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曲速引擎

曲速引擎

曲速引擎（Warp drive），也称为阿库别瑞引擎（Alcubierre drive），米给尔·阿库别瑞（Miguel Alcubierre）受到电影《星际迷航》中曲速引擎的启发，于1994年提出了科学意义上的曲速引擎概念。在他的理论中，如果能创造一个低于真空（负质量）的可配置的能量密度场，宇宙飞船就能达到比光速更快的速度。宇宙飞船的移动方式不是超越光速，而是收缩前方空间，扩张后方空间，这将使它以比光速更快的速度前进。物体无法在正常的空间时间内加速到光速，因此，阿库别瑞引擎是会改变物体周围的空间，使物体在正常空间内的速度超过光速，而不违反物理学定律。

曲速引擎概念最早出现在美国科幻作家约翰·坎贝尔( John Campbell)于1957年所写的小说《太空岛》中，后来因为著名科幻《星际迷航》而被人们熟知。曲速引擎启发了理论物理学家米给尔·阿库别瑞，他于1994年提出了阿库别瑞引擎，该驱动器基于爱因斯坦场方程的解。由于这些解是度量张量，Alcubierre 驱动器也被称为Alcubierre 度量。2010年，美国研究团队提交《曲速引擎、暗能量和利用额外维度》报告，加州理工学院理论物理学家肖恩·卡罗尔指出这份报告太过理想化，短期内无法成为现实。2015年，美国航空航天局（NASA）在约翰逊航天中心设立的工作室展开曲速引擎实验测试。

虽然阿库别瑞提出的度量符合爱因斯坦场方程，但不一定能构建出这样的驱动器。阿库别瑞引擎的运行机制意味着需要负能量密度，因此需要奇异物质或暗能量的操纵。如果不存在具有相关特性的奇异物质，那么驱动器就无法构建。然而，阿库别瑞在其最初文章的结尾处提出（沿用物理学家分析可穿越虫洞时提出的论点），平行板之间的卡西米尔效应可以满足阿库别瑞引擎的负能量要求。另一个可能的问题是，尽管阿库别瑞度量与阿尔伯特·爱因斯坦的方程一致，但广义相对论并未包含量子力学。一些物理学家提出了论点，表明一个包含两种理论的量子引力理论（即量子力学和广义相对论）会消除广义相对论中允许时间倒流的那些解决方案（如时间保护猜想），从而使得阿库别瑞引擎无效。

历史

20世纪50年代，德国物理学家海姆开始探索“超时空动力”的概念，这是曲速引擎概念的早期雏形。他提出通过强力磁场制造引力场，使载人飞船能进入更高的二度次空间，实现超光速航行。曲速引擎在科幻文化中得到了广泛传播和讨论，特别是在《星际迷航》系列电影中，曲速引擎成为星舰进取号等飞船实现星际航行的关键技术。

1994年，墨西哥物理学家米给尔·阿库别瑞（Miguel Alcubierre）首次提出了类似《星际迷航》中的弯曲引擎理论，即阿库别瑞引擎（Alcubierre drive）。该理论基于广义相对论，设想通过创造一种称为“曲速泡”的时空结构，使飞船前方的空间收缩、后方的空间膨胀，从而实现超光速飞行。当“负能量”泡沫环绕航天飞机时，将在太空船后方膨胀空间和时间，并在前方压缩空间。至少从理论上讲，这种阿库别瑞引擎装置有可能比光速更快。

2005年，德国萨尔茨吉特应用科学大学的物理学家豪泽与同事德勒舍尔共同撰写了一篇以海姆理论为基础的实验论文，探究“超时空发动机”制作的可行性。这篇论文突然被美国航空航天学会授予年度大奖，与此同时美国空军对能够超越光速的“超时空引擎”表现出极大兴趣。豪泽强调，这个课题与普遍物理学观点不尽相符。不过，美国空军对有关构思极感兴趣，豪泽还与美国空军代表见面，他强调计划还处于相当初步阶段，若证明理论可行，5年后便可建造测试模型。

