對於埃裡克·倫茨來說，一切都始於《星際迷航》。在《星際迷航：下一代》的每幾集中，讓-呂克·皮卡德艦長都會舉起手命令：“曲速一檔，啟動！” 然後星星變成了虛線，光年以不可能的速度飛逝而過。而當時還在小學的倫茨想知道曲速引擎是否也能在現實生活中起作用。
“在某個時候，我意識到這項技術並不存在，”倫茨說。他在華盛頓大學學習物理學，他的博士論文是關於暗物質的，並且通常變得太忙碌而無暇顧及科幻小說。但是，在冠狀病毒大流行開始時，倫茨發現自己獨自一人在德國哥廷根，在那裡他正在做博士後研究。他突然有了大量的空閒時間——以及童年時的幻想。
倫茨閱讀了他能在科學文獻中找到的關於曲速引擎的一切資料，但資料並不多。然後他開始自己思考這個問題。幾周後，他想到了一些似乎被其他所有人忽視的事情。倫茨將他的想法寫在紙上，並與更有經驗的同事討論。一年後，它發表在物理學期刊上。
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很快就變得清楚，倫茨並不是唯一夢想曲速引擎的人。世界各地的媒體報道了這一訊息，十幾位記者要求採訪。線上論壇 Reddit 上的一個討論吸引了 2,700 條評論和 33,000 個贊。一位網際網路使用者寫道：“還有其他人感覺自己早出生了 300 年嗎？”
時空中的泡泡
毫無疑問，宇宙對於人類來說仍然過於浩瀚而無法穿越。光束到達離地球最近的恆星比鄰星需要四年多的時間。即使使用現有的最佳推進系統，人類到達那裡也需要數萬年的時間。人們總是可以夢想在其他恆星系建立殖民地，但這並非任何人都有可能進行的旅程。
但也許有一天可以縮短旅行時間。關於如何做到這一點，有很多想法，從雷射加速太陽帆到核推進。但即使藉助這些技術，在人類的一生中也無法走得太遠。銀河系實際上只對那些以光速或更快速度旅行的人開放。
美國宇航局藝術家 1998 年對曲速引擎旅行的渲染圖。航天器周圍的環產生負能量場。從今天的角度來看，負能量場將不再是必要的。 來源：NASA；Les Bossinas（Cortez III Service Corp）的數字藝術
正是出於這個原因，富有想象力的物理學家長期以來一直在思考終極推進系統：時空中的一個泡泡，宇宙飛船可以在其中從一個太陽系衝向另一個太陽系，就像 USS 企業號 所做的那樣。這是科學前沿的研究：不一定是錯誤的，但摻雜了大量的樂觀主義。
今天科學家們正在處理這個想法，這要歸功於墨西哥理論物理學家米格爾·阿爾庫維耶雷在1994 年發表的論文。當時，阿爾庫維耶雷不僅僅是一位熱情的《星際迷航》愛好者。在他的威爾士大學卡迪夫學院（現在的卡迪夫大學）的博士論文中，阿爾庫維耶雷也研究了相對論。嚴格來說，該理論指出，沒有任何東西可以比光速更快地傳播。但是，透過運用一點創造力，阿爾庫維耶雷發現了一個明顯的漏洞。
對於物理學家來說，阿爾伯特·愛因斯坦的相對論由兩部分組成：“狹義”相對論，可以追溯到 1905 年，處理的是快於光速物體的勻速運動。十年後，愛因斯坦將這些思想推廣到加速物體。“廣義”相對論認為，我們熟悉的三個空間維度（上下、左右、前後）與時間是不可分割的。每個質量都會使這個時空變形。
根據阿爾伯特·愛因斯坦的史詩般的發現，我們生活在四維“時空”中。時空不是靜態的。就像一塊桌布一樣，它會被大質量物體變形。任何在桌布上（或穿過時空）移動的東西都只能加速到光速設定的速度限制。另一方面，桌布本身可以以任何速度變形，正如宇宙本身在某些情況下所顯示的那樣。
例如，在大爆炸的瞬間，原始時空結構可能在瞬間膨脹，並且膨脹速度比任何光線傳播的速度都快得多。即使在今天，膨脹仍在繼續以超光速將極其遙遠的星系推開，這意味著它們的光線再也無法到達我們這裡。
基於他的發現，阿爾庫維耶雷推測，曲速引擎只是一個小小的步驟。如果時空在宇宙飛船前方收縮，並在後方膨脹以進行補償，則有可能以超光速到達目的地。飛船將保持封裝在一個泡泡中，船員將不會感覺到星際旅程的 magnitude。在 2017 年的一次講座中，阿爾庫維耶雷將其比作在機場的乘客傳送帶上：“你可以想象你身後的地板是憑空創造出來的，而你面前的地板正在被摧毀，所以你向前移動。”
