超光速旅行

劉聲遠

科幻作品中不乏對人類探索深空的描寫，而要探索深空就涉及超光速。在本文中，科學家考證迅速穿越宇宙的各種可能方式是否真的可行，例如蟲洞、曲速引擎和一種叫作“負能量”的神秘物質。

你已打好背包，等待從航天港騰飛。你可能會想象宇宙飛船上將播放什么電影。盡管長途旅行從來都不是你的偏愛，但一旦抵達目的地，你就會覺得這趟旅行實在太值得。不過，這次你不是跨越大洋去另一個大陸，而是要旅行到幾千光年外的深空。

恒星際（即恒星之間，或稱深空）旅行是人類長久以來的一大夢想。它也是科幻大片的一個常見主題：前往遙遠世界，深入黑洞觀光，或者把人類從瀕死的地球拯救到深空樂土。在2014年好萊塢大片《深空》中，一群宇航員使用穿越時空的捷徑——蟲洞，探尋整個宇宙中的可居住世界。

在考慮深空旅行時，遇到的最大問題是巨大的距離。離地球最近的恒星除太陽外就是比鄰星，它距離地球40萬億千米之遙。請注意，40萬億就是4的后面跟著13個0哦！這樣的數字真是“笨重”，所以科學家創造了光年這個距離單位。1光年是指一束光在真空中（也即宇宙空間）1年中走過的距離，等于9.5萬億千米。就算是以光速從地球出發和旅行，也需要4.2年才能飛到比鄰星。科學家之所以選擇光速，是因為光速是宇宙中最快的速度。19和20世紀進行的多項實驗顯示，光速看來是你能穿越空間的絕對速度極限。

迄今為止，地球人建造的最快的飛船是歐洲空間局（簡稱歐空局）的“太陽神”系列探測器。20世紀70年代中期，它們以超過每秒7萬米的速度飛過太陽。這與每秒約30萬千米的光速相比，簡直不值一提。比鄰星是地球的近鄰，所以才稱為比鄰星。大多數恒星與地球的距離是比鄰星與地球之間距離的幾百倍、幾千倍、幾萬倍甚至幾十萬倍。如果要讓深空旅行變得可行，就必須找到能繞過光速限制的方法，蟲洞的用處就在于此。實際上，蟲洞是廣義相對論的一個基本話題。

什么是時空？

時空是愛因斯坦在廣義相對論中使用的坐標系。其中，時間被視作一個代表第四維度的可變量，與三維空間沒有任何區別。沒有人知道時空是否只是一個數學概念，還是在物理學上可行。探測時空結構的努力迄今尚未成功。

蟲洞

廣義相對論是愛因斯坦對宇宙的描述。它提供了一個叫作時間-空間（簡稱時空）的坐標系，所有天體都位于這個系統中。時空經常被描述成一個延伸在整個宇宙中的連續結構。當你在時空中移動時，就是在時間和空間里都移動。天體扭曲這一結構，盡管這種扭曲對我們來說幾乎不可見，它卻創造引力，使光線偏轉。

蟲洞是穿越時空的隧道。可以把它們視為在空間往復旅行時，能借以避開長距離的捷徑。或許很多讀者都知道“蟲洞”，《來自星星的你》里面的都教授就是通過蟲洞穿梭于宇宙之間。蟲洞這個名字，是由美國科學家約翰·惠勒在1957年的一篇文章里首次提出的。其實，早在1935年，愛因斯坦及其同事南森·羅森就調查過這種可能性（所以蟲洞的正規名稱是愛因斯坦-羅森橋），而一名德國數學家在1925年就提出了這種可能性的存在。蟲洞看來是亞微觀（極細微）結構。它們看似有天然不穩定性。因此，就算亞微觀蟲洞正在持續形成，它們也可能在有什么東西穿過它們之前就坍塌了。

時間很快就到了1988年。美國加州理工學院物理學家基普·索恩的研究發現，如果在蟲洞形成之際能給它引入某種合適的能量，蟲洞就可能被穩定和擴大，因此使得蟲洞旅行可行。但這里有一個關鍵性的問題：這種合適的能量從何而來？科學家的回答是：它很可能不是我們已知的宇宙能量。