2008年8月，美国国防部曾与几十名研究人员签约，委托他们探寻最先进的航空航天技术，其中包括人类前所未见的推进、发射和隐形技术。2010年4月，研究团队就推进技术方面，递交了一份长达34页、名为《曲速引擎、暗能量和利用额外维度》的报告。曲速技术在设定上，并不允许在两点间进行瞬时旅行。而是设想通过在载人飞船周围产生一种正常时空的人工“泡泡”，使飞船能够以超过光速几个数量级的速度航行，既保证了安全，又回避了时间膨胀的相对论性的问题。正因如此，曲速引擎才被视为人类理想的推进工具。

2012年9月，美国召开的由美国国防部高级研究计划局(DARPA)资助的“百年星舰计划”研讨会认为“曲速引擎的设想具有合理性，关键是技术能否实现”。2014年6月，美国航空航天局（NASA）机械工程师、物理学家怀特（Harold White）在研究开发可作星际旅行的宇宙飞船“IXS企业号”。他和3D艺术家拉德梅克合作，制作出载人飞船的概念图，一旦飞船面世，只需两周便可到达距离太阳4光年远的地方。

2015年5月，NASA在约翰逊航天中心设立的工作室展开了所谓的曲速引擎实验，在模拟太空环境的真空中对这种科幻级的动力系统进行了测试。但结果却引起一片哗然，因为他们是通过一套被称为EmDrive的动力装置获得的推力，并非靠扭曲时空行进的曲速引擎。更重要的是，这套方案的问题实在不小——EmDrive是违背基本物理法则的，许多专家都认为，美国航空航天局的研究结果或为实验误差所致。

EmDrive与曲速引擎是不同的概念，EmDrive是一种基于不同物理原理的推进系统。它是一种使用磁控管和微波的无反作用的推进系统。飞行器在太空中旅行时（也是最耗时的部分），EmDrive可以把太阳能转换成微波，再利用微波推动飞行器往前走，也就是说，飞行器在太空中可以不断加速、速度越来越快。但是Emdrive违反了动量守恒定律，动量守恒定律：一个系统不受外力或所受外力之和为零，则这个系统的总动量保持不变。动量在经典物理学中（牛顿力学体系）是物体质量和速度的乘积，表达运动物体的作用效果。

即便本次测试环境位于高真空中，但也并不意味着星际级驱动引擎时代到来。来自美国宇航局格伦研究中心的推进物理实验室科学家马克-米利斯也致力于研究曲率驱动技术，根据他的研究成果，驱动装置与封闭空间的腔壁之间的距离、导电性以及系统的几何形状都会影响到推力的产生。更重要的是，我们目前还没有办法确保系统处于高真空环境中，依然能够高效工作。同时，这项工作也没有同行的评审结果和期刊论文支持，因此Eagleworks实验室的EM drive系统是否成功仍然有待考证。

公开的曲速引擎报告指出，从未见过的更高维度以及神秘暗能量，可能并不像人们认为的那样遥不可及。报告称，控制更高维度空间，或许就是在技术上掌控暗能量密度的源头，最终能够成为新型推进技术，尤其是在曲速引擎的研发过程中扮演重要角色。借助曲速技术，前往太阳系行星只需短短几个小时，而不是几年；前往本地恒星系统也只需要几周时间，而不是数十万年。

报告列举了一些行之有效的物理学思想，除了暗能量外，还有广义相对论、描述量子“真空能量”存在的卡西米尔效应、认为存在7个额外维度的M理论等，并表示可以利用这些“工具”研制曲速引擎，进而绕过阿尔伯特·爱因斯坦提出的一个基本法则--真空内任何物体的速度都不可能超越光速。其方式就是利用大量暗能量，将额外维度膨胀成一个“泡泡”。这个泡要大到能容纳一艘体积100立方米的飞船，飞船前方的时空收缩，后面的时空膨胀，推动“泡泡”和飞船，使其像在一条时空通道中穿行一样。但报告承认，他们的结论还只是推测。

