科幻小说中的“曲速引擎”正加速接近现实

在金星和太阳引力的帮助下，NASA的帕克太阳探测器于2018年8月发射，成为历史上最快的人造天体——但其最高速度仍不足光速的1%。现实中的曲速引擎能让我们更快吗？物理学家正在研究这个问题。比尔·英格尔斯，NASA

01 从想象到科幻

近60年前，最初的星际迷航该系列点燃了公众想象中的一个梦想：有一天，人们将乘坐超光速“曲速引擎”驱动的飞船穿越银河系。（曲速引擎（英文：Warp drive），也译为曲率引擎，是一种超光速（faster-than-light, FTL）推进系统，和跳跃引擎、超光速引擎、星际传送器等设备都是科幻作品中相似但理论不同的常见技术。曲速引擎以在影片《星际迷航》系列电影中最为常见。和其他科幻作品不同，曲速引擎的理论在设定上并不允许在两点间进行瞬时旅行。曲速技术设想通过在宇宙飞船周围出了一种正常时空的人工“气泡”，使得飞船可以安全的以快于光速的几个数量级的速度航行，同时又回避了时间膨胀的相对论性的问题。1994年由物理学家阿库别瑞在广义相对论框架下提出数学模型，此后研究重点在于降低驱动曲速泡所需的巨大能量，2021年更有理论提出仅用正能量即可构建曲速泡的可能性）

曲速航天器，插图。曲速引擎是一个理论概念，认为航天器通过收缩前方空间并膨胀后方空间，以超光速飞行。这种膨胀和收缩扭曲了航天器周围的时空。时空是将空间和时间结合起来的连续体。

未来人类可以乘坐飞船当天下午抵达遥远恒星系统的想法，很快成为科幻小说的常态，不仅仅是在星际迷航但在几十部被几代粉丝喜爱的电影、电视剧和书籍中。许多粉丝是后来成为科学家的孩子。如今，其中一些科学家正在扭曲时空本身，使曲速引擎更接近现实。

几十年来，大多数物理学家认为曲速引擎是不可能实现的。但近年来，理论研究表明，虚构的技术并不一定违反任何物理定律——这一发现激发了人们对真实曲速引擎技术的浓厚兴趣。虽然仍有许多实际挑战待解决——尤其是如何产生和利用所需的巨大能量——但一些物理学家认为这并非不可能。

“科幻作家想象事物，而我们发现它们可行，”阿列克谢·博布里克说，他是天体物理学家，也是Applied Physics的曲速引擎先驱研究者，这是一家与政府和私营部门合作的公益公司。“真的很漂亮。”

02 从科幻到理论物理

像鲍布里克这样的物理学家认真对待曲速引擎是有原因的：这个概念其实并不牵强。与其他科幻中关于超光速运动的理念，如虫洞和异维超光速引擎相比，曲速引擎“是最容易与已知物理学兼容的，”物理学家兼科学传播者说萨宾·霍森费尔德，经常分享新 曲速引擎 研究在她受欢迎的YouTube频道上。

在科幻作品中，曲速引擎是一种推进系统，它在飞船周围创造一个时空泡泡。然后这个气泡被加速，使其运动速度超过光速。表面上看，这听起来似乎不可能：毕竟，根据爱因斯坦的相对论，宇宙中的物体无法被加速 超过光速障碍。但 时空本身 可以以任何速度弯曲或扭曲。《星际迷航 》科学顾问兼天体物理学家艾琳·麦克唐纳表示，将时空想象为一种嵌入其中的织物——从恒星到飞船——是很有用的。麦克唐纳说：“如果你把飞船包裹在时空的织物里，然后那织物飞得比光速快，还带着你一起飞，这其实并没有违反任何物理定律。”

《星际迷航》电影

这一概念在《星际迷航》首播之前就已存在 于科幻文学中。据作者兼 《星际迷航 》历史学家 瑞安·布里特 介绍，《 星际迷航 》创作者吉恩·罗登伯里选择采用曲速引擎，而非更奇幻的超光速旅行，这并不令人意外。布里特说，罗登伯里“尽可能痴迷于事实核查”。“这在科幻电视剧里以前从未出现过。”但尽管整体概念看似合理，曲速引擎仍被视为纯属虚构。麦克唐纳解释说，问题在于以这种方式扭曲时空需要令人难以置信的能量。

在1994年一篇关于曲速引擎的开创性论文中——被认为是首次严肃的科学研究——物理学家米格尔·阿尔库比耶设计了一个数学模型，可以在飞船前方收缩时空，在飞船后方膨胀。虽然所谓的阿尔库比耶驱动器可以以任意速度移动时空气泡，但他发现即使产生直径仅几米的小气泡，所需的能量也相当于太阳的质量。

https://medium.com/@aaravgeorge18/a-travel-through-time-miguel-alcubierres-warp-drive-473a069c2da8 穿越时空：米格尔·阿尔库比耶尔的曲速引擎（截图）

此外，阿尔库比耶的计算要求存在一种奇异形式的“负能量”，使驱动器与爱因斯坦的相对论兼容。不幸的是，负能量似乎只是纯数学概念，“在我们的宇宙中似乎并不存在”，霍森费尔德说。

