曲速引擎和负能量：物理学家为超光速太空旅行的机会提供了助力

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在艾萨克·阿西莫夫的《基地系列》中，人类可以利用跳跃驱动器从一个星球到另一个星球，从一颗恒星到另一颗恒星，或者穿越宇宙。一些角色--比如电影《星际》和《雷神》中的宇航员--利用虫洞在几秒钟内就能在太阳系之间旅行。另一种方法--《星际迷航》的粉丝们很熟悉--是曲速引擎（Warp drive）技术。曲速引擎是理论上可能的，但仍然是牵强的技术。最近的两篇论文在3月份成为头条新闻，因为研究人员声称已经克服了阻碍曲速引擎理论与现实之间的众多挑战之一。

但是，这些理论上的曲速引擎究竟是如何工作的？人类是否很快就会跳到曲速引擎？

物理学家目前对时空的理解来自于爱因斯坦的广义相对论。广义相对论指出，空间和时间是融合在一起的，没有什么能比光速更快。广义相对论还描述了质量和能量是如何扭曲时空的--像恒星和黑洞这样的大天体使它们周围的时空发生弯曲。这种曲率就是你感觉到的引力，也是许多太空英雄担心 "陷入 "或 "落入 "引力井的原因。早期的科幻作家约翰-坎贝尔和阿西莫夫将这种扭曲视为绕过速度限制的一种方式。《星际迷航》采纳了这个想法，并将其命名为曲速引擎。

1994年，墨西哥理论物理学家Miguel Alcubierre表明，在广义相对论的定律下，在飞船前面压缩时空而在后面扩展时空在数学上是可能的。那么，这意味着什么呢？想象一下，两点之间的距离是10米（33英尺）。如果你站在A点，每秒能走一米，那么到B点就需要10秒。然而，假设你能以某种方式压缩你和B点之间的空间，使现在的间隔只有一米。然后，以你每秒一米的最大速度在时空中移动，你将能够在大约一秒钟内到达B点。从理论上讲，这种方法并不违背相对论定律，因为你在你周围的空间中的运动速度并没有超过光速。Alcubierre表明，《星际迷航》中的曲速引擎实际上在理论上是可行的。

负能量问题

Alcubierre的曲速引擎将通过在飞船周围创造一个平坦的时空“气泡”，并在该“气泡”周围弯曲时空来缩短距离。曲速引擎需要负质量--一种理论上的物质类型--或负能量密度的环才能工作。物理学家从来没有观察到负质量，所以这就使得负能量成为唯一的选择。

为了创造负能量，曲速引擎将使用大量的质量来创造粒子和反粒子之间的不平衡。例如，如果一个电子和一个反电子出现在曲速引擎附近，其中一个粒子会被质量困住，这就造成了不平衡。这种不平衡导致了负能量密度。Alcubierre的曲速引擎将使用这种负能量来创造时空泡沫。但是为了让曲速引擎产生足够的负能量，你需要大量的物质。Alcubierre估计，一个有100米“气泡”的曲速引擎需要整个可见宇宙的质量。

1999年，物理学家Chris Van Den Broeck表明，扩大“气泡”内的体积，但保持表面积不变，将大大减少能量需求，仅相当于太阳的质量。这是一个重大的改进，但仍然远远超出了所有的实际可能性。

一个科幻的未来？

最近的两篇论文--Alexey Bobrick和Gianni Martire的一篇，以及Erik Lentz的另一篇--提供的解决方案似乎使曲速引擎更接近现实。Bobrick和Martire意识到，通过以某种方式修改“气泡”内的时空，他们可以消除使用负能量的需要。不过，这种解决方案并没有产生可以超过光速的曲速引擎。

Lentz也提出了一个不需要负能量的解决方案。他用一种不同的几何方法来解决广义相对论的方程，通过这样做，他发现曲速引擎不需要使用负能量。Lentz的解决方案将允许“气泡”以超过光速的速度飞行。