《星际迷航》的曲速引擎引向新的物理学

对于埃里克·伦茨来说，一切都始于《星际迷航》。在《星际迷航：下一代》的每几集中，让-吕克·皮卡德舰长都会举起手命令：“曲速一档，启动！” 然后星星变成了虚线，光年以不可能的速度飞逝而过。而当时还在小学的伦茨想知道曲速引擎是否也能在现实生活中起作用。

“在某个时候，我意识到这项技术并不存在，”伦茨说。他在华盛顿大学学习物理学，他的博士论文是关于暗物质的，并且通常变得太忙碌而无暇顾及科幻小说。但是，在冠状病毒大流行开始时，伦茨发现自己独自一人在德国哥廷根，在那里他正在做博士后研究。他突然有了大量的空闲时间——以及童年时的幻想。

伦茨阅读了他能在科学文献中找到的关于曲速引擎的一切资料，但资料并不多。然后他开始自己思考这个问题。几周后，他想到了一些似乎被其他所有人忽视的事情。伦茨将他的想法写在纸上，并与更有经验的同事讨论。一年后，它发表在物理学期刊上。

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很快就变得清楚，伦茨并不是唯一梦想曲速引擎的人。世界各地的媒体报道了这一消息，十几位记者要求采访。在线论坛 Reddit 上的一个讨论吸引了 2,700 条评论和 33,000 个赞。一位互联网用户写道：“还有其他人感觉自己早出生了 300 年吗？”

时空中的泡泡

毫无疑问，宇宙对于人类来说仍然过于浩瀚而无法穿越。光束到达离地球最近的恒星比邻星需要四年多的时间。即使使用现有的最佳推进系统，人类到达那里也需要数万年的时间。人们总是可以梦想在其他恒星系建立殖民地，但这并非任何人都有可能进行的旅程。

但也许有一天可以缩短旅行时间。关于如何做到这一点，有很多想法，从激光加速太阳帆到核推进。但即使借助这些技术，在人类的一生中也无法走得太远。银河系实际上只对那些以光速或更快速度旅行的人开放。

正是出于这个原因，富有想象力的物理学家长期以来一直在思考终极推进系统：时空中的一个泡泡，宇宙飞船可以在其中从一个太阳系冲向另一个太阳系，就像 USS 企业号 所做的那样。这是科学前沿的研究：不一定是错误的，但掺杂了大量的乐观主义。

今天科学家们正在处理这个想法，这要归功于墨西哥理论物理学家米格尔·阿尔库维耶雷在1994 年发表的论文。当时，阿尔库维耶雷不仅仅是一位热情的《星际迷航》爱好者。在他的威尔士大学卡迪夫学院（现在的卡迪夫大学）的博士论文中，阿尔库维耶雷也研究了相对论。严格来说，该理论指出，没有任何东西可以比光速更快地传播。但是，通过运用一点创造力，阿尔库维耶雷发现了一个明显的漏洞。

根据阿尔伯特·爱因斯坦的史诗般的发现，我们生活在四维“时空”中。时空不是静态的。就像一块桌布一样，它会被大质量物体变形。任何在桌布上（或穿过时空）移动的东西都只能加速到光速设定的速度限制。另一方面，桌布本身可以以任何速度变形，正如宇宙本身在某些情况下所显示的那样。

例如，在大爆炸的瞬间，原始时空结构可能在瞬间膨胀，并且膨胀速度比任何光线传播的速度都快得多。即使在今天，膨胀仍在继续以超光速将极其遥远的星系推开，这意味着它们的光线再也无法到达我们这里。

基于他的发现，阿尔库维耶雷推测，曲速引擎只是一个小小的步骤。如果时空在宇宙飞船前方收缩，并在后方膨胀以进行补偿，则有可能以超光速到达目的地。飞船将保持封装在一个泡泡中，船员将不会感觉到星际旅程的 magnitude。在 2017 年的一次讲座中，阿尔库维耶雷将其比作在机场的乘客传送带上：“你可以想象你身后的地板是凭空创造出来的，而你面前的地板正在被摧毁，所以你向前移动。”

