對大多數(shù)人來說，超光速旅行僅僅是存在于科幻片里的想象。
在影視中，這種想象被發(fā)揮地淋漓盡致，是人類“出航宇宙，探索未來”的基本技能。
為什么一定要出航？
這或許源于人類偉大的冒險意識。
要說把“超光速宇宙航行”刻畫得入木三分、影響深遠的，當屬《星際迷航》，它甚至激發(fā)了一位墨西哥的理論物理學家的靈感，提出了一個學術(shù)版的曲率驅(qū)動理論（warp drive theory ）。
雖然大多數(shù)物理學家都認為曲率驅(qū)動不過是一個思維實驗，但基于它的研究已經(jīng)進行了20多年。在對它的研究中，我們甚至對時空有了更深刻的洞察，并有了清晰的科技發(fā)展方向。
不過，我們真能靠曲率驅(qū)動，實現(xiàn)超光速宇宙航行嗎？曲率驅(qū)動到底是什么？它與現(xiàn)在一些前沿物理學有什么交集？
01
1994年，威爾士卡迪夫大學的一位博士生：米格爾·阿庫別瑞（Miguel Alcubierre）一不小心將1991年《星際迷航》里設(shè)定的曲速引擎，寫進了學術(shù)論文中。
Miguel Alcubierre
阿庫別瑞以學術(shù)的角度提出了一個瘋狂構(gòu)想：在廣義相對論的框架內(nèi)，在不引入蟲洞的情況下，可能存在一種允許宇宙飛船以任意速度飛行的方式。在外界觀察者眼中，這種飛行可以比光速更快。
阿庫別瑞以此建立了一套數(shù)學公式：阿庫別瑞度規(guī)，曲率驅(qū)動理論由此誕生。
這個理論實際上并不是創(chuàng)造什么比光速更快的飛行器，而是假設(shè)了一種基于時空局部扭曲的推進機制。
這種推進靠一種假想的“翹曲引擎”來實現(xiàn)。
首先，它可以產(chǎn)生一個足以扭曲時空的重力來壓縮飛船前方的時空曲率；其次，產(chǎn)生一種負能量，來延展飛船后方的時空曲率；最后，在中心保留一塊正常的時空區(qū)域。
飛船對于中心局域平坦空間是靜止的，或者說飛船永遠處于一種自由落體狀態(tài)中，而四周巨大的時空曲率，通過阿庫別瑞度規(guī)的計算可以縮小到一個很小的區(qū)域，形成一個“翹曲氣泡”包裹著飛船所處的正常時空。
由于前后方的曲率不一樣，飛船就會被前方曲率更大的時空拉過去。
飛船靜止在正常時空的氣泡中
事實上飛船并不是在時空中移動，而是飛船周圍時空本身在移動，因此傳統(tǒng)的相對論效應，例如時間膨脹，將不再適用。
這一切實際上是建立在“時空的擴展和收縮沒有限制”的觀念之上，而這個觀念來源于如今的宇宙學。
例如，在宇宙大爆炸初期的10^-35秒內(nèi)，理論物理學家一致認為時空膨脹速度至少是光速的300億倍。宇宙從一個小斑點膨脹了10^50倍，最終成為了我們的可見宇宙，直徑930億光年的哈勃球體。
宇宙這種膨脹速度讓我們驚駭于時空的“彈性”。既然可以膨脹，那一定也可以收縮。
當然，很多人認為曲率驅(qū)動是一種高度投機的想法。雖然不違背廣義相對論，但只是很有趣，完全不切合實際，因為這種負能量并不存在。
02
負能量，是指比真空中零點能（zero point energy）更小的能量。
為了獲得負能量，阿庫別瑞借用了理論物理學家假想的一種具有負質(zhì)量的物質(zhì)：奇異物質(zhì)（exotic matter）。
如果地球上存在這樣的物質(zhì)，它不會由于地球引力而留在地上，反而會掉回太空，它天生與我們的引力世界相排斥，以一種相反的方式運動，所以很難說宇宙中存在這樣一種物質(zhì)。
雖然這種奇異物質(zhì)在經(jīng)典物理學領(lǐng)域不可能存在，但在量子力學領(lǐng)域卻似乎有可能。比如，一種卡西米爾效應（Casimir effect）或稱卡西米爾力（Casimir force）的存在。
1948年，荷蘭物理學家亨利克·卡西米爾（Henrik Casimir）通過量子理論預言了一種負能量。
想象一下，把兩塊中性金屬片放在真空中，彼此平行，然后慢慢靠近。常識告訴我們，因為是電中性，又沒有氣壓存在，兩塊板之間不會存在什么相互作用力，但事實上，當它們靠近微米級的距離后，會出現(xiàn)吸引力。
