翘曲驱动器如何真正起作用？曲速驱动器是什么？压缩时空的方法

　　离地球最近的恒星是Proxima Centauri。距离我们约4.25光年，或约25万亿英里（40万亿公里）。如今太空中最快的航天器，帕克太阳探测器，将达到450,000 mph的最高时速。以这种速度从洛杉矶到达纽约市仅需20秒，但太阳探测器到达地球最近的邻近太阳系大约需要6,633年。

　　如果人类曾经想在恒星之间轻松旅行，那么人们将需要比光速更快。但是到目前为止，仅在科幻小说中，光速旅行才是可能的。

　　在艾萨克·阿西莫夫（Issac Asimov）的基金会系列中，人类可以使用跳跃驱动力从一个星球旅行到另一个星球，或跨宇宙旅行。小时候，我读了尽可能多的故事。我现在是一名理论物理学家，研究纳米技术，但我仍然对人类有朝一日在太空旅行的方式着迷。

　　一些角色，例如电影《星际穿越》和《雷神》中的宇航员，都使用虫洞在几秒钟内在太阳系之间移动。“星际迷航”粉丝熟悉的另一种方法是曲速驱动技术。如果仍然是牵强的技术，曲速驱动器在理论上是可能的。最近的两篇论文在3月份成为头条新闻，当时研究人员声称已经克服了扭曲驱动理论和现实之间的许多挑战之一。

　　但是，这些理论上的翘曲驱动器如何真正起作用？人类会在不久的将来跃升速度吗？

　　物理学家目前对时空的理解来自爱因斯坦的广义相对论。广义相对论指出，空间和时间是融合在一起的，没有任何东西可以比光速更快地传播。广义相对论还描述了质量和能量如何扭曲时空——诸如恒星和黑洞之类的重物会弯曲它们周围的时空。这种曲率就是您感觉到的重力，也是为什么许多航天英雄都会担心“卡在”或“落入”重力井的原因。早期的科幻小说作家约翰·坎贝尔（John Campbell）和阿西莫夫（Asimov）将这种扭曲视为避开速度限制的一种方式。

　　如果一艘星际飞船可以压缩它前面的空间，同时扩展它后面的时空，会怎么样？《星际迷航》采纳了这个想法，并将其命名为曲速驱动器。

　　1994年，墨西哥理论物理学家Miguel Alcubierre指出，根据广义相对论，从数学上讲，有可能在飞船之前压缩时空，而在其后方扩展时空。那么，这是什么意思呢？想象两点之间的距离是10米（33英尺）。如果您站在A点并且可以每秒移动一米，那么到达B点将需要10秒。但是，假设您可以以某种方式压缩您与B点之间的空间，从而使间隔现在只有一米。然后，以每秒一米的最大速度穿越时空，您将能够在大约一秒钟内到达B点。从理论上讲，这种方法不会与相对论相矛盾，因为您在周围空间中的移动速度不会比光快。Alcubierre表明，从理论上讲，“星际迷航”的扭曲运动实际上是可能的。

　　Proxima Centauri我们来了，对不对？不幸的是，Alcubierre压缩时空的方法存在一个问题：它需要负能量或负质量。

　　Alcubierre的扭曲驱动将通过在飞船周围创建平坦的时空气泡并弯曲该气泡周围的时空以减小距离来起作用。扭曲驱动将需要负质量（一种理论化的物质）或负能量密度环来起作用。物理学家从未观察到负质量，因此将负能量作为唯一选择。

　　为了产生负能量，翘曲驱动器将使用大量的质量来在粒子和反粒子之间产生不平衡。例如，如果电子和反电子出现在经纱驱动器附近，则其中一个粒子将被质量束缚，从而导致不平衡。这种不平衡导致负能量密度。Alcubierre的扭曲驱动将使用此负能量来创建时空泡沫。

　　但是，要使翘曲驱动器产生足够的负能量，您将需要很多事情。阿尔库比雷（Alcubierre）估计，带有100米气泡的翘曲驱动器将需要整个可见宇宙的质量。

　　1999年，物理学家克里斯·范登·布鲁克（Chris Van Den Broeck）指出，扩大气泡内部的体积但保持表面积不变会大大降低能量需求，几乎达到太阳的质量。重大改进，但仍远远超出所有实际可能性。

　　科幻的未来？

　　最近的两篇论文（一篇由Alexey Bobrick和Gianni Martire撰写，另一篇由Erik Lentz撰写）提供了似乎使翘曲驱动器更接近现实的解决方案。

　　Bobrick和Martire意识到通过以某种方式修改气泡内的时空，可以消除使用负能量的需要。但是，此解决方案不会产生比光速还快的翘曲驱动器。

　　独立地，伦茨还提出了一种不需要负能量的解决方案。他使用另一种几何方法来求解广义相对论，并且这样做，他发现翘曲驱动器不需要使用负能量。伦茨的解决方案将使气泡传播的速度快于光速。

　　必须指出，这些令人兴奋的发展是数学模型。作为物理学家，除非有实验证明，否则我不会完全信任模型。然而，翘曲驱动器的科学正在出现。作为科幻小说迷，我欢迎所有这些创新思维。用皮卡德船长的话说，事情只有在没有发生的时候才是不可能的。