《星际迷航》又见曲速:压缩时空中的航行

分地方打工 · 发表于 2014-6-16 01:43:08

正像中文译名的表面炫目，电影本身也是表面炫目，故事一般，想象力一般，只有让人过瘾的感官享受。其中，最让星迷感到过瘾的是星舰加速到曲速的那一刹那，这部的视听效果比以往更好。那么曲速到底有多快？

星际迷航：暗黑无界　　曲速飞行是一种通过在压缩时空中航行的技术，其原理就是在运动物体周围利用反物质驱动的曲速引擎制造一个人工的曲力场，从而使物体能在这个扭曲的时空气泡中以几十倍于光速的速度移动。曲速就是衡量在这个时空泡里运动的物体的速度。由于这样的移动方法是利用空间扭曲，而非常规的加速方法，因此可以巧妙的避开三维空间中最高速度无法超越光速的陷阱。打个通俗的比方，一辆汽车速度不变，但是由于将道路长度进行了大幅压缩，导致路程相应缩短，行驶的时间也就得到了极度的节省。

企业号　　很多人会问这个问题。确切的答案是超过光速，但一直在演变。例如，在这一集电影中，马库斯将军乘坐的星舰——企业号的曲速就比进取号快五倍。所以，不要问曲速到底有多快，反正比光速快很多倍。(据说，该故事编剧有一个公式。曲速1刚好达到光速，曲速2呢？是光速的8倍。曲速3是光速的27倍。现在，你可以猜到编剧的公式了吧？曲速N就是光速的N的三次方倍。)

进取号　　当影片中的星舰进入曲速后，星舰被一个“气泡”所包围。这个气泡恰好证实了很多年前物理学家的一个发现。这个发现貌似超越了爱因斯坦的狭义相对论，因为狭义相对论告诉我们，如果我们可以超越光速，就会发生时间倒流的事件，从而引起祖父悖论。这里，我们不讨论祖父悖论，而只解释一下墨西哥籍物理学家Alcubierre出人意料的发现。他在1994年，即《星际迷航》电视系列出现近30年后，发表了一篇论文，这篇论文论证，原则上在广义相对论中可以超越光速。他的发现后来被物理学家称为“Alcubierre气泡”，或”Alcubierre速度”。

　　在广义相对论中，时间和空间是弯曲的，Alcubierre正是利用了这一点。他直接写下了一个完整的时空，在这个时空中，存在一个“气泡”，这个气泡以超过光速的任意大速度运动。他用的办法很简单，就是直接写下一个四维时空，在这个弯曲时空中，一个远离飞船的地方，时间和空间与没有任何能量存在时是一样的，也就是说是平坦的。在接近飞船的地方，时空形成一个“气泡”，这个气泡可以用任何速度向前飞行，而飞船藏在气泡中。即使在气泡中，时空的曲率也可以不大，这样不会导致飞船受到很大影响。
　　Alcubierre的超光速时空气泡初看上去没有什么特别的，除了气泡以超光速飞行。计算的结果告诉我们，时空在气泡的后面膨胀了，在气泡的前面缩小了，这也许是气泡可以以任何速度运动的原因。任何人都可以像Alcubierre随手写一下一个弯曲时空，但我们不能承认这个时空是可以实现的，除非它满足爱因斯坦场方程。同样，Alcubierre的时空也需要满足爱因斯坦场方程。他是倒过来做这件事的，先写下时空，然后带入爱因斯坦方程看看我们需要什么样的物质，结果有点让人失望，我们需要负能量。

　　需要负能量这件事不是第一次发生，过去，人们在讨论虫洞和利用虫洞制造时光机器时也发现，没有负能量根本做不到。目前，除了在极端情况下，我们还没有观测到负能量的存在。所谓极端情况，是利用Casimir效应得到的一点点负能量。最简单的Casimir效应出现在两块很大的平行金属板之间，光子场的量子涨落使得平行板之间的能量变成负的。但这么一点点负能量远远不够制造曲率驱动气泡。Alcubierre气泡本身也许不需要不可思议多的负能量，但如果我们要求某些量子条件成立，那么Alcubierre气泡需要的负能量的绝对值就会达到10的64次方公斤，这远远大于宇宙的能量。即使我们不要求满足任何量子条件，Alcubierre气泡负能量的绝对值一般也要大于飞船能量的绝对值，实际上也是不可行的。而且，负能量的绝对值与气泡的速度平方成正比。

　　这并不妨碍科学家们的探索。比如，一位科学家研究结果说，满足了量子条件，驱动一个原子超光速飞行的负能量的绝对值可以降低到三个太阳质量。另一位科学家甚至说，可以将驱动一个原子的负能量的绝对值降低到几个毫克。也许，在未来，曲率驱动可以超越光速。Krasnikov甚至想到一个类似《三体3：S神永生》中的主角程心想到的办法——在气泡的路上安排一些质量使超光速气泡成为可能。(当然，安排这些质量的过程本身只能用亚光速速度。)

　　但是后来，物理学家发现了更多的问题，例如要产生超光速十倍的气泡，气泡壁的厚度变得非常小，小到量子引力效应不可忽略。这么薄的气泡壁将包含不可思议的能量。还有人发现，气泡内的霍金辐射会毁灭整个气泡。

　　物理学家们真的可以制造出超光速时空气泡吗？也许我们会不断发现不可能的原因，这样，我们就不必面对下面的疑问：如何解决超光速运动引起的祖父悖论？即使用Alcubierre气泡，我们也逃避不了这个悖论。至于如何利用曲速制造时光机帮助我们访问过去，那就是是另一个话题了。那么，如果你想见识一下飞船在曲速飞行时有多快，就不妨看看《星际迷航：暗黑无界》吧！