[科普中國(guó)]-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(jìn)系統(tǒng)，和跳躍引擎、超光速引擎、星際傳送器等設(shè)備都是科幻作品中相似但理論不同的常見(jiàn)技術(shù)。曲速引擎以在影片《星際旅行》系列電影中最為常見(jiàn)。和其他科幻作品不同，曲速引擎的理論在設(shè)定上并不允許在兩點(diǎn)間進(jìn)行瞬時(shí)旅行。曲速技術(shù)設(shè)想通過(guò)在宇宙飛船周?chē)隽艘环N正常時(shí)空的人工“氣泡”，使得飛船可以安全的以快于光速的幾個(gè)數(shù)量級(jí)的速度航行，同時(shí)又回避了時(shí)間膨脹的相對(duì)論性的問(wèn)題。

運(yùn)用空間翹曲（space warp）作為引擎來(lái)推進(jìn)已成為一些物理學(xué)家所研究，例如米給爾·阿庫(kù)別瑞的阿庫(kù)別瑞引擎，但尚未有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)方法被提出，也不知道阿庫(kù)別瑞所提的效應(yīng)理論上要怎么引發(fā)。

簡(jiǎn)介1994年物理學(xué)家米蓋爾?阿爾庫(kù)比雷（ Miguel Alcubierre）首次提出了類(lèi)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(fù)質(zhì)量和呈負(fù)壓的“特異物質(zhì)”。由此可以扭曲時(shí)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(duì)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(wèn)題。首先，維持這一彎曲所需的能量就超過(guò)了宇宙的總能量。其次，它會(huì)產(chǎn)生大量威脅宇航員生命的輻射。另外，也沒(méi)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(duì)于飛船而言無(wú)法往“彎曲泡”的前方發(fā)送信號(hào)，這就意味著宇航員將無(wú)法操控飛船。事實(shí)上無(wú)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(lái)20世紀(jì)50年代，德國(guó)物理學(xué)家海姆開(kāi)始探索“超時(shí)空動(dòng)力”的概念，他提出：“曲速航行”就是利用時(shí)空扭曲和時(shí)空跳躍實(shí)現(xiàn)超光速飛行。他認(rèn)為強(qiáng)力磁場(chǎng)就可以制造引力場(chǎng)，以高速推動(dòng)宇宙飛船。如果磁場(chǎng)足夠強(qiáng)大，宇宙飛船就可以進(jìn)入一個(gè)比我們所在的時(shí)空更高的二度次空間，以超光速航行。

海姆用“二度次空間”學(xué)說(shuō)補(bǔ)充愛(ài)因斯坦四維時(shí)空說(shuō)，因此，宇宙就變成了六維時(shí)空。在海姆看來(lái)，萬(wàn)有引力和電磁力可以互相轉(zhuǎn)化，因此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將削弱地球引力，從而使得飛船能夠離開(kāi)地面。

1957年當(dāng)海姆公開(kāi)發(fā)表理論。但當(dāng)時(shí)很多物理學(xué)家都表示難以接受，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為在當(dāng)時(shí)的物質(zhì)技術(shù)條件下，很難制造出那么巨大的磁場(chǎng)。直到2001年海姆辭世，他的理論也隨之消聲滅跡。

2005年德國(guó)薩爾茨吉特應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的物理學(xué)家豪澤與同事德勒舍爾共同撰寫(xiě)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)”制作的可行性。意想不到的是：突然被美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)授予2005年度“核能和未來(lái)航空”項(xiàng)目大獎(jiǎng)。與此同時(shí)美國(guó)空軍對(duì)能夠超越光速的“超時(shí)空發(fā)動(dòng)機(jī)”表現(xiàn)出了極大興趣，并派代表與豪澤見(jiàn)了面。見(jiàn)面時(shí)豪澤強(qiáng)調(diào)計(jì)劃還處于相當(dāng)初步階段，若證明理論可行，5年后便可建造測(cè)試模型飛船。

因此，美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)頒發(fā)的這個(gè)論文大獎(jiǎng)在全球物理學(xué)界引起了不小的震動(dòng)，這一舉動(dòng)一定程度上認(rèn)可了海姆理論的部分學(xué)說(shuō)。接著美國(guó)能源部圣迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的太空動(dòng)力研究員羅格·雷納德公開(kāi)宣布：他們擁有一部X光發(fā)生器——Z機(jī)器——可以提供實(shí)驗(yàn)所需要的磁場(chǎng)。他說(shuō)：“即使實(shí)驗(yàn)證明結(jié)論是錯(cuò)誤的，在我看來(lái)，這也是個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

研發(fā)進(jìn)展2014年6月，美國(guó)太空總署（NASA）機(jī)械工程師、物理學(xué)家懷特（Harold White）正在研究開(kāi)發(fā)可作星際旅行的宇宙飛船“IXS企業(yè)號(hào)”。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(dá)距離太陽(yáng)4光年遠(yuǎn)的地方。2