加州理工学院理论物理学家肖恩·卡罗尔对这份报告进行了详细研究，卡罗尔指出：曲速引擎并非异想天开的“平地飞升”，而是真实存在的物理学。另外，额外维度理论、卡西米尔效应和暗能量，所有这些都真实存在。但在有生之年甚至未来1000年，利用这些理论研发超光速飞行技术，可能性为零。他指出这份报告太过理想化，短期内无法成为现实。在曲速场内，飞船需利用负能量收缩前方的空间，并让后面空间膨胀，以实现超光速。但目前没有人知道作为动力的负能量究竟是什么，更别提如何利用。半人马座阿尔法星虽是距离太阳系最近的恒星系统，约4.367光年，但利用一艘100立方米的飞船几年内就抵达该星，所需的负能量也是一个天文数字。即使能够产生负能量，又该如何捕获、存储并以100%的效率加以利用。卡罗尔认为，谈实现曲速引擎，这完全不是“我们需要更先进的晶体管”这种程度的信心，而是基本不具有可行性的讨论。“理论上我并不能排除它的可能性，但我认为它是不可能的。”卡罗尔称，随着人们对物理学的认知更进一步，只会更加明确这个答案：“不，我们无法做到。”

2021年，一篇发表在《经典和量子引力》（Classical and Quantum Gravity）上的论文，修复了之前理论模型中违反物理学的缺陷。根据这项研究，只要人类具有将行星质量压缩到飞船那么大的技术，就可以制造真正的曲速引擎。

2024年，科学家Jared Fuchs等人在《经典和量子引力》杂志上发表论文，提出了一个新的模型，显示“曲率引擎”可能并不是科幻，而是有可能在现有物理学的基础上实现。该模型结合了传统和新型引力技术，在理论上展示了如何创建“曲率泡”并将飞船加速到极高的速度。

特征

航行速度

曲速引擎技术是在宇宙飞船外围创造出一种正常时空的人工气泡，被称为曲速泡。曲速泡附近的时空扭曲得非常厉害，飞船前方的空间被压缩，而后面的空间被拉长,这样飞船就会被曲速泡带着走。在离飞船非常远的人看来，飞船的速度可以超过光速，而飞船里的船员会认为自己是静止不动的。

曲速

根据设定，所谓曲速引擎，其实是一种把反物质作为燃料的发动机，它能在运动物体周围制造一个人工的曲力场，使物体能在这个扭曲的时空气泡中以几十倍于光速的速度移动。曲速就是衡量在这个时空泡里运动的物体的速度。例如，一辆汽车速度不变，但是由于将道路长度进行了大幅压缩，导致路程相应缩短，行驶的时间也就得到了极度的节省。

超曲速

超曲速（transwarp）指的是曲速引擎的高阶形式，出现于电影《星际旅行3：石破天惊》中。如欲进入曲速而不会用无限多的能量，要在星舰的周遭产生曲速场来突破光速障；相似地，也需要超曲速场来达到非常高的超光速速率。

时空旅行

曲速引擎利用空间扭曲来飞行，并非常规的加速方法，在超光速的同时又可以巧妙地避开三维空间中最高速度无法超越光速的难题。根据狭义相对论，如果可以超越光速，就会发生时间倒流的事件，从而引起“外祖父悖论”，这个问题又该如何解决，《星际迷航》中并没有进行过多的技术性说明，只是在其中几集里，“进取号”穿越了时空，回到了过去。也就是说，曲速引擎有两套运行模式，一套用于空间旅行，一套用于时间旅行。在阿尔伯特·爱因斯坦的时空观中，时间与空间是一个连续体，那同一个引擎，既能用于空间旅行，也能用于时间旅行，是理论可行的。

原理

曲速引擎技术是在宇宙飞船外围创造出一种正常时空的人工气泡，被称为曲速泡。曲速泡附近的时空扭曲得非常厉害，飞船前方的空间被压缩，而后面的空间被拉长，这样飞船就会被曲速泡带着走。在离飞船非常远的人看来，飞船的速度可以超过光速，而飞船里的船员会认为自己是静止不动的。阿库别瑞1994年提出的使时空扭曲的具体设想，可达到能以任意“速度”飞行的效果，但是这一时空结构（指曲速泡）需要具有负能量的奇异物质来维持。

物理学家通常使用正能量来推进宇宙飞船，使其以低于光速的速度运行。然而，正如加来道雄在其著作中所述，若要实现超光速旅行，则需要一种完全不同的“燃料”。他指出，对于超光速推进而言，负能量是不可或缺的，尽管负能量的存在至今仍是未知数。为了实现超光速旅行，必须找到含有负能量的物质。然而，科学家们至今未能在自然界中找到负物质，这一情况与虫洞研究中遇到的问题类似。尽管如此，曲率泡的超光速移动本身并不违反相对论的原则，因为根据狭义相对论，光速被视为物质运动的极限速度，任何物体都不可能超越这一速度。

