超光速旅行

刘声远

科幻作品中不乏对人类探索深空的描写，而要探索深空就涉及超光速。在本文中，科学家考证迅速穿越宇宙的各种可能方式是否真的可行，例如虫洞、曲速引擎和一种叫作“负能量”的神秘物质。

你已打好背包，等待从航天港腾飞。你可能会想象宇宙飞船上将播放什么电影。尽管长途旅行从来都不是你的偏爱，但一旦抵达目的地，你就会觉得这趟旅行实在太值得。不过，这次你不是跨越大洋去另一个大陆，而是要旅行到几千光年外的深空。

恒星际（即恒星之间，或称深空）旅行是人类长久以来的一大梦想。它也是科幻大片的一个常见主题：前往遥远世界，深入黑洞观光，或者把人类从濒死的地球拯救到深空乐土。在2014年好莱坞大片《深空》中，一群宇航员使用穿越时空的捷径——虫洞，探寻整个宇宙中的可居住世界。

在考虑深空旅行时，遇到的最大问题是巨大的距离。离地球最近的恒星除太阳外就是比邻星，它距离地球40万亿千米之遥。请注意，40万亿就是4的后面跟着13个0哦！这样的数字真是“笨重”，所以科学家创造了光年这个距离单位。1光年是指一束光在真空中（也即宇宙空间）1年中走过的距离，等于9.5万亿千米。就算是以光速从地球出发和旅行，也需要4.2年才能飞到比邻星。科学家之所以选择光速，是因为光速是宇宙中最快的速度。19和20世纪进行的多项实验显示，光速看来是你能穿越空间的绝对速度极限。

迄今为止，地球人建造的最快的飞船是欧洲空间局（简称欧空局）的“太阳神”系列探测器。20世纪70年代中期，它们以超过每秒7万米的速度飞过太阳。这与每秒约30万千米的光速相比，简直不值一提。比邻星是地球的近邻，所以才称为比邻星。大多数恒星与地球的距离是比邻星与地球之间距离的几百倍、几千倍、几万倍甚至几十万倍。如果要让深空旅行变得可行，就必须找到能绕过光速限制的方法，虫洞的用处就在于此。实际上，虫洞是广义相对论的一个基本话题。

什么是时空？

时空是爱因斯坦在广义相对论中使用的坐标系。其中，时间被视作一个代表第四维度的可变量，与三维空间没有任何区别。没有人知道时空是否只是一个数学概念，还是在物理学上可行。探测时空结构的努力迄今尚未成功。

虫洞

广义相对论是爱因斯坦对宇宙的描述。它提供了一个叫作时间-空间（简称时空）的坐标系，所有天体都位于这个系统中。时空经常被描述成一个延伸在整个宇宙中的连续结构。当你在时空中移动时，就是在时间和空间里都移动。天体扭曲这一结构，尽管这种扭曲对我们来说几乎不可见，它却创造引力，使光线偏转。

虫洞是穿越时空的隧道。可以把它们视为在空间往复旅行时，能借以避开长距离的捷径。或许很多读者都知道“虫洞”，《来自星星的你》里面的都教授就是通过虫洞穿梭于宇宙之间。虫洞这个名字，是由美国科学家约翰·惠勒在1957年的一篇文章里首次提出的。其实，早在1935年，爱因斯坦及其同事南森·罗森就调查过这种可能性（所以虫洞的正规名称是爱因斯坦-罗森桥），而一名德国数学家在1925年就提出了这种可能性的存在。虫洞看来是亚微观（极细微）结构。它们看似有天然不稳定性。因此，就算亚微观虫洞正在持续形成，它们也可能在有什么东西穿过它们之前就坍塌了。

时间很快就到了1988年。美国加州理工学院物理学家基普·索恩的研究发现，如果在虫洞形成之际能给它引入某种合适的能量，虫洞就可能被稳定和扩大，因此使得虫洞旅行可行。但这里有一个关键性的问题：这种合适的能量从何而来？科学家的回答是：它很可能不是我们已知的宇宙能量。

