不長, 但是當你回來, 地球已過了60000多年, 那時候還能有人類嗎?畢竟人類文明的歷史才不過10000多年. 當你凱旋歸來(這是零階近似情況, 在一階近似情況下, 我們應該考慮你被外星人俘虜, 或者飛船半路掉鏈子的情況. ), 你已無家可歸！

所以我們想說的是，當前可見宇宙有137億光年, 而狹義相對論又指出光速是宇宙的速度極限. 這樣看來, 曇花一現般的人類文明, 註定只能被禁閉在太陽系中？！

其實我們還有一條出路: 超光速飛行！對教條主義者, 既然愛因斯坦老人家的狹義相對論已經禁止了超光速, 再考慮這種情況就是民科了. 對此我們應記住費曼的話: 做物理, 一定要保持一個開放的態度.

加來道雄有本很有意思的書——《不可思議的物理》, 其中專門討論那些異想天開, 不著邊際的物理想法. 這些想法很多都來自科幻小說. 加來道雄在書中將這些不可思議的想法分為三等. 等級越高, 越難實現. 其中, 超越光速被歸為第二等不可思議.

有兩種方案可以實現超越光速.

第一種辦法地球人都知道: 蟲洞. 當你通過奇異的物質(負壓強，負能量密度)將時空撕裂, 再粘結在一起, 你就有了一個蟲洞. 它就像是通往異界之門, 穿越它, 你已身在百萬光年之外！這種方法其實是走捷徑，並不是真正超光速。

蟲洞示意圖 打開蟲洞需要「負能量」，比如Casimir能量

第二種方案就是我們現在要說的阿庫別瑞引擎（Alcubierre Drive）. 1994年，墨西哥物理學家阿庫別瑞受著名的科幻劇——《星際迷航》（Star Trek）的影響, 認真考慮是否存在一種曲速引擎（Warp engine）[3]（這個翻譯不太好，應該譯為扭曲空間引擎，『曲速』聽起來很土，很不黑科技）, 他在Class.Quantum Grav.上發表文章《The warp drive: hyper-fast travel within general relativity》提出一種時空度規, 可以極端扭曲時空, 使飛行器能以任意速度飛行. 這是科幻作品反哺物理學界的著名一例！

阿爾庫維耶雷引擎

下面摘自加來道雄著作——《不可思議的物理》:

阿庫別瑞（ Alcubierre）承認《Star Terk》或許為他獲得這個（時空）解起了一定作用. 「《Star Terk》中的人們一直在談論著曲速引擎, 一種使空間變形的概念. 」他說, 「我們已經擁有了一種關於空間怎樣能夠或者不能夠被扭曲的理論, 那就是廣義相對論. 我認為應當會有一種方法能使用這些概念解釋曲速引擎如何運轉. 」「我的猜測是, 在飛船中的人可能會看到和《Star Terk》中十分相像的場景. 在飛船前面, 星星們變成了長長的線條. 在飛船後面, 他們什麼都看不到——只有黑暗——因為星光無法移動的足夠快以趕上飛船。」

曲速引擎啟動後乘客看到的景象

這個黑科技引擎的厲害之處在於把飛船周圍的空間進行嚴重扭曲。實際上飛船前方的空間被壓縮, 而後面的空間被拉長, 這樣似乎不是飛船在動, 而是空間在扭曲流過飛船. 就像乘坐自動扶梯的人在扶梯上走動一樣，儘管人在扶梯上走的很慢，但是扶梯（空間）的速度極快。這樣一來，在離飛船非常遠的人看來, 飛船的速度超過光速了, 實際上這是一種表觀超光速, 也就是說僅僅是看起來超越光速，而在飛船參照系，一切正常，並未超光速飛行，不違反狹義相對論。正如在宇宙暴漲時期, 兩個空間區域的分離速度遠遠超過了光速, 但是定域速度並未超過光速.

簡單地說，帶有曲速引擎的飛船能把船體周圍時空高度扭曲，在時空中打開一個快速通道，飛船在通道裡飛行。本文後面的計算機模擬視頻，就演示了從遠處看飛船飛行的情形。這種場景在科幻電影裡很常見，我們經常看到飛船進入超光速飛行時，周圍空間變成隧道狀，景物迅速退行，模糊一片。這其實就是在模擬曲速引擎啟動後的飛行場景。

如果你從這個度規反過來計算愛因斯坦張量, 就能通過場方程知道相應的能動張量, 也就知道了要產生這樣的時空扭曲需要什麼樣的物質. 簡單計算表明:它是恆負, 即負能量的物質才能產生這樣的時空彎曲. 此時所有的能量條件都被違反, 這和蟲洞遇到的情況一樣. 超光速是有代價的, 你必須找到負壓強的物質. 我們已知的所有能量的形式不是這樣的, 但有例外, 那就是卡什米爾（Casimir）能量。

