NASA在1998年研究曲速引擎時的示意圖 圖片來源：NASA
撰文｜王昱
審校｜吳非
常規(guī)的飛行器通過物質反推進行加速，如果要通過這種推進方式在較短時間內接近光速，其加速度對于人類乘客來說，根本無法承受。例如在《三體》這類科幻作品中，為了緩解加速帶來的影響，甚至需要用“深海加速液”保護船員，否則船員只能變成與“水滴”遭遇戰(zhàn)時，匆忙進入前進四狀態(tài)的戰(zhàn)艦中那些晶瑩剔透，骨肉分層的“血色紅寶石”。
更何況，用物質反推獲得動能，這一推進方式本身就受到質能方程極大的限制。即使將飛船的三分之一質量作為載荷，三分之一質量作為工質（為滿足動量守恒），三分之一質量完全轉化為動能，載荷也不過只能達到75%光速左右。這還是能量轉化率100%的狀況，實際上能達到的速度要遠低于這些假設。
就算僅僅是為了滿足對星辰大海的向往，我們也急需一款能脫離加速度負面效應束縛，最好還能打破光速限制的引擎。于是，這種能通過對空間進行彎折操作而實現(xiàn)亞光速或超光速飛行的曲速引擎，便成了科幻作品中的基礎設定之一。
當然，科幻與魔幻之間最大的區(qū)別，就是前者有一定的科學基礎，曲率引擎也是如此。幾十年來物理學家一直在研究這種看上去像是魔法的技術，但它對“負能量”的需求一度讓它看上去在物理學上不可能實現(xiàn)。直到最近，一篇發(fā)表在《經(jīng)典和量子引力》上的論文改變了這一局面：他們提出，可以在犧牲“超光速”這一特性后，換來完全符合現(xiàn)有物理定律的曲速引擎。盡管距離造出真正的曲速引擎依舊遙遠，但這個源自科幻的設想已經(jīng)擁有了理論基礎。
科幻“指導”科研
在介紹最新版的曲率引擎之前，我們先回顧一下科幻作品中曲率引擎的設定。
在《三體》中，韋德帶領下開發(fā)出的曲率引擎，是通過改變飛船后方區(qū)域的光速，利用空間“表面張力”的差異來實現(xiàn)近光速飛行。但是設定中引擎只能將后方的光速降低，不能將前方的光速升高，也就只能以亞光速飛行。而其加速后留下的低光速區(qū)域，甚至可以作為高級宇宙文明戰(zhàn)爭中的防御手段。
而《星際迷航》中的曲速引擎，則是扭曲了飛船周圍的空間，形成了一個包裹飛船的“曲速泡”。飛船前方的空間被壓縮，后方的空間被拉伸，這樣飛船本身就算沒有相對其所在空間運動，也會被所在空間裹挾著以亞光速或超光速前行。
用一種不太嚴謹?shù)睦斫夥绞剑?strong>《三體》中的曲率引擎是僅有后半段的“半成品”；而《星際迷航》中利用曲速泡的曲速引擎則是可以超光速的“完整版”。
回顧這些設定并非毫無意義，其實，正是《星際迷航》小說中的曲速引擎啟發(fā)了米格爾·阿爾庫維雷（Miguel Alcubierre），讓他在1994年發(fā)表了名為《曲速引擎：廣義相對論內的超光速航行》（The warp drive: hyper-fast travel within general relativity）的論文。后來，物理學上這類曲速引擎，也都被稱為阿爾庫維雷引擎（Alcubierre drive）。
直到今天，物理學家研究的曲速引擎，也都和《星際迷航》中的曲速引擎頗為相似。都是用扭曲的時空將飛船包裹起來，而扭曲時空的內部是乘客區(qū)域，外部是正?？臻g，都是平直時空?？梢哉f，它就是一個“曲速泡”。前方空間收縮，后方空間膨脹，帶動飛船所在空間向前運動。因為運動的是空間本身，所以可以無視廣義相對論中光速限制，實現(xiàn)超光速。
理論迭代
雖然阿爾庫維雷引擎直到今天都沒有被造出來，但它的理論已經(jīng)迭代了好幾代。
1994年阿爾庫維雷提出的曲速泡模型到今天依然適用，但是為了滿足扭曲空間所需要的條件，它需要讓能量密度為負。除了負能量本身聽上去就不靠譜之外，這個模型所需的負能量絕對值大得恐怖。相當于一個太陽質量那么大的負能量，也僅能產(chǎn)生米級的曲速泡而已。更何況，目前理論框架中，根本不存在能可靠控制如此大量負能量的物質。
現(xiàn)有理論中并非沒有產(chǎn)生負能量的方法。在當初發(fā)表的論文中，阿爾庫維雷聲稱兩個平行板之間產(chǎn)生的卡西米爾效應（Casimir effect）可以滿足阿爾庫維雷引擎的負能量需求。這種效應是在真空中，兩塊相距很近的板之間會因為零點真空能的漲落產(chǎn)生一定的引力，這個過程中的真空能漲落，的確可能導致負能量密度的出現(xiàn)。
