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來源：互聯網

曲速引擎（Warp drive），也稱為阿庫別瑞引擎（Alcubierre drive），米給爾·阿庫別瑞（Miguel Alcubierre）受到電影《星際迷航》中曲速引擎的啟發，于1994年提出了科學意義上的曲速引擎概念。在他的理論中，如果能創造一個低于真空（負質量）的可配置的能量密度場，宇宙飛船就能達到比光速更快的速度。宇宙飛船的移動方式不是超越光速，而是收縮前方空間，擴張后方空間，這將使它以比光速更快的速度前進。物體無法在正常的空間時間內加速到光速，因此，阿庫別瑞引擎是會改變物體周圍的空間，使物體在正常空間內的速度超過光速，而不違反物理學定律。

曲速引擎概念最早出現在美國科幻作家約翰·坎貝爾( John Campbell)于1957年所寫的小說《太空島》中，后來因為著名科幻《星際迷航》而被人們熟知。曲速引擎啟發了理論物理學家米給爾·阿庫別瑞，他于1994年提出了阿庫別瑞引擎，該驅動器基于愛因斯坦場方程的解。由于這些解是度量張量，Alcubierre 驅動器也被稱為Alcubierre 度量。2010年，美國研究團隊提交《曲速引擎、暗能量和利用額外維度》報告，加州理工學院理論物理學家肖恩·卡羅爾指出這份報告太過理想化，短期內無法成為現實。2015年，美國航空航天局（NASA）在約翰遜航天中心設立的工作室展開曲速引擎實驗測試。

雖然阿庫別瑞提出的度量符合愛因斯坦場方程，但不一定能構建出這樣的驅動器。阿庫別瑞引擎的運行機制意味著需要負能量密度，因此需要奇異物質或暗能量的操縱。曲速引擎存在一系列的問題。首先，維持這一彎曲所需的能量就超過了宇宙的總能量。其次，它會產生大量威脅宇航員生命的輻射。另外，也沒有證據表明存在這樣一種特殊的物質。如果不存在具有相關特性的奇異物質，那么驅動器就無法構建。然而，阿庫別瑞在其最初文章的結尾處提出（沿用物理學家分析可穿越蟲洞時提出的論點），平行板之間的卡西米爾效應可以滿足阿庫別瑞引擎的負能量要求。另一個可能的問題是，盡管阿庫別瑞度量與阿爾伯特·愛因斯坦的方程一致，但廣義相對論并未包含量子力學。一些物理學家提出了論點，表明一個包含兩種理論的量子引力理論（即量子力學和廣義相對論）會消除廣義相對論中允許時間倒流的那些解決方案（如時間保護猜想），從而使得阿庫別瑞引擎無效。

歷史

20世紀50年代，德國物理學家海姆開始探索“超時空動力”的概念，他提出：“曲速航行”就是利用時空扭曲和時空跳躍實現超光速飛行，這是曲速引擎概念的早期雛形。海姆用“二度次空間”學說補充愛因斯坦四維時空說，因此，宇宙就變成了六維時空。他提出通過強力磁場制造引力場，以高速推動宇宙飛船實現超光速航行。曲速引擎在科幻文化中得到了廣泛傳播和討論，特別是在《星際迷航》系列電影中，曲速引擎成為星艦進取號等飛船實現星際航行的關鍵技術。

1994年，墨西哥物理學家米給爾·阿庫別瑞（Miguel Alcubierre）首次提出了類似《星際迷航》中的彎曲引擎理論，即阿庫別瑞引擎（Alcubierre drive）。該理論基于廣義相對論，設想通過創造一種稱為“曲速泡”的時空結構，使飛船前方的空間收縮、后方的空間膨脹，從而實現超光速飛行。當“負能量”泡沫環繞航天飛機時，將在太空船后方膨脹空間和時間，并在前方壓縮空間。至少從理論上講，這種阿庫別瑞引擎裝置有可能比光速更快。

