什么是曲速引擎？若真能实现，就可突破光速的极限实现星际旅行

前言‍

相信有不少人看过大名鼎鼎的科幻电影《星际迷航》。在《星际迷航》里，人类与外来同众多外星种族一同战胜疾病，偏执与战争，电影包含了人文主义关怀。

同样的，电影里一些天马行空的想象，硬核的科幻元素也让人欲罢不能。而最让人印象深刻的，最让人向往的，无疑是电影中那个能够在各个星系穿越的飞船。

在电影的故事背景中，人类在21世纪中期爆发了第三次世界大战，这次战争让全地球几乎所有人类都灭绝了。在战后十几年，人类终于成功完成了第一次突破光速障碍的试验飞行，这次飞行在电影中被称为曲率推进。人类从此进入了曲速时代。

电影中，你会听到柯克船长经常喊:“进入曲速飞行”，然后飞船一眨眼就已在星际中穿梭。主角一行人利用这个技术，在星际中穿越，把爱和和平带向宇宙。

那是否现实中有相应的科学概念呢？

电影中能够实现星际旅行的理念，也启发到了当代的科学家，根据电影中的理论，科学家理解并提出了一种能够让飞行器超光速飞行的驱动器。就是我们本篇文章的主角——曲速引擎，有了它就可突破光速的极限，星际旅行不再是梦。

曲速引擎是什么‍

要解释曲速引擎，就绕不过《星际迷航》这部电影。这个名词本就先出自科幻作品，可以说是科幻作品反哺科学界的典型案例了。

曲速引擎这个名词，最早出自美国作家约翰W坎贝尔的科幻小说《太空岛》。而后，《星际迷航》引用了小说中的概念。拜《星际迷航》的火热所赐，全世界的科幻爱好者们接触到了“曲速引擎”这一名词。在电影中，它主要是一种可实现超光速航行的一种装置。

电影中曲速引擎如何让飞船超光速飞行？‍‍

《星际迷航》中，飞船能够超音速曲速驱动推进最重要的组成部分是“重力场位移流形”，这在电影中被称为“曲速核心”，也就是曲速引擎。这个叫曲速核心的动力装置，通过“二锂晶体”这个虚构物品，控制物质和反物质进行接触，让二者泯灭，物质与反物质泯灭时会转化为巨大的负能量，这个能量来推动飞船前进。

可能有人会不解，超光速移动不是会改变物体的空间与时间吗？飞船怎么能超越光速飞行呢？

实际上是这样的。电影中的这个黑科技引擎并不是让飞船达到超越光速的速度飞行，而是通过扭曲飞船周围的时空，让空间的高度扭曲，在时空中打开一个通道，飞船在从中飞过。

举个例子，这个过程相当于在两地之间按上了一个传送带，人顺着这个传送带跑向目的地，虽然极限速度还是和原来一样，但是人在传送带上的这个空间移动了。

曲速航行就是如此，相当于说是让飞船周围空间在高度扭动，而并不是飞船自身的行驶速度达到了光速。在非常远的人看来，飞船就是在进行一种超光速航行，实际上把飞船未起步的空间做参照系，飞船此时的定域速度并没有超过光速。这是一种表现超光速。

你可能会问，虽然这个说法能够解释飞船的超光速飞行没有违背狭义相对论，但是让空间高度扭曲，让时空维度膨胀了啊？

在电影中是这么设想的——通过曲速技术，在正在航行的飞船周围添加上人工制造的正常时空的“气泡”——“翘曲气泡”。

当飞船用超音速航行时，这些“气泡”就可以保护这些飞船能够正常地在这个维度航行——由爱因斯坦的相对论可知，光速保持不变，一个物体越接近光速，它的空间和时间就必须做出相应的调整。

这些正常时空的“气泡”，恰巧就是用来稳定飞船本身时间和空间维度的东西，让飞船能够在进行超音速飞行的时候，不会改变它的时空维度，保持在飞船起步前的时空。

现实中的概念‍

前文说过，科学家提出“曲速引擎”这个概念，是受到了《星际迷航》这部电影的影响。1994年，墨西哥的物理学家阿库别瑞受《星际迷航》的影响，思考出了一种幻想的驱动引擎——曲速引擎，也叫阿库别瑞引擎。

《星际迷航》中的人们一直在谈论着曲速引擎, 一种使空间变形的概念。我们已经拥有了一种关于空间怎样能够或者不能够被扭曲的理论, 那就是广义相对论. 我认为应当会有一种方法能使用这些概念解释曲速引擎如何运转。

阿库别瑞引擎遵守广义相对论中爱因斯坦方程，在这个范畴下建立出的一个特别的时间度规。

阿库别瑞的理论提出用波动的方式延展空间，导致飞行器前方空间收缩，后方空间扭曲，前后连接的空间决定飞行器飞行的方向，以空间的扭曲带动飞行器前行。而阿库别瑞引擎提供飞行器在区间里飞行的动能，以空间推动飞行器，最终让飞行器在这个区间里以表现超光速的形式飞行。