根据曲速引擎理论，物体能作出超越光速的移动，同时不违背爱因斯坦相对论。理论上，载人飞船装上曲速引擎后，能创造出一种曲速气泡，令空间扭曲，从而作出跨星际旅行。由于移动由曲速气泡带动，身处其中的宇宙飞船实际上并未作出超越光速的移动，故不违反相对论。

度规

阿库别瑞在广义相对论的框架下，引入了一个称为曲速引擎的度规，它可以在理论上实现超光速旅行。曲速引擎的概念表示了如何在广义相对论的框架下，不引入虫洞的概念，来构造一个这样的时空，使得宇宙飞船可以以任意大的速度飞行。通过在飞船前方时空的压缩以及飞船后方的时空的膨胀，在扭曲时空之外的观者看来，飞船理论上可以超越光速。然而，就像虫洞一样，需要奇异物质来使空间产生弯曲。阿库别瑞通过广义相对论的3+1形式，引入了一个简单的度规，来达到上述形式。

如上图所示，设想飞船沿x轴移动，rs是观者到飞船中心的距离；Vs是飞船运动的速度；α是曲速泡壁的厚度，壁厚也就是负能量所在空间的厚度；R是曲速泡的大小的参数；膨胀元（YorkTime）θ表示空间膨胀或压缩的量度。飞船前面的空间被压缩，后面的空间被拉伸。可以看出，形状函数是整个曲速引擎的关键。

任意大的速度

曲速引擎的数学原理和宇宙早期的暴涨类似。时空膨胀的速度并不受光速限制，所以理论上曲速引擎的速度可以达到任意大，同时在局域上并不超过光速，即飞船的世界线并不会超出光锥，因此并不违反狭义相对论。

存在问题

曲速引擎模型的最大挑战来自于负能量问题。虽然在广义相对论广义相对论框架内是允许的，但它必然会引出奇异物质一一它的能量密度为负。在经典力学中，这种情况会被很快否决；但在量子物理中，负能量并非不可能，比如卡西米尔能。

用共形引力理论取代标准广义相对论理论，可以有效地来处理曲速引擎的负能量问题，使超光速运动成为可能。根据阿库别瑞的原始论文，有许多文章相继出现。有的人是从改变原始的曲速引擎的结构方面来写，有的是更加深入的讨论原来概念的细节。然而，所有的这些研究使用的是标准的广义相对论理论，因而无法避免违反弱能量条件，这就是说，奇异物质还是需要用来产生超光速效应。一些类似的问题也存在于其他著名的关于超光速的广义相对论解，比如时空虫洞。在选取一个特殊的形状函数后，阿库别瑞度规在共形引力的框架内是不违反弱能量条件的。而且，这种情况的曲速引擎也不需要引入奇异物质。因此，如果共形引力是广义相对论的正确延伸的话，通过阿库别瑞度规来达到超光速将是可以实现的，即允许超光速星际旅行。

另外，选一个特殊的形状函数形式，对于曲速引擎的能量条件问题来说非常重要。在这里，选用的这样的分段函数如下图：

其中，m是正整数。经过计算可知，选用这个特殊的形状函数的形式，可以克服曲速引擎在标准广义相对论中，违反弱能量条件的问题。这就是说，如果共形引力是广义相对论的正确延伸，则不需要引入奇异物质，就可以实现超光速旅行。要实现曲速引擎，还有很长的一段路要走，还需要进一步的实验证实理论猜想，但这并不影响各国科学家及工程师对超光速引擎的热情及努力。比如定期召开的百年星舰会议，它由前宇航员MaeJemison组织管理，并由DARPA资助。它的目标是让人类有能力在下一个百年内到达其他恒星系统。正因为有许多这样的组织和机构不懈努力和追求，人类文明才能逐渐走向太空。

挑战

在曲速场内，飞船需利用负能量收缩前方的空间，并让后面空间膨胀，以实现超光速。但没有人知道作为动力的负能量究竟是什么，更别提如何利用。即使能够产生负能量，又该如何捕获、存储以及用100%的效率加以利用也是问题。半人马座阿尔法星虽是距离太阳系最近的恒星系统，距4.367光年，但利用一艘100立方米的飞船几年内就抵达该星，所需的负能量也是一个天文数字。