2005年，德國薩爾茨吉特應用科學大學的物理學家豪澤與同事德勒舍爾共同撰寫了一篇以海姆理論為基礎的實驗論文，探究“超時空發動機”制作的可行性。這篇論文突然被美國航空航天學會授予年度大獎，這一獎項在全球物理學界引起了不小的震動，一定程度上認可了海姆理論的部分學說，與此同時美國空軍對能夠超越光速的“超時空引擎”表現出極大興趣。豪澤強調，這個課題與普遍物理學觀點不盡相符。不過，美國空軍對有關構思極感興趣，豪澤還與美國空軍代表見面，他強調計劃還處于相當初步階段，若證明理論可行，5年后便可建造測試模型飛船。

2008年8月，美國國防部曾與幾十名研究人員簽約，委托他們探尋最先進的航空航天技術，其中包括人類前所未見的推進、發射和隱形技術。2010年4月，研究團隊就推進技術方面，遞交了一份長達34頁、名為《曲速引擎、暗能量和利用額外維度》的報告。和其他科幻作品不同，曲速技術在設定上，并不允許在兩點間進行瞬時旅行。而是設想通過在載人飛船周圍產生一種正常時空的人工“泡泡”，使飛船能夠以超過光速幾個數量級的速度航行，既保證了安全，又回避了時間膨脹的相對論性的問題。正因如此，曲速引擎才被視為人類理想的推進工具。

2012年9月，美國召開的由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)資助的“百年星艦計劃”研討會認為“曲速引擎的設想具有合理性，關鍵是技術能否實現”。2014年6月，美國航空航天局（NASA）機械工程師、物理學家懷特（Harold White）在研究開發可作星際旅行的宇宙飛船“IXS企業號”。他和3D藝術家拉德梅克合作，制作出載人飛船的概念圖，一旦飛船面世，只需兩周便可到達距離太陽4光年遠的地方。

2015年5月，NASA在約翰遜航天中心設立的工作室展開了所謂的曲速引擎實驗，在模擬太空環境的真空中對這種科幻級的動力系統進行了測試。但結果卻引起一片嘩然，因為他們是通過一套被稱為EmDrive的動力裝置獲得的推力，并非靠扭曲時空行進的曲速引擎。更重要的是，這套方案的問題實在不小——EmDrive是違背基本物理法則的，許多專家都認為，美國航空航天局的研究結果或為實驗誤差所致。

EmDrive與曲速引擎是不同的概念，EmDrive是一種基于不同物理原理的推進系統。它是一種使用磁控管和微波的無反作用的推進系統。飛行器在太空中旅行時（也是最耗時的部分），EmDrive可以把太陽能轉換成微波，再利用微波推動飛行器往前走，也就是說，飛行器在太空中可以不斷加速、速度越來越快。但是Emdrive違反了動量守恒定律，動量守恒定律：一個系統不受外力或所受外力之和為零，則這個系統的總動量保持不變。動量在經典物理學中（牛頓力學體系）是物體質量和速度的乘積，表達運動物體的作用效果。

即便本次測試環境位于高真空中，但也并不意味著星際級驅動引擎時代到來。來自美國宇航局格倫研究中心的推進物理實驗室科學家馬克-米利斯也致力于研究曲率驅動技術，根據他的研究成果，驅動裝置與封閉空間的腔壁之間的距離、導電性以及系統的幾何形狀都會影響到推力的產生。更重要的是，我們目前還沒有辦法確保系統處于高真空環境中，依然能夠高效工作。同時，這項工作也沒有同行的評審結果和期刊論文支持，因此Eagleworks實驗室的EM drive系統是否成功仍然有待考證。

公開的曲速引擎報告指出，從未見過的更高維度以及神秘暗能量，可能并不像人們認為的那樣遙不可及。報告稱，控制更高維度空間，或許就是在技術上掌控暗能量密度的源頭，最終能夠成為新型推進技術，尤其是在曲速引擎的研發過程中扮演重要角色。借助曲速技術，前往太陽系行星只需短短幾個小時，而不是幾年；前往本地恒星系統也只需要幾周時間，而不是數十萬年。

