[科普中國]-曲速引擎

曲速引擎（英文：Warp drive），也譯為曲率引擎，是一種超光速（faster-than-light, FTL）推進系統(tǒng)，和跳躍引擎、超光速引擎、星際傳送器等設備都是科幻作品中相似但理論不同的常見技術(shù)。曲速引擎以在影片《星際旅行》系列電影中最為常見。和其他科幻作品不同，曲速引擎的理論在設定上并不允許在兩點間進行瞬時旅行。曲速技術(shù)設想通過在宇宙飛船周圍出了一種正常時空的人工“氣泡”，使得飛船可以安全的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。

運用空間翹曲（space warp）作為引擎來推進已成為一些物理學家所研究，例如米給爾·阿庫別瑞的阿庫別瑞引擎，但尚未有堅實的技術(shù)方法被提出，也不知道阿庫別瑞所提的效應理論上要怎么引發(fā)。

簡介1994年物理學家米蓋爾?阿爾庫比雷（ Miguel Alcubierre）首次提出了類似《星際迷航》中的彎曲引擎。

這一引擎將使用尚未被發(fā)現(xiàn)的、具有負質(zhì)量和呈負壓的“特異物質(zhì)”。由此可以扭曲時空,造成飛船前方的空間收縮，后方的空間膨脹。被包裹在這一“彎曲泡”中的飛船就能在不破壞相對論的情況下超光速飛行。

不幸的是,曲速引擎存在一系列的問題。首先，維持這一彎曲所需的能量就超過了宇宙的總能量。其次，它會產(chǎn)生大量威脅宇航員生命的輻射。另外，也沒有證據(jù)表明存在這樣一種特殊的物質(zhì)。

更為關(guān)鍵的是，2002年發(fā)表的文章指出，對于飛船而言無法往“彎曲泡”的前方發(fā)送信號，這就意味著宇航員將無法操控飛船。事實上無論能提供多少能量，物理上似乎都不可能產(chǎn)生這樣的“彎曲泡”1。

歷史由來20世紀50年代，德國物理學家海姆開始探索“超時空動力”的概念，他提出：“曲速航行”就是利用時空扭曲和時空跳躍實現(xiàn)超光速飛行。他認為強力磁場就可以制造引力場，以高速推動宇宙飛船。如果磁場足夠強大，宇宙飛船就可以進入一個比我們所在的時空更高的二度次空間，以超光速航行。

海姆用“二度次空間”學說補充愛因斯坦四維時空說，因此，宇宙就變成了六維時空。在海姆看來，萬有引力和電磁力可以互相轉(zhuǎn)化，因此旋轉(zhuǎn)磁場將削弱地球引力，從而使得飛船能夠離開地面。

1957年當海姆公開發(fā)表理論。但當時很多物理學家都表示難以接受，因為他們認為在當時的物質(zhì)技術(shù)條件下，很難制造出那么巨大的磁場。直到2001年海姆辭世，他的理論也隨之消聲滅跡。

2005年德國薩爾茨吉特應用科學大學的物理學家豪澤與同事德勒舍爾共同撰寫了一篇，以海姆理論為基礎的實驗論文，探究“超時空發(fā)動機”制作的可行性。意想不到的是：突然被美國航空航天學會授予2005年度“核能和未來航空”項目大獎。與此同時美國空軍對能夠超越光速的“超時空發(fā)動機”表現(xiàn)出了極大興趣，并派代表與豪澤見了面。見面時豪澤強調(diào)計劃還處于相當初步階段，若證明理論可行，5年后便可建造測試模型飛船。

因此，美國航空航天學會頒發(fā)的這個論文大獎在全球物理學界引起了不小的震動，這一舉動一定程度上認可了海姆理論的部分學說。接著美國能源部圣迪亞國家實驗室的太空動力研究員羅格·雷納德公開宣布：他們擁有一部X光發(fā)生器——Z機器——可以提供實驗所需要的磁場。他說：“即使實驗證明結(jié)論是錯誤的，在我看來，這也是個成功的實驗?！?/p>

