時空超級沖浪

梁曉鵬

到人類未來的某個時候，公元1994年將會成為具有紀念意義的一年。因為就在這一年，曲速引擎的概念首次成為物理學上的一種可能性。而在此之前，它只是科幻作品里的一個老生常談，借助于這個想象的通道，無數(shù)小說人物在星際空間旅行所花的時間就跟你我上市場一樣。對于現(xiàn)實世界的旅行者來說，曲速引擎被認為不符合物理定律。

但是，這一切已經(jīng)發(fā)生了變化。在1994年5月出版的《經(jīng)典引力與量子引力》里，威爾士大學的物理學家米格爾·阿爾庫比埃爾描述的空間旅行場景與科幻小說中的曲速引擎極其相似。有了阿爾庫比埃爾曲速引擎，我們到宇宙中任何一處想用多短時間就用多短時間！

阿爾庫比埃爾設想的曲速引擎借鑒了愛因斯坦廣義相對論的巧妙法則。愛因斯坦認為，時空（空間三維和時間維度的結合）不是一個惰性基質，而是一個動態(tài)實體，受能量集中的影響而扭曲變形。阿爾庫比埃爾認為，我們也許能夠利用這個現(xiàn)象以快于光的速度從一個星球去另一個星球，通過干擾時空，讓飛船正前方的區(qū)域收縮、正后方的區(qū)域擴展，這樣的時空扭曲實際上就像沖浪者處于浪尖一樣，將飛船迅速推向前方。乍一看，這個原理似乎會違背愛因斯坦的狹義相對論，因為狹義相對論認為任何物體的移動速度都不會快于光速，違背這條定律就會導致因果悖論，就會發(fā)生現(xiàn)在的行為影響過去的現(xiàn)象。然而，阿爾庫比埃爾證明，他的曲速引擎實際上不會違背狹義相對論，因為光也在時空中運行，就像飛船一樣，順流而行。相對于飛船來說，光束仍然以光速運行，相對于其緊鄰的時空來說它本身并沒有加速。阿爾庫比埃爾的曲速引擎雖然沒有產生因果悖論，但是人們還是關注空間旅行者的利益。在短短的片刻到達一個遙遠的星球并從其返回，旅行者就得經(jīng)受極其巨大的加速，以這樣的速度航行，他實際上已經(jīng)變成了糨糊。或者說，如果不是因為廣義相對論中的加速度具有相對性的話，這種情況會是真的。

雖然人們從地球上看飛船的加速度極其巨大，但是空間旅行者所體驗的加速度卻是零！空間旅行者將處于失重狀態(tài)，就像繞地飛行的宇航員一樣。阿爾庫比埃爾最后也解釋說，利用他的曲速引擎的旅行者體會不到時間膨脹。

愛因斯坦狹義相對論的預測之一是，對于相互之間運動的觀察者來說，時間的移動速度不同（基利說‘時間是重力）。設想有兩個宇航員約翰和坎貝爾，他們決定去200萬光年之外的仙女座。約翰乘坐飛船，“以1個地球重力速度一路前行”，而坎貝爾旅行的大多數(shù)時間接近光速，由于時間的膨脹，坎貝爾能活著回來，往返只需60年。可是，因為仙女座距離地球200萬光年，在坎貝爾回到地球之前400萬年已經(jīng)過去。相比之下，約翰能夠到達仙女座，然后回到地球趕上吃晚飯！

當然，沒有免費的午餐（或晚餐）。阿爾庫比埃爾的曲速引擎是一種被稱為奇異物質的東西，具有負能密度的特性，它不像構成人、行星和恒星的具有正能密度的正常物質。能量密度相同的物質通過重力相互吸引，而正能物質和負能物質則通過重力相互排斥。曲速引擎就是靠奇異物質的負能密度推動。

負能密度并不是聽上去的那種荒謬的東西。早在1948年，荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾便首次預測能夠看到負能密度的影響。他推測，如果負能密度存在，真空中兩個距離很近的平行導電片就會相互吸引。這種現(xiàn)象現(xiàn)在被稱為卡西米爾效應。1958年，M.斯帕納伊對其進行了測量，其結果人們通常認為是對可能存在負能密度的確認。人們所知的暴脹這種現(xiàn)代宇宙學理論，也引出一種稍微不同的奇異物質，它在早期宇宙（大爆炸之后）中具有正能密度，但是具有非常大的負壓，大到能夠對正能密度的效應產生反作用。其結果是時空的急劇膨脹，使兩個最初距離很近的觀察者以大于光速的速度急速遠離。

時空膨脹的這種模式為阿爾庫比埃爾的曲速引擎概念提供了動力。當然，在航空公司開始建造星艦之前還得確定技術細節(jié)，其中最重要的是奇異物質的生產。這個問題阿爾庫比埃爾還沒有怎么考慮過。他雖然是一個科幻迷。但是不想繼續(xù)探索這個話題。目前，他的大多數(shù)時間都在研究廣義相對論的其他問題。他說，這個曲速引擎是他利用業(yè)余時間想到的一個非常簡單的東西。也許將來有些科學家會在他們的“業(yè)余時間”繼續(xù)研究這個問題，他們將獲得極其巨大的回報。