劉聲遠(yuǎn)

科幻作品中不乏對(duì)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(xué)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(fù)能量”的神秘物質(zhì)。

你已打好背包，等待從航天港騰飛。你可能會(huì)想象宇宙飛船上將播放什么電影。盡管長(zhǎng)途旅行從來都不是你的偏愛，但一旦抵達(dá)目的地，你就會(huì)覺得這趟旅行實(shí)在太值得。不過，這次你不是跨越大洋去另一個(gè)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(zhǎng)久以來的一大夢(mèng)想。它也是科幻大片的一個(gè)常見主題：前往遙遠(yuǎn)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(shí)空的捷徑——蟲洞，探尋整個(gè)宇宙中的可居住世界。

在考慮深空旅行時(shí)，遇到的最大問題是巨大的距離。離地球最近的恒星除太陽(yáng)外就是比鄰星，它距離地球40萬(wàn)億千米之遙。請(qǐng)注意，40萬(wàn)億就是4的后面跟著13個(gè)0哦！這樣的數(shù)字真是“笨重”，所以科學(xué)家創(chuàng)造了光年這個(gè)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(wàn)億千米。就算是以光速?gòu)牡厍虺霭l(fā)和旅行，也需要4.2年才能飛到比鄰星。科學(xué)家之所以選擇光速，是因?yàn)楣馑偈怯钪嬷凶羁斓乃俣取?9和20世紀(jì)進(jìn)行的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)顯示，光速看來是你能穿越空間的絕對(duì)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(jiǎn)稱歐空局）的“太陽(yáng)神”系列探測(cè)器。20世紀(jì)70年代中期，它們以超過每秒7萬(wàn)米的速度飛過太陽(yáng)。這與每秒約30萬(wàn)千米的光速相比，簡(jiǎn)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(shù)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(wàn)倍甚至幾十萬(wàn)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(shí)際上，蟲洞是廣義相對(duì)論的一個(gè)基本話題。

什么是時(shí)空？

時(shí)空是愛因斯坦在廣義相對(duì)論中使用的坐標(biāo)系。其中，時(shí)間被視作一個(gè)代表第四維度的可變量，與三維空間沒有任何區(qū)別。沒有人知道時(shí)空是否只是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，還是在物理學(xué)上可行。探測(cè)時(shí)空結(jié)構(gòu)的努力迄今尚未成功。

蟲洞

廣義相對(duì)論是愛因斯坦對(duì)宇宙的描述。它提供了一個(gè)叫作時(shí)間-空間（簡(jiǎn)稱時(shí)空）的坐標(biāo)系，所有天體都位于這個(gè)系統(tǒng)中。時(shí)空經(jīng)常被描述成一個(gè)延伸在整個(gè)宇宙中的連續(xù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)你在時(shí)空中移動(dòng)時(shí)，就是在時(shí)間和空間里都移動(dòng)。天體扭曲這一結(jié)構(gòu)，盡管這種扭曲對(duì)我們來說幾乎不可見，它卻創(chuàng)造引力，使光線偏轉(zhuǎn)。

蟲洞是穿越時(shí)空的隧道。可以把它們視為在空間往復(fù)旅行時(shí)，能借以避開長(zhǎng)距離的捷徑?；蛟S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(gè)名字，是由美國(guó)科學(xué)家約翰·惠勒在1957年的一篇文章里首次提出的。其實(shí)，早在1935年，愛因斯坦及其同事南森·羅森就調(diào)查過這種可能性（所以蟲洞的正規(guī)名稱是愛因斯坦-羅森橋），而一名德國(guó)數(shù)學(xué)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(xì)微）結(jié)構(gòu)。它們看似有天然不穩(wěn)定性。因此，就算亞微觀蟲洞正在持續(xù)形成，它們也可能在有什么東西穿過它們之前就坍塌了。

時(shí)間很快就到了1988年。美國(guó)加州理工學(xué)院物理學(xué)家基普·索恩的研究發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定和擴(kuò)大，因此使得蟲洞旅行可行。但這里有一個(gè)關(guān)鍵性的問題：這種合適的能量從何而來？科學(xué)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(fù)壓力”。為此，必須有某種能產(chǎn)生負(fù)引力的負(fù)能量或負(fù)質(zhì)量。1997年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹。他們認(rèn)為，這是由空間充滿的一種負(fù)能量導(dǎo)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(xué)家還是開始研究暗能量究竟會(huì)如何影響蟲洞。結(jié)果并不好，暗能量會(huì)遵循奇異的量子力學(xué)定律，這些定律適用于超細(xì)微結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，暗能量的位置和動(dòng)量都無(wú)法被準(zhǔn)確界定，這會(huì)造成蟲洞“模糊”。也就是說，穿越蟲洞后你最終會(huì)止于何處、止于何時(shí)，都是不確定的。換句話說，你確實(shí)可以在時(shí)空中找到捷徑并且采用，卻不能掌控目的地或到達(dá)時(shí)間。不得不承認(rèn)，蟲洞這個(gè)概念實(shí)際上很粗糙，在可以預(yù)見的未來它完全超越人類的技術(shù)能力，也就是純粹屬于科幻范疇。但是，另一個(gè)屬于科幻范疇的概念——曲速引擎又如何呢？

