比光速還快：《星際穿越》的是與非

□ 編譯 / 謝 懿

比光速還快：《星際穿越》的是與非

□ 編譯 / 謝 懿

電影《星際穿越》描繪了人類探索深空的情形，而本文則將探究使用蟲洞、曲速引擎和負(fù)能量來高速在宇宙中穿行的可能性。

你都收拾好了，在候機(jī)廳等候。無數(shù)次地檢查自己的護(hù)照，心里在想途中會(huì)有什么電影可看。雖然你不喜歡長途飛行，但為了到達(dá)目的地也算值得。然而，你要去的地方并非是幾千千米之外的另一個(gè)大洲。相反，你登上的是一艘星際飛船，將要旅行數(shù)千光年。

《星際穿越》電影海報(bào)。

星際旅行是我們大多數(shù)人都有過的夢想。它也是許多科幻電影共同的主題：前往遙遠(yuǎn)世界的旅行，進(jìn)入黑洞，或者逃離瀕死的地球從而拯救人類。后者便是導(dǎo)演克里斯托弗?諾蘭（Christopher Nolan）的最新電影《星際穿越》的故事設(shè)定，其中一組宇航員利用空間和時(shí)間的捷徑——蟲洞——在整個(gè)宇宙中尋找宜居的行星。

在盤算星際旅行的時(shí)候，遇到的最大問題就是極其遙遠(yuǎn)的距離。比鄰星是離我們最近的恒星，其距離為40萬億——4后面跟著13個(gè)“0”！——千米。鑒于這個(gè)“天文”數(shù)字，天文學(xué)家們構(gòu)建了長度單位“光年”。1光年是光傳播1年所走過的距離，為9.5萬億千米。以此為單位，比鄰星的距離為4.2光年。

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什么是時(shí)空？

時(shí)空是愛因斯坦在廣義相對論中所用的坐標(biāo)系。此時(shí)，時(shí)間和三維空間沒有本質(zhì)上的區(qū)別。沒有人知道，時(shí)空是一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，還是物理上的現(xiàn)實(shí)。迄今探測時(shí)空內(nèi)在結(jié)構(gòu)的嘗試都未取得成功，仍然處于初期階段。

什么是負(fù)能量？

負(fù)能量是一種假想的成分，會(huì)產(chǎn)生反引力。它通常和另類的物質(zhì)有關(guān)，后者也是假想中的，迄今還從未在實(shí)驗(yàn)室中觀測到它們。沒有人知道，這些物質(zhì)是否真的存在，或者僅僅是數(shù)學(xué)上的可能性。

映射空間

廣義相對論是愛因斯坦對宇宙的描述。它提供了一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，被稱為時(shí)空，所有的天體都位于其中。時(shí)空經(jīng)常被描述成一個(gè)涵蓋整個(gè)宇宙的連續(xù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)你在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，你既在空間中也在時(shí)間里運(yùn)動(dòng)。天體會(huì)扭曲時(shí)空，雖然這一扭曲在很大程度上是不可見的，但它會(huì)產(chǎn)生引力并使得光線發(fā)生偏折。

蟲洞是連通時(shí)空的隧道，可以把它們看作是捷徑，可以讓你免于長途星際旅行。1957年，約翰?阿奇博爾德?惠勒（John Archibald Wheeler）在《物理學(xué)年鑒》的一篇論文中第一個(gè)使用了這個(gè)詞。1935年，愛因斯坦本人與他的同事內(nèi)森?羅森（Nathan Rosen）研究了它的可能性，而德國數(shù)學(xué)家赫爾曼?外爾（Hermann Weyl）則在20世紀(jì)20年代就提出了它們的存在。

根據(jù)黑洞的數(shù)學(xué)描述，愛因斯坦－羅森橋，即蟲洞，應(yīng)該是微觀結(jié)構(gòu)。它們本身也是不穩(wěn)定的。因此，雖然微觀的蟲洞可以不斷地形成，但在有任何東西穿過它們之前，蟲洞就會(huì)坍縮。