但是，用广义相对论的语言来表达这个想法立即引起了重大的实际问题。首先，要如此彻底地使时空变形，你需要将巨大的质量塞进一个由比原子核更薄的壁界定的泡泡中。然后你需要两种形式的物质来维持泡泡。普通质量的引力会导致泡泡前方的空间收缩，从而推动整个结构向前移动。但与此同时，泡泡后方的空间需要像发酵的面团一样膨胀。根据阿尔库维耶雷的说法，要实现这种膨胀，你需要某种形式的负能量，辐射出一种反重力。

负能量的诅咒

对于大多数物理学家来说，这就是思想实验的终结。能量——根据爱因斯坦的公式 E = mc2，它等同于不受约束的质量——似乎根据定义，它必须是正的。但根据量子理论，它确实可以具有负值。然而，这种情况似乎只发生在罕见的特殊情况下——在微小的尺度上。例如，在所谓的卡西米尔效应中，所涉及的量非常微小，以至于任何技术应用似乎都是荒谬的。

阿尔库维耶雷现在是墨西哥国立自治大学的物理学教授，他承认了这一点。在潜在技术方面，曲速引擎“非常缺乏”，他和他的一位同事在最近的一篇预印本论文中写道。他现在已将注意力转向已知现象，例如黑洞。然而，曲速引擎的概念仍然保持着它的魅力，尤其是对于《星际迷航》的粉丝——以及少数引力物理学家，他们偶尔会发表关于这个想法的变体。

其中一些论文已经展示了如何减少泡泡的质量要求，以便使时空变形所需的总质量小于我们太阳的质量。但是没有人能够绕过负能量的问题——直到伦茨在哥廷根的封锁期间开始研究这个问题。在他被强制隔离期间，伦茨找到了一种仅使用正能量来构建曲速泡泡的方法。通过这样做，他可能已经克服了对曲速引擎的最大反对意见。

使之成为可能的是伦茨在广义相对论的几何结构中发现的一个特殊特征——更准确地说，是在爱因斯坦的场方程中。这些方程可以计算出物质和能量的特定分布如何使时空变形。研究人员也可以像阿尔库维耶雷那样使用它们，来确定产生特定空间曲率所需的质量和能量。

然而，处理像时空这样动态的四维结构极其复杂。完整地写出爱因斯坦的公式会产生数千项嵌套微分方程的混乱。根据你对特定物理情况所做的假设，你只会考虑其中的一些项。对于理论家来说，这是一个几乎无限的游乐场。

伦茨专门研究了导致阿尔库维耶雷工作中负能量要求的假设。和他的同事一样，伦茨首先分析了时空，将多维物质建模为非常薄的层堆叠。他发现阿尔库维耶雷只考虑了将一层移动到下一层的方程之间相对简单的“线性”关系。在这一点上，选择更复杂的“双曲线”关系（通常表达快速变化的量）会导致与阿尔库维耶雷获得的曲速泡泡不同的曲速泡泡。它仍然需要大量的质量和能量，但根据伦茨的计算，只需要正量。“我很惊讶以前没有人尝试过这一点，”伦茨说。

伦茨的泡泡看起来与阿尔库维耶雷在 1994 年提出的泡泡不同。它由菱形的、改变的时空区域组成，类似于一群鸟。伦茨说，在现实中创建这样的时空几何结构将涉及环和盘的复杂分层，这些环和盘不是由固体材料制成的，而是由极高密度的带电粒子流体组成，类似于在中子星内部发现的物质。

这意味着接近光速的旅行离应用技术还非常非常遥远。但是，既然不再需要奇异的负能量密度——至少根据伦茨最新的工作——理论游戏就处于已建立物理学的领域之内。阿尔库维耶雷将伦茨的论文描述为“非常重要的发展”。里斯本大学的研究员、阿尔库维耶雷的同事弗朗西斯科·洛博，他出版了一本关于曲速引擎的教科书，也找不到任何明显的错误。“如果正确的话，这有可能开启曲速引擎物理学的新兴趣和新颖的研究途径，”他说。

伦茨的想法甚至引起了曲速引擎爱好者这个小圈子之外的研究人员的兴趣，包括苏黎世联邦理工学院的宇宙学教授拉维尼娅·海森堡。海森堡和她的学生肖恩·费尔发现伦茨的论文非常令人兴奋，以至于他们在论文的基础上设计了自己的正能量曲速泡泡，其所需的质量仅为我们太阳质量的千分之一。

