星际旅行大法之：曲速引擎、虫洞与光环引擎

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 太空探索|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 视频天象

翻译：吕梓欣

校译：王忠伟

后台：朱宸宇

www.universetoday.com/articles/interstellar-travel-v-warp-drives-wormholes-and-halo-drives

装备阿库别瑞曲速引擎的飞船艺术家想象图。

图片来源：无限空间

欢迎您加入我们的星际旅行大业。发端于二战V2飞弹的人类航天事业，至冷战时期进入到一个空前繁荣的寒武纪时期。当时人类提出了众多的神奇提案，包括结合核武器技术与火箭技术的核火箭提案，以及基于热核武器（氢弹！）推动的聚变推进的应用。

此后科学家还在发现正电子和反质子基础上构想了一种通过反物质推进航天器的提案，以及目前看起来星际旅行最现实、最实用选项，是太阳帆、磁帆和定向能推进。但今天我们将探讨有史以来最奇特的提案。

依赖传统推进方式的飞船实现星际航行需要数千年。虽然理论上有方法可以将飞行时间缩短到几十年，但建造成本极高，且需要大量推进剂。总有一些看似渺茫的提案，那些介于科幻与事实之间的，依然给我们带来希望。

这其中就包括曲速引擎、虫洞旅行，以及利用黑洞达到接近光速的速度。

这幅艺术家的想象展示了行星比邻星b绕红矮星比邻星运行，比邻星是距离太阳系最近的恒星。

图片来源：ESO/M. Kornmesser

最近的恒星

众所周知，太阳系外的行星（即系外行星）数量众多，值得探索。迄今为止，科学家已确认存在4756个恒星系统中的6354颗系外行星。并且随着技术的发展，这个数字还在快速增加！上个月普查数据显示确认系外行星数量为6,333颗，分布在4,747个系统中。算下来，这意味着不到一个月内，9个恒星系统中又确认了21颗系外行星。

更重要的是，虽然“类地”（岩石）行星很少见，确认的总数仍为222颗，但在我们的邻近恒星中却出奇地丰富。事实上，在距离地球50光年范围内，已知有31颗类地行星，其中30颗绕着低质量的M型红矮星运行。其中最近的是比邻星b，一颗环绕比邻星半人马座的岩石行星，比邻星是一颗距离地球4.25光年的红矮星。

该行星于2016年被发现，估计表面温度为-39°C，而地球为15°C。虽然科学家们对这颗行星是否适居存在分歧，但有比邻星b可能支持生命的情景。无论如何，比邻星b靠近地球使其成为星际任务的自然选择，也很可能是人类探索太阳系以外的第一站。

那么，最奇特的推进方式能做些什么来实现这一目标？

阿库别瑞曲速引擎（Alcubierre Warp Drive）

科幻迷们肯定熟悉曲速引擎的概念。虽然这个想法已经存在了几十年，但它大多局限于科幻和纯粹的推测领域。直到1994年，曲速引擎在已知物理领域内的工作才被提出实际提案。这一提议归功于墨西哥理论物理学家米格尔·阿库别瑞，他在威尔士卡迪夫大学攻读博士期间提出了后来被称为“阿库别瑞引擎”的方案。

阿库别瑞在1994年发表的一篇题为《曲速引擎：广义相对论中的超高速旅行》的论文中描述了这一概念，他主张可以在不违反爱因斯坦相对论的情况下，以超过光速（FTL）的速度移动。更具体地说，他区分了爱因斯坦的狭义相对论（SR）和广义相对论（GR）。

航天器在曲速气泡内的注释图，显示1）垂直维度（膨胀时空），2）曲速气泡内部，3）负维度（收缩时空）。

图片来源：克里斯·霍兰/马特·杰弗里斯

“当我们研究狭义相对论时，我们会发现没有任何东西能超过光速，”他写道。“这一事实在广义相对论中依然成立，尽管在此情况下必须更精确：在广义相对论中，没有物体能在局域范围内超越光速运动。”该概念涉及通过波状拉伸时空的结构（“曲速泡”），理论上会导致前方空间收缩，而后方空间膨胀。波内的物体随后可以乘波进入超相对论速度。他这样解释道：

“如果我们暂时思考早期宇宙的暴胀阶段，并考虑两个共动观察者的相对分离速度，基本思想会更容易理解。很容易说服自己，如果我们将相对速度定义为固有空间距离随时间的变化率，我们将得到一个远大于光速的值。这并不意味着我们的观测者会以超光速旅行：他们总是在本地光锥内移动。巨大的分离速度来自于时空本身的膨胀。”

由于飞船是被带着移动的（但本身不在移动），时空和广义相对论的规则将不再适用，因为这种方法不依赖于局域意义上的超光速运动。它之所以是超光速，仅仅指气泡内的飞船会在束流传输相同距离之前到达另一颗恒星。该系统的理论基础，即阿库别瑞提出了广义相对论爱因斯坦场方程的解析，这被称为阿库别瑞度规。

