美宇航局正在研制曲速引擎宇宙飞船【高清组图】

伤我心太深

美国宇航局研制的曲速引擎宇宙飞船命名为IXS进取号

物理学家哈罗德·怀特(Harold White)透露了一个堪称惊天动地的消息：他和他的团队正在为美国航空航天局(NASA)研制超光速引擎。驾驶装备着这种引擎的飞船，从地球飞到电影《阿凡达》(Avatar)中的潘多拉星球，仅需要几个星期而已。近日他和艺术家马克·雷德马克(Mark Rademaker)一起公布了该项目的最新概念设计图。这艘飞船被命名为“IXS Enterprise”(显然是在向《星际旅行》中的进取号致敬)，编号IXS-110，不过平心而论，他们公布的只是据称更加现实的设计应该具有的样子。

   

曲速引擎飞船

说起“超光速”，靠谱的科学青年首先想到的应该是爱因斯坦。根据他提出的广义相对论，有质量的物体有着一个永远无法企及的速度上限：真空光速。这给所有关于星际飞行的浪漫幻想抹上了一层阴影。然而怀特的设计却像是一丝希望的亮光，因为他打算借助墨西哥理论物理学家米格尔·阿尔库维耶雷(Miguel Alcubierre)的想法。

    在1994年发表的一篇论文中，阿尔库维耶雷提出，可以制造一种能够令前方空间收缩而令后方空间膨胀的引擎，以空间的“变形”来推动飞船前进。由于空间膨胀的速度没有任何限制，所以这种飞船的乘客可以感知到自己的速度超过了光速。

曲速引擎原题

阿尔库维耶雷提出，可以制造一种能够令前方空间收缩而令后方空间膨胀的引擎，以空间的“变形”来推动飞船前进。

    如果能够实现，飞船将会是被一个“曲率泡”裹挟着前进。它在本地参考系内没有任何加速度，也就不会受到广义相对论的速度制约，而且不会出现时间变慢等相对论效应。

    假如有一艘这样的飞船以单程两星期的速度飞到潘多拉再回来，其乘员的年龄将比出发前增长四星期，与留在地球上的情形一样，不必担心发生所谓的“双生子悖论”。另外，他们可以带回来仅仅两星期之前的信息，而通过望远镜，地球上的人们却只能看到潘多拉星球4年多以前的样子。

时空扭曲

通过玩弄空间曲率，一艘飞船可以绕过爱因斯坦的速度限制

曲速引擎飞船

曲速引擎飞船运行时的空间扭曲变化

       不过，阿尔库维耶雷驱动有一个小小的问题：太耗能。最早的估算表明，要想在合理的时间内到达星际目的地，所需要的能量大约相当于将整个木星的质量按照质能方程转换为纯能量。这显然是不可接受的，因为我们需要留着木星为地球阻挡小行星呢。但是怀特却认为，通过改变引擎的形状，他能够把能量需求大为缩减，相当于将能量对应的质量从木星大小降低到了1600磅(约725.7千克)。由此，这种引擎的可行性得到了大幅提升，也引起了NASA的注意。

曲速引擎飞船

曲速引擎飞船

在最近公布的IXS进取号概念图中，飞船本身被两个巨大的环状物包裹，这便是怀特设计的曲率引擎。

    如今怀特正在实验室中试图验证自己的理论。根据他自己的说法，目前距离最终目标的实现还有着一段遥不可及的长度。好消息是，太空歌剧爱好者们短期内不必担心自己天马行空的幻想被“真家伙”毁掉了，只是我们仍然希望，怀特未来为我们呈现的将不再只是几张概念图而已。

曲速引擎飞船超高清概念图：

曲速引擎飞船

曲速引擎飞船

曲速引擎飞船

曲速引擎飞船

曲速引擎飞船

曲速引擎飞船

曲速引擎飞船

曲速引擎飞船

曲速引擎原理解析：

空间扭曲

一个环状结构可以驱动一个足球形状的飞船，使其达到大大超越光速的速度值。这一概念最初是由墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利在1994年提出来的

据国外媒体报道，借助曲率驱动实现超光速的飞行，这是一种由于科幻电影《星际迷航》而变得流行一时的概念。现在，科学家们认为这一技术可能并非如原先想象的那么难以实现。

　　所谓曲率驱动的概念就是指通过对时空本身的改造来驱动飞船，利用物理学定律中的漏洞来打破光速不可超越的限制。1994年墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利(Miguel Alcubierre)首次提出了现实生活中曲率驱动的概念。然而后续进行的计算显示这样一种装置将需要无法达到的极高能量才能实现。

