如果人类想要轻松地在星际间移动，就需要超光速旅行。但到目前为止，超光速旅行只在科幻小说中实现过。在艾萨克·阿西莫夫的《基地》系列中，人类使用跳跃引擎从一个星球移动到另一个星球，从一个星球移动到另一个星球，甚至穿越整个宇宙。小时候，我尽可能多地阅读这些故事，尽管我现在是一名研究纳米技术的理论物理学家，但我仍然对人类有朝一日可能实现太空旅行的所有方式着迷。
（图为根据阿西莫夫经典小说改编的科幻剧集《基地》预告。图片来源：百度图片）
（图为电影《星际迷航》宣传海报。图片来源：百度图片）
一些电影角色，例如电影《星际穿越》和《雷神》中的宇航员，曾利用虫洞在几秒钟内穿越太阳系。《星际迷航》粉丝们熟悉的另一种方式是通过曲速引擎。虽然曲速引擎技术在现实中仍然难以实现，但理论上是可行的。最近发表的两篇相关论文在三月份成为头条新闻，因为研究人员宣布他们已经克服了将曲速引擎理论付诸实践的众多挑战之一。
但这些理论上可行的曲速引擎在现实中会如何运作呢？人类会很快实现曲速飞行吗？
这个二维视图显示了中心处有一个平坦、非弯曲的时空气泡，即曲率驱动器，周围是压缩时空，从右侧（曲线下方）延伸到左侧（曲线上方）。（图片来源：/ ）
压缩和扩展
物理学家目前对空间和时间的理解来自阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。广义相对论指出，空间和时间是一体的，没有任何东西能比光速更快。广义相对论还描述了质量和能量扭曲空间和时间的方式——恒星和黑洞等大型物体围绕空间和时间弯曲。这种曲率就是你感觉到的重力，这也是许多太空英雄担心被“卡住”或“落入”重力井的原因。早期的科幻小说作家，如约翰·坎贝尔和阿西莫夫，将这种弯曲运动视为一种规避速度限制的方法。
当一艘宇宙飞船压缩前方时空，同时膨胀后方时空时，会发生什么？《星际迷航》引用了这个想法，并将这个过程命名为曲速引擎。
1994 年，墨西哥理论物理学家米格尔·阿库别瑞 ( ) 证明，根据广义相对论，在算法上可以扩大航天器后方的时空，同时压缩其前方的时空。那么这意味着什么呢？让我们一起想象一下。
假设A点和B点相距10米（约33英尺）。当你站在A点，以每秒1米的速度奔跑时，需要10秒钟才能到达B点。但是，假设你现在可以以某种方式压缩你与B点之间的距离，使距离只有一米，然后你以每秒一米的最快速度穿越前方的时空，大约一秒钟就可以到达B点。从理论上讲星际迷航 物理学家，这种方法并不与相对论相矛盾，因为你的移动速度不超过周围空间的光速。阿库别瑞说，《星际穿越》中的曲速飞行在理论上是可行的。
于是，我们想，我们来了，半人马座！不幸的是，使用阿库别瑞压缩时空的方法存在一个问题：这种方法需要负能量或负质量的参与。
这个二维图表向我们展示了正质量如何在时空中移动（左侧显示为蓝色地球），以及负质量如何在相反方向移动（右侧显示为红色地球）。（图片来源：/ ，CC BY-SA）
负能量问题
阿库别瑞提出的曲速引擎的工作原理是，在航天器周围创建一个扁平的时空气泡，然后弯曲气泡周围的时空以缩短距离。曲速引擎需要负质量（一种理论上的物质类型）或足够高的负能量密度才能工作。由于物理学家从未观察到负质量，因此使用负能量使曲速引擎工作是唯一的选择。
为了产生负能量，曲速引擎需要使用大量物质来制造粒子和反粒子之间的不平衡。例如，如果一个电子和一个反电子同时出现在曲速引擎附近，其中一个粒子将被质量捕获，这将导致粒子之间的不平衡，而这种不平衡将增加负能量密度。阿库别瑞提出的曲速引擎可以利用这种负能量来制造时空气泡。
然而，通过曲速引擎创造足够的负能量需要大量的物质。阿库别瑞估计，通过曲速引擎创造一个直径 100 米的时空泡需要整个可见宇宙的质量。
1999 年，物理学家克里斯·范登布鲁克 (Chris Van Den ) 证明，增加时空气泡内的物质数量，同时保持气泡表面能量不断延伸，将大大降低达到与太阳质量相当所需的能量。这是一个重大进步，但还远远不足以使所有粒子都可行。
科幻的未来？
今天发表的两篇论文（一篇由阿列克谢·鲍勃里克和詹尼·马特尔撰写，另一篇由埃里克·伦茨撰写）提出了两种似乎可以增加实现曲速驱动可能性的方法。
鲍勃布里克和马特尔意识到，如果他们能以某种方式改变气泡内的时空，负能量就不再需要，但这会阻止曲速引擎以超光速运行。
伦茨还亲自提出了一种不需要负能量的解决方案。他用一种不同的几何方法解决了广义相对论方程。由此他发现曲速驱动不需要负能量，他的方法可以让时空泡泡以比光速更快的速度行进。
然而星际迷航 物理学家，值得注意的是，这些令人兴奋的进展目前还只是数学模型。作为一名物理学家，我不会完全信任这些模型，除非我能通过实验证明它们。然而，曲速驱动的科学正在逐渐进入我们的视野。作为一名科幻迷，我欢迎所有这些创造性的想法。用皮卡德船长的话来说贝语网校，事情只有在不可能的时候才是不可能的。
作者：马里奥
财年：33
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翻译：天文志愿者文章组-33
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参考
1.汪精卫百科
2. 天文术语
3.原文出处：
注：本文信息量巨大，难免有错误，希望读者谅解，并欢迎批评指正。
本文由天文学志愿者文章组-33根据作者Mario的作品翻译而成。