我的猜测是, 在飞船中的人可能会看到和《星际迷航》中十分相像的场景. 在飞船前面, 星星们变成了长长的线条. 在飞船后面, 他们什么都看不到——只有黑暗——因为星光无法移动的足够快以赶上飞船。

要在这个空间中飞行，飞行器会受到一个很大的潮汐力，为了解决这个问题，阿库别瑞用上了卡西米尔效应——也就是要往这个空间里灌负能量。

也就是说，阿库别瑞引擎需要用一种奇异能量来进行推动，这是一种以光速流动的负压强能量，和我们熟知的能量性质完全不同。这种能量目前还存在于幻想与理论之中，最有名的便是卡西米尔能量。

曲速引擎真的能实现吗？‍

可能你看完上面的对曲速引擎的介绍，心理已经燃起兴趣——既然这个诞生于科幻作品的装置，已经被当代的科学家，用理论的方式给总结了出来。那么，我们是不是也可以像电影，尽情地在空间中穿梭了呢？

很遗憾，以人类现在的科技水平来说，我们并不能做到随意在星际里旅行。

首先，我们现在并不能实现让两地之间的时空高度扭曲。我们现在的技术连移动的通道都打不开，就更别提后续了。

那宇宙中会不会有现成的移动通道呢？

早在1930年，爱因斯坦就已经得出了结论。根据他的广义相对论的引力场方程式，计算可以得出，在宇宙中，会出现一个连接两个遥远的时空的通道，这就是爱因斯坦桥，也可以叫作虫洞。

就爱因斯坦的广义相对论，并通过公式计算，我们可以得知：在数学概念上，一定存在一个可供跨越时空的移动通道，那就是虫洞。

而在爱因斯坦之后，也有一些科学家一直在研究。曾因引力波项目获得诺贝尔奖的杰出物理学家基普索恩，从理论上论述了虫洞的存在。

遗憾的是，虽然理论上来说虫洞实际存在，可我们人类却连一次虫洞的观察记录都没有。与电影中的形象不同，按照目前关于虫洞的理论，虫洞应该是存在于微观世界的，它消失和出现的时间都非常短暂。并且，按照理论来看这些微观尺度上的虫洞非常的微小，只有粒子能通过，对人类穿越星际来说没有任何的帮助。

不仅如此，其实阿库别瑞的理论在现实中要实现也很艰难。虽然阿库别瑞的理论在数学上是可以成立的，但它的计算结果可能没有物理学上的意义。阿库别瑞引擎需要奇异物质来产生负能量才能使用。

在电影中是有“二锂晶体”这个物质，控制物质和反物质接触、泯灭而转化为大量的负能量。可现实中可找不到这个奇异物质，这只是阿库别瑞假想出的东西。所以，如果这种奇异物质不存在，曲速引擎就不能被造出来。

虽然阿库别瑞声称以两个平板之间产生的卡希米亚真空可以满足曲速引擎对于负能量的需求，但通过理论计算，要在制造出的扭曲空间中移动，至少需要把时空打开一光年的空间，飞行器才不会被时空产生的潮汐力给弄成碎片，而这需要6倍于宇宙的暗物质，这对于人类来说是根本做不到的。

目前的航天发展‍

虽然星际旅行在现在还无法实现，可我们的航天发展却有了巨大的突破。旅行者1号飞出传统太阳系边界，发现冥王星附近还有一片巨大的奥尔特星云，拓宽了人类的视野，刷新人类对宇宙的认知。不仅是探测器飞行，载人火箭也被人们发明出来，1969年，人类以自己的双脚站在了月球上。

而我们国家，也在航天这一领域踏出了坚实的一步。2020年11月24日，嫦娥五号成功发射。12月1日，历经6天，嫦娥五号成功登月。在月球上第一次立起了鲜艳的五星红旗。嫦娥五号也带回了月球的土壤样本，这个样本对我们研究广阔的宇宙有着重要的意义。

同年，我国在卫星导航系统的研究也有了突破。在西昌，北斗卫星导航系统第五十五颗卫星，搭载着长征三号运载火箭，升上了天空。此次卫星的升空，让我国的卫星导航系统更加完善。现在的卫星导航系统已经可以做到全球覆盖的高精准度定位，不管走到哪里导航都能让你不会迷途。

总结‍

自古以来，人类一直对地球外这片浩瀚的宇宙充满着幻想，嫦娥奔月，天狗食日。古人用他们笨拙的语言来解释一个个奇特的自然现象。而现在，我们在拼命地发展航天事业，通过对宇宙的观察，我们看见了自己的无知，也了解到许多存在于宇宙的神奇物质。

“ 做物理, 一定要保持一个开放的态度。”

如今，我们想要像电影那样在星际中旅行是很难实现的，但是想象力是可以跨越物理法则，穿梭宇宙之间的。几百年前的古人，还想象不到我们现在能够坐着火箭遨游太空呢。

所以，我们要做的就是保持着一颗对宇宙向往的心，并不断深入研究，终有一天可以揭开宇宙神秘的面纱。我们也许也可以乘着飞船，在星际间畅游。