報告列舉了一些行之有效的物理學思想，除了暗能量外，還有廣義相對論、描述量子“真空能量”存在的卡西米爾效應、認為存在7個額外維度的M理論等，并表示可以利用這些“工具”研制曲速引擎，進而繞過阿爾伯特·愛因斯坦提出的一個基本法則--真空內任何物體的速度都不可能超越光速。其方式就是利用大量暗能量，將額外維度膨脹成一個“泡泡”。這個泡要大到能容納一艘體積100立方米的飛船，飛船前方的時空收縮，后面的時空膨脹，推動“泡泡”和飛船，使其像在一條時空通道中穿行一樣。但報告承認，他們的結論還只是推測。

加州理工學院理論物理學家肖恩·卡羅爾對這份報告進行了詳細研究，卡羅爾指出：曲速引擎并非異想天開的“平地飛升”，而是真實存在的物理學。另外，額外維度理論、卡西米爾效應和暗能量，所有這些都真實存在。但在有生之年甚至未來1000年，利用這些理論研發超光速飛行技術，可能性為零。他指出這份報告太過理想化，短期內無法成為現實。在曲速場內，飛船需利用負能量收縮前方的空間，并讓后面空間膨脹，以實現超光速。但目前沒有人知道作為動力的負能量究竟是什么，更別提如何利用。半人馬座阿爾法星雖是距離太陽系最近的恒星系統，約4.367光年，但利用一艘100立方米的飛船幾年內就抵達該星，所需的負能量也是一個天文數字。即使能夠產生負能量，又該如何捕獲、存儲并以100%的效率加以利用。卡羅爾認為，談實現曲速引擎，這完全不是“我們需要更先進的晶體管”這種程度的信心，而是基本不具有可行性的討論。“理論上我并不能排除它的可能性，但我認為它是不可能的。”卡羅爾稱，隨著人們對物理學的認知更進一步，只會更加明確這個答案：“不，我們無法做到。”

2021年，一篇發表在《經典和量子引力》（Classical and Quantum Gravity）上的論文，修復了之前理論模型中違反物理學的缺陷。根據這項研究，只要人類具有將行星質量壓縮到飛船那么大的技術，就可以制造真正的曲速引擎。

2024年，科學家Jared Fuchs等人在《經典和量子引力》雜志上發表論文，提出了一個新的模型，顯示“曲率引擎”可能并不是科幻，而是有可能在現有物理學的基礎上實現。該模型結合了傳統和新型引力技術，在理論上展示了如何創建“曲率泡”并將飛船加速到極高的速度。

特征

航行速度

曲速引擎技術是在宇宙飛船外圍創造出一種正常時空的人工氣泡，被稱為曲速泡。曲速泡附近的時空扭曲得非常厲害，飛船前方的空間被壓縮，而后面的空間被拉長,這樣飛船就會被曲速泡帶著走。曲速航行的速率通常以曲速層級（warp factor）代之。一般認為曲速1級是真空光速（c）；更高的層級下，速率呈指數增加。在離飛船非常遠的人看來，飛船的速度可以超過光速，而飛船里的船員會認為自己是靜止不動的。

曲速

根據設定，所謂曲速引擎，其實是一種把反物質作為燃料的發動機，它能在運動物體周圍制造一個人工的曲力場，使物體能在這個扭曲的時空氣泡中以幾十倍于光速的速度移動。曲速就是衡量在這個時空泡里運動的物體的速度。例如，一輛汽車速度不變，但是由于將道路長度進行了大幅壓縮，導致路程相應縮短，行駛的時間也就得到了極度的節省。

超曲速

超曲速（transwarp）指的是曲速引擎的高階形式，出現于電影《星際旅行3：石破天驚》中。如欲進入曲速而不會用無限多的能量，要在星艦的周遭產生曲速場來突破光速障；相似地，也需要超曲速場來達到非常高的超光速速率。

