阿爾庫比埃爾曲速引擎

梁曉鵬

理論物理學家米格爾·阿爾庫比埃爾出生于墨西哥市，直到1990年去威爾士大學讀研之前一直沒有離開過那里。1993年，米格爾·阿爾庫比埃爾在威爾士大學獲得哲學博士學位，研究數值廣義相對論，用快速計算機解決愛因斯坦的地心引力方程式。現在他仍然在這個領域做研究，為描述環繞黑洞設計數值技術。

米格爾·阿爾庫比埃爾曾發表了一篇出自廣義相對論研究的優秀論文，探討現在的時空和引力“標準模型”，論文描述了解決愛因斯坦廣義相對論的一種不同尋常的方法一曲速引擎，通過改變時空，讓太空飛船以極高速飛行。下面就讓我們看一看米格爾·阿爾庫比埃爾的研究及其意義。

首先，從廣義相對論和狹義相對論的視角來看著名的光速限制。在狹義相對論的環境中，光速指的是宇宙中任何具有真正質量的物體（即除了半神話的超光速粒子之外的一切）的絕對速率。

原因有二。其一，給一個快速移動的物體更大的動能主要會增加其質能而不是速度，隨著速度接近光速，其質能也會無限增大。根據這種機制，相對論性質量增大將重物的速度限制在亞光速。

狹義相對論還提供了第二個快于光速限制：假設發現能夠實現快于光速的瞬間通訊。在以完全公平和民主處理所有參考系（即以某種恒速移動的坐標系）時，基礎均為狹義相對論，因此，快于光速的通訊被狹義相對論暗中排除，因為它可以用來執行不同時鐘讀數的“同時性試測”，以揭示宇宙優先的或“真正的”參考系。然而，這樣的優先參考系與狹義相對論相沖突。

廣義相對論把狹義的相對看為適用于太空中一個小區域的有限的次理論，這個區域小到其曲線足以被忽略。廣義相對論并非禁止快于光速的旅行或通訊，但它要求對狹義相對性的區域進行限制。也就是說，光速是區域的速度限制，但是廣義相對性更為廣泛的考慮可以提供回避這種區域限制的迂回途徑，比如說連接相距5光年之遙的空間方位的蟲洞。物體可以一路遵循區域限速用幾分鐘時間以低速穿過蟲洞的頸部，然而該物體通過這個蟲洞所花時間僅僅為幾分鐘，產生的速度是光速的100萬倍。

廣義相對論下快于光速的另一個例子就是宇宙本身的膨脹。宇宙膨脹時，任意兩個物體之間會產生新的空間。這兩個物體相對于各自的區域環境和宇宙微波背景來說是處于靜止狀態，但是它們之間的距離可以超光速迅速拉開。按照宇宙學的標準模型來看，宇宙的局部在以快于光速的速度遠離我們，因此與我們完全隔離。隨著宇宙的膨脹速度由于引力的原因而減弱，超過光速的宇宙遙遠部分與我們接觸，因為大爆炸正在越過光速的視野，重新讓宇宙中我們所屬的區域看到。

米格爾·阿爾庫比埃爾提出的突破快于光速的速度限制有點像宇宙的膨脹，但是規模小得多，是區域膨脹。他提出廣義相對性的“度制”，用數學方式表達空間的曲度，用它來描述一個平坦空間在其周圍受到翹曲圍繞時，以任意速度被推向前方，包括快于光速的速度。

阿爾庫比埃爾的翹曲由雙曲正切函數構成，在平坦空間體積的邊緣形成非常特殊的扭曲。實際上，在移動體積后面新的空間會很快生成（如膨脹的宇宙），而移動體積前邊的現有空間正在被湮滅（如宇宙崩潰的大擠壓）。因此，處于阿爾庫比埃爾翹曲體積（以及體積本身）之內的太空船會被后部膨脹的空間和前部收縮的空間推進。