問題在于，這種能量必須能施加所謂的“負壓力”。為此，必須有某種能產生負引力的負能量或負質量。1997年，科學家發現宇宙正在加速膨脹。他們認為，這是由空間充滿的一種負能量導致的。他們稱之為“暗能量”。但蟲洞比暗能量還要怪異。盡管如此，科學家還是開始研究暗能量究竟會如何影響蟲洞。結果并不好，暗能量會遵循奇異的量子力學定律，這些定律適用于超細微結構。研究發現，暗能量的位置和動量都無法被準確界定，這會造成蟲洞“模糊”。也就是說，穿越蟲洞后你最終會止于何處、止于何時，都是不確定的。換句話說，你確實可以在時空中找到捷徑并且采用，卻不能掌控目的地或到達時間。不得不承認，蟲洞這個概念實際上很粗糙，在可以預見的未來它完全超越人類的技術能力，也就是純粹屬于科幻范疇。但是，另一個屬于科幻范疇的概念——曲速引擎又如何呢？

怎樣建造蟲洞

運用復雜的技術和一些暗能量，我們有可能創建蟲洞穿越時空

1 獲取負能量

第一步是找到一種負能量源，讓它抵消天然形成的蟲洞容易坍塌的趨勢。這種能量必須以某種方式儲存，從而克制它讓自己周圍時空膨脹的趨勢。這涉及高端技術，而且是否有合適的負能量存在也不能確保。

2 找到蟲洞

蟲洞有可能在宇宙中小規模地連續形成和消失。量子泡沫是通過超強力顯微鏡和粒子加速器看到的時空連續體，這是一種高度復雜的技術，或許能扼住一個超細微蟲洞的咽喉。

3 輕易搞定

一旦蟲洞被采用負能量穩定下來，一艘宇宙飛船就可被送入蟲洞，看它最終如何終結。如果它終止于無用之地或危險之地，那就順其自然，讓它逐漸消亡。如果蟲洞真的能形成一座時空橋，那就為它注入更多負能量。

4 空間捷徑

一旦蟲洞變得足夠大，它就可被用作空間捷徑。有一種可能性，就是把蟲洞入口和出口搬到更好的地方。所需的只是某種類型的空間拖船（也稱軌道間飛船或星際交通船），它利用負能量的反引力，把蟲洞的開口“推到”更有利的位置。

5 宇宙高速路

最終，一個蟲洞網絡將跨越銀河系，延伸到更遠處，如果真的存在其他宇宙，它甚至能延伸到其他宇宙。因為蟲洞是穿越時空的捷徑，它們也可能被用作時間機器。但在蟲洞被創制以前，你根本不要指望能回到從前。

怎樣尋找蟲洞？

在宇宙深空定位蟲洞是一件很棘手的事，但這方面已有多種理念。

有可能從照亮整個通道的蟲洞一端，看見另一端的恒星。俄羅斯物理學家亞歷山大·夏茨基的計算表明，讓蟲洞開啟所需的負能量，會把來自蟲洞邊緣的光線推動、聚合成蟲洞邊緣的一圈光暈。夏茨基暗示，蟲洞另一側發生的伽馬射線暴，可能會暴露蟲洞的存在。科學家將可能看見一次伽馬射線暴，但無法識別究竟是哪個星系所產生的。

另一種思路是，蟲洞的開口可能會在我們于一顆恒星前方的觀測視線中飄浮。首先，蟲洞的強大引力場會通過引力透鏡過程增強恒星的星光。接著，隨著恒星星光向下進入蟲洞，恒星會變暗。最后，隨著蟲洞離開恒星，星光在另一次引力透鏡效應中再度達到最亮。這會成為蟲洞的可識別標志。

或許，識別蟲洞的最重要含義是：外星人或許真的存在。一個大得足以被看見的蟲洞之所以被看見，真正原因可能是某些高度發達的外星人在操控它。

曲速引擎

1994年，墨西哥物理學家米格爾·埃爾古比爾一夜成名，因為他證明了曲速引擎的建造至少在理論上是可行的。他破解了愛因斯坦的系列方程式，精確證明：可以讓一艘飛船想好快就好快地在時空泡泡上沖浪。但問題是，這也得依賴某種類型的負能量來扭曲空間，提供反引力，推動飛船往返。

在位于得克薩斯州休斯頓的美國宇航局約翰遜太空中心，一個科學家和工程師團隊就職于“高端推進物理實驗室”。在工程師兼物理學家哈羅德·懷特率領下，他們進行一系列實驗。有人聲稱，這些實驗顯示了出人預料的性質，可能被用于未來的太空飛行。2014年，這個團隊登上媒體頭條，也遭來一些非議，因為他們發表的研究結果暗示：一種“不可能的”推進系統其實有可能行得通。

這種原本被稱為“特快推進”的系統，是由英國工程師羅杰·索耶提出的。他相信，在適合的條件下，被引入一個錐形模腔的微波能產生一種推進力。一些科學家猛烈抨擊索耶的理論，稱它違反物理學的一個基本定律——能量守恒。然而，也有一些科學家團隊（包括懷特團隊）對測試索耶理論有一定興趣。美國宇航局拒絕記者對懷特的采訪申請，但該局在一份聲明中表示：“盡管約翰遜太空中心一個團隊的超光速理論研究成為頭條新聞，但這屬于一種概念性調查。”換句話說，打好行囊、準備深空旅行其實為期還遠。