時空旅行

曲速引擎利用空間扭曲來飛行，并非常規的加速方法，在超光速的同時又可以巧妙地避開三維空間中最高速度無法超越光速的難題。根據狹義相對論，如果可以超越光速，就會發生時間倒流的事件，從而引起“外祖父悖論”，這個問題又該如何解決，《星際迷航》中并沒有進行過多的技術性說明，只是在其中幾集里，“進取號”穿越了時空，回到了過去。也就是說，曲速引擎有兩套運行模式，一套用于空間旅行，一套用于時間旅行。在阿爾伯特·愛因斯坦的時空觀中，時間與空間是一個連續體，那同一個引擎，既能用于空間旅行，也能用于時間旅行，是理論可行的。

原理

曲速引擎技術是在宇宙飛船外圍創造出一種正常時空的人工氣泡，被稱為曲速泡。曲速泡附近的時空扭曲得非常厲害，飛船前方的空間被壓縮，而后面的空間被拉長，這樣飛船就會被曲速泡帶著走。在離飛船非常遠的人看來，飛船的速度可以超過光速，而飛船里的船員會認為自己是靜止不動的。阿庫別瑞1994年提出的使時空扭曲的具體設想，可達到能以任意“速度”飛行的效果，但是這一時空結構（指曲速泡）需要具有負能量的奇異物質來維持。

物理學家通常使用正能量來推進宇宙飛船，使其以低于光速的速度運行。然而，正如加來道雄在其著作中所述，若要實現超光速旅行，則需要一種完全不同的“燃料”。他指出，對于超光速推進而言，負能量是不可或缺的，盡管負能量的存在至今仍是未知數。為了實現超光速旅行，必須找到含有負能量的物質。然而，科學家們至今未能在自然界中找到負物質，這一情況與蟲洞研究中遇到的問題類似。盡管如此，曲率泡的超光速移動本身并不違反相對論的原則，因為根據狹義相對論，光速被視為物質運動的極限速度，任何物體都不可能超越這一速度。

根據曲速引擎理論，物體能作出超越光速的移動，同時不違背愛因斯坦相對論。理論上，載人飛船裝上曲速引擎后，能創造出一種曲速氣泡，令空間扭曲，從而作出跨星際旅行。由于移動由曲速氣泡帶動，身處其中的宇宙飛船實際上并未作出超越光速的移動，故不違反相對論。

度規

阿庫別瑞在廣義相對論的框架下，引入了一個稱為曲速引擎的度規，它可以在理論上實現超光速旅行。曲速引擎的概念表示了如何在廣義相對論的框架下，不引入蟲洞的概念，來構造一個這樣的時空，使得宇宙飛船可以以任意大的速度飛行。通過在飛船前方時空的壓縮以及飛船后方的時空的膨脹，在扭曲時空之外的觀者看來，飛船理論上可以超越光速。然而，就像蟲洞一樣，需要奇異物質來使空間產生彎曲。阿庫別瑞通過廣義相對論的3+1形式，引入了一個簡單的度規，來達到上述形式。

如上圖所示，設想飛船沿x軸移動，rs是觀者到飛船中心的距離；Vs是飛船運動的速度；α是曲速泡壁的厚度，壁厚也就是負能量所在空間的厚度；R是曲速泡的大小的參數；膨脹元（YorkTime）θ表示空間膨脹或壓縮的量度。飛船前面的空間被壓縮，后面的空間被拉伸。可以看出，形狀函數是整個曲速引擎的關鍵。

任意大的速度

曲速引擎的數學原理和宇宙早期的暴漲類似。時空膨脹的速度并不受光速限制，所以理論上曲速引擎的速度可以達到任意大，同時在局域上并不超過光速，即飛船的世界線并不會超出光錐，因此并不違反狹義相對論。

