超光速旅行真的要來(lái)了？發(fā)現(xiàn)了首個(gè)曲率泡，曲速引擎研究再現(xiàn)曙光

速度瓶頸限制了人類探索太空的步伐，科學(xué)家們一直在苦苦尋找著突破這個(gè)瓶頸的方法，曲速引擎就是解決方案之一。這種航天技術(shù)自上世紀(jì)提出以來(lái)，研究進(jìn)展非常緩慢，一直還停留在科幻階段，甚至有人認(rèn)為這就是個(gè)夢(mèng)想，永遠(yuǎn)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

但就在前幾天，突然有一則消息震驚了世人：曲速驅(qū)動(dòng)器先驅(qū)，前NASA曲速驅(qū)動(dòng)器首席專家哈羅德·G·懷特博士報(bào)告，發(fā)現(xiàn)了世界上第一個(gè)“曲速氣泡”，將給未來(lái)曲速引擎的研究產(chǎn)生重大影響。

那么何謂曲速引擎，目前的研究進(jìn)展如何，我們一起來(lái)學(xué)習(xí)了解一下。

愛因斯坦設(shè)定了一個(gè)速度瓶頸

愛因斯坦的相對(duì)論，讓人類對(duì)大自然的認(rèn)識(shí)有了重大突破，從而推動(dòng)了整個(gè)人類科技文明的大踏步前行。但另一方面，他提出了光速極限的理論，也就是宇宙中任何物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度不可能達(dá)到光速，更別想超過(guò)光速，這就為人類航天設(shè)置了一個(gè)速度瓶頸，嚴(yán)重束縛了人類深空遠(yuǎn)航的夢(mèng)想。

宇宙之大超乎人們的想象，太陽(yáng)系只是浩瀚宇宙中的滄海一粟，引力半徑卻有1光年。1光年就是光都要走一年時(shí)間的尺度，約為9.46萬(wàn)億千米。人類未來(lái)的飛船即便接近光速，飛出太陽(yáng)系也需要1年多。

而現(xiàn)在人類航天速度還只達(dá)到每秒十幾千米，飛得最遠(yuǎn)的無(wú)人探測(cè)器旅行者一號(hào)，速度約每秒約17千米，飛了40多年，只飛了230多億千米，不到1/400光年，還要飛17000多年才能夠飛出太陽(yáng)系。

而銀河系直徑約20萬(wàn)光年，宇宙中有數(shù)萬(wàn)億個(gè)星系，可觀測(cè)宇宙半徑約465億光年。即便飛船達(dá)到光速，飛出銀河系也需要十多萬(wàn)年，到達(dá)其他的星系則需要數(shù)百萬(wàn)年甚至億年。由此看來(lái)，人類要在宇宙中遨游，現(xiàn)在連想都不敢想。

好在愛因斯坦關(guān)了一扇門，又打開了兩扇窗

愛因斯坦廣義相對(duì)論的核心理論是引力場(chǎng)論，這個(gè)理論給人類打開了另外兩扇突破速度瓶頸的窗戶：一個(gè)是蟲洞穿越，還有一個(gè)就是時(shí)空折疊。如果人類真的能夠窺破這兩個(gè)場(chǎng)的奧秘，掌握了其訣竅，未來(lái)人類走出太陽(yáng)系，走向深空就不在話下了。

因?yàn)闊o(wú)論是蟲洞穿越還是時(shí)空折疊，理論上都能夠進(jìn)行超時(shí)空跨越，超越光速許多倍到達(dá)該去的地方，且這兩種方法不違背光速限制，因此不受光速極限約束，也不會(huì)導(dǎo)致速度帶來(lái)嚴(yán)重的時(shí)間膨脹效應(yīng)。

因?yàn)檫@兩種方法實(shí)際上都不是真正提升了速度，而是抄近道和縮地法。蟲洞穿越就像是火車穿越隧道，穿過(guò)很短的隧道就到達(dá)了本來(lái)很遙遠(yuǎn)的目標(biāo)；時(shí)空折疊就是將時(shí)空像一張紙那樣折疊起來(lái)，就不需要走過(guò)整張的紙面，而是從紙張這邊的邊緣一步跨越到紙張的另一邊。