　　现在，物理学家们表示，原先的曲率驱动模式可以进行改造，从而让它可以用比原先计算少得多的能量条件下实现运行，这一想法将有希望让这种科幻产物成为真正的现实。

　　“这让人看到曙光。”在周五(9月14日)于美国宇航局约翰逊空间飞行中心举办的星际飞船100周年研讨会上，该局科学家哈罗德·怀特(" Harold "Sonny" White)这样说道。这一研讨会的举办旨在探讨未来星际航行将会遇到的挑战。

　　曲速引擎飞船时空的扭曲

　　阿尔库贝利设计的最早期的曲率驱动概念包括一个足球形状的飞船，其周围是一圈大型的环状结构。这一环状结构设想是用某种奇异的物质建造的，它可以让时空在围绕飞船的四周发生弯曲，从而在其面前形成一个缩小版的空间，以及在其后方膨胀了的空间。与此同时，飞船本身将停留在由平滑时空组成的“气泡”内，这里的时空曲率不受影响。

　　理查德·奥伯塞(Richard Obousy)是伊卡鲁斯星际航行协会(Icarus Interstellar)的主席，这是一个由科学家和工程师们组成的非盈利协会，致力于实现星际航行。他说：“宇宙中的一切都受到光速极限的限制。但是真正酷的东西是时空，也就是空间的网格，它并不受光速极限的限制。”这样一来，飞船理论上便可以实现以10倍光速飞行，而不会打破宇宙光速极限的限制。

　　然而科学家们立即发现了问题，那就是，他们发现要想实现这种曲率驱动飞行将需要耗费极大的能量，其能量需求几乎相当于将整个木星质量按照爱因斯坦质能方程全部转化之后所得到的能量。

     但是最近，哈罗德·怀特开始考虑，如果将围绕飞船的那个环状结构从原先设计中的扁平状改为甜甜圈那样的“圆筒形”，会发生什么情况？计算的结果显示这样一个装置的驱动所需能量仅相当于美国宇航局在1977年发射的旅行者飞船那样的质量按照质能方程转化得到的能量值。另外，怀特还发现如果空间弯曲的强度可以随时间发生起伏变化，那么实现这一装置所需的能能将进一步减少。怀特告诉美国太空网表示：“我今天所介绍的这一发现将这一概念从虚幻变为可行，它值得进行进一步的投资。”他说：“借助气泡强度的震荡起伏实现所需能量的减少将会是一项有趣的预测，我们很期待能在实验室中观察到它。”

　　曲速引擎飞船实验室测试

　　怀特和他的同事们现在已经开始在实验室里实验他们的小型曲率驱动装置了。他们在约翰逊空间飞行中心建立了一套被称作“怀特-朱迪曲率场干涉仪”的装置。简单地说基本就是使用一束激光来出发时空在微观尺度上的扭曲。

　　怀特表示：“我们想看看能否在桌面实验中实现一个非常微小的成功案例，那就是在1000万分之一的尺度上形成一个极微小的时空扰动。”当将他的实验和真正意义上的曲率驱动相比时，怀特将自己的实验评价为“粗陋不堪”，但是他仍然认为这代表迈出了令人兴奋的第一步。

　　其他科学家对此也持有开放性的态度，他们表示，如果人类真的想认真考虑星际航行的可能性，那么就必须考虑哪怕现在看起来是最离奇的想法，比如曲率驱动。奥伯塞表示：“如果人类真的想最终变为星际文明，那么我们就必须适当地让我们的思维跳出框框，我们必须大胆一些。”

研究显示扭曲时空有风险超光速飞行或导致爆炸

    你能想象这样的情景吗？你乘着飞船一路遨游，飞出了银河系，历经艰辛、终于抵达另外一个遥远的宜居行星，然而飞船却在着陆的时候毁掉了这一切。悉尼大学的物理学家发现，阿库别瑞引擎装置会令时空过度扭曲，导致宇宙飞船释放出大量的高能粒子，并最终发生毁灭性爆炸。

阿库别瑞引擎是墨西哥物理学家米格尔·阿库别瑞在1994年提出的。这是一种理论上的机制，可以使宇宙飞船在周围形成的“曲速泡”中扭曲时空，从而进行超光速飞行，而实际上飞船只是停留在时空泡沫中不动而已。前不久，悉尼大学物理学院的几位教授决定对阿库别瑞引擎进行真实模拟，他们发现，这种装置不可能安全着陆。

　　研究显示，扭曲时空是有风险的。在超光速飞行中，与阿库别瑞泡沫所含能量相反的粒子将在泡沫前方堆积，有些粒子甚至会进入到时空泡沫中，形成累积效应，时空泡沫飞行的距离越长，前方堆积的粒子就会越多。