對于熟悉狹義相對論常規的人來說，有了洛倫茲收縮、質量增加和時間膨脹，阿爾庫比埃爾翹曲度制呈現出一些相當獨特的性質。既然處于該度制移動體積中心的飛船從其與區域平坦空間的關系來說是靜止不動的，那么就不會產生相對論性質量增加或時間膨脹效果。飛船上的時鐘和外在觀察者的時鐘同速走動，即使飛船以快于光速的速度移動，觀察者也不會覺察到它的質量增大。而且，阿爾庫比埃爾認為，即使飛船在加速度，其移動仍然在自由落體的測地線上。也就是說，利用這個翹曲加速或減速的飛船總是處于自由落體的狀態，飛船上的飛行員體會不到加速度帶來的重力。由于巨大空間曲率，該平坦空間的邊緣附近會有巨大的潮力，但是，如果于度制進行適當的限定，在飛船占據的體積內，這些潮力就會變得非常小。

如果不受狹義相對性帶來的令人煩惱的限制而去其他星球，那么這一切似乎已經再好不過了。我們會問：“問題在哪里？”原來阿爾庫比埃爾曲速引擎計劃存在兩個問題。

其一，他的翹曲度制雖然有效地解決了愛因斯坦的廣義相對論公式問題，但是我們還不知道如何形成這樣一個時空扭曲，這個理論的實施需要在太空的延伸區域施加基本的彎曲度。憑借我們現有的知識，形成一定曲度的空間的唯一辦法就是利用質量，而我們現有的設計工程質量所達到的曲度小得微不足道。而且，即使我們能夠利用微型黑洞（在其表面附近有許多翹曲空間）實施工程設計，我們仍然不清楚怎樣才能形成阿爾庫比埃爾翹曲。

阿爾庫比埃爾也指出他的曲速引擎存在的一個更為基礎的問題。廣義相對論為確定某個默認度制（或時空曲度）內的能量密度（單位體積的能量）值提供了一個程序。而通過這一程序得出的能量密度為負數，而且相當大，與翹曲前移的速度平方成正比。這就意味著違背了廣義相對論的弱能、強能和優勢能量條件，因而可以理解為不能形成可行的阿爾庫比埃爾曲速引擎。

阿爾庫比埃爾追隨蟲洞理論家，認為量子場理論在特殊環境中允許負能量密度區域的存在，并以卡西姆效應作為一個例子。因此，阿爾庫比埃爾曲速引擎的情況就與穩定蟲洞的情況類似：它們都是廣義相對論公式的答案。但是，要實現這個目的，就需要負質量能量的“高能物質”，而目前我們根本沒有。

阿爾庫比埃爾曲速引擎默認的快于光速的旅行或通訊可能性產生了違背因果律的可能性和“類時圈”，即：過去通訊和時間旅行。阿爾庫比埃爾指出，他的度制中沒有這類因果閉合圈，因此不會產生悖論。然而，他估計能夠建立一個類似于他提出的包含這類圈的度制。

將快于光速信號轉換為過去信號的計劃需要某種具有動態參照系的技巧，以便顛倒信號傳輸中“發送”和“接收”事件的時序。在阿爾庫比埃爾曲速引擎中，這很可能需要從外部以接近光速的速度移動其引擎的機構，或者將一個翹曲嵌入另一翹曲的平坦空間區域。

對科學幻想來說，阿爾庫比埃爾曲速引擎的意義是相當明確的。如果能夠克服上述的理論和工程難題，我們就可以實現快于光速的旅行。與廣義相對論充分一致，這使人回想起當年科幻劇里的曲速引擎。然而應該牢記，使用這種曲速引擎毫無疑問需要把握行星規模的能量（無論是正能還是負能）。使用者也得非常謹慎，必須避開飛船所在的平坦空間區域邊緣的扭曲空間區潮力。

還要考慮對于環境的沖擊問題：在阿爾庫比埃爾飛船飛行途中的外在物體會怎么樣？當進入這個翹曲主邊緣被扭曲的時空區域時，該空間會迅速崩潰，那么這些外在物會怎么樣？任何物質的核子在經過那個區域時會首先接受巨大的壓力，很可能形成宇宙大爆炸第一個微秒時的夸克一膠子等離子區，然后再釋放壓力并在此過程中從翹曲場竊取能量時在介子和其他基本粒子流中爆炸。

阿爾庫比埃爾空間翹曲中旅行的飛船應當配備充分的輻射保護屏。這也許不是一個問題，因為那個翹曲的度制和能量密度公式似乎并不取決于賦予快于光速的這個平坦空間區域放置多大的質量。