今天就只說(shuō)曲速航行

所謂曲速航行就是利用時(shí)空折疊原理，讓飛船在被壓縮的時(shí)空中航行。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是通過(guò)曲速引擎，將飛船前方的空間迅速?gòu)澢s小，后方的空間迅速?gòu)澢鷶U(kuò)大，就像在后面吹著氣球?qū)w船往前擠，而飛船則在這個(gè)制造出來(lái)的時(shí)空氣球（時(shí)空泡）中以亞光速向前推進(jìn)。

飛船雖然沒(méi)有超過(guò)光速，但由于時(shí)空被壓縮了，就成為一種跨越式移動(dòng)，比實(shí)際飛行速度快很多倍到達(dá)目的地。

這看起來(lái)有些費(fèi)解，現(xiàn)在我們來(lái)通俗比喻一下：北京到紐約有15000公里，飛機(jī)以1000公里時(shí)速飛行，需要飛15小時(shí)才能到達(dá)。但如果用曲速引擎，將北京到紐約的時(shí)空壓縮到只有1公里，飛機(jī)雖然沒(méi)有提高速度，但在曲速空間只要飛3.7秒鐘就到了。

科幻中的曲速飛船

美國(guó)影視《星際迷航》最多的科學(xué)內(nèi)核就是曲速飛船，在影片里出現(xiàn)過(guò)眾多的曲速飛船，其曲速分為0~10個(gè)層級(jí)，層級(jí)越高速度越快。影視中的曲速層級(jí)速度并非簡(jiǎn)單的數(shù)量級(jí)提升，而是有一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算公式（見上圖）。曲率1級(jí)即達(dá)到1c（光速），而9級(jí)則達(dá)到1516.4c，最快的星艦曲率達(dá)到9.99級(jí)，速度達(dá)到7912c。

理論上10級(jí)是曲率的天花板，就是無(wú)法達(dá)到。因?yàn)?0級(jí)是代表無(wú)窮快，飛船可以在任意時(shí)間出現(xiàn)在宇宙的任何地方，即便在科幻中也不能制造出這種飛船。而根據(jù)公式計(jì)算，曲率達(dá)到9.9999級(jí)時(shí)，速度將達(dá)到恐怖的199516c。

然而即便曲率達(dá)到9.9999級(jí)，要飛往距離我們254萬(wàn)光年的仙女座星系，也還要走12.73年，而要穿越本星系群1000萬(wàn)光年直徑，則要飛50年；穿越超本星系團(tuán)1億光年直徑，則要飛501年。

可觀測(cè)宇宙半徑有465億光年，這種飛船要穿越需要二十多萬(wàn)年。因此未來(lái)的航天速度還要更快，而人類目前的壽命需要大大延長(zhǎng)，或者改變生存形態(tài)，才有可能走向深空。

要實(shí)現(xiàn)曲速航行有多難？

科學(xué)家們通過(guò)計(jì)算，要讓時(shí)空彎曲，形成一個(gè)包裹著飛船的“曲率泡”，所需能量至少要達(dá)到太陽(yáng)總能量的10億倍。而在現(xiàn)階段，人類總能量消耗還只有太陽(yáng)能量的38萬(wàn)億分之一，要制造出這種能量的飛船簡(jiǎn)直就是天方夜譚。

要知道整個(gè)銀河系總能量也只有太陽(yáng)的2000~4000億倍，如果一艘曲速引擎需要10億倍太陽(yáng)能量，整個(gè)銀河系能量也只能供應(yīng)200~400艘曲速引擎使用。

根據(jù)卡爾達(dá)舍夫宇宙三級(jí)文明理論，人類要達(dá)到宇宙二級(jí)文明水平，才有能力控制和利用太陽(yáng)的全部能量。有科學(xué)家預(yù)測(cè)，人類要達(dá)到二級(jí)文明等級(jí)，還需要不間斷努力5000年。

要達(dá)到控制銀河系全部能量的能力，則需要達(dá)到宇宙三級(jí)文明水平。人類還需要多少年才能夠達(dá)到這個(gè)水平，現(xiàn)在誰(shuí)也不知道，可能要億年甚至10億年，人類科技文明有沒(méi)有延續(xù)這么久的幸運(yùn)，誰(shuí)也不知道。