時(shí)間跳轉(zhuǎn)到1988年。美國加州理工學(xué)院的物理學(xué)家基普?索恩（Kip Thorne）發(fā)現(xiàn)，如果在形成的那一刻能給它注入合適的能量，蟲洞就能穩(wěn)定下來并會(huì)增大，從而使它變得可以穿越。于是，就像變戲法一樣，就此可以做星際旅行了！不過在此之前需要先解決一個(gè)問題，那就是能量。

但問題是，必須要對其施加“負(fù)壓力”。要做到這一點(diǎn)，它必須是某種負(fù)能量或質(zhì)量，能夠產(chǎn)生反引力。1997年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在加速。他們認(rèn)為，正是因?yàn)榭臻g中一種負(fù)能量造成膨脹加速。他們稱它為“暗能量”，但并不適用于蟲洞。蟲洞所需要的遠(yuǎn)比暗能量還更為詭異。在對這一能量會(huì)對蟲洞產(chǎn)生什么影響進(jìn)行了仔細(xì)地分析和計(jì)算之后，物理學(xué)家得到的并非是好消息。

蟲洞的藝術(shù)概念圖。

由蟲洞網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的星際高速路網(wǎng)。

能量會(huì)遵循支配微觀世界的量子力學(xué)定律。其結(jié)果是，它的位置和動(dòng)量不能同時(shí)被精確地測定，所以蟲洞是“模糊的”。即便你能穿過它，你將會(huì)在何時(shí)抵達(dá)以及抵達(dá)何處，都存在不確定性。換句話說，是的，你可以走時(shí)空的捷徑，但你無法控制目的地或到達(dá)的時(shí)間。所以，蟲洞是個(gè)非常棘手的問題，無疑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了未來我們可預(yù)見的任何技術(shù)能力。因此，它仍然是幻想的范疇。事實(shí)上，基普?索恩正是電影《星際穿越》的顧問。那么，其他的經(jīng)典科幻手段，例如曲速引擎，又如何？

如何構(gòu)建一個(gè)蟲洞

結(jié)合尖端技術(shù)和負(fù)能量，我們可以創(chuàng)造出能夠穿越時(shí)空的蟲洞。

步驟1：獲取負(fù)能量

找到強(qiáng)大的負(fù)能量源，它將被用來抵御蟲洞的坍縮。這些負(fù)能量必須能被儲(chǔ)存起來，進(jìn)而使得蟲洞周圍的時(shí)空擴(kuò)張。這涉及極其先進(jìn)的技術(shù)，而且不能保證負(fù)能量就真的存在。

步驟2：找到一個(gè)蟲洞

在宇宙的最小尺度上，蟲洞很可能會(huì)不斷地形成和消失。通過超高倍顯微鏡或粒子探測器可以看到時(shí)空連續(xù)體上的這些量子泡沫。需要極其尖端的技術(shù)才能抓住微觀尺度蟲洞的咽喉。

步驟3：試探蟲洞

一旦被注入了負(fù)能量，蟲洞就會(huì)穩(wěn)定下來。此時(shí)，需要發(fā)射一個(gè)探測器通過蟲洞去探測其盡頭位于何方。如果它指向了無用或者危險(xiǎn)的地方，那就只能棄之不用，讓它再一次坍縮。但是，如果它指向有用的地方，然后就要為其注入更多的負(fù)能量。

步驟4：空間捷徑

只要蟲洞足夠大，它就可以用于交通。也有可能將其入口和出口移到更好的位置。這需要某種太空拖船利用負(fù)能量產(chǎn)生的反引力把蟲洞的開口推到更有利的地方。

步驟5：宇宙高速路

最后，蟲洞網(wǎng)絡(luò)可以貫穿銀河系內(nèi)外，甚至還有可能連接其他的宇宙（如果它們存在的話）。因?yàn)橄x洞是時(shí)空的捷徑，因此也可以用作時(shí)間機(jī)器。但你無法回到該蟲洞形成之前的時(shí)間。