尽管曲速引擎的理论令人兴奋，但要实现这样的技术仍然存在着重大的挑战。首先，曲速引擎需要掌握并扭曲时空的能力，这要求科学家对时空结构和物质交互的理解进一步深入。目前，科学家还没有足够的科学知识和技术手段来实现类似的操作。曲速引擎要求能够控制极强的能量和所需的物质，以便在航行过程中扭曲时空。这种能量和物质的获取和控制是一个艰巨的任务，科学家还没有找到解决方案。此外，扭曲时空可能会对航行物体产生巨大的能量负担，这也是需要克服的挑战之一。

尽管曲速引擎目前仍处于概念阶段，但它具有巨大的潜力和吸引力。一旦这项技术得以实现，它将完全改变人类对宇宙的认知与探索。通过曲速引擎，航行物体将能够在短时间内跨越广阔的宇宙距离，促进星际旅行和太空探索的发展。这将为人类开启一个全新的时代，给我们带来无尽的可能性。曲速引擎的实际应用还需要解决众多技术和工程上的困难。我们需要更多的研究和实验来验证这项技术的可行性，同时还需要解决能源供应、结构稳定性、航行控制等方面的挑战。只有克服了这些问题，曲速引擎才能成为人类进一步探索宇宙的重要工具。

曲速引擎需要巨大的能量供应以及精确的控制技术。能源是曲速引擎实现的重要基础，但科学家还没有找到能够满足其需求的合适能源。此外，曲速引擎的航行过程需要对航行物体进行精确的控制，以避免其过大的能量和扭曲时空导致的不可预测的结果。另外，曲速引擎的结构稳定性也是一个关键问题。由于曲速引擎需要扭曲时空，这将对航行物体本身的物理结构和耐力提出高要求。如何设计和构建能够承受巨大扭曲力的航行器是一个复杂而艰巨的工程挑战。

阿库别瑞1994年提出的使时空扭曲的具体设想，可达到能以任意“速度”飞行的效果，但是这一时空结构（指曲速泡）需要具有负能量的奇异物质来维持，为了超越光速，负能量不可替代，科学家们在自然界中寻找负物质的努力迄今为止尚无结果，其也尚未被证明存在，这和虫洞遇到的情况一样。直到目前，打造曲速泡所需的正能量和负能量数量，仍是曲速引擎梦的最大挑战。

有科学家们在研究中发现，如果满足特定的量子条件，驱动一个原子超光速飞行所需的负能量的绝对值可以减少到相当于三个太阳的质量。更有甚者，有科学家提出，这种负能量的需求甚至可以降低到几毫克的数量级。此外，如果要产生一个速度超过光速十倍的曲率泡，这个泡的壁将变得极其薄，以至于量子引力效应将变得不可忽视。如此之薄的泡壁将包含难以想象的能量密度。进一步的研究表明，曲率泡内部可能会经历类似于霍金辐射的过程，这种辐射有可能导致整个曲率泡的不稳定乃至解体。因此，是否能够实际制造出一个稳定的超光速曲率泡仍然是一个巨大的挑战，我们或许还需要很长时间才能找到确切的答案。

曲速引擎和曲率引擎的区别

曲率引擎通过降低后方时空的曲率来加速飞船，并未形成完整的曲速泡。飞船在使用曲率引擎时仍处于常规空间，受到时间膨胀和引力拖拽的影响。曲率引擎只能达到光速，无法超过光速，以保持设定的科学严谨性，避免让故事显得过于科幻。曲率引擎在工作时会产生航迹，可能与奇异物质有关，而曲速引擎在正常航行时一般不会产生航迹。

在《三体》中，韦德带领下开发出的曲率引擎，是通过改变飞船后方区域的光速，利用空间“表面张力”的差异来实现近光速飞行。但是设定中引擎只能将后方的光速降低，不能将前方的光速升高，也就只能以亚光速飞行。而其加速后留下的低光速区域，甚至可以作为高级宇宙文明战争中的防御手段。

而《星际迷航》中的曲速引擎，则是扭曲了飞船周围的空间，形成了一个包裹飞船的“曲速泡”。飞船前方的空间被压缩，后方的空间被拉伸，这样飞船本身就算没有相对其所在空间运动，也会被所在空间裹挟着以亚光速或超光速前行。