存在問題

曲速引擎模型的最大挑戰來自于負能量問題。雖然在廣義相對論廣義相對論框架內是允許的，但它必然會引出奇異物質一一它的能量密度為負。在經典力學中，這種情況會被很快否決；但在量子物理中，負能量并非不可能，比如卡西米爾能。

用共形引力理論取代標準廣義相對論理論，可以有效地來處理曲速引擎的負能量問題，使超光速運動成為可能。根據阿庫別瑞的原始論文，有許多文章相繼出現。有的人是從改變原始的曲速引擎的結構方面來寫，有的是更加深入的討論原來概念的細節。然而，所有的這些研究使用的是標準的廣義相對論理論，因而無法避免違反弱能量條件，這就是說，奇異物質還是需要用來產生超光速效應。一些類似的問題也存在于其他著名的關于超光速的廣義相對論解，比如時空蟲洞。在選取一個特殊的形狀函數后，阿庫別瑞度規在共形引力的框架內是不違反弱能量條件的。而且，這種情況的曲速引擎也不需要引入奇異物質。因此，如果共形引力是廣義相對論的正確延伸的話，通過阿庫別瑞度規來達到超光速將是可以實現的，即允許超光速星際旅行。

另外，選一個特殊的形狀函數形式，對于曲速引擎的能量條件問題來說非常重要。在這里，選用的這樣的分段函數如下圖：

其中，m是正整數。經過計算可知，選用這個特殊的形狀函數的形式，可以克服曲速引擎在標準廣義相對論中，違反弱能量條件的問題。這就是說，如果共形引力是廣義相對論的正確延伸，則不需要引入奇異物質，就可以實現超光速旅行。要實現曲速引擎，還有很長的一段路要走，還需要進一步的實驗證實理論猜想，但這并不影響各國科學家及工程師對超光速引擎的熱情及努力。比如定期召開的百年星艦會議，它由前宇航員MaeJemison組織管理，并由DARPA資助。它的目標是讓人類有能力在下一個百年內到達其他恒星系統。正因為有許多這樣的組織和機構不懈努力和追求，人類文明才能逐漸走向太空。

挑戰

在曲速場內，飛船需利用負能量收縮前方的空間，并讓后面空間膨脹，以實現超光速。但沒有人知道作為動力的負能量究竟是什么，更別提如何利用。即使能夠產生負能量，又該如何捕獲、存儲以及用100%的效率加以利用也是問題。半人馬座阿爾法星雖是距離太陽系最近的恒星系統，距4.367光年，但利用一艘100立方米的飛船幾年內就抵達該星，所需的負能量也是一個天文數字。

盡管曲速引擎的理論令人興奮，但要實現這樣的技術仍然存在著重大的挑戰。首先，曲速引擎需要掌握并扭曲時空的能力，這要求科學家對時空結構和物質交互的理解進一步深入。目前，科學家還沒有足夠的科學知識和技術手段來實現類似的操作。曲速引擎要求能夠控制極強的能量和所需的物質，以便在航行過程中扭曲時空。這種能量和物質的獲取和控制是一個艱巨的任務，科學家還沒有找到解決方案。此外，扭曲時空可能會對航行物體產生巨大的能量負擔，這也是需要克服的挑戰之一。

盡管曲速引擎目前仍處于概念階段，但它具有巨大的潛力和吸引力。一旦這項技術得以實現，它將完全改變人類對宇宙的認知與探索。通過曲速引擎，航行物體將能夠在短時間內跨越廣闊的宇宙距離，促進星際旅行和太空探索的發展。這將為人類開啟一個全新的時代，給我們帶來無盡的可能性。曲速引擎的實際應用還需要解決眾多技術和工程上的困難。我們需要更多的研究和實驗來驗證這項技術的可行性，同時還需要解決能源供應、結構穩定性、航行控制等方面的挑戰。只有克服了這些問題，曲速引擎才能成為人類進一步探索宇宙的重要工具。

