导语：超光速的星际之旅可能吗？如果没有任何物体能够超越光速，该如何缩短星际旅行的时间呢？曲速引擎可以做到吗？
关键词：星际旅行、曲速引擎、相对论
我可以送你过去，很快！图片来源： Craig Cormack, CC BY
早在帝国反击和行星联邦结盟之前，艾萨克·阿西莫夫创造了《基地（Foundation）》——一部描写银河帝国衰落和灭亡的史诗。阿西莫夫的帝国由2500万行星组成，炫酷的飞船在银河系之间来往如梭。
那么这些飞船如何能够飞跃恒星间的巨大横沟呢？通过超空间跳跃！正如阿西莫夫在基地中所说：
如果是普通的飞船，那么飞行速度不会超过光速，这就意味着就算是穿过两个最近的聚居系统也需要几年时间。但是，通过超时空——一种非空间非时间，非物质非能量，非有也非无的东西，我们可在两个相邻时刻的间隙穿越银河系。
阿西莫夫到底在说什么？他知道超光速的深奥理论？不见得。阿西莫夫不过是延续了科幻小说的传统罢了：如果在小说中，遇到不可克服的困难，就编造一个解决办法。
没有什么比光快。图片来源：Bastian Hoppe, CC BY-NC-ND
你不可能超越光速
问题是，据我们所知，超光速旅行是不可能的，那么星系帝国、联邦、联盟和任何跨星系文明都不可能实现。这可就麻烦了。为了避开宇宙速度极限，科幻小说造出了“曲速引擎”、“超空间”、“子空间”和其他的早已熟知的小把戏，而科幻迷们则对这些深信不疑。
祝好运咯。图片来源：Lost in Space 'The Derelict'
光设定了宇宙速度极限
为什么我们不能超过光速？毕竟，直到“音障”打破之前我们都把它视作一个障碍。（编者注：音障通常是指飞机运动速度超过声速时，机身对空气压缩无法迅速传播，致使飞机所受阻力增大）但是光速是一个更加难破的“障碍”。早在19世纪科学家研究光时，有个难题：理论表明任何光测者都测到相同的光速——约186000英里/秒（3×108米/秒）。这就意味着，如果你“追”一束光，无论你跑得多快，光始终以186000英里/秒远离你。更奇怪的是，如果你以99%的光速运动时，而你的朋友保持静止，你们俩仍都将看到光以同样的速度运动。
当时的许多科学家都不信这个奇怪的“预言”，于是美国科学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）与他的同事Edward Morley开始测量光速因地球运动而产生的变化。但是他们著名的Michelson-Morley 实验却表明光速不因地球自转而变化。无论从那个方向测量，与地球自转一致或反向，光速似乎都是一样的。这个罕见的“毫无发现“的例子比任何发现更重要！
爱因斯坦和相对论
爱因斯坦并没有尝试解释这个奇怪的现象，而是直接承认了它。他创造了一整套理论，即狭义相对论。其思路是以不同速度运动的观察者所测量到的光速都是一样的，为了将光的这个行为与理论相容，爱因斯坦推测，随着运动速度的增大，时间会“变慢”或空间会压缩。狭义相对论中还假定了一个宇宙速度极限：没有任何东西可以超越光速。
相对论是现代物理的基石，而且我们也没有理由质疑它，毕竟没有人观测到运动速度比光速快的物体。还需要澄清一点：爱因斯坦的速度极限是光在真空中的速度。当光穿过如水或玻璃等介质时，光会减速，之后减速了的光又可能加速，直到达到最大真空中的光速。任何运动速度超过水中或玻璃中光速的物体都会产生类似音爆的光爆，即切伦科夫辐射。这就是水下核反应有漂亮的蓝色光晕的原因。
那么曲速引擎呢？
在所有试图撼动爱因斯坦速度极限的尝试中，最有希望的是由理论物理学家Miguel Alcubierre提出的“曲速引擎”。 Alcubierre的设想并没有违反宇宙速度极限，而只是接近它。往装满水又带油的煎锅里滴上少许肥皂水，油就会很快聚在锅的边缘。
可视化曲速引擎。飞船在正常的时空气泡里，气泡前面时空被压缩，气泡后面时空被拉伸。图片来源：Trekky0623
Alcubierre的曲速引擎对空间的作用也是一样的。Alcubierre说通过恰当地物质分布，你可以将飞船前的空间压缩，将其后的空间拉伸，并且制造一个气泡包裹任意速度的飞船。因为空间在飞船前收缩，飞船实际上并没有超过光速。而且，飞船相对于气泡是静止的，在气泡里的人不会感到加速度。这是一次平稳的旅途。
大家都准备好离开太阳系了吗？我们必须违背弱能量条件……
但有个小问题……Alcubierre的空间扭曲仅在违反“弱能量条件”的情况下才能达到。科学家不能证明弱能量条件是真的，但是如果违反它就会产生许多奇怪的事情，比如负能量密度、甚至是虫洞或时间机器。酷！给我预定个位置！到我们从来没有看到任何违反弱能量的实例。所以Alcubierre曲速引擎是在物理的模糊地带，不能完全否定，但说服力不强。
所以人类要怎么到达遥远的星球呢？比光速还快的旅途是不可能的了。我们只能另谋出路。开始工作吧！
（翻译：张玲；审校：李想）
原文链接：
https://theconversation.com/faster-than-light-travel-are-we-there-yet-41112
留言