正如阿库别瑞所论证的，量子场论允许存在能量密度为负的时空区域。这被称为卡西米尔效应，即真空中两个表面之间的吸引力。如果能在航天器周围形成一个负质量的“环”，理论上时空可以在飞船前收缩，在飞船后方膨胀。正如他所写：

“通过飞船后方纯粹局部的时空膨胀和前方的相反收缩，观察者在受扰区域外观察到的光速速度更快的运动成为可能。由此产生的扭曲让人联想到科幻小说中的“曲速引擎”。然而，就像虫洞一样，需要奇异物质来产生时空扭曲”

然而，这一概念存在一些理论上的挑战。根据阿库别瑞的原始论文，实现曲速场所需的负质量（或称“奇异物质”）远超人类能力所及。还有许多不确定性，包括因果律的违反、目的地时空的影响，以及这种系统对乘波者是否安全。此外，所有提出的曲速引擎理论都违反了各种能量条件。

在过去十五年里，阿库别瑞引擎项目因NASA科学家哈罗德“桑尼”怀特而重新受到关注。怀特博士的参与始于2011年，当时他正准备在首届“百年星舰”研讨会上发表演讲，该研讨会由NASA与国防高级研究计划局（DARPA）联合主办。怀特选择讨论阿库别瑞的场方程，在此期间他做了一些计算，发现能量需求实际上可能在可能范围内。

2012年，怀特宣布他和先进推进物理研究实验室的同事们已开始研究这一概念。在题为《曲速场力学101》的论文中，怀特描述了他的团队如何构建了一个干涉仪，用于探测阿库别瑞计量时空膨胀与收缩产生的空间扭曲。

2013年，喷气推进实验室发布了在真空条件下进行的曲速场测试结果，报告为“尚无定论”。到2019年，怀特离开NASA后，NASA实际上停止了曲速引擎和推进研究。一年后，怀特开始与无限空间研究所（LSI）的工程师和科学家合作，该非营利组织致力于教育、推广和先进推进方法，最终目标是制造首个曲速引擎！

怀特的研究建立在他的同事、天体物理学家理查德·奥布西的基础上，奥布西于2009年与星舰工程师凯文·朗共同创立了伊卡洛斯计划。同样在2009年，奥布西与合著者阿拉姆·萨哈里安发布了一项题为《卡西米尔能量与高维操控可能性》的研究，探讨下一代粒子加速器如何产生场，局部改变暗能量密度，从而改变时空膨胀。他们的计算还表明，这可以在与木星大小相当的负质量（1.898 x 1024 kg）下实现。

虽然他们的计算表明数学上可以生成曲速泡泡，但所需的能量远超人类目前所能想象的范围。但正如怀特在接受采访时所解释的，他和同事们展示了重新考虑曲速气泡的“壳层厚度参数”可以进一步降低能量需求。简而言之，更厚的曲速壳体可以减轻时空压力，从而使航天器能够利用仅2吨的奇异物质达到光速10倍速度。

遗憾的是，尽管近年来这一概念变得更加可行，但它仍是一个理论上的提议。目前，科学家尚未确认负质量的存在，概念验证的实现还很遥远。

虫洞旅行（Wormhole Travel）

又是一个科幻小说的经典元素，读者们一定会认出。简单来说，虫洞是连接时空中两个点的理论隧道。该理论诞生于20世纪初，作为对爱因斯坦广义相对论的回应，该理论确立光速既无法达到也无法超越。 最早提出黑洞存在的是德国物理学家兼天文学家卡尔·史瓦西，他对爱因斯坦场方程（史瓦西度规）的解为黑洞提供了第一个理论基础。

史瓦西度规的一个后果是他所称的“永恒黑洞”，本质上是时空不同点之间的连接。阿尔伯特·爱因斯坦和内森·罗森在1935年发表的论文《广义相对论中的粒子问题》中，类似地假设存在虫洞，称为“爱因斯坦-罗森桥”。根据他们的论文，这座桥将连接一个普通黑洞（无法逃脱的黑洞）和一个“白洞”（无法进入的白洞）。

不幸的是，“桥”位于黑洞事件视界后方，任何进入黑洞的航天器都会坍缩到奇点。更何况，史瓦西度规显示虫洞不稳定，因为它们坍缩得太快，任何东西都无法从一端跨越到另一端。要让虫洞稳定（可穿越虫洞），它需要负质量。虽然负质量尚未被发现，但在许多量子情景中（同样是卡西米尔效应）中存在负能量。

在一系列论文中，高等研究院的胡安·马尔达塞纳教授和普林斯顿大学研究生阿列克谢·米莱欣探讨了人类穿越虫洞的可能性。在第一篇《四维可穿越虫洞》中，他们提出了带电的无质量费米子如何产生类似卡西米尔的能量，支持稳定的虫洞。在他们的第二篇论文《人类可穿越的虫洞》中，他们认为这些虫洞与粒子物理标准模型是一致的。