怎樣建造蟲洞

運(yùn)用復(fù)雜的技術(shù)和一些暗能量，我們有可能創(chuàng)建蟲洞穿越時(shí)空

1 獲取負(fù)能量

第一步是找到一種負(fù)能量源，讓它抵消天然形成的蟲洞容易坍塌的趨勢(shì)。這種能量必須以某種方式儲(chǔ)存，從而克制它讓自己周圍時(shí)空膨脹的趨勢(shì)。這涉及高端技術(shù)，而且是否有合適的負(fù)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(guī)模地連續(xù)形成和消失。量子泡沫是通過超強(qiáng)力顯微鏡和粒子加速器看到的時(shí)空連續(xù)體，這是一種高度復(fù)雜的技術(shù)，或許能扼住一個(gè)超細(xì)微蟲洞的咽喉。

3 輕易搞定

一旦蟲洞被采用負(fù)能量穩(wěn)定下來，一艘宇宙飛船就可被送入蟲洞，看它最終如何終結(jié)。如果它終止于無(wú)用之地或危險(xiǎn)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(shí)空橋，那就為它注入更多負(fù)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(fù)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(gè)蟲洞網(wǎng)絡(luò)將跨越銀河系，延伸到更遠(yuǎn)處，如果真的存在其他宇宙，它甚至能延伸到其他宇宙。因?yàn)橄x洞是穿越時(shí)空的捷徑，它們也可能被用作時(shí)間機(jī)器。但在蟲洞被創(chuàng)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(gè)通道的蟲洞一端，看見另一端的恒星。俄羅斯物理學(xué)家亞歷山大·夏茨基的計(jì)算表明，讓蟲洞開啟所需的負(fù)能量，會(huì)把來自蟲洞邊緣的光線推動(dòng)、聚合成蟲洞邊緣的一圈光暈。夏茨基暗示，蟲洞另一側(cè)發(fā)生的伽馬射線暴，可能會(huì)暴露蟲洞的存在?？茖W(xué)家將可能看見一次伽馬射線暴，但無(wú)法識(shí)別究竟是哪個(gè)星系所產(chǎn)生的。

另一種思路是，蟲洞的開口可能會(huì)在我們于一顆恒星前方的觀測(cè)視線中飄浮。首先，蟲洞的強(qiáng)大引力場(chǎng)會(huì)通過引力透鏡過程增強(qiáng)恒星的星光。接著，隨著恒星星光向下進(jìn)入蟲洞，恒星會(huì)變暗。最后，隨著蟲洞離開恒星，星光在另一次引力透鏡效應(yīng)中再度達(dá)到最亮。這會(huì)成為蟲洞的可識(shí)別標(biāo)志。

或許，識(shí)別蟲洞的最重要含義是：外星人或許真的存在。一個(gè)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(fā)達(dá)的外星人在操控它。

曲速引擎

1994年，墨西哥物理學(xué)家米格爾·埃爾古比爾一夜成名，因?yàn)樗C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(shí)空泡泡上沖浪。但問題是，這也得依賴某種類型的負(fù)能量來扭曲空間，提供反引力，推動(dòng)飛船往返。

在位于得克薩斯州休斯頓的美國(guó)宇航局約翰遜太空中心，一個(gè)科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)就職于“高端推進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)室”。在工程師兼物理學(xué)家哈羅德·懷特率領(lǐng)下，他們進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)。有人聲稱，這些實(shí)驗(yàn)顯示了出人預(yù)料的性質(zhì)，可能被用于未來的太空飛行。2014年，這個(gè)團(tuán)隊(duì)登上媒體頭條，也遭來一些非議，因?yàn)樗麄儼l(fā)表的研究結(jié)果暗示：一種“不可能的”推進(jìn)系統(tǒng)其實(shí)有可能行得通。

這種原本被稱為“特快推進(jìn)”的系統(tǒng)，是由英國(guó)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(gè)錐形模腔的微波能產(chǎn)生一種推進(jìn)力。一些科學(xué)家猛烈抨擊索耶的理論，稱它違反物理學(xué)的一個(gè)基本定律——能量守恒。然而，也有一些科學(xué)家團(tuán)隊(duì)（包括懷特團(tuán)隊(duì)）對(duì)測(cè)試索耶理論有一定興趣。美國(guó)宇航局拒絕記者對(duì)懷特的采訪申請(qǐng)，但該局在一份聲明中表示：“盡管約翰遜太空中心一個(gè)團(tuán)隊(duì)的超光速理論研究成為頭條新聞，但這屬于一種概念性調(diào)查?！睋Q句話說，打好行囊、準(zhǔn)備深空旅行其實(shí)為期還遠(yuǎn)。

有可能會(huì)使得深空旅行成為可能的進(jìn)展，也許并不一定會(huì)來自實(shí)驗(yàn)。超越愛因斯坦廣義相對(duì)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(jù)現(xiàn)有理論，我們應(yīng)該無(wú)法打破光速限制。但一些科學(xué)家相信，現(xiàn)有的光速理論有缺陷，該理論并非是堅(jiān)不可摧的。倫敦帝國(guó)大學(xué)的物理學(xué)家若昂·馬奎荷一直致力于研發(fā)一種全新的引力理論，它適用于引力變得極強(qiáng)的情況，例如在黑洞附近或接近大爆炸（宇宙誕生）時(shí)刻的狀況。這兩者都是廣義相對(duì)論崩潰之地。馬奎荷提出的一種假說是，在大爆炸之后的時(shí)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(xué)觀測(cè)結(jié)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?yàn)樵S多有關(guān)早期宇宙的理論都預(yù)測(cè)了一種叫作“宇宙弦”的現(xiàn)象。這些弦是大爆炸的剩余，至今未被直接觀察到。作為時(shí)空中的“折痕”或“皺紋”，宇宙弦其實(shí)是太空中略微有差異地區(qū)之間的邊界。它們很像晶體中可能出現(xiàn)的瑕疵。重要的是，它們的