“整个事情远没有大多数人想象的那么神秘，”瑞典隆德大学的天体物理学家 阿列克谢·博布里克 说。博布里克与纽约市的企业家吉安尼·马蒂尔合作，在 2020 年提出了一些有希望的爱因斯坦场方程解。根据博布里克的说法，曲速泡泡所需的一切都是一个由致密材料制成的形状合适的壳，该壳在其紧邻区域弯曲时空，而泡泡移动穿过的宇宙和壳内的空间则保持相对不受干扰。

时间过得如此缓慢

“相对地”是关键。阿尔库维耶雷和后来的曲速引擎架构师假设泡泡壁中扭曲的时空与平滑的内部和外部之间存在突变。但是博布里克和马蒂尔发现，引力场的这种“截断”是需要大量负能量来稳定时空扭曲的原因。

然而，他们声称，放弃肥皂泡的卡通形象，就有可能基于普通物质构建曲速引擎。当人们远离外壳壁时，引力场不会简单地消失。相反，它会逐渐衰减。因此，时空也会在泡泡内部弯曲。对于泡泡正中央的宇宙飞船旅行者来说，这种现象在时间流逝方面最为明显：他们的手表会比太空中的其他地方走得更慢，因为根据相对论，时间会受到重力的影响。

宇宙飞船上时间流逝得更慢可能是星际旅行者所欣赏的。尽管如此，博布里克和马蒂尔还是描述了其他障碍。到目前为止，他们认为，还没有已知的方法可以实际加速曲速泡泡。关于这个主题的所有先前想法都只是假设时空的曲率已经在高速移动。

“任何物理上可想象的曲速引擎都无法加速到比光速更快的速度，”博布里克说。那是因为你需要能够以比光速更快的速度喷射物质——但没有已知的粒子可以以那么快的速度传播。此外，泡泡无法由宇宙飞船本身的乘员控制，因为由于他们周围空间极强的曲率，他们将与外界失去联系。

伦茨也将这些反对意见视为一个问题，但他认为可以找到解决方案。与此同时，博布里克指出，即使时间对于曲速泡泡中的人来说过得更慢，也可能以光速的三分之一或一半的速度前往遥远的恒星。只是不要考虑这样一个事实，即所有留在地球上的亲戚可能在你返回之前就已老死。“但至少这个想法不再完全疯狂，”博布里克说。

从理论到实践

关于曲速泡泡是否真的可以不需要负能量，仍然存在一些争论。最近，三位理论家提出，这种说法仅对在泡泡旁边移动的观察者而言才是正确的。此外，并非所有根据相对论似乎可能的事物都实际存在——或者在技术上是可行的。例如，爱因斯坦的场方程也可以用来证明“白洞”（其黑洞对应物的对立面）、爱因斯坦-罗森桥（通常称为虫洞）和其他时空中没有人观察到的奇异变化是合理的。这可能是因为尚未知晓的自然规律排除了这种现象。

因此，一些研究人员警告不要对幻想过于沉迷。例如，德累斯顿工业大学的空间推进专家马丁·塔伊马尔认为，目前关于曲速引擎的工作没有任何实际意义。他说，所涉及的巨大质量简单地超出了地球上可以测试的任何范围。

大多数资深的曲速引擎研究人员无疑会同意。他们认为他们的工作与其说是为现实世界的实验做准备，不如说是探索相对论的局限性的一种方式。洛博说，在这项努力中，即使是推测性的“思想实验”也是有用的。

另一方面，伦茨正在积极致力于他的想法的实际应用。在哥廷根的研究之后，他在一家 IT 公司找到了一份工作。但在他的业余时间，他仍然思考如何将时空弯曲加速到比光速更快的速度，以及如何减少这样做所需的能量。

伦茨还提倡密切关注中子星的周围环境。可能是这些超致密的恒星残骸会喷射出类似他在论文中描述的泡泡。“只要一个人不让个人偏见妨碍自己，并接受证据告诉你的东西，那么这个研究领域就与其他任何领域一样值得追求，”他说。

让-吕克·皮卡德可能会有类似的看法。“事物只有在成为现实之前才是不可思议的，”这位角色在《星际迷航：下一代》的一集中说道。但是，当您生活在 300 年后的未来时，说起来也更容易。

本文最初发表在《光谱-科学》杂志上，并经许可转载