距离《星际迷航》的推进技术还有多远？|《探索》杂志

人们常常谈论设定在23世纪的《星际迷航》原版，如何预言了我们早在2014年就已经开始使用的许多设备。从最初的通讯器演变成翻盖式手机（很多人认为这已经过于原始），到会说话、能识别语音并提供即时翻译的计算机（这些都在不断改进），再到医疗应用，如无针注射、抗辐射药物和医疗扫描仪。

然而，当我们审视《星际迷航》中更具科幻色彩的技术时，却很难找到令人信服的报道表明我们正接近一个像《星际迷航》一样的世界。对于《星际迷航》的传送器来说，情况确实如此：尽管在“量子隐形传态”方面取得了一些成功，这可能对计算机和可能的通信技术有所应用，但没有专家表示这即将带来将人类或其他物体从一个地方传送到另一个地方的技术。

太空旅行也是如此。《星际迷航》描绘了一个人们可以在行星和星系（至少是附近的星系）之间频繁且非常快速地穿梭的世界。例如，星际联邦包含相距数十光年的星球，而普通地球人通常只需要几天到几周的时间就能穿越。

显然，这是《星际迷航》技术中一个离我们现实生活还很遥远的方面。但这并非仅仅是科幻的范畴：科学家们正在采取各种方法来尝试创造下一代太空推进技术，以超越那些需要绝大部分飞船质量作为燃料的化学火箭。

如果我们希望太空飞行像航空一样成为人类的常规出行方式，我们将需要重大的创新。这些创新会马上到来吗？

日常太空旅行

你可能听说过一个新奇的NASA实验性引擎，这个消息在一个月前以曲速的速度传播开来。相关报道非常乐观，标题诸如“不可能的NASA引擎或许真的有效”。现在，由于“不可能”这个词的使用，一些质疑的声音出现了，理由是“怎么可能一个引擎会违反牛顿第三定律（作用力与反作用力大小相等，方向相反）呢？ surely NASA 肯定比牛顿更容易出错”。

我们尚不知道这个故事的结局，但为了记录，让我们明确一点：如果这个新引擎有效，它并不会违反牛顿第三定律。这种误解是基于这样一个事实：推进装置不需要反作用质量的供应。取而代之的是，它通过一种电磁效应，能够对空间中的虚拟粒子施加作用力。根据量子理论，这些是不断地产生和湮灭的亚原子粒子。牛顿的理论是一个特殊情况，不适用于量子世界，正如它不适用于以相对论速度（接近光速）运动的物体一样。

爱因斯坦证明了后者，这并没有推翻牛顿，而是扩展了他的发现；而一系列其他物理学家发展了量子理论，这也没有推翻牛顿。无论你是扔一个篮球，做一个双重旋转后空翻，还是以超音速飞越大西洋，牛顿的理论仍然是正确的。并且，考虑到虚拟粒子，这个实验性引擎也同样适用。是的，它们听起来很奇怪，但就反作用质量而言，它们就像船或飞机的螺旋桨所推动的水或空气一样。

扭曲空间

现在，让我们超越这个新引擎。曲速引擎又如何呢？在《星际迷航》中，曲速引擎允许人类及其他物种以超光速旅行，而又不违反物理定律。阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论表明，任何物体都无法达到光速。然而，在接下来的几年里，爱因斯坦发展了他的广义相对论，它包含各种不同的解。事实证明，爱因斯坦场方程的一些解允许我们以超光速移动空间本身。换句话说，我们可以扭曲空间，压缩飞船前方的空间，拉伸飞船后方的空间。

20世纪60年代，没有人知道这是可能的；那时，《星际迷航》的创作者吉恩·罗登贝瑞只是需要一种方法让“企业号”星舰在星系之间快速移动。除了通过提供深刻的社会评论，开拓了电视节目的新领域外，罗登贝瑞还希望这部剧在科学上比当时的其他太空节目更具说服力。还记得《迷失太空》吗？罗宾逊一家最初处于休眠状态，因为前往最近的星系需要几十年时间，然后突然之间他们就能在几天内穿越星际距离了？罗登贝瑞希望做得更好，这就是曲速引擎的由来。

经过三个季度、一部动画系列、几部电影、《星际迷航：下一代》以及后续的《星际迷航》系列，我们对曲速引擎有了更多的了解。曲速引擎是由人类泽弗拉姆·科克伦在21世纪中叶发明的，但瓦肯人在此之前几个世纪就已发明了。它需要一种叫做二锂的奇异物质和一个叫做曲速线圈的装置。最终，技术是逐步发展的；科克伦的曲速速度相对较慢，直到22世纪中叶（比柯克的“企业号”早一个世纪），人类才达到了曲速5级，相当于光速的125倍（科克伦等级）。但较慢的曲速速度足以让科克伦那一代人殖民天狼星系，距离地球4.3光年。

在现实世界中，我们对任何形式的曲速都将感到非常兴奋。这有可能实现吗？

答案是肯定的，这要归功于我之前关于爱因斯坦场方程解的论述。1994年，受到观看《星际迷航》的启发，米格尔·阿尔库别利（当时是一名大学物理学专业的学生）发表了第一个允许曲速引擎存在的场方程解。这是一个纯粹的理论项目，阿尔库别利后来已经放弃了。他认为在技术上不可行，因为它需要相当于宇宙中几乎所有的能量，或者至少是恒星级别的能量，而且还需要负能量。

计算

然而，近年来，一些研究应用物理学的科学家对阿尔库别利的理论进行了调整，使这个想法在所需能量和以符合我们当前技术实力方面产生曲速方面都变得更加可行。

首先是所需能量。阿尔库别利最初的理论基于压缩飞船前方空间并膨胀其后方空间，以形成一个类似气泡的曲速场，其边界比原子核还要薄。

Sonny White，休斯顿NASA曲速研究项目的负责人说，这就好比试图把一个木桌面的厚度压缩到一张纸那么薄。“你无法用手挤压木桌面使其变得更薄，”White说，因为这需要你手指无法产生的能量。“但你可以把它压缩到大约纳米级别那么薄。”

同样，存在一些曲速气泡，比阿尔库别利在其计算中使用的气泡更容易在能量上实现。阿尔库别利曲速气泡的边界厚度约为普朗克长度（约1.62 x 10-35米），但如果你将边界厚度增加到几百纳米，即可见光波长的范围，那么所需的能量就会大大降低。

不仅技术在定量上（即所需能量）变得更加可行，在定性上也同样如此。“更厚的曲速气泡壁意味着我们产生曲速所需的能量更少，而且还意味着我们可能会使用电磁技术来做到这一点，”Eric Davis，德克萨斯州奥斯汀先进研究所的突破性推进物理学家解释道。“而这恰恰是我们人类已经开发出的技术。”想想你的手机就知道了。

换句话说，在阿尔库别利的计算中改变几个数字，就能使曲速至少在可行的技术方面变得可以设想。基于类似的调整计算，White也发现空间可以在一定程度上被软化，就像把木桌变成泡沫一样，使其更容易压缩。Davis发现的另一个调整是，如果曲速发生器被脉冲，即非常快速地开启和关闭，这将进一步降低能量需求。而且，我之前提到的负能量的需要也不必成为一个障碍，因为存在一种负能量——负真空能——可以通过我们的一些能力来产生，包括激光和一种称为量子光学的技术。