但要滿足阿爾庫維雷引擎的要求，還必須將曲速泡的尺度控制在普朗克尺度的量級上。普朗克尺度是極小的尺度，根據(jù)曲率引擎所需的能量密度公式，與曲速泡尺度相關的rs項處于分子上，旁邊的導數(shù)也直接受到曲速泡尺度的影響，在曲速泡變小時急劇增大。最終這個曲速泡要求的能量足以和整個宇宙所含能量比肩——更何況，還是負能量。
曲速引擎所需要的能量密度公式，一定為負
1999年，范登·布羅克（Van Den Broeck）對阿爾庫維雷引擎做出了一些改善。在他手下，阿爾庫維雷引擎產(chǎn)生的曲速泡在外部看來只有10-15m量級，內部卻依然保持著米級的尺度。然而，它要求引力定律在這樣短的距離上仍然生效，而引力從來沒有在這個尺度上被檢驗過。同時，它也只是對阿爾庫維雷引擎做出了一些坐標轉換，本質上和阿爾庫維雷引擎還是等價的。
2002年納塔里奧（Jose Natario）設計了一種全新的曲速引擎，和阿爾庫維雷引擎不同，它不需要對時空進行壓縮或拉伸，而且比阿爾庫維雷引擎變化更快。但就算他2006年對這個模型進行了升級修改，但也還需要負能量。
先不論比整個宇宙還多的能量如何才能獲得，單單負能量這個屬性就讓人讓人無從下手。就算是理論上，人類也無法持續(xù)穩(wěn)定獲得負能量。不過事情終于在2020年出現(xiàn)了一絲轉機，埃里克·W.倫茨（Erik W. Lentz）提出了一種無需負能量的曲速引擎，不過沒有說明如何制造這樣的引擎。直到今年，最新論文終于提出了制造曲率引擎的思路，并且證明了對海量負能量的需求，僅僅是阿爾庫維雷引擎的需求，并不是對曲速引擎本身的限制。
合乎物理的曲速引擎
在近日亞歷克賽·博布里克（Alexey Bobrick）和詹尼·馬爾蒂雷（Gianni Martire）發(fā)表的論文中，他們介紹了一種新的曲速引擎模型。這個模型依然需要壓縮前方的空間，讓后方的空間膨脹。在這個過程中會像以前一樣遇到負能量的問題，而一個巨大的引力場就能避免這樣的問題。根據(jù)他們的說法，“僅”需要將相當于一顆行星的質量可控地壓縮到一艘飛船那么大，就能有效利用其引力效應，避免對負能量密度的需求。
這一切當然都是有代價的，他們構建的軸對稱曲速引擎模型（axisymmetric warp drives）只有在亞光速限制下才能避免負能量密度的限制。本質上，新的曲速引擎僅僅是給以前的阿爾庫維雷引擎打了一個引力的補丁。即使是強大的引力，也無法抵消超光速時對負能量密度的需求。不過也正是因為完全亞光速，超光速從理論上帶給我們的種種麻煩也都一并消除了。
當然，目前人類還沒有任何實現(xiàn)這種技術的可能，但至少，這個模型中對引力場的需求還不算過分離譜。將行星級質量壓縮到飛船大?。琢考墸?，這樣的密度其實在宇宙中也算不上離譜——將地球壓縮成黑洞時，黑洞的半徑大約是一厘米。而要將地球壓縮到典型的中子星密度，其實也就稍大一些。（當然，根據(jù)目前的理論，中子星的半徑會隨著質量的增大而減小，而地球質量不可能自然形成中子星，這里僅取其經(jīng)典密度類比。）當然，這個密度還是比白矮星高多了，白矮星的典型密度“僅”有每立方厘米一噸，距離模型中的需求還有不少距離。
可能你會覺得既然曲速引擎不能超光速，那我們又何必去研究它呢？即使它不能超光速飛行，曲速引擎加速過程中成員不會受到加速度的影響，因此可以以很高的加速度進行機動。實際上，就算是在地球上，限制現(xiàn)代戰(zhàn)斗機機動能力的其實并不是引擎動力，而是人類飛行員對加速度的承受能力。
當然，如果人類能革新目前的物理學定律，找到產(chǎn)生負能量的方式，或是與其相伴的“異常物質”（exotic matter），超光速飛行還是有可能實現(xiàn)的。但根據(jù)現(xiàn)有的物理學定律，我們只能實現(xiàn)亞光速飛行的曲速引擎。
當然，20多年來這一系列研究對于目前的人類來說，沒有任何使用價值。但就像喬治·馬洛里（George Mallory）在被問及為何要攀登珠峰時說的：“因為它就在那兒?！保˙ecause it's there.）更何況，曲速引擎聽上去就很酷。