1958年，物理學家斯派納（M.J.Sparnaay）在實驗室率先觀察到了這種力，證實了卡西米爾的預言。1996年物理學家們更測出了其精準數(shù)值。在真空中，如果兩塊金屬板的面積為1平方厘米，相距1微米，那它們之間的卡西米爾力約為10^-7N，大約等于一個直徑半毫米的水珠所受重力。
卡西米爾最早對這種力的預言，其實是為了證明“真空不空”。這是源于量子力學的一種結(jié)論，意味著真空具有一種本體能量，而“真空零點能”并不意味著沒有能量。
在微觀世界中，真空是一片沸騰的量子海洋，各種虛粒子對在其間瞬間產(chǎn)生又瞬間湮滅，因此真空中充滿著各種波長的粒子。當兩塊平整的薄板靠得足夠近時，一些波長較大的粒子就會被排擠出去，這就造成了兩板之間的能量密度比板外小，形成了兩板之間的吸引力。
這就是卡西米爾力的秘密所在，而且當兩板靠得越近，兩板之間的吸引力也就越強。
03
雖然卡西米爾效應并不能明確指出如何獲取“奇異物質(zhì)”，但它卻成為了“一些未知力量發(fā)揮作用的潛在指標”。它能被運用到何種地步，我們還不得而知。
然而，通過早期的阿庫別瑞度規(guī)計算，為了支持一個直徑只有100米的翹曲氣泡的負能量，需要有比整個宇宙的質(zhì)量更多的奇異物質(zhì)。這似乎讓人絕望。
不過后來的研究者把這個計算數(shù)值減小到了大約木星的質(zhì)量，約為10^45焦耳總能量，這仍然是一個巨大的能量。我們能收集到這么多的負能量嗎？
幸運的是宇宙中，還有大量隱藏的東西，能達到一樣的效果。
比如，導致宇宙膨脹的暗能量，而它占了宇宙總能量的75%，如果我們能駕馭和操縱暗能量，也許可以用它來擴大時空，創(chuàng)造出一個翹曲氣泡。
雖然暗能量在宇宙中十分的分散，我們也還沒能清楚如何聚集它們，甚至連它們到底是什么，還不清楚，但從理論上講，這樣做是可能的。
甚至我們可以將曲率驅(qū)動理論與暗能量理論聯(lián)系起來思考，如果我們能理解時空為什么已經(jīng)在擴展，我們也許能夠利用這些知識，人為創(chuàng)造時空的擴展或收縮。
然而，不少人都認為曲率驅(qū)動還只是理論物理學家的幻想，就連不少物理學家本身也這樣認為。
不過自2012年以來，美國宇航局高級推進物理實驗室（又名Eagleworks實驗室）卻建起了一支研究翹曲場力學的科學家團隊。
Harold Sonny White
“我們已經(jīng)在這個實驗室啟動了一個干涉儀試驗臺，我們將在那里嘗試產(chǎn)生一個微小的翹曲氣泡。”在2012年的100年星際飛船研討會上，美國宇航局高級推進物理實驗室負責人哈羅德·索尼·懷特（Harold Sonny White）曾分享了一些關(guān)于曲率驅(qū)動的研究計劃。
不過要改變物理學家對曲率驅(qū)動的看法，需要一些實驗性的東西，一些定量的、具有物理代表性的研究進展。美國宇航局的工程師曾提議用激光測量空間扭曲的實驗，但到目前為止，還沒有實驗證明是有用的。
目前來說，曲率驅(qū)動仍然超出了工程師的能力，但這并不意味著它進入了一個死胡同。在研究曲率驅(qū)動理論的過程中，物理學家們學到了很多關(guān)于相對論和宇宙在極端情況下如何工作的知識。
另外，雖然人類還無法得出一些具有物理意思的實驗數(shù)據(jù)，但大自然似乎已經(jīng)為我們揭示了曲率驅(qū)動的可行性。
2016年引力波的發(fā)現(xiàn)，不僅證實了愛因斯坦一個世紀前所做的預言，也證明了曲率驅(qū)動的基礎(chǔ)存在于自然界。引力波的發(fā)現(xiàn)是科學領(lǐng)域的一次巨大飛躍，證明了彎曲的時空振蕩可以在全宇宙?zhèn)鞑ァ?/strong>
雖然曲率驅(qū)動堪稱是能突破光速的“終極”航行方式，但事實上Eagleworks實驗室每年的運行經(jīng)費只有5萬美元，完全不支持高質(zhì)量的研究。由此可見，曲速驅(qū)動仍是一個十分邊緣的研究課題，就連阿庫別瑞本人在發(fā)表論文后，也沒有再進行曲率驅(qū)動的研究工作。
即使曲率驅(qū)動僅僅是一個思想實驗，許多理論物理學家也從中汲取了一些認識時空的靈感。
當然，或許我們只是星際迷航的粉絲而已！
