阿尔库比埃尔曲速引擎

梁晓鹏

理论物理学家米格尔·阿尔库比埃尔出生于墨西哥市，直到1990年去威尔士大学读研之前一直没有离开过那里。1993年，米格尔·阿尔库比埃尔在威尔士大学获得哲学博士学位，研究数值广义相对论，用快速计算机解决爱因斯坦的地心引力方程式。现在他仍然在这个领域做研究，为描述环绕黑洞设计数值技术。

米格尔·阿尔库比埃尔曾发表了一篇出自广义相对论研究的优秀论文，探讨现在的时空和引力“标准模型”，论文描述了解决爱因斯坦广义相对论的一种不同寻常的方法一曲速引擎，通过改变时空，让太空飞船以极高速飞行。下面就让我们看一看米格尔·阿尔库比埃尔的研究及其意义。

首先，从广义相对论和狭义相对论的视角来看著名的光速限制。在狭义相对论的环境中，光速指的是宇宙中任何具有真正质量的物体（即除了半神话的超光速粒子之外的一切）的绝对速率。

原因有二。其一，给一个快速移动的物体更大的动能主要会增加其质能而不是速度，随着速度接近光速，其质能也会无限增大。根据这种机制，相对论性质量增大将重物的速度限制在亚光速。

狭义相对论还提供了第二个快于光速限制：假设发现能够实现快于光速的瞬间通讯。在以完全公平和民主处理所有参考系（即以某种恒速移动的坐标系）时，基础均为狭义相对论，因此，快于光速的通讯被狭义相对论暗中排除，因为它可以用来执行不同时钟读数的“同时性试测”，以揭示宇宙优先的或“真正的”参考系。然而，这样的优先参考系与狭义相对论相冲突。

广义相对论把狭义的相对看为适用于太空中一个小区域的有限的次理论，这个区域小到其曲线足以被忽略。广义相对论并非禁止快于光速的旅行或通讯，但它要求对狭义相对性的区域进行限制。也就是说，光速是区域的速度限制，但是广义相对性更为广泛的考虑可以提供回避这种区域限制的迂回途径，比如说连接相距5光年之遥的空间方位的虫洞。物体可以一路遵循区域限速用几分钟时间以低速穿过虫洞的颈部，然而该物体通过这个虫洞所花时间仅仅为几分钟，产生的速度是光速的100万倍。

广义相对论下快于光速的另一个例子就是宇宙本身的膨胀。宇宙膨胀时，任意两个物体之间会产生新的空间。这两个物体相对于各自的区域环境和宇宙微波背景来说是处于静止状态，但是它们之间的距离可以超光速迅速拉开。按照宇宙学的标准模型来看，宇宙的局部在以快于光速的速度远离我们，因此与我们完全隔离。随着宇宙的膨胀速度由于引力的原因而减弱，超过光速的宇宙遥远部分与我们接触，因为大爆炸正在越过光速的视野，重新让宇宙中我们所属的区域看到。

米格尔·阿尔库比埃尔提出的突破快于光速的速度限制有点像宇宙的膨胀，但是规模小得多，是区域膨胀。他提出广义相对性的“度制”，用数学方式表达空间的曲度，用它来描述一个平坦空间在其周围受到翘曲围绕时，以任意速度被推向前方，包括快于光速的速度。

阿尔库比埃尔的翘曲由双曲正切函数构成，在平坦空间体积的边缘形成非常特殊的扭曲。实际上，在移动体积后面新的空间会很快生成（如膨胀的宇宙），而移动体积前边的现有空间正在被湮灭（如宇宙崩溃的大挤压）。因此，处于阿尔库比埃尔翘曲体积（以及体积本身）之内的太空船会被后部膨胀的空间和前部收缩的空间推进。