研發(fā)進展2014年6月，美國太空總署（NASA）機械工程師、物理學家懷特（Harold White）正在研究開發(fā)可作星際旅行的宇宙飛船“IXS企業(yè)號”。他近日和3D藝術(shù)家拉德梅克合作，制作出宇宙飛船的概念圖，一旦飛船面世，只需兩周便可到達距離太陽4光年遠的地方。2

2015年5月，美國宇航局的科學家已經(jīng)開展了對曲速引擎的研究工作，并對這種科幻級的動力系統(tǒng)進行了測試。這一消息公布后引發(fā)了多方關(guān)注，支持者認為曲速引擎的研發(fā)能夠讓我們不帶笨重的燃料前往宇宙深處，甚至能夠比光速運行得還快。這聽起來似乎非常棒，這個的工作室位于美國宇航局約翰遜航天中心Eagleworks實驗室，首席科學家為Harold White博士，他們已經(jīng)通過一套被稱為EM drive的動力裝置獲得了推力。而這個裝置的原理，并非一般意義上靠扭曲時空行進的“曲速引擎”。

EM drive的工作原理實際上是通過電磁波在一個圓錐形金屬封閉空間內(nèi)產(chǎn)生的一部分能量，外界認為這個想法存在原則問題，即違反了物理學上的動量守恒。這就像你坐著汽車駕駛座上推動儀表盤，汽車就會前進?？茖W家認為Eagleworks實驗室的方案仍然有待解決。在此前的測試中，物理學家沒有在真空環(huán)境中運行這套系統(tǒng)，而且實驗設置可能還存在問題。而更大的問題是，該實驗背后的數(shù)學和物理原理還不完善，甚至可能并不存在。

主要特點航行速度曲速航行的速率通常以曲速層級（warp factor）代之。一般認為曲速1級是真空光速（c）；更高的層級下，速率呈指數(shù)增加。原始電視系列劇的數(shù)個劇集曾設定了企業(yè)號冒著危險以高曲速層級航行，一度高到曲速14.6級（"That Which Survives")。然而，任一曲速層級的實際速度從未在螢幕上顯明地被陳述，以作為經(jīng)典紀錄。更甚者，各電視系列劇中航行時間與星際距離在陳述上，從未嚴格地保持一貫性（甚至是相當松散的）。

在了解這是個問題后，《星際迷航：下一代技術(shù)手冊》的創(chuàng)造者決定曲速10級應作為最大值。后臺的星際奇旅術(shù)語建議將曲速尺標重新調(diào)整，將舊曲速6級變?yōu)樾虑?級，而曲速10級為無限大速度而無法達到。制作人指示船只可以任意接近曲速10級，但就是無法到達剛好曲速10級。如此則貴族與旅人等生命體則能以相當快的速度航行，又可以回避限制。舉例而言，據(jù)估計，旅人將企業(yè)號推進到曲速9.999996級的速度。而第四代電視系列劇《重返地球》中的劇集"Threshold"附議了這項設定，其中角色提到曲速10級的速度是不可能達到的，因為那是無限大的速度——但不管如何，隨后他們卻達到了，伴隨了快速地（反向）演化成兩棲類的蠑螈的副作用。（雖然是許多影迷、制作人員，甚至該集的編劇與制作人Brannon Braga都普遍忽略的事件。）

時間展長以曲速航行的船艦不會感受到任何形式的時間展長；畢竟總體來說，曲速船艦與宇宙間沒有資訊交換。若船艦是采用脈沖引擎，速度則為次光速（亞光速），會感受到時間展長，因為脈沖引擎驅(qū)動的船只，仍處在正常時空連續(xù)體中。也因為這樣，多數(shù)船只會將沖量速度限制在大約四分之一光速。

超曲速超曲速（transwarp）被多次使用，指的是曲速引擎的高階形式，常為博格人所使用；但也是一項不成功的星際艦隊開發(fā)計劃的課題，出現(xiàn)于電影《石破天驚》中。如同欲進入曲速而不會用上無限多的能量，是要在星艦的周遭產(chǎn)生曲速場來突破光速障（在我們的宇宙中是個理論上不可能的事件）；相似地，也需要超曲速場來達到非常高的超光速速率（使得船艦能在很短時間內(nèi)橫越銀河等級的距離。）

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國科學院工程熱物理研究所