星際沖浪

1994年，墨西哥物理學(xué)家米格爾?阿爾庫別雷（Miguel Alcubierre）在理論上證明了該如何來構(gòu)造曲速引擎。他求解了愛因斯坦方程，精確證明時(shí)空泡能夠被建造出來，空間飛行器可以借此以任意高的速度運(yùn)動(dòng)。不過，它再一次地依賴于某種負(fù)能量來扭曲空間并為推動(dòng)飛船提供反引力。

在美國宇航局約翰遜航天中心，有一個(gè)高新推進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)室。在工程師和物理學(xué)家哈羅德?懷特（Harold White）的領(lǐng)導(dǎo)下，一個(gè)科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)重復(fù)了一些實(shí)驗(yàn)，有人聲稱其意料之外的特性可以用于未來的推進(jìn)系統(tǒng)。2014年夏天美國宇航局的這個(gè)團(tuán)隊(duì)成為了熱點(diǎn)和爭議的焦點(diǎn)，他們公布的結(jié)果佐證了一個(gè)“不可能”的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠正常工作。 該系統(tǒng)最初被稱為“Em引擎”，由英國宇航工程師羅杰?肖耶（Roger Shawyer）發(fā)明。肖耶認(rèn)為，在適當(dāng)?shù)臈l件下，將微波導(dǎo)入錐形空腔可產(chǎn)生推力。

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如何找到一個(gè)蟲洞？

在太空深處尋找蟲洞是一件非常困難的事情，但也有一些理論為其指出了可能的方向。

通過蟲洞的管道，也許能看到位于其另一端的恒星。計(jì)算顯示，打開蟲洞所需的負(fù)能量可以把來自蟲洞邊緣的光集中到一個(gè)暈里。

發(fā)生在蟲洞另一側(cè)的γ射線暴可以揭示出這一特性。在這一情況下，天文學(xué)家可以看到這一爆發(fā)，但卻無法識別出它所在的宿主星系。

另一個(gè)想法是，當(dāng)蟲洞會(huì)從一顆恒星前方經(jīng)過時(shí)，它會(huì)對星光產(chǎn)生影響。通過引力透鏡效應(yīng)，蟲洞的強(qiáng)引力場會(huì)先放大恒星的光。隨著星光進(jìn)入蟲洞，該恒星會(huì)變暗。最后，當(dāng)蟲洞逐漸遠(yuǎn)離恒星，星光由于引力透鏡效應(yīng)而再次增亮。這一光變過程將是蟲洞的標(biāo)志性信號。

或許發(fā)現(xiàn)蟲洞的最重要意義在于暗示外星人必定存在。大到可見的蟲洞唯有高技術(shù)文明才能創(chuàng)造出來。

有物理學(xué)家指出他的結(jié)果違背了動(dòng)量守恒，后者是物理學(xué)中的一個(gè)基本原則。但是，包括懷特的團(tuán)隊(duì)在內(nèi)，其他的一些研究小組似乎在實(shí)驗(yàn)中測到了推力。美國宇航局約翰遜航天中心新聞官拒絕了媒體對懷特進(jìn)行采訪的要求，但在一份聲明中表示：“雖然約翰遜航天中心的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在超光速運(yùn)動(dòng)的理論研究中引發(fā)了一些關(guān)注，但這僅僅是概念研究?！睋Q句話說，還沒到收拾行李的時(shí)候呢。

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超光速的3樣?xùn)|西

宇宙暴脹

在一個(gè)假想中的時(shí)刻，宇宙陡然增大。為此，時(shí)空必須發(fā)生超光速膨脹。這并沒有違反任何物理學(xué)定律，因?yàn)橛钪嫠俣鹊纳舷迌H適用于在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的物體，而非時(shí)空本身。目前還不清楚暴脹是否真的發(fā)生過。然而，空間的膨脹正在使得遙遠(yuǎn)的星系以數(shù)倍于光速的速度相對于我們退行。