有可能會使得深空旅行成為可能的進展，也許并不一定會來自實驗。超越愛因斯坦廣義相對論的引力理論新延伸，或許向我們顯示了怎樣突破光速限制。根據現有理論，我們應該無法打破光速限制。但一些科學家相信，現有的光速理論有缺陷，該理論并非是堅不可摧的。倫敦帝國大學的物理學家若昂·馬奎荷一直致力于研發一種全新的引力理論，它適用于引力變得極強的情況，例如在黑洞附近或接近大爆炸（宇宙誕生）時刻的狀況。這兩者都是廣義相對論崩潰之地。馬奎荷提出的一種假說是，在大爆炸之后的時刻，光速比地球上見到的光速高得多。除了能解釋一系列令人困惑的宇宙學觀測結果之外，馬奎荷的這一假說還能打開深空旅行的高速通道。

這之所以成為一種可能性，是因為許多有關早期宇宙的理論都預測了一種叫作“宇宙弦”的現象。這些弦是大爆炸的剩余，至今未被直接觀察到。作為時空中的“折痕”或“皺紋”，宇宙弦其實是太空中略微有差異地區之間的邊界。它們很像晶體中可能出現的瑕疵。重要的是，它們的規模很大，光速在靠近它們的地方很可能會增加，并且會沿著弦的直徑一直保持高速。從理論上說，飛船完全可以沿著宇宙弦飛行，把宇宙弦作為通往其他恒星的一條深空高速路。其中的美妙在于，你無須打破光速限制，只需某種強力引擎來加速飛船。

然而，如此激動人心的技術要變成現實的話，還需要很漫長的時間。馬奎荷甚至不愿意預測這種可能性是否真的存在。實際上，科學界一致認為，深空旅行目前只能停留在科幻理念中。

什么是負能量？

負能量是一種能產生反引力的假想物質。它與另一種假想物質——奇異物質有關，而它們的特性迄今未能在實驗室中觀測到。無人知道這些物質是真的存在，還是只是數學上的可能性。

曲速引擎 太空沖浪

廣義相對論讓超光速太空飛行看似不可能。但時空本身并不受廣義相對論限制。曲速引擎能夠扭曲宇宙結構，使時空在飛船前方壓縮，在飛船后方膨脹。如此一來，飛船就能憑借這種運動“沖浪”——以超光速飛行，同時讓自己在曲速泡（未被改變的正常時空）內部的小小時空中保持基本靜止。這如果能實現，絕對堪稱美妙。

1 假想中存在的負能量，可讓飛船背后的時空劇烈膨脹。

2 在飛船前方，常規能量會創造一個強有力的壓縮區域。

3 飛船在一個相對平坦的時空（曲速泡）中“沖浪”。

4 宇宙結構的扭曲程度，決定著飛船“沖浪”的速度。

3種超光速可能性

我們從小接受的觀點一直是：宇宙中沒有什么東西的速度會比光速更快。但物理學暗示，光子有可能輸在終點線。

1 宇宙膨脹

這是宇宙突然變大的假想時刻。為了這件事的發生，時空的膨脹速度必須是光速的許多倍。這并不違反物理學法則，因為宇宙速度這個限制只適用于在時空中運動的物體，而不適用于時空自身的運動。宇宙膨脹是否真的發生過，迄今并不清楚。然而，空間膨脹正在讓遙遠的星系看上去不斷遠離我們，而且離開的速度是光速的好幾倍。

2 契倫科夫輻射

音爆（超音速飛行器的聲震）的光學對等物——契倫科夫輻射，發生于光線從真空轉入一種密度更大的介質（例如水或玻璃）而減速之時。同方向飛行的高能粒子通常不會像光減速那么靈敏，反而可能會在進入更大密度介質之時飛得更快。它們形成的激波，會把擋道的光線推開。在被水包裹的核反應堆周圍，常能見到一種詭異的藍色光暈，這便是契倫科夫輻射。

3 超光速粒子

簡稱速子。這是對任何速度高于光速的粒子的總稱。這種假想初次得名是在1967年。速度高于光速的粒子違反現有物理學法則，除非它具有某些非常特異的性質。如果這樣的粒子真的存在，它就能在時間上回到過去，并且永遠都不會低于光速飛行。這聽起來令人興奮，但迄今為止，哪怕一個這樣的粒子也未被找到。