但是，用廣義相對論的語言來表達這個想法立即引起了重大的實際問題。首先，要如此徹底地使時空變形，你需要將巨大的質量塞進一個由比原子核更薄的壁界定的泡泡中。然後你需要兩種形式的物質來維持泡泡。普通質量的引力會導致泡泡前方的空間收縮，從而推動整個結構向前移動。但與此同時，泡泡後方的空間需要像發酵的麵糰一樣膨脹。根據阿爾庫維耶雷的說法，要實現這種膨脹，你需要某種形式的負能量，輻射出一種反重力。
負能量的詛咒
對於大多數物理學家來說，這就是思想實驗的終結。能量——根據愛因斯坦的公式 E = mc2，它等同於不受約束的質量——似乎根據定義，它必須是正的。但根據量子理論，它確實可以具有負值。然而，這種情況似乎只發生在罕見的特殊情況下——在微小的尺度上。例如，在所謂的卡西米爾效應中，所涉及的量非常微小，以至於任何技術應用似乎都是荒謬的。
阿爾庫維耶雷現在是墨西哥國立自治大學的物理學教授，他承認了這一點。在潛在技術方面，曲速引擎“非常缺乏”，他和他的一位同事在最近的一篇預印本論文中寫道。他現在已將注意力轉向已知現象，例如黑洞。然而，曲速引擎的概念仍然保持著它的魅力，尤其是對於《星際迷航》的粉絲——以及少數引力物理學家，他們偶爾會發表關於這個想法的變體。
其中一些論文已經展示瞭如何減少泡泡的質量要求，以便使時空變形所需的總質量小於我們太陽的質量。但是沒有人能夠繞過負能量的問題——直到倫茨在哥廷根的封鎖期間開始研究這個問題。在他被強制隔離期間，倫茨找到了一種僅使用正能量來構建曲速泡泡的方法。透過這樣做，他可能已經克服了對曲速引擎的最大反對意見。
使之成為可能的是倫茨在廣義相對論的幾何結構中發現的一個特殊特徵——更準確地說，是在愛因斯坦的場方程中。這些方程可以計算出物質和能量的特定分佈如何使時空變形。研究人員也可以像阿爾庫維耶雷那樣使用它們，來確定產生特定空間曲率所需的質量和能量。
然而，處理像時空這樣動態的四維結構極其複雜。完整地寫出愛因斯坦的公式會產生數千項巢狀微分方程的混亂。根據你對特定物理情況所做的假設，你只會考慮其中的一些項。對於理論家來說，這是一個幾乎無限的遊樂場。
阿爾庫維耶雷引擎的原理：時空在泡泡的前方（右側）收縮，對應於時空中的扭曲。在泡泡的後方（左側），新的空間憑空產生，這相當於拉伸時空。來源：AllenMcC Wikimedia (CC BY-SA 3.0)
倫茨專門研究了導致阿爾庫維耶雷工作中負能量要求的假設。和他的同事一樣，倫茨首先分析了時空，將多維物質建模為非常薄的層堆疊。他發現阿爾庫維耶雷只考慮了將一層移動到下一層的方程之間相對簡單的“線性”關係。在這一點上，選擇更復雜的“雙曲線”關係（通常表達快速變化的量）會導致與阿爾庫維耶雷獲得的曲速泡泡不同的曲速泡泡。它仍然需要大量的質量和能量，但根據倫茨的計算，只需要正量。“我很驚訝以前沒有人嘗試過這一點，”倫茨說。
倫茨的泡泡看起來與阿爾庫維耶雷在 1994 年提出的泡泡不同。它由菱形的、改變的時空區域組成，類似於一群鳥。倫茨說，在現實中建立這樣的時空幾何結構將涉及環和盤的複雜分層，這些環和盤不是由固體材料製成的，而是由極高密度的帶電粒子流體組成，類似於在中子星內部發現的物質。
這意味著接近光速的旅行離應用技術還非常非常遙遠。但是，既然不再需要奇異的負能量密度——至少根據倫茨最新的工作——理論遊戲就處於已建立物理學的領域之內。阿爾庫維耶雷將倫茨的論文描述為“非常重要的發展”。里斯本大學的研究員、阿爾庫維耶雷的同事弗朗西斯科·洛博，他出版了一本關於曲速引擎的教科書，也找不到任何明顯的錯誤。“如果正確的話，這有可能開啟曲速引擎物理學的新興趣和新穎的研究途徑，”他說。
倫茨的想法甚至引起了曲速引擎愛好者這個小圈子之外的研究人員的興趣，包括蘇黎世聯邦理工學院的宇宙學教授拉維尼婭·海森堡。海森堡和她的學生肖恩·費爾發現倫茨的論文非常令人興奮，以至於他們在論文的基礎上設計了自己的正能量曲速泡泡，其所需的質量僅為我們太陽質量的千分之一。