前往遥远的恒星，及时归来共进晚餐(TED_2015)、米格尔运用他所有的知识和创造力，通过理论和现实的聚焦告诉我们如何以超光速旅行。 理论物理学家。在墨西哥和威尔士学习后，他提出了新的数学模型来描述黑洞的物理。他现任UNAM核科学研究所所长 。 03 从理论到物理曲速引擎

在阿尔库比耶论文发表后的几年里，包括NASA在内的其他研究人员对他的模型进行了调整。许多后续论文试图减少负能量需求。

鲍布里克在大学学习广义相对论时首次了解曲速引擎。他觉得很有趣。“这件事在我脑海深处沉默了很久很久，”他说。当鲍布里克遇见应用物理联合创始人贾尼·马蒂雷并得知他对该主题的兴趣后，两人决定更深入地研究曲速引擎。

两人没有再动手修理Alcubierre硬盘，而是决定从零开始，看看能否打造出一个更为物理化的新型号。他们一开始很简单，只分析以恒定速度运行的曲速引擎。（阿尔库比耶的推进可以加速或减速，后者在数学上更难描述。）

2021年，Bobrick和Martire在《经典与量子引力》期刊上发表了题为《引入物理曲速引擎》的论文。书中描述了一个曲速气泡的一般几何结构，其内部乘客区是时空平坦的，周围有一层弯曲的外墙，施加引力场。这与阿尔库比耶尔的曲速泡形成对比，后者不会引力拉扯外部物体——鲍布里克说这部分原因使其非物理化。

他们的模型不需要负能量——但鲍布里克说，要推动一个直径数米的气泡，仍需几个木星大小的天体能量，“这实在是太多了。”然而，鲍布里克和马蒂尔的曲速泡泡更大的限制是，它只能以低于光速的速度移动。这对星际迷航粉丝来说可能令人失望，但物理学家表示，这仍然是将曲速技术从科幻领域中推向的重要一步。

霍森费尔德在论文刚发布时发布的一段视频中说：“现在我们有了更好的数学基础来研究曲速引擎。”“我们知道扭曲的时空长什么样。”

04 让曲速引擎成为现实

现在科学家们有了更现实的曲速气泡模型，关键问题是如何改变其速度。毕竟，在一个假设的未来，曲速驱动用于太空旅行，气泡需要加速、减速并停止，以便乘客上下船。“描述整个过程非常关键，”鲍布里克说。还需要更多理论工作来减少曲速引擎的能量需求。即使有像冷聚变这样假设的未来能源，生产相当于几个行星的能源也很可能不可行。

虽然要证明曲速引擎在理论上是否可实现还有许多工作要做，鲍布里克表示，曲速引擎领域在过去几年经历了“相当多的新思考”。事实上，他2021年的论文被引用超过60次，包括加拿大、阿根廷、欧洲和新西兰的曲速引擎研究人员。（甚至还引来了一些批评——至少这表明他并非唯一认真对待此题材的人。）

虽然人类使用曲速引擎穿越星际可能需要好几个世代，但我们可以更早看到具备曲速能力的星舰。2024年，一组物理学家发表了一篇论文，描述了曲速气泡的坍塌——对《星际迷航》粉丝来说，这是一种曲速核心破裂——将如何在时空结构中激起涟漪或引力波。这些波纹可以通过地球上的调谐到合适频率的探测器捕捉到。 麦克唐纳说，我们可能因星际灾难而一窥其他具备曲速能力的物种，这种想法“客观上令人震撼”。

麦克唐纳补充说，这项研究强调我们仍在学习宇宙的基本知识。直到十年前，科学家们才证实了引力波的存在，引力波是由黑洞碰撞和其他极高能事件引起的，这一发现毫无疑问地证明了时空正在不断被扭曲。（引力波是爱因斯坦广义相对论预言的“时空涟漪”，由大质量天体（如黑洞或中子星）加速运动产生并以光速向外传播；其发展历经1916年理论预言、1974年脉冲双星系统间接验证，直到2015年LIGO探测器首次直接探测到双黑洞并合信号才最终证实。引力波的核心意义在于开辟了全新的“引力波天文学”观测窗口，使人类能够探测电磁波无法触及的宇宙暗面（如黑洞并合与超新星爆发），并在极端强引力场下对广义相对论进行前所未有的高精度检验。）

文章来源与参考：

https://cloud.kepuchina.cn/h5/detail?id=6974099086969942016

https://www.bilibili.com/video/BV1nCTE63ECi/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=a0795ae9a84265ee1ff02c7b49881fc4

https://www.sciencephoto.com/media/1053303/view/warp-drive-spacecraft-illustration

https://vocal.media/earth/what-is-a-warp-drive-can-it-help-humans-surpass-the-speed-of-light

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9B%B2%E9%80%9F%E5%BC%95%E6%93%8E

https://baike.baidu.com/item/%E6%9B%B2%E9%80%9F%E5%BC%95%E6%93%8E/3787752

https://medium.com/@aaravgeorge18/a-travel-through-time-miguel-alcubierres-warp-drive-473a069c2da8

来源 GeeksArt

转载 高校科幻

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