阿爾庫(kù)比埃爾曲速引擎

梁曉鵬

理論物理學(xué)家米格爾·阿爾庫(kù)比埃爾出生于墨西哥市，直到1990年去威爾士大學(xué)讀研之前一直沒(méi)有離開(kāi)過(guò)那里。1993年，米格爾·阿爾庫(kù)比埃爾在威爾士大學(xué)獲得哲學(xué)博士學(xué)位，研究數(shù)值廣義相對(duì)論，用快速計(jì)算機(jī)解決愛(ài)因斯坦的地心引力方程式?，F(xiàn)在他仍然在這個(gè)領(lǐng)域做研究，為描述環(huán)繞黑洞設(shè)計(jì)數(shù)值技術(shù)。

米格爾·阿爾庫(kù)比埃爾曾發(fā)表了一篇出自廣義相對(duì)論研究的優(yōu)秀論文，探討現(xiàn)在的時(shí)空和引力“標(biāo)準(zhǔn)模型”，論文描述了解決愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一種不同尋常的方法一曲速引擎，通過(guò)改變時(shí)空，讓太空飛船以極高速飛行。下面就讓我們看一看米格爾·阿爾庫(kù)比埃爾的研究及其意義。

首先，從廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論的視角來(lái)看著名的光速限制。在狹義相對(duì)論的環(huán)境中，光速指的是宇宙中任何具有真正質(zhì)量的物體（即除了半神話的超光速粒子之外的一切）的絕對(duì)速率。

原因有二。其一，給一個(gè)快速移動(dòng)的物體更大的動(dòng)能主要會(huì)增加其質(zhì)能而不是速度，隨著速度接近光速，其質(zhì)能也會(huì)無(wú)限增大。根據(jù)這種機(jī)制，相對(duì)論性質(zhì)量增大將重物的速度限制在亞光速。

狹義相對(duì)論還提供了第二個(gè)快于光速限制：假設(shè)發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)快于光速的瞬間通訊。在以完全公平和民主處理所有參考系（即以某種恒速移動(dòng)的坐標(biāo)系）時(shí)，基礎(chǔ)均為狹義相對(duì)論，因此，快于光速的通訊被狹義相對(duì)論暗中排除，因?yàn)樗梢杂脕?lái)執(zhí)行不同時(shí)鐘讀數(shù)的“同時(shí)性試測(cè)”，以揭示宇宙優(yōu)先的或“真正的”參考系。然而，這樣的優(yōu)先參考系與狹義相對(duì)論相沖突。

廣義相對(duì)論把狹義的相對(duì)看為適用于太空中一個(gè)小區(qū)域的有限的次理論，這個(gè)區(qū)域小到其曲線足以被忽略。廣義相對(duì)論并非禁止快于光速的旅行或通訊，但它要求對(duì)狹義相對(duì)性的區(qū)域進(jìn)行限制。也就是說(shuō)，光速是區(qū)域的速度限制，但是廣義相對(duì)性更為廣泛的考慮可以提供回避這種區(qū)域限制的迂回途徑，比如說(shuō)連接相距5光年之遙的空間方位的蟲(chóng)洞。物體可以一路遵循區(qū)域限速用幾分鐘時(shí)間以低速穿過(guò)蟲(chóng)洞的頸部，然而該物體通過(guò)這個(gè)蟲(chóng)洞所花時(shí)間僅僅為幾分鐘，產(chǎn)生的速度是光速的100萬(wàn)倍。

廣義相對(duì)論下快于光速的另一個(gè)例子就是宇宙本身的膨脹。宇宙膨脹時(shí)，任意兩個(gè)物體之間會(huì)產(chǎn)生新的空間。這兩個(gè)物體相對(duì)于各自的區(qū)域環(huán)境和宇宙微波背景來(lái)說(shuō)是處于靜止?fàn)顟B(tài)，但是它們之間的距離可以超光速迅速拉開(kāi)。按照宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)看，宇宙的局部在以快于光速的速度遠(yuǎn)離我們，因此與我們完全隔離。隨著宇宙的膨脹速度由于引力的原因而減弱，超過(guò)光速的宇宙遙遠(yuǎn)部分與我們接觸，因?yàn)榇蟊ㄕ谠竭^(guò)光速的視野，重新讓宇宙中我們所屬的區(qū)域看到。