2015年5月，美國(guó)宇航局的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)曲速引擎的研究工作，并對(duì)這種科幻級(jí)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。這一消息公布后引發(fā)了多方關(guān)注，支持者認(rèn)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(yùn)行得還快。這聽(tīng)起來(lái)似乎非常棒，這個(gè)的工作室位于美國(guó)宇航局約翰遜航天中心Eagleworks實(shí)驗(yàn)室，首席科學(xué)家為Harold White博士，他們已經(jīng)通過(guò)一套被稱為EM drive的動(dòng)力裝置獲得了推力。而這個(gè)裝置的原理，并非一般意義上靠扭曲時(shí)空行進(jìn)的“曲速引擎”。

EM drive的工作原理實(shí)際上是通過(guò)電磁波在一個(gè)圓錐形金屬封閉空間內(nèi)產(chǎn)生的一部分能量，外界認(rèn)為這個(gè)想法存在原則問(wèn)題，即違反了物理學(xué)上的動(dòng)量守恒。這就像你坐著汽車(chē)駕駛座上推動(dòng)儀表盤(pán)，汽車(chē)就會(huì)前進(jìn)?？茖W(xué)家認(rèn)為Eagleworks實(shí)驗(yàn)室的方案仍然有待解決。在此前的測(cè)試中，物理學(xué)家沒(méi)有在真空環(huán)境中運(yùn)行這套系統(tǒng)，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)置可能還存在問(wèn)題。而更大的問(wèn)題是，該實(shí)驗(yàn)背后的數(shù)學(xué)和物理原理還不完善，甚至可能并不存在。

主要特點(diǎn)航行速度曲速航行的速率通常以曲速層級(jí)（warp factor）代之。一般認(rèn)為曲速1級(jí)是真空光速（c）；更高的層級(jí)下，速率呈指數(shù)增加。原始電視系列劇的數(shù)個(gè)劇集曾設(shè)定了企業(yè)號(hào)冒著危險(xiǎn)以高曲速層級(jí)航行，一度高到曲速14.6級(jí)（"That Which Survives")。然而，任一曲速層級(jí)的實(shí)際速度從未在螢?zāi)簧巷@明地被陳述，以作為經(jīng)典紀(jì)錄。更甚者，各電視系列劇中航行時(shí)間與星際距離在陳述上，從未嚴(yán)格地保持一貫性（甚至是相當(dāng)松散的）。

在了解這是個(gè)問(wèn)題后，《星際迷航：下一代技術(shù)手冊(cè)》的創(chuàng)造者決定曲速10級(jí)應(yīng)作為最大值。后臺(tái)的星際奇旅術(shù)語(yǔ)建議將曲速尺標(biāo)重新調(diào)整，將舊曲速6級(jí)變?yōu)樾虑?級(jí)，而曲速10級(jí)為無(wú)限大速度而無(wú)法達(dá)到。制作人指示船只可以任意接近曲速10級(jí)，但就是無(wú)法到達(dá)剛好曲速10級(jí)。如此則貴族與旅人等生命體則能以相當(dāng)快的速度航行，又可以回避限制。舉例而言，據(jù)估計(jì)，旅人將企業(yè)號(hào)推進(jìn)到曲速9.999996級(jí)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(xiàng)設(shè)定，其中角色提到曲速10級(jí)的速度是不可能達(dá)到的，因?yàn)槟鞘菬o(wú)限大的速度——但不管如何，隨后他們卻達(dá)到了，伴隨了快速地（反向）演化成兩棲類(lèi)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(shí)間展長(zhǎng)以曲速航行的船艦不會(huì)感受到任何形式的時(shí)間展長(zhǎng)；畢竟總體來(lái)說(shuō)，曲速船艦與宇宙間沒(méi)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(huì)感受到時(shí)間展長(zhǎng)，因?yàn)槊}沖引擎驅(qū)動(dòng)的船只，仍處在正常時(shí)空連續(xù)體中。也因?yàn)檫@樣，多數(shù)船只會(huì)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(xiàng)不成功的星際艦隊(duì)開(kāi)發(fā)計(jì)劃的課題，出現(xiàn)于電影《石破天驚》中。如同欲進(jìn)入曲速而不會(huì)用上無(wú)限多的能量，是要在星艦的周遭產(chǎn)生曲速場(chǎng)來(lái)突破光速障（在我們的宇宙中是個(gè)理論上不可能的事件）；相似地，也需要超曲速場(chǎng)來(lái)達(dá)到非常高的超光速速率（使得船艦?zāi)茉诤芏虝r(shí)間內(nèi)橫越銀河等級(jí)的距離。）

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所