切倫科夫輻射

當(dāng)光線在介質(zhì)（例如水或玻璃）而非真空中傳播時(shí)，因介質(zhì)中光速降低，就會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射發(fā)生。當(dāng)高能粒子沿著和光子相同的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，它受介質(zhì)減速的影響較小，因此速度會(huì)超過介質(zhì)中的光速。它們會(huì)產(chǎn)生激波，后者會(huì)把光子推開。在核反應(yīng)堆周圍的水箱中經(jīng)常可以看到由切倫科夫輻射所產(chǎn)生的幽靈般的藍(lán)光。

快子

這是所有超光速運(yùn)動(dòng)的粒子的總稱。1967年首次使用了這個(gè)詞。超光速運(yùn)動(dòng)的粒子會(huì)違反已知的物理規(guī)律，除非它具有一些非常奇特的性質(zhì)。如果存在快子，它可以回到過去，并且可能永遠(yuǎn)也不會(huì)減速到小于光速。雖然聽起來很令人興奮，迄今還沒有發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡。

讓星際旅行變得可行的進(jìn)展也許不僅僅來自于實(shí)驗(yàn)。對愛因斯坦的廣義相對論進(jìn)行新的擴(kuò)展興許可以打破光速的壁壘。根據(jù)現(xiàn)有的理論，我們不可能突破光速。但我們也都知道，目前的理論有其局限性，現(xiàn)實(shí)也許會(huì)完全不同。

倫敦帝國學(xué)院的葡萄牙物理學(xué)家喬奧?馬古悠（Jo?o Magueijo）一直致力于研究一種全新的引力理論，能用于靠近黑洞或者接近宇宙大爆炸那一刻的強(qiáng)引力場情況。而在這兩種情況下，廣義相對論會(huì)失效。馬古悠猜想，在大爆炸后的瞬間，光速要比現(xiàn)在在地球上測得的高得多。除了能解決許多宇宙學(xué)疑難之外，它還可以開啟星際旅行的高速公路。

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曲速引擎是什么？

廣義相對論禁止任何在空間中的超光速運(yùn)動(dòng)，但時(shí)空本身并不受限于此。曲速引擎可以彎曲宇宙的時(shí)空，使得飛船前方的時(shí)空被壓縮而其后方的時(shí)空則發(fā)生膨脹。隨后，飛船會(huì)通過在時(shí)空中“沖浪”的方式向前運(yùn)動(dòng)。

這興許是可能的，因?yàn)橛嘘P(guān)早期宇宙的許多理論都預(yù)言了一種現(xiàn)象，被稱為宇宙弦。它們是宇宙大爆炸的遺存物，尚未被直接觀測到。時(shí)空中的這些“褶皺”是有著微小不同的空間區(qū)域間的邊界，就像是晶體中的缺陷。重要的是，它們是有質(zhì)量的，在靠近宇宙弦的地方光速會(huì)增大，此后這會(huì)一直保持下去。

這樣一來宇宙飛船就可以沿著宇宙弦運(yùn)動(dòng)，并把它們用作星際高速公路。其妙處在于你不必去突破光速，而只需要一個(gè)巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)來不斷地加速飛船。 然而，這一令人興奮的技術(shù)在成為現(xiàn)實(shí)之前仍有很長的路要走，而且對于其是否可行馬古悠非常謹(jǐn)慎。很清楚的一點(diǎn)是，廣義相對論絕非是最終的理論，但剩下的都僅僅是懷疑。

所以，盡管不情愿，但我們不得不承認(rèn)，目前我們星際旅行的夢想仍局限在銀幕上。在未來很長很長的一段時(shí)間里，《星球大戰(zhàn)》和《星際迷航》中的星際旅行依然是不可及的。

（責(zé)任編輯 張長喜）