生活在相對論的宇宙中會很難，即使是最近的恒星也是如此遙遠(yuǎn)，光速是絕對的。毫無疑問，科幻小說經(jīng)常會將飛行器采用一種假想的超光速推進(jìn)系統(tǒng)作為設(shè)定情節(jié)。
一架裝載著曲速引擎的宇宙飛船，可以以快于光速的幾個數(shù)量級的速度航行，同時又回避了時間膨脹的相對論性的問題。
曲速泡的圖示，船前方的空間收縮而后方空間擴(kuò)張。
1994年，墨西哥理論物理學(xué)家米給爾·阿庫別瑞從星際旅行中的曲速引擎的情節(jié)，提出創(chuàng)造一種波來改變空間的幾何形體的方法，這種波可以讓太空船前面的空間收縮，而太空船后面的空間擴(kuò)張。這艘太空船因此可以在一個平坦的空間中乘著波移動，這被稱為“曲速泡”。太空船在泡泡中本身不會移動，而是整個泡泡移動時會帶著太空船前進(jìn)。一開始這種裝置被認(rèn)為會消耗太多負(fù)能量，直到哈羅德·索尼·懷特提出可以把曲速泡改成曲速環(huán)來減少能量需求。
可視化的曲速場：宇宙飛船靜止于正常時空的氣泡中
近年來，科學(xué)界對所謂的“阿庫別瑞曲速引擎驅(qū)動器”概念的實際可能性感到興奮。今年8月19日至22日在美國航空航天動力與動力研究所論壇上，阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾推進(jìn)研究中心的工程師約瑟夫·阿格紐發(fā)表了題為《曲速理論和技術(shù)的驗證和可行性 》的主題演講。
阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾推進(jìn)研究中心的工程師約瑟夫·阿格紐
阿格紐認(rèn)為，曲速推進(jìn)系統(tǒng)背后的理論相對簡單。從理論上講，波內(nèi)的航天器將能夠跨越“扭曲氣泡”，并獲得超過光速的速度。在廣義相對論的背景下解釋，這個扭曲氣泡的內(nèi)部將構(gòu)成其中任何物體的慣性參考系。同樣，這樣的氣泡會出現(xiàn)在時空的先前平坦區(qū)域中，并超過光速。
由于飛行器不是在時空中移動（而是移動時空本身），因此傳統(tǒng)的相對論效應(yīng)，例如時間膨脹，將不適用。
簡而言之，阿庫別瑞引擎允許超光速旅行，而不會違反傳統(tǒng)意義上的相對論。
哈羅德·索尼·懷特
盡管“阿庫別瑞曲速引擎驅(qū)動器”概念由于完全是理論性而被普遍否定，但近年來該理論已經(jīng)注入了新的活力。美國宇航局約翰遜航天中心高級推進(jìn)物理實驗室高級推進(jìn)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人哈羅德·索尼·懷特。
在2011年的100年星際飛船研討會上，懷特分享了阿庫別瑞理論的一些最新計算方法。他認(rèn)為，阿庫別瑞的理論是正確的，但需要進(jìn)行認(rèn)真的測試和研發(fā)。從那時起，他和他的同事就一直通過高級推進(jìn)物理實驗室進(jìn)行這些研究。
美國國家航空航天局曲速研究計劃中的曲速引擎船艦示意圖
同樣，阿格紐在其學(xué)術(shù)生涯中花費了大量時間來研究曲速引擎背后的理論和力學(xué)。在機(jī)械和航空航天工程副教授兼阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾推進(jìn)研究中心的教員賈森·卡西布里的指導(dǎo)下，阿格紐的工作最終完成了一項研究，該研究解決了曲速引擎力學(xué)研究的主要障礙。
與其他科幻作品的超光速技術(shù)不同，曲速引擎并不允許在兩點間進(jìn)行瞬時旅行。曲速引擎技術(shù)在宇宙飛船周圍創(chuàng)造出了一種正常時空的人工“氣泡”。因此，以曲速速率航行的宇宙飛船在“正常時空”中仍能繼續(xù)與物質(zhì)相互作用。