　　当宇宙飞船最终到达目的地开始减速时，一路上积累的大量能量会在瞬间全部释放，足以毁掉任何与其接触的东西。一直潜伏在时空泡沫中的粒子也可能会对飞船本身造成威胁。如果你的飞行器在路过小行星带时掉出了时空泡沫，灾难就会发生。同时，如果飞船在距离目标行星过近的地方减速，你会在无意中把这颗行星从地图上“抹去”。
  

阿库别瑞度规俗称为阿库别瑞引擎或曲速引擎，是一项推敲性的时空数学模型，可以仿造出科幻中星际旅行里的作为跨星际的超光速航行的工具——曲速引擎，因此才被俗称为“曲速引擎”，这种俗称也出现在物理学的期刊论文之中。

阿库别瑞引擎遵守广义相对论中爱因斯坦方程，在这范畴下建立出一项特别的时空度规。物理学家米给尔·阿库别瑞于1994年提出了波动方式展延空间，导致航行器（简称为“船”）前方的空间收缩而后方的空间扩张，前后所连成的轴向即为船想要航行的方向。船在一个区间内乘着波动前进，这区间称为“曲速泡”，是一段平坦时空。既然船在泡泡内并不真的在移动，而是由泡泡带着船走，广义相对论中对于物体速度不可超过局域光速的限制就派不上用场。目前还不知道怎么引发出这样的波动，或是一旦引发了，船要怎么离开它。因此阿库别瑞引擎至今仍属于理论概念范畴。

利用广义相对论的(3+1)形式，时空可由常数座标时间的类空超曲面的叶理来描述。阿库别瑞度规的广义形式为：

曲速引擎公式

一旦出现能量密度是负值的情况，阿库别瑞于1994年表示“需要奇异物质（exotic matter）来达成超光速航行”。奇异物质存在的可能性并未被理论所排除，而卡西米尔效应则被用来支持此种物质可能存在。然而要产生及维持足量的奇异物质以执行超光速航行一类的技术被认为是不切实际，奇异物质同时也用在维持虫洞“颈部”的开通。洛（Low）在1999年指出“在广义相对论的范畴里，要不使用奇异物质来建造出曲速引擎是不可能的”。一般相信一个完善的量子引力理论可以一劳永逸地解决此类问题。

阿库别瑞引擎物理

对于熟悉狭义相对论中种种效应（诸如洛伦兹收缩、相对论性质量增加及时间展长）的人来说，阿库别瑞度规有些独到之处。既然处在度规中移动体积中心的船，其相对于局域平坦空间是静止的，则相对论性质量增加或时间展长就不会发生。太空船上的时钟进行的速率会和外界观察者的时钟一样，而观察者所测到的船质量不会增加，即使这艘船在他/她看来是在做超光速航行。此外，阿库别瑞亦指出：即使船在加速，它仍然是航行在自由落体的短程线上。换言之，利用曲速来加速或减速的船永远处在自由落体状态，船员也感受不到一般加速下会出现的G力。庞大的潮汐力会出现在平坦空间体积的边缘，因为该处会有很大的空间曲率，但透过合适的度规设计，这些区域可以被弄成很小，而不会影响邻近的空域或星球。

阿库别瑞引擎与科幻

科幻中常会利用到“超光速航行”来表示五花八门的虚拟推进方式，其中多数和阿库别瑞引擎或其他物理理论无关。《星际奇旅》的影迷指称：在星际奇旅中，因为名词的相称性，阿库别瑞理论被广泛地接受，用以解释电视系列剧中多数场合下对于物理定律的明显违反。阿库别瑞博士所写关于空间扭曲物理的论文发表于1994年，时间上是在派拉蒙影业公司在1991年对于剧中曲速引擎的虚拟物理设定完好之后[1]，而两者间本质上的相似之处可以说是极为凑巧。[2]

此外，时间上早于阿库别瑞引擎的还包括了动画版的《未来舰长》也提到了类似机制的航行方式，称为波动模式（undulating mode）。

阿库别瑞之后的发展

• Chris Van Den Broeck于一篇1999年的论文试图阐述一些可能的课题，亦发表在《经典与量子引力》期刊。借由将引擎运送的“曲速泡”的3+1维表面积收缩，同时扩张所包含的内部3维体积，Van Den Broeck能将运输几颗小原子所需的总能量减少到少于3个太阳质量。随后，透过对Van Den Broeck度规稍微修改，Sergey Krasnikov可以将负能量总需求缩减到几个毫克。
  

• González-Díaz的工作解决了2维量子不稳定性的问题。González-Díaz将结果发表在《物理评论D》62卷（Physical Review D Vol. 62），提议考虑封闭类时曲线的课题。这样的改善允许了多连通空间（multiply-connected spaces），结束了短程线不完备性并满足了量子不稳定性的要求。
  

女王大人

已阅