米格爾·阿爾庫(kù)比埃爾提出的突破快于光速的速度限制有點(diǎn)像宇宙的膨脹，但是規(guī)模小得多，是區(qū)域膨脹。他提出廣義相對(duì)性的“度制”，用數(shù)學(xué)方式表達(dá)空間的曲度，用它來(lái)描述一個(gè)平坦空間在其周?chē)艿铰N曲圍繞時(shí)，以任意速度被推向前方，包括快于光速的速度。

阿爾庫(kù)比埃爾的翹曲由雙曲正切函數(shù)構(gòu)成，在平坦空間體積的邊緣形成非常特殊的扭曲。實(shí)際上，在移動(dòng)體積后面新的空間會(huì)很快生成（如膨脹的宇宙），而移動(dòng)體積前邊的現(xiàn)有空間正在被湮滅（如宇宙崩潰的大擠壓）。因此，處于阿爾庫(kù)比埃爾翹曲體積（以及體積本身）之內(nèi)的太空船會(huì)被后部膨脹的空間和前部收縮的空間推進(jìn)。

對(duì)于熟悉狹義相對(duì)論常規(guī)的人來(lái)說(shuō)，有了洛倫茲收縮、質(zhì)量增加和時(shí)間膨脹，阿爾庫(kù)比埃爾翹曲度制呈現(xiàn)出一些相當(dāng)獨(dú)特的性質(zhì)。既然處于該度制移動(dòng)體積中心的飛船從其與區(qū)域平坦空間的關(guān)系來(lái)說(shuō)是靜止不動(dòng)的，那么就不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)論性質(zhì)量增加或時(shí)間膨脹效果。飛船上的時(shí)鐘和外在觀察者的時(shí)鐘同速走動(dòng)，即使飛船以快于光速的速度移動(dòng)，觀察者也不會(huì)覺(jué)察到它的質(zhì)量增大。而且，阿爾庫(kù)比埃爾認(rèn)為，即使飛船在加速度，其移動(dòng)仍然在自由落體的測(cè)地線上。也就是說(shuō)，利用這個(gè)翹曲加速或減速的飛船總是處于自由落體的狀態(tài)，飛船上的飛行員體會(huì)不到加速度帶來(lái)的重力。由于巨大空間曲率，該平坦空間的邊緣附近會(huì)有巨大的潮力，但是，如果于度制進(jìn)行適當(dāng)?shù)南薅?，在飛船占據(jù)的體積內(nèi)，這些潮力就會(huì)變得非常小。

如果不受狹義相對(duì)性帶來(lái)的令人煩惱的限制而去其他星球，那么這一切似乎已經(jīng)再好不過(guò)了。我們會(huì)問(wèn)：“問(wèn)題在哪里？”原來(lái)阿爾庫(kù)比埃爾曲速引擎計(jì)劃存在兩個(gè)問(wèn)題。

其一，他的翹曲度制雖然有效地解決了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論公式問(wèn)題，但是我們還不知道如何形成這樣一個(gè)時(shí)空扭曲，這個(gè)理論的實(shí)施需要在太空的延伸區(qū)域施加基本的彎曲度。憑借我們現(xiàn)有的知識(shí)，形成一定曲度的空間的唯一辦法就是利用質(zhì)量，而我們現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工程質(zhì)量所達(dá)到的曲度小得微不足道。而且，即使我們能夠利用微型黑洞（在其表面附近有許多翹曲空間）實(shí)施工程設(shè)計(jì)，我們?nèi)匀徊磺宄鯓硬拍苄纬砂枎?kù)比埃爾翹曲。