曲速引擎需要巨大的能量供應以及精確的控制技術。能源是曲速引擎實現的重要基礎，但科學家還沒有找到能夠滿足其需求的合適能源。此外，曲速引擎的航行過程需要對航行物體進行精確的控制，以避免其過大的能量和扭曲時空導致的不可預測的結果。另外，曲速引擎的結構穩定性也是一個關鍵問題。由于曲速引擎需要扭曲時空，這將對航行物體本身的物理結構和耐力提出高要求。如何設計和構建能夠承受巨大扭曲力的航行器是一個復雜而艱巨的工程挑戰。

阿庫別瑞1994年提出的使時空扭曲的具體設想，可達到能以任意“速度”飛行的效果，但是這一時空結構（指曲速泡）需要具有負能量的奇異物質來維持，為了超越光速，負能量不可替代，科學家們在自然界中尋找負物質的努力迄今為止尚無結果，其也尚未被證明存在，這和蟲洞遇到的情況一樣。直到目前，打造曲速泡所需的正能量和負能量數量，仍是曲速引擎夢的最大挑戰。

有科學家們在研究中發現，如果滿足特定的量子條件，驅動一個原子超光速飛行所需的負能量的絕對值可以減少到相當于三個太陽的質量。更有甚者，有科學家提出，這種負能量的需求甚至可以降低到幾毫克的數量級。此外，如果要產生一個速度超過光速十倍的曲率泡，這個泡的壁將變得極其薄，以至于量子引力效應將變得不可忽視。如此之薄的泡壁將包含難以想象的能量密度。進一步的研究表明，曲率泡內部可能會經歷類似于霍金輻射的過程，這種輻射有可能導致整個曲率泡的不穩定乃至解體。因此，是否能夠實際制造出一個穩定的超光速曲率泡仍然是一個巨大的挑戰，我們或許還需要很長時間才能找到確切的答案。

曲速引擎和曲率引擎的區別

曲率引擎通過降低后方時空的曲率來加速飛船，并未形成完整的曲速泡。飛船在使用曲率引擎時仍處于常規空間，受到時間膨脹和引力拖拽的影響。曲率引擎只能達到光速，無法超過光速，以保持設定的科學嚴謹性，避免讓故事顯得過于科幻。曲率引擎在工作時會產生航跡，可能與奇異物質有關，而曲速引擎在正常航行時一般不會產生航跡。

在《三體》中，韋德帶領下開發出的曲率引擎，是通過改變飛船后方區域的光速，利用空間“表面張力”的差異來實現近光速飛行。但是設定中引擎只能將后方的光速降低，不能將前方的光速升高，也就只能以亞光速飛行。而其加速后留下的低光速區域，甚至可以作為高級宇宙文明戰爭中的防御手段。

而《星際迷航》中的曲速引擎，則是扭曲了飛船周圍的空間，形成了一個包裹飛船的“曲速泡”。飛船前方的空間被壓縮，后方的空間被拉伸，這樣飛船本身就算沒有相對其所在空間運動，也會被所在空間裹挾著以亞光速或超光速前行。

參考資料 >

未來的我們，或許可以超光速旅行？.百家號.2024-06-05

“曲速引擎”可驅動宇宙飛船以10倍光速旅行.CNTV.2024-09-18

曲速引擎:曾被寄予厚望現遭“一瓢冷水”.中國網.2024-03-16

一個不違反物理定律的全新曲速引擎模型.中國數字科技館.2024-03-16

真實世界中發現曲速泡？別急，超光速旅行為時尚早.人民資訊.2024-03-16

超光速旅行要來了？別急，聽聽專家怎么說 .百家號.2024-06-05

科幻迷們要失望了，科學家稱未來一千年內曲速引擎不可能實現.澎湃新聞.2024-09-18

物理學家：只要做到這一點，科幻中的曲速引擎就能實現.微信公眾平臺.2024-09-18

曲速引擎:曾被寄予厚望現遭“一瓢冷水”|暗能量|超光速|引擎.新浪科技.2024-09-23