正如阿格紐所言，曲速引擎的概念在科學(xué)界仍然沒有得到重視。他說：“以我的經(jīng)驗，提到曲速驅(qū)動往往會讓人發(fā)笑，因為它是純粹理論性質(zhì)的和科幻小說中描述的東西。直到我更仔細(xì)地研究該理論時，我才意識到值得進(jìn)一步研究?！?/p>
科學(xué)家已經(jīng)證實了引力波的存在
盡管該領(lǐng)域仍處于起步階段，但最近的一些科學(xué)發(fā)展對此有所幫助。例如，科學(xué)家在2016年發(fā)現(xiàn)了自然產(chǎn)生的引力波，這既證實了愛因斯坦一個世紀(jì)前所做的預(yù)測，又證明了曲速引擎驅(qū)動的基礎(chǔ)存在于自然界。引力波的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)領(lǐng)域的一次巨大飛躍，因為它通過實驗證明了時空可以在巨大的引力場存在下彎曲，并且在整個宇宙中傳播。
阿格紐說，由于曲速引擎系統(tǒng)依賴于時空的擴(kuò)展和壓縮，因此引力波的發(fā)現(xiàn)證明了其中一些影響是自然發(fā)生的。他說：“本質(zhì)上，曲速引擎驅(qū)動器所需要的是一種以局部方式隨意擴(kuò)展和收縮時空的方式，例如圍繞小物體或太空飛船。我們可以肯定的是，這種引擎的能量密度很高，電磁場或質(zhì)量的變化會引起時空彎曲。另一方面，技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)嘗試盡可能地完善設(shè)備和工藝，以使這些高能量密度更加合理。我相信，一旦可以在實驗室規(guī)模上復(fù)制這種效應(yīng)，就有可能使人們對引力的工作方式有更深入的了解，并可能發(fā)現(xiàn)一些尚未知曉的理論或漏洞?！?/p>
阿格紐認(rèn)為，曲速引擎最大的障礙是能源，隨之而來的是技術(shù)障礙，比如需要更大的電磁場，更敏感的設(shè)備等。
產(chǎn)生扭曲氣泡所需的大量正能量和負(fù)能量仍然是“阿庫別瑞曲速引擎驅(qū)動器”概念相關(guān)的最大挑戰(zhàn)。目前，科學(xué)家們認(rèn)為，維持產(chǎn)生氣泡所需的負(fù)能量密度的唯一方法是通過外來物質(zhì)?？茖W(xué)家們還估計，總能量需求將等于木星的質(zhì)量。
但是，這與以前的能源估計值相比有了很大的下降，原來認(rèn)為所用的能量質(zhì)量等于整個宇宙。然而，木星這種級別的質(zhì)量仍然過大。在這方面，仍然需要取得重大科學(xué)研究突破才行，以將能源需求降低到更現(xiàn)實的水平。
阿格紐說，實現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一可預(yù)見的方式是通過量子物理學(xué)，量子力學(xué)和超材料的進(jìn)一步發(fā)展。至于技術(shù)方面，在超導(dǎo)體，干涉儀和電磁發(fā)生器的制造上將需要進(jìn)一步的突破。當(dāng)然，還有資金問題。
但是正如阿格紐所說，這不是一個不可克服的挑戰(zhàn)。考慮到目前已取得的進(jìn)展，有理由對未來充滿信心。他說：“到目前為止，該理論已經(jīng)證明它是值得研究的，并且現(xiàn)在比以前更容易提供它是合法的證據(jù)。就分配資源的理由而言，不難看出其探索能力對人類來說，能夠超越我們的太陽系，甚至超越我們的銀河系，將是一個巨大的飛躍。而推動這種技術(shù)的發(fā)展無疑將是有益的?！?/p>
就像航空電子設(shè)備，核研究，太空探索，電動汽車和可重復(fù)使用的火箭助推器一樣，“阿庫別瑞曲速引擎驅(qū)動器”似乎注定是那些必須克服困難的概念之一?？紤]到我們對系外行星的日益關(guān)注，以及不乏希望向附近恒星發(fā)送太空探索任務(wù)以尋找潛在可居住行星的人，曲速引擎的突然間突破似乎完全有可能。