還有科學(xué)家通過(guò)計(jì)算，維持飛船周圍彎曲時(shí)空所需的能量，甚至超過(guò)全宇宙的總能量。除此之外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)存在許多難以解決的問(wèn)題，如制造時(shí)空泡的巨大能量會(huì)產(chǎn)生威脅乘員生命的強(qiáng)大輻射，飛船無(wú)法往彎曲的時(shí)空泡前方發(fā)送信號(hào)，這就意味著宇航員無(wú)法操控飛船等等。

明知不可為但還是有許多科學(xué)家在努力

人類從誕生以來(lái)，就進(jìn)化出了好奇心和不斷探索的基因，正是這種基因讓人類脫穎而出成為地球的主宰。這種基因在科學(xué)家們的血脈里則表現(xiàn)得更強(qiáng)大，因此，就有那么一撥人明知很難甚至不可為，卻依然孜孜不倦地?cái)[弄著曲速引擎問(wèn)題。

1957年，德國(guó)物理學(xué)家海姆率先提出“曲速航行”的概念，開始探索“超時(shí)空動(dòng)力”，認(rèn)為可以利用時(shí)空扭曲和時(shí)空跳躍實(shí)現(xiàn)超光速飛行；1994年物理學(xué)家米蓋爾?阿爾庫(kù)比雷首次提出了類似《星際迷航》中的彎曲引擎。

2005年，德國(guó)物理學(xué)家豪澤和同事德勒舍爾共同撰寫了一篇以海姆理論為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)論文，探究“超時(shí)空發(fā)動(dòng)機(jī)”的可行性，引起了美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)極大興趣，授予了他們2005年度“核能和未來(lái)航空”項(xiàng)目大獎(jiǎng)。

由此，曲速引擎列入了NASA（美國(guó)太空總署）的研究計(jì)劃。

2014年，NASA曲速引擎項(xiàng)目首席科學(xué)家哈羅德·G·懷特（Harold G White）透露，正在研究開發(fā)可作為星際旅行的宇宙飛船“IXS企業(yè)號(hào)”（與科幻影視《星際迷航》中的飛船同名），宣稱飛船一旦面世，只需兩周便可到達(dá)比鄰星（4光年距離）。

2015年5月，懷特博士宣稱對(duì)一種科幻級(jí)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，這套被稱為EM drive的動(dòng)力裝置獲得推力，但這個(gè)裝置并非一般意義上依靠扭曲時(shí)空行進(jìn)的“曲速引擎”。

懷特博士終于發(fā)現(xiàn)了一個(gè)真正的“曲速泡”

雖然曲速引擎開發(fā)很難，但許多科學(xué)家正在另辟蹊徑。

現(xiàn)在的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，宇宙中可見物質(zhì)只占約5%，95%的是看不見的暗物質(zhì)和暗能量；另外，人們還發(fā)現(xiàn)了宇宙中有反物質(zhì)和負(fù)能量的存在，由此一些科學(xué)家們正在從反物質(zhì)、負(fù)能量、暗物質(zhì)、暗能量方面想辦法。

而就在11月8日，又是懷特博士給我們帶來(lái)一個(gè)巨大的好消息：他和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)曲速理論研究取得了一個(gè)巨大進(jìn)展，他們成功發(fā)現(xiàn)一個(gè)“曲率泡”。懷特說(shuō)：很清楚，我們發(fā)現(xiàn)的不是一個(gè)類似的扭曲氣泡，而是一個(gè)真正的扭曲氣泡，盡管這個(gè)泡泡很小很小，但意義很大。

圖：真實(shí)世界 WARP 氣泡的實(shí)際圖像。圖片來(lái)源：Harold G. White博士，無(wú)限空間研究所

據(jù)悉，這只是一個(gè)納米級(jí)的曲速氣泡，許多人對(duì)此嗤之以鼻，認(rèn)為是小題大做，故弄玄虛，我不以為然。世界上許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和成果，不正是從微小處開始的嗎？我相信這會(huì)是一個(gè)里程碑，隨著研究的深入，曲速引擎將會(huì)一步步向我們靠近。

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參考資料：https://thedebrief.org/darpa-funded-researchers-accidentally-create-the-worlds-first-warp-bubble