问题在于，这种能量必须能施加所谓的“负压力”。为此，必须有某种能产生负引力的负能量或负质量。1997年，科学家发现宇宙正在加速膨胀。他们认为，这是由空间充满的一种负能量导致的。他们称之为“暗能量”。但虫洞比暗能量还要怪异。尽管如此，科学家还是开始研究暗能量究竟会如何影响虫洞。结果并不好，暗能量会遵循奇异的量子力学定律，这些定律适用于超细微结构。研究发现，暗能量的位置和动量都无法被准确界定，这会造成虫洞“模糊”。也就是说，穿越虫洞后你最终会止于何处、止于何时，都是不确定的。换句话说，你确实可以在时空中找到捷径并且采用，却不能掌控目的地或到达时间。不得不承认，虫洞这个概念实际上很粗糙，在可以预见的未来它完全超越人类的技术能力，也就是纯粹属于科幻范畴。但是，另一个属于科幻范畴的概念——曲速引擎又如何呢？

怎样建造虫洞

运用复杂的技术和一些暗能量，我们有可能创建虫洞穿越时空

1 获取负能量

第一步是找到一种负能量源，让它抵消天然形成的虫洞容易坍塌的趋势。这种能量必须以某种方式储存，从而克制它让自己周围时空膨胀的趋势。这涉及高端技术，而且是否有合适的负能量存在也不能确保。

2 找到虫洞

虫洞有可能在宇宙中小规模地连续形成和消失。量子泡沫是通过超强力显微镜和粒子加速器看到的时空连续体，这是一种高度复杂的技术，或许能扼住一个超细微虫洞的咽喉。

3 轻易搞定

一旦虫洞被采用负能量稳定下来，一艘宇宙飞船就可被送入虫洞，看它最终如何终结。如果它终止于无用之地或危险之地，那就顺其自然，让它逐渐消亡。如果虫洞真的能形成一座时空桥，那就为它注入更多负能量。

4 空间捷径

一旦虫洞变得足够大，它就可被用作空间捷径。有一种可能性，就是把虫洞入口和出口搬到更好的地方。所需的只是某种类型的空间拖船（也称轨道间飞船或星际交通船），它利用负能量的反引力，把虫洞的开口“推到”更有利的位置。

5 宇宙高速路

最终，一个虫洞网络将跨越银河系，延伸到更远处，如果真的存在其他宇宙，它甚至能延伸到其他宇宙。因为虫洞是穿越时空的捷径，它们也可能被用作时间机器。但在虫洞被创制以前，你根本不要指望能回到从前。

怎样寻找虫洞？

在宇宙深空定位虫洞是一件很棘手的事，但这方面已有多种理念。

有可能从照亮整个通道的虫洞一端，看见另一端的恒星。俄罗斯物理学家亚历山大·夏茨基的计算表明，让虫洞开启所需的负能量，会把来自虫洞边缘的光线推动、聚合成虫洞边缘的一圈光晕。夏茨基暗示，虫洞另一侧发生的伽马射线暴，可能会暴露虫洞的存在。科学家将可能看见一次伽马射线暴，但无法识别究竟是哪个星系所产生的。

另一种思路是，虫洞的开口可能会在我们于一颗恒星前方的观测视线中飘浮。首先，虫洞的强大引力场会通过引力透镜过程增强恒星的星光。接着，随着恒星星光向下进入虫洞，恒星会变暗。最后，随着虫洞离开恒星，星光在另一次引力透镜效应中再度达到最亮。这会成为虫洞的可识别标志。

或许，识别虫洞的最重要含义是：外星人或许真的存在。一个大得足以被看见的虫洞之所以被看见，真正原因可能是某些高度发达的外星人在操控它。

曲速引擎

1994年，墨西哥物理学家米格尔·埃尔古比尔一夜成名，因为他证明了曲速引擎的建造至少在理论上是可行的。他破解了爱因斯坦的系列方程式，精确证明：可以让一艘飞船想好快就好快地在时空泡泡上冲浪。但问题是，这也得依赖某种类型的负能量来扭曲空间，提供反引力，推动飞船往返。

在位于得克萨斯州休斯顿的美国宇航局约翰逊太空中心，一个科学家和工程师团队就职于“高端推进物理实验室”。在工程师兼物理学家哈罗德·怀特率领下，他们进行一系列实验。有人声称，这些实验显示了出人预料的性质，可能被用于未来的太空飞行。2014年，这个团队登上媒体头条，也遭来一些非议，因为他们发表的研究结果暗示：一种“不可能的”推进系统其实有可能行得通。

这种原本被称为“特快推进”的系统，是由英国工程师罗杰·索耶提出的。他相信，在适合的条件下，被引入一个锥形模腔的微波能产生一种推进力。一些科学家猛烈抨击索耶的理论，称它违反物理学的一个基本定律——能量守恒。然而，也有一些科学家团队（包括怀特团队）对测试索耶理论有一定兴趣。美国宇航局拒绝记者对怀特的采访申请，但该局在一份声明中表示：“尽管约翰逊太空中心一个团队的超光速理论研究成为头条新闻，但这属于一种概念性调查。”换句话说，打好行囊、准备深空旅行其实为期还远。