对于熟悉狭义相对论常规的人来说，有了洛伦兹收缩、质量增加和时间膨胀，阿尔库比埃尔翘曲度制呈现出一些相当独特的性质。既然处于该度制移动体积中心的飞船从其与区域平坦空间的关系来说是静止不动的，那么就不会产生相对论性质量增加或时间膨胀效果。飞船上的时钟和外在观察者的时钟同速走动，即使飞船以快于光速的速度移动，观察者也不会觉察到它的质量增大。而且，阿尔库比埃尔认为，即使飞船在加速度，其移动仍然在自由落体的测地线上。也就是说，利用这个翘曲加速或减速的飞船总是处于自由落体的状态，飞船上的飞行员体会不到加速度带来的重力。由于巨大空间曲率，该平坦空间的边缘附近会有巨大的潮力，但是，如果于度制进行适当的限定，在飞船占据的体积内，这些潮力就会变得非常小。

如果不受狭义相对性带来的令人烦恼的限制而去其他星球，那么这一切似乎已经再好不过了。我们会问：“问题在哪里？”原来阿尔库比埃尔曲速引擎计划存在两个问题。

其一，他的翘曲度制虽然有效地解决了爱因斯坦的广义相对论公式问题，但是我们还不知道如何形成这样一个时空扭曲，这个理论的实施需要在太空的延伸区域施加基本的弯曲度。凭借我们现有的知识，形成一定曲度的空间的唯一办法就是利用质量，而我们现有的设计工程质量所达到的曲度小得微不足道。而且，即使我们能够利用微型黑洞（在其表面附近有许多翘曲空间）实施工程设计，我们仍然不清楚怎样才能形成阿尔库比埃尔翘曲。

阿尔库比埃尔也指出他的曲速引擎存在的一个更为基础的问题。广义相对论为确定某个默认度制（或时空曲度）内的能量密度（单位体积的能量）值提供了一个程序。而通过这一程序得出的能量密度为负数，而且相当大，与翘曲前移的速度平方成正比。这就意味着违背了广义相对论的弱能、强能和优势能量条件，因而可以理解为不能形成可行的阿尔库比埃尔曲速引擎。

阿尔库比埃尔追随虫洞理论家，认为量子场理论在特殊环境中允许负能量密度区域的存在，并以卡西姆效应作为一个例子。因此，阿尔库比埃尔曲速引擎的情况就与稳定虫洞的情况类似：它们都是广义相对论公式的答案。但是，要实现这个目的，就需要负质量能量的“高能物质”，而目前我们根本没有。

阿尔库比埃尔曲速引擎默认的快于光速的旅行或通讯可能性产生了违背因果律的可能性和“类时圈”，即：过去通讯和时间旅行。阿尔库比埃尔指出，他的度制中没有这类因果闭合圈，因此不会产生悖论。然而，他估计能够建立一个类似于他提出的包含这类圈的度制。

将快于光速信号转换为过去信号的计划需要某种具有动态参照系的技巧，以便颠倒信号传输中“发送”和“接收”事件的时序。在阿尔库比埃尔曲速引擎中，这很可能需要从外部以接近光速的速度移动其引擎的机构，或者将一个翘曲嵌入另一翘曲的平坦空间区域。

对科学幻想来说，阿尔库比埃尔曲速引擎的意义是相当明确的。如果能够克服上述的理论和工程难题，我们就可以实现快于光速的旅行。与广义相对论充分一致，这使人回想起当年科幻剧里的曲速引擎。然而应该牢记，使用这种曲速引擎毫无疑问需要把握行星规模的能量（无论是正能还是负能）。使用者也得非常谨慎，必须避开飞船所在的平坦空间区域边缘的扭曲空间区潮力。

还要考虑对于环境的冲击问题：在阿尔库比埃尔飞船飞行途中的外在物体会怎么样？当进入这个翘曲主边缘被扭曲的时空区域时，该空间会迅速崩溃，那么这些外在物会怎么样？任何物质的核子在经过那个区域时会首先接受巨大的压力，很可能形成宇宙大爆炸第一个微秒时的夸克一胶子等离子区，然后再释放压力并在此过程中从翘曲场窃取能量时在介子和其他基本粒子流中爆炸。

阿尔库比埃尔空间翘曲中旅行的飞船应当配备充分的辐射保护屏。这也许不是一个问题，因为那个翘曲的度制和能量密度公式似乎并不取决于赋予快于光速的这个平坦空间区域放置多大的质量。