《星際迷航》中飛船的曲速飛行有多快

其中，電影《星際迷航：暗黑無界》的譯名被網絡化翻譯了，將darkness翻譯成暗黑而不是黑暗。正像中文譯名的表面炫目，電影本身也是表面炫目，故事壹般，想象力壹般，只有讓人過癮的感官享受。其中，最讓星迷感到過癮的是星艦加速到曲速的那壹剎那，這部的視聽效果比以往更好。那麽曲速到底有多快？星際迷航：暗黑無界 曲速飛行是壹種通過在壓縮時空中航行的技術，其原理就是在運動物體周圍利用反物質驅動的曲速引擎制造壹個人工的曲力場，從而使物體能在這個扭曲的時空氣泡中以幾十倍於光速的速度移動。曲速就是衡量在這個時空泡裏運動的物體的速度。由於這樣的移動方法是利用空間扭曲，而非常規的加速方法，因此可以巧妙的避開三維空間中最高速度無法超越光速的陷阱。打個通俗的比方，壹輛汽車速度不變，但是由於將道路長度進行了大幅壓縮，導致路程相應縮短，行駛的時間也就得到了極度的節省。企業號 很多人會問這個問題。確切的答案是超過光速，但壹直在演變。例如，在這壹集電影中，馬庫斯將軍乘坐的星艦——企業號的曲速就比進取號快五倍。所以，不要問曲速到底有多快，反正比光速快很多倍。(據說，該故事編劇有壹個公式。曲速1剛好達到光速，曲速2呢？是光速的8倍。曲速3是光速的27倍。現在，妳可以猜到編劇的公式了吧？曲速N就是光速的N的三次方倍。)進取號 當影片中的星艦進入曲速後，星艦被壹個“氣泡”所包圍。這個氣泡恰好證實了很多年前物理學家的壹個發現。這個發現貌似超越了愛因斯坦的狹義相對論，因為狹義相對論告訴我們，如果我們可以超越光速，就會發生時間倒流的事件，從而引起祖父悖論。這裏，我們不討論祖父悖論，而只解釋壹下墨西哥籍物理學家Alcubierre出人意料的發現。他在1994年，即《星際迷航》電視系列出現近30年後，發表了壹篇論文，這篇論文論證，原則上在廣義相對論中可以超越光速。他的發現後來被物理學家稱為“Alcubierre氣泡”，或”Alcubierre速度”。 在廣義相對論中，時間和空間是彎曲的，Alcubierre正是利用了這壹點。他直接寫下了壹個完整的時空，在這個時空中，存在壹個“氣泡”，這個氣泡以超過光速的任意大速度運動。他用的辦法很簡單，就是直接寫下壹個四維時空，在這個彎曲時空中，壹個遠離飛船的地方，時間和空間與沒有任何能量存在時是壹樣的，也就是說是平坦的。在接近飛船的地方，時空形成壹個“氣泡”，這個氣泡可以用任何速度向前飛行，而飛船藏在氣泡中。即使在氣泡中，時空的曲率也可以不大，這樣不會導致飛船受到很大影響。 Alcubierre的超光速時空氣泡初看上去沒有什麽特別的，除了氣泡以超光速飛行。計算的結果告訴我們，時空在氣泡的後面膨脹了，在氣泡的前面縮小了，這也許是氣泡可以以任何速度運動的原因。任何人都可以像Alcubierre隨手寫壹下壹個彎曲時空，但我們不能承認這個時空是可以實現的，除非它滿足愛因斯坦場方程。同樣，Alcubierre的時空也需要滿足愛因斯坦場方程。他是倒過來做這件事的，先寫下時空，然後帶入愛因斯坦方程看看我們需要什麽樣的物質，結果有點讓人失望，我們需要負能量。 需要負能量這件事不是第壹次發生，過去，人們在討論蟲洞和利用蟲洞制造時光機器時也發現，沒有負能量根本做不到。目前，除了在極端情況下，我們還沒有觀測到負能量的存在。所謂極端情況，是利用Casimir效應得到的壹點點負能量。 最簡單的Casimir效應出現在兩塊很大的平行金屬板之間，光子場的量子漲落使得平行板之間的能量變成負的。但這麽壹點點負能量遠遠不夠制造曲率驅動氣泡。Alcubierre氣泡本身也許不需要不可思議多的負能量，但如果我們要求某些量子條件成立，那麽Alcubierre氣泡需要的負能量的絕對值就會達到10的64次方公斤，這遠遠大於宇宙的能量。即使我們不要求滿足任何量子條件，Alcubierre氣泡負能量的絕對值壹般也要大於飛船能量的絕對值，實際上也是不可行的。而且，負能量的絕對值與氣泡的速度平方成正比。 這並不妨礙科學家們的探索。比如，壹位科學家研究結果說，滿足了量子條件，驅動壹個原子超光速飛行的負能量的絕對值可以降低到三個太陽質量。另壹位科學家甚至說，可以將驅動壹個原子的負能量的絕對值降低到幾個毫克。也許，在未來，曲率驅動可以超越光速。Krasnikov甚至想到壹個類似《三體3：死神永生》中的主角程心想到的辦法——在氣泡的路上安排壹些質量使超光速氣泡成為可能。(當然，安排這些質量的過程本身只能用亞光速速度。) 但是後來，物理學家發現了更多的問題，例如要產生超光速十倍的氣泡，氣泡壁的厚度變得非常小，小到量子引力效應不可忽略。這麽薄的氣泡壁將包含不可思議的能量。還有人發現，氣泡內的霍金輻射會毀滅整個氣泡。 物理學家們真的可以制造出超光速時空氣泡嗎？也許我們會不斷發現不可能的原因，這樣，我們就不必面對下面的疑問：如何解決超光速運動引起的祖父悖論？即使用Alcubierre氣泡，我們也逃避不了這個悖論。至於如何利用曲速制造時光機幫助我們訪問過去，那就是是另壹個話題了。