然而，他们发现这一情景仅适用于微观黑洞，因为整个过程都在量子领域。为了让人类能够穿越，虫洞需要更大，这需要超越标准模型的物理学。为此，他们采用了兰德尔-桑德鲁姆II模型（又称五维扭曲几何理论），由此推导出了中等大小的带电黑洞。但这些会产生强大的潮汐力，因此航天器需要显著的助推因子才能绕过它们进入虫洞。

与此同时，哈佛大学的丹尼尔·贾弗里斯对爱因斯坦-罗森桥的研究显示，虽然可行，但稳定虫洞穿越时间会比正常空间更长。从旅行者的角度看，几乎没有时间流逝，但对外人来说，旅行时间却显得更长。这与广义相对论以及相对论旅行引起的时间膨胀是一致的。

不过，问题依然归结于负质量，而负质量在所有情况下都是保持虫洞稳定所必需的。由于科学家们不知道如何产生负质量，也无法将其视为宇宙过程的自然副产品，虫洞旅行仍是理论和科幻的题材。

光环引擎（Halo Drive）

总结一下，即使是前往太阳系外最近的恒星，也总是受广义相对论的限制。要达到显著的速度并在人类一生中达到，需要极其巨大的能量。这意味着大量的推进剂、微型航天器、巨大的激光阵列、奇异的物理学，或这些的组合。但如果能够在不需要推进剂的情况下将航天器加速到相对论速度呢？

这就是光环引擎方案的逻辑，该概念由哥伦比亚大学的大卫基平教授提出，他是其“冷世界”实验室的负责人。基平教授在2019年的一篇论文中描述了这一概念，他针对这些挑战提出了一个相当奇特的解决方案。对此，基平提出了一种经过修改的“戴森引力弹弓”，该概念由著名理论物理学家弗里曼·戴森（戴森球的发明者）提出。

在1963年出版的《星际通讯》（第12章：“引力机器”）中，戴森描述了航天器如何绕着致密双星弹弓飞行，从而获得显著的速度提升。正如戴森所描述的，飞船将被送往一个紧凑的双星系统，在那里它会用这两颗恒星进行引力助推机动。航天器会借助恒星强烈的引力加速，将相当于恒星两倍自转速度加到自身，然后被抛出系统。

基平进一步提出，同样的引力助推机动也可以利用快速旋转的黑洞实现。这一观点让人联想到英国数学物理学家、诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯提出的彭罗斯过程。1971年，彭罗斯提出可以从黑洞的“能层”——事件视界外的区域——提取能量。在该区域，落入的物质被加速至接近光速的速度，并在此过程中释放出巨大的能量。

通过利用降落物质发出的多波长辐射，智慧物种将拥有几乎取之不尽的能量供应。然而，在光环引擎方案下，航天器会插入于能层，使黑洞的快速旋转加速到接近光速（NTL）。就像戴森的引力机一样，航天器会脱离黑洞的“能层”，以惊人的速度朝目的地飞行。

引力弹弓的这种威力得到了最近超高速恒星发现的支持。根据哈佛-史密森天体物理中心（CfA）的研究，这些恒星是星系合并和与大质量黑洞相互作用的结果，导致它们以约3万至10万公里/秒（18,600至6.2万英里/秒）的速度被踢出星系——约为光速的十分之一到三分之一。

但当然，光环引擎方案带来了诸多挑战和一些显著的缺点。除了需要一艘能够承受强烈辐射的航天器外，它还需要在结构上足够坚固，以承受其施加的强烈加速度所产生的应力。该工艺还要求极高的精度;否则，飞船和船员可能会被黑洞的深渊撕裂。此外，还要到达黑洞，这需要大量推进剂和较长的运输时间。

总而言之，这些最天马行空的星际航行构想，和那些相对保守的方案面临着同样的困境，它们需要巨大的能量、科学的重大进展，以及/或发现奇异的物理和物质。与此同时，这些概念依然深植于大众想象中，并持续成为研究的主题，因为它们带来了希望。只要有正确的科学突破和承诺，超光速或非轨道光速的概念就能实现，带我们前往遥远的世界。

每当我们面对太空飞行的严酷现实和宇宙的宏伟时，那种“总有一天会实现”的希望，总会带来令人欣慰的慰藉。

亲爱的想上天的读者们喜欢这篇文章吗？动动你的小手转发给你的朋友，如果阅读量超过1万，我们将陆续推出系列文章，回顾通过核动力火箭、核聚变引擎、反物质发动机、太阳帆等高科技手段把你送进茫茫宇宙的方案。逃离地球，一去不回头。

责任编辑：DAIKIN

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信号：astronomycn

进入以下链接，即刻免费领取一颗南希罗曼太空望远镜首批图像的像素，在图像传回后可第一时间查看属于自己的像素窥探到了宇宙的哪些新奥秘。领取后还可收获一张如上图的数字证书：

https://science.nasa.gov/mission/roman-space-telescope/adopt-a-pixel/

编者注：一个邮箱地址仅可领取一颗像素，回传结果可通过邮箱查看。