时空超级冲浪

梁晓鹏

到人类未来的某个时候，公元1994年将会成为具有纪念意义的一年。因为就在这一年，曲速引擎的概念首次成为物理学上的一种可能性。而在此之前，它只是科幻作品里的一个老生常谈，借助于这个想象的通道，无数小说人物在星际空间旅行所花的时间就跟你我上市场一样。对于现实世界的旅行者来说，曲速引擎被认为不符合物理定律。

但是，这一切已经发生了变化。在1994年5月出版的《经典引力与量子引力》里，威尔士大学的物理学家米格尔·阿尔库比埃尔描述的空间旅行场景与科幻小说中的曲速引擎极其相似。有了阿尔库比埃尔曲速引擎，我们到宇宙中任何一处想用多短时间就用多短时间！

阿尔库比埃尔设想的曲速引擎借鉴了爱因斯坦广义相对论的巧妙法则。爱因斯坦认为，时空（空间三维和时间维度的结合）不是一个惰性基质，而是一个动态实体，受能量集中的影响而扭曲变形。阿尔库比埃尔认为，我们也许能够利用这个现象以快于光的速度从一个星球去另一个星球，通过干扰时空，让飞船正前方的区域收缩、正后方的区域扩展，这样的时空扭曲实际上就像冲浪者处于浪尖一样，将飞船迅速推向前方。乍一看，这个原理似乎会违背爱因斯坦的狭义相对论，因为狭义相对论认为任何物体的移动速度都不会快于光速，违背这条定律就会导致因果悖论，就会发生现在的行为影响过去的现象。然而，阿尔库比埃尔证明，他的曲速引擎实际上不会违背狭义相对论，因为光也在时空中运行，就像飞船一样，顺流而行。相对于飞船来说，光束仍然以光速运行，相对于其紧邻的时空来说它本身并没有加速。阿尔库比埃尔的曲速引擎虽然没有产生因果悖论，但是人们还是关注空间旅行者的利益。在短短的片刻到达一个遥远的星球并从其返回，旅行者就得经受极其巨大的加速，以这样的速度航行，他实际上已经变成了糨糊。或者说，如果不是因为广义相对论中的加速度具有相对性的话，这种情况会是真的。

虽然人们从地球上看飞船的加速度极其巨大，但是空间旅行者所体验的加速度却是零！空间旅行者将处于失重状态，就像绕地飞行的宇航员一样。阿尔库比埃尔最后也解释说，利用他的曲速引擎的旅行者体会不到时间膨胀。

爱因斯坦狭义相对论的预测之一是，对于相互之间运动的观察者来说，时间的移动速度不同（基利说‘时间是重力）。设想有两个宇航员约翰和坎贝尔，他们决定去200万光年之外的仙女座。约翰乘坐飞船，“以1个地球重力速度一路前行”，而坎贝尔旅行的大多数时间接近光速，由于时间的膨胀，坎贝尔能活着回来，往返只需60年。可是，因为仙女座距离地球200万光年，在坎贝尔回到地球之前400万年已经过去。相比之下，约翰能够到达仙女座，然后回到地球赶上吃晚饭！

当然，没有免费的午餐（或晚餐）。阿尔库比埃尔的曲速引擎是一种被称为奇异物质的东西，具有负能密度的特性，它不像构成人、行星和恒星的具有正能密度的正常物质。能量密度相同的物质通过重力相互吸引，而正能物质和负能物质则通过重力相互排斥。曲速引擎就是靠奇异物质的负能密度推动。

负能密度并不是听上去的那种荒谬的东西。早在1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔便首次预测能够看到负能密度的影响。他推测，如果负能密度存在，真空中两个距离很近的平行导电片就会相互吸引。这种现象现在被称为卡西米尔效应。1958年，M.斯帕纳伊对其进行了测量，其结果人们通常认为是对可能存在负能密度的确认。人们所知的暴胀这种现代宇宙学理论，也引出一种稍微不同的奇异物质，它在早期宇宙（大爆炸之后）中具有正能密度，但是具有非常大的负压，大到能够对正能密度的效应产生反作用。其结果是时空的急剧膨胀，使两个最初距离很近的观察者以大于光速的速度急速远离。

时空膨胀的这种模式为阿尔库比埃尔的曲速引擎概念提供了动力。当然，在航空公司开始建造星舰之前还得确定技术细节，其中最重要的是奇异物质的生产。这个问题阿尔库比埃尔还没有怎么考虑过。他虽然是一个科幻迷。但是不想继续探索这个话题。目前，他的大多数时间都在研究广义相对论的其他问题。他说，这个曲速引擎是他利用业余时间想到的一个非常简单的东西。也许将来有些科学家会在他们的“业余时间”继续研究这个问题，他们将获得极其巨大的回报。