在自家後院製造曲速引擎的步驟：

準備原材料：

①負能量奇異物質

關於這種物質我們知之甚少，它和我們已知的物質截然不同。不過不應該為此灰心喪氣，因為就整個宇宙的成分而言，我們已知的物質僅僅佔5%，其餘的暗能量和暗物質到底是什麼，我們根本不知道。儘管有種種理論猜測，但是目前還無一致的理論。或許可操作層面的奇異物質極其罕見，那麼它才是科幻小說中各方力量爭奪的焦點，而不是什麼「能量寶石」。

②一架普通的飛船

能達到的速度越高越好。spacex的獵鷹型號算是最低配了，考慮到你是個人diy，獵鷹的性價比還是蠻高的。當然，如果不差錢，你可以研究研究所謂的「獵戶座計劃」，它使用在火箭尾部持續引爆小型氫彈產生推動力，可謂簡單粗暴，實用有效，最適合那些錢多人那啥的主兒。技術流的火箭解決方案更優雅一些，正反物質湮滅引擎。不過反物質造價高到難以想像，就算是錢多人又聰明的鋼鐵俠估計也用不起。

2.通過上面的度規計算奇異物質的分布，然後把奇異物質按計算結果排布到飛船周圍。

在最簡單的情況下，不需要弄太複雜的排布，只需要妥善攜帶這種奇異物質就可以了。因為奇異物質會自動扭曲空間。而且奇異物質也不是反物質，不會與普通物質發生瞬間湮滅。但是，畢竟誰也沒玩過這個奇異物質，它到底一個什麼脾氣咱們也不知道。所以我這麼說也是沒底氣啊！

3.風險性評估。這個可真不是說著玩的。

第一，奇異物質是否穩定。如果不穩定，你弄好的引擎剛飛出太陽系，奇異物質不穩定衰變了，那你能再飛回來？真是不作就不會死。

第二，你得考慮扭曲空間的效應是否可控。你想曲速飛行了，按一個扭，啪！進入曲速飛行狀態；到目的地了，再按一下，又關掉了，多方便不是。如果不可控，那估計也不行。但是引力效應有個壞毛病——無法屏蔽。當然，現在你有了奇異物質，你可以考慮一下，是不是適當的奇異物質+正常物質可以屏蔽引力效應。

第三，穩定性分析。你用奇異物質打開空間，那麼你得考慮打開的這個空間在飛船船體這種正常物質的擾動下是不是穩定。這個技術上倒不是太難，但是很重要，也是你設計工作必須要考慮的。

非戰鬥人員請從這兒繼續閱讀：也就是說這個所謂的曲速引擎所用的燃料不是普通的物質，黑科技引擎需要黑科技燃料驅動。正如評論中有人指出的，這種引擎的燃料（準確說應是能量）能實現超光速流動，十分奇異！它同時還是負壓強能量，和我們熟悉的物質能量全然不一樣！但是，我們並非完全沒有見過這種奇異的能量，比如鼎鼎大名的卡什米爾能量。

Casimir能量

卡什米爾能量是一種真空漲落的量子效應, 它是負壓強的, 而且被實驗觀測證實（兩塊金屬板之間證實有卡什米爾吸引力，它極其微弱，注意不是萬有引力）。更為有意思的是, 當今宇宙觀測發現在整個宇宙的尺度內, 是&34;, 而人們發現只有負壓強的能量才能產生這種效應, 這就是暗能量. 關於暗能量人們提出了大量的唯像模型, 可謂千奇百怪, 但它到底是什麼, 我們依然一無所知. 也許未來將真的發現這種奇異的能量, 屆時超光速將變得可行。

一點好玩的評論：

上世紀末觀測發現的宇宙加速膨脹是人類有史以來最偉大的發現，它表明宇宙中75%的成份是暗能量，它產生「萬有斥力」推動宇宙膨脹。之所以說這個發現最偉大，是因為它意味著人類第一次通過天文觀測發現自己的無知是95%。

在宇宙深淵中，我們看見了自己的無知。

我覺得沒有什麼科學發現能比宇宙加速膨脹更意味深長。這個發現帶有強烈的宗教預言般味道：①世紀末發現②加速膨脹的細節關乎宇宙未來命運——到底宇宙會終結於火（所謂的「大擠壓」結局，萬物擠壓到奇點），還是終結於冰（「大劈裂」結局，萬物隨膨脹消解，原子也會隨宇宙膨脹消解）③人類明確發現了自己的無知程度。

宇宙加速膨脹是一個現代文明啟示錄般的事件，可惜眾多天文學家的聲音並未被主流文化聽到。