曲速驱动的物理学：从科幻到科学的六大难题

1994年，物理学家米格尔·阿尔库别雷(Miguel Alcubierre)想知道超光速曲速驱动的虚构概念是否可以用广义相对论的真实物理学来描述。阿尔库别雷采用了爱因斯坦广义相对论的场方程，并用它做了一些相当不寻常的事情。

通常，人们会采用一组质量和能量，它表示在方程右侧的能动张量T_μν，然后计算左侧相应的时空曲率。但阿尔库别雷的计算过程则相反，他从一个特定的几何结构开始，具体是一个扭曲的气泡时空，然后求解出实现它所需的相应质量和能量。他的解通常被称为阿尔库别雷驱动（曲速驱动），并引发了数十篇后续论文进一步研究这个主题。

阿尔库别雷解涉及一个中心区域，乘客将居住在其中的普通平坦时空中。然后空间结构不断膨胀并推动乘客前进，就像宇宙本身当前正在膨胀从而将星系彼此分开一样。这个想法的精妙之处在于，虽然质量不能加速超过光速，但空间本身没有这样的规则，因此包含乘客的中心区域可以以任意快的速度行驶。

尽管这令人兴奋，但并不意味着阿尔库别雷驱动实际上在物理上是合理的。因此，今天让我们来看看实现阿尔库别尔驱动力的六个最突出的障碍，并对每个障碍的可行性进行一些思考。

针对该驱动器的第一个问题是它需要大量的能量。例如，在阿尔库别雷发表论文后不久，迈克尔·普芬宁(Michael J.Pfenning)和L.H.福特(L.H.Ford)也发表了一篇文章，他们估计所需的质量比可观测宇宙的质量大10 个数量级。但在1999年，克里斯·范登布罗克 (Chris Van Den Broeck)稍微修改了曲速气泡的形状，将所需质量降低到只有三个太阳质量。

这虽然仍是一个巨大的能量，但在短短几年的时间里，人类的聪明才智已经将曲速驱动器的质量需求从比宇宙还大减少到只剩三颗星。因此，想象一下，如果进一步研究，我们可能可以将其降低到生活水平。另一个问题是，材料的实际外壳需要非常薄，通常接近普朗克长度，我们能否达到这种技术水平？

虽然我们刚才讨论了能源需求这一话题，但还有一个小问题，那就是我们需要的是负能量或负质量。这是一开始阿尔库别雷的原始论文就认识到的问题，并且在理论上违反了广义相对论中的弱能量条件。弱能量条件规定，所有类时观察者必须看到正能量密度。顺便说一句，这里的“类时观察者”是指一个总是在时间中前进并体验时间自然流动的人，

为了给这种违规行为提供一些可信度，阿尔库别雷本人甚至在27年后写了他唯一的曲速驱动的后续论文，更详细地探讨了这种违规行为。违反弱能量条件意味着负能量或负质量的存在，不幸的是，我们不知道任何具有负质量的粒子。但物理学也不禁止这种粒子，因此这样的粒子被描述为奇异物质。

卡西米尔效应是引起负能量压力的一个众所周知的例子，它一直是许多曲速驱动支持者的希望。然而，重要的是，我们尚不清楚这是否可以用于扭曲空间。