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。

问题一：能量和质量需求

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？

问题二：奇异物质

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。

人们普遍认为阿尔库别雷驱动违反了弱能条件，但2021年鲍勃里克和马蒂尔(Alexey Bobrick, Gianni Martire)、费尔和海森堡(Shaun D.B. Fell, Lavinia Heisenberg)、埃里克·伦茨(Erik W Lentz)的三篇论文对这一观点提出了挑战。然而就在去年，杰西卡·圣地亚哥(Jessica Santiago)及其同事反驳说这些论文都是错误的，他们认为，这些论文所完成的任务是为特定的观察者找到一种正能量解决方案，但弱能量条件要求所有的类时观察者。

问题三：视界问题

在阿尔库别雷原始论文发表后不久，谢尔盖·克拉西科夫(S. V. Krasnikov)指出，其中的乘客将无法控制、驾驶或停止这个时空气泡，也无法以任何方式与外界互动。试图与气泡前侧相互作用的光子在接近时会简单地堆积起来，并相对于从未完全到达的前侧保持相对静止状态。

其后果是相当深远的，曲速气泡内的任何人或任何东西都无法控制甚至无法创造曲速气泡。毕竟，他们在这里产生的任何能量场都无法到达气泡的前面。这种情况类似于宇宙学中视界的概念，如果一个人穿过黑洞的事件视界，就不可能与黑洞之外的宇宙相互作用。

这个问题表明曲速驱动器无法作为孤立的实体实现，我们总是需要提前建设一些基础设施来实现这种旅行。就像星际高速公路一样，我们需要某种巨大的管道，其沿途装有负能量场发生器，在适当的时刻打开以产生气泡效果。

问题四：辐射

视界问题会导致另一个问题，即辐射，布伦丹·麦克莫尼格尔(Brendan McMonigal)及其同事在2012年的一篇论文中对此进行了探讨。想象一下，当曲速驱动器从后面追上一个光子时，光子被捕获在气泡的前面，并以超光速被拖拽。不幸的是，当飞船最终停止在其目的地时，所有被捕获的粒子突然被释放，并且由于气泡运动，它们以更多的能量释放。能量转储是如此之大，以至于足以完全消除整个行星。当然，只需在目标之外停下来，然后以亚光速继续剩余的旅程，就可以减轻这种危险。

不过，更令人担忧的是曲速气泡内部发生的事情。由于视界问题，气泡边缘的量子对产生效应，将产生霍金辐射。斯特凡诺·菲纳兹(Stefano Finazzi)及其同事在2009年对此进行了研究，结果表明，辐射的热温度相当于普朗克温度，这是自大爆炸以来从未见过的温度。菲纳兹的结论是，这会导致系统完全不稳定，并且曲速气泡一产生就几乎立即崩溃。

问题五：先有鸡还是先有蛋的问题

为了制造出曲速驱动，我们必须先创造出超光速物质。1998年，科尔(D H Coule)提出为了使时空进行超光速运动，诱导它的物质分布也必须进行超光速运动。这一结论后来也得到了克里斯·范登布罗克的支持，他说至少有一些奇异物质的运动速度一定超过光速。问题是，为了在平坦时空的内部保护区周围引起所需的扭曲，一些外来物质必须位于该内部区域之外，并且该内部区域之外的所有物质的移动速度都必须慢于光速。其结果是，部分必要的外来物质将无法跟上气泡的其余部分。

问题六：因果关系

我要讨论的最后一个问题是因果关系违反，也就是说，时间倒流。这里的问题是，这样的机器可能会产生悖论，例如著名的祖父悖论。奇怪的是，广义相对论并不禁止时间倒退旅行。

但史蒂芬·霍金认为这确实是不可能的，因为他著名的时间顺序保护猜想认为，每当一个人试图使用时间机器时，量子效应就会阻止这种情况的实际发生，并会以某种方式破坏时间机器并阻止悖论的形成。