“整個事情遠沒有大多數人想象的那麼神秘，”瑞典隆德大學的天體物理學家 阿列克謝·博布里克 說。博布里克與紐約市的企業家吉安尼·馬蒂爾合作，在 2020 年提出了一些有希望的愛因斯坦場方程解。根據博布里克的說法，曲速泡泡所需的一切都是一個由緻密材料製成的形狀合適的殼，該殼在其緊鄰區域彎曲時空，而泡泡移動穿過的宇宙和殼內的空間則保持相對不受干擾。
時間過得如此緩慢
“相對地”是關鍵。阿爾庫維耶雷和後來的曲速引擎架構師假設泡泡壁中扭曲的時空與平滑的內部和外部之間存在突變。但是博布里克和馬蒂爾發現，引力場的這種“截斷”是需要大量負能量來穩定時空扭曲的原因。
然而，他們聲稱，放棄肥皂泡的卡通形象，就有可能基於普通物質構建曲速引擎。當人們遠離外殼壁時，引力場不會簡單地消失。相反，它會逐漸衰減。因此，時空也會在泡泡內部彎曲。對於泡泡正中央的宇宙飛船旅行者來說，這種現象在時間流逝方面最為明顯：他們的手錶會比太空中的其他地方走得更慢，因為根據相對論，時間會受到重力的影響。
宇宙飛船上時間流逝得更慢可能是星際旅行者所欣賞的。儘管如此，博布里克和馬蒂爾還是描述了其他障礙。到目前為止，他們認為，還沒有已知的方法可以實際加速曲速泡泡。關於這個主題的所有先前想法都只是假設時空的曲率已經在高速移動。
光束每秒傳播 299,000 公里。根據愛因斯坦的狹義相對論，這是一個物理常數。光速是任何粒子可能達到的最大速度，並且粒子只有在沒有質量的情況下才能做到這一點。因此，今天的物理學沒有提供任何物體加速到超過光速的可能性。然而，仔細觀察，這個限制僅適用於包含宇宙的四維時空。在四維時空之外，甚至更大的速度似乎也是可能的。
“任何物理上可想象的曲速引擎都無法加速到比光速更快的速度，”博布里克說。那是因為你需要能夠以比光速更快的速度噴射物質——但沒有已知的粒子可以以那麼快的速度傳播。此外，泡泡無法由宇宙飛船本身的乘員控制，因為由於他們周圍空間極強的曲率，他們將與外界失去聯絡。
倫茨也將這些反對意見視為一個問題，但他認為可以找到解決方案。與此同時，博布里克指出，即使時間對於曲速泡泡中的人來說過得更慢，也可能以光速的三分之一或一半的速度前往遙遠的恆星。只是不要考慮這樣一個事實，即所有留在地球上的親戚可能在你返回之前就已老死。“但至少這個想法不再完全瘋狂，”博布里克說。
從理論到實踐
關於曲速泡泡是否真的可以不需要負能量，仍然存在一些爭論。最近，三位理論家提出，這種說法僅對在泡泡旁邊移動的觀察者而言才是正確的。此外，並非所有根據相對論似乎可能的事物都實際存在——或者在技術上是可行的。例如，愛因斯坦的場方程也可以用來證明“白洞”（其黑洞對應物的對立面）、愛因斯坦-羅森橋（通常稱為蟲洞）和其他時空中沒有人觀察到的奇異變化是合理的。這可能是因為尚未知曉的自然規律排除了這種現象。
因此，一些研究人員警告不要對幻想過於沉迷。例如，德累斯頓工業大學的空間推進專家馬丁·塔伊馬爾認為，目前關於曲速引擎的工作沒有任何實際意義。他說，所涉及的巨大質量簡單地超出了地球上可以測試的任何範圍。
大多數資深的曲速引擎研究人員無疑會同意。他們認為他們的工作與其說是為現實世界的實驗做準備，不如說是探索相對論的侷限性的一種方式。洛博說，在這項努力中，即使是推測性的“思想實驗”也是有用的。
另一方面，倫茨正在積極致力於他的想法的實際應用。在哥廷根的研究之後，他在一家 IT 公司找到了一份工作。但在他的業餘時間，他仍然思考如何將時空彎曲加速到比光速更快的速度，以及如何減少這樣做所需的能量。
倫茨還提倡密切關注中子星的周圍環境。可能是這些超緻密的恆星殘骸會噴射出類似他在論文中描述的泡泡。“只要一個人不讓個人偏見妨礙自己，並接受證據告訴你的東西，那麼這個研究領域就與其他任何領域一樣值得追求，”他說。
讓-呂克·皮卡德可能會有類似的看法。“事物只有在成為現實之前才是不可思議的，”這位角色在《星際迷航：下一代》的一集中說道。但是，當您生活在 300 年後的未來時，說起來也更容易。
本文最初發表在《光譜-科學》雜誌上，並經許可轉載