有可能会使得深空旅行成为可能的进展，也许并不一定会来自实验。超越爱因斯坦广义相对论的引力理论新延伸，或许向我们显示了怎样突破光速限制。根据现有理论，我们应该无法打破光速限制。但一些科学家相信，现有的光速理论有缺陷，该理论并非是坚不可摧的。伦敦帝国大学的物理学家若昂·马奎荷一直致力于研发一种全新的引力理论，它适用于引力变得极强的情况，例如在黑洞附近或接近大爆炸（宇宙诞生）时刻的状况。这两者都是广义相对论崩溃之地。马奎荷提出的一种假说是，在大爆炸之后的时刻，光速比地球上见到的光速高得多。除了能解释一系列令人困惑的宇宙学观测结果之外，马奎荷的这一假说还能打开深空旅行的高速通道。

这之所以成为一种可能性，是因为许多有关早期宇宙的理论都预测了一种叫作“宇宙弦”的现象。这些弦是大爆炸的剩余，至今未被直接观察到。作为时空中的“折痕”或“皱纹”，宇宙弦其实是太空中略微有差异地区之间的边界。它们很像晶体中可能出现的瑕疵。重要的是，它们的规模很大，光速在靠近它们的地方很可能会增加，并且会沿着弦的直径一直保持高速。从理论上说，飞船完全可以沿着宇宙弦飞行，把宇宙弦作为通往其他恒星的一条深空高速路。其中的美妙在于，你无须打破光速限制，只需某种强力引擎来加速飞船。

然而，如此激动人心的技术要变成现实的话，还需要很漫长的时间。马奎荷甚至不愿意预测这种可能性是否真的存在。实际上，科学界一致认为，深空旅行目前只能停留在科幻理念中。

什么是负能量？

负能量是一种能产生反引力的假想物质。它与另一种假想物质——奇异物质有关，而它们的特性迄今未能在实验室中观测到。无人知道这些物质是真的存在，还是只是数学上的可能性。

曲速引擎 太空冲浪

广义相对论让超光速太空飞行看似不可能。但时空本身并不受广义相对论限制。曲速引擎能够扭曲宇宙结构，使时空在飞船前方压缩，在飞船后方膨胀。如此一来，飞船就能凭借这种运动“冲浪”——以超光速飞行，同时让自己在曲速泡（未被改变的正常时空）内部的小小时空中保持基本静止。这如果能实现，绝对堪称美妙。

1 假想中存在的负能量，可让飞船背后的时空剧烈膨胀。

2 在飞船前方，常规能量会创造一个强有力的压缩区域。

3 飞船在一个相对平坦的时空（曲速泡）中“冲浪”。

4 宇宙结构的扭曲程度，决定着飞船“冲浪”的速度。

3种超光速可能性

我们从小接受的观点一直是：宇宙中没有什么东西的速度会比光速更快。但物理学暗示，光子有可能输在终点线。

1 宇宙膨胀

这是宇宙突然变大的假想时刻。为了这件事的发生，时空的膨胀速度必须是光速的许多倍。这并不违反物理学法则，因为宇宙速度这个限制只适用于在时空中运动的物体，而不适用于时空自身的运动。宇宙膨胀是否真的发生过，迄今并不清楚。然而，空间膨胀正在让遥远的星系看上去不断远离我们，而且离开的速度是光速的好几倍。

2 契伦科夫辐射

音爆（超音速飞行器的声震）的光学对等物——契伦科夫辐射，发生于光线从真空转入一种密度更大的介质（例如水或玻璃）而减速之时。同方向飞行的高能粒子通常不会像光减速那么灵敏，反而可能会在进入更大密度介质之时飞得更快。它们形成的激波，会把挡道的光线推开。在被水包裹的核反应堆周围，常能见到一种诡异的蓝色光晕，这便是契伦科夫辐射。

3 超光速粒子

简称速子。这是对任何速度高于光速的粒子的总称。这种假想初次得名是在1967年。速度高于光速的粒子违反现有物理学法则，除非它具有某些非常特异的性质。如果这样的粒子真的存在，它就能在时间上回到过去，并且永远都不会低于光速飞行。这听起来令人兴奋，但迄今为止，哪怕一个这样的粒子也未被找到。