阿爾庫(kù)比埃爾也指出他的曲速引擎存在的一個(gè)更為基礎(chǔ)的問(wèn)題。廣義相對(duì)論為確定某個(gè)默認(rèn)度制（或時(shí)空曲度）內(nèi)的能量密度（單位體積的能量）值提供了一個(gè)程序。而通過(guò)這一程序得出的能量密度為負(fù)數(shù)，而且相當(dāng)大，與翹曲前移的速度平方成正比。這就意味著違背了廣義相對(duì)論的弱能、強(qiáng)能和優(yōu)勢(shì)能量條件，因而可以理解為不能形成可行的阿爾庫(kù)比埃爾曲速引擎。

阿爾庫(kù)比埃爾追隨蟲(chóng)洞理論家，認(rèn)為量子場(chǎng)理論在特殊環(huán)境中允許負(fù)能量密度區(qū)域的存在，并以卡西姆效應(yīng)作為一個(gè)例子。因此，阿爾庫(kù)比埃爾曲速引擎的情況就與穩(wěn)定蟲(chóng)洞的情況類(lèi)似：它們都是廣義相對(duì)論公式的答案。但是，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，就需要負(fù)質(zhì)量能量的“高能物質(zhì)”，而目前我們根本沒(méi)有。

阿爾庫(kù)比埃爾曲速引擎默認(rèn)的快于光速的旅行或通訊可能性產(chǎn)生了違背因果律的可能性和“類(lèi)時(shí)圈”，即：過(guò)去通訊和時(shí)間旅行。阿爾庫(kù)比埃爾指出，他的度制中沒(méi)有這類(lèi)因果閉合圈，因此不會(huì)產(chǎn)生悖論。然而，他估計(jì)能夠建立一個(gè)類(lèi)似于他提出的包含這類(lèi)圈的度制。

將快于光速信號(hào)轉(zhuǎn)換為過(guò)去信號(hào)的計(jì)劃需要某種具有動(dòng)態(tài)參照系的技巧，以便顛倒信號(hào)傳輸中“發(fā)送”和“接收”事件的時(shí)序。在阿爾庫(kù)比埃爾曲速引擎中，這很可能需要從外部以接近光速的速度移動(dòng)其引擎的機(jī)構(gòu)，或者將一個(gè)翹曲嵌入另一翹曲的平坦空間區(qū)域。

對(duì)科學(xué)幻想來(lái)說(shuō)，阿爾庫(kù)比埃爾曲速引擎的意義是相當(dāng)明確的。如果能夠克服上述的理論和工程難題，我們就可以實(shí)現(xiàn)快于光速的旅行。與廣義相對(duì)論充分一致，這使人回想起當(dāng)年科幻劇里的曲速引擎。然而應(yīng)該牢記，使用這種曲速引擎毫無(wú)疑問(wèn)需要把握行星規(guī)模的能量（無(wú)論是正能還是負(fù)能）。使用者也得非常謹(jǐn)慎，必須避開(kāi)飛船所在的平坦空間區(qū)域邊緣的扭曲空間區(qū)潮力。

還要考慮對(duì)于環(huán)境的沖擊問(wèn)題：在阿爾庫(kù)比埃爾飛船飛行途中的外在物體會(huì)怎么樣？當(dāng)進(jìn)入這個(gè)翹曲主邊緣被扭曲的時(shí)空區(qū)域時(shí)，該空間會(huì)迅速崩潰，那么這些外在物會(huì)怎么樣？任何物質(zhì)的核子在經(jīng)過(guò)那個(gè)區(qū)域時(shí)會(huì)首先接受巨大的壓力，很可能形成宇宙大爆炸第一個(gè)微秒時(shí)的夸克一膠子等離子區(qū)，然后再釋放壓力并在此過(guò)程中從翹曲場(chǎng)竊取能量時(shí)在介子和其他基本粒子流中爆炸。

阿爾庫(kù)比埃爾空間翹曲中旅行的飛船應(yīng)當(dāng)配備充分的輻射保護(hù)屏。這也許不是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槟莻€(gè)翹曲的度制和能量密度公式似乎并不取決于賦予快于光速的這個(gè)平坦空間區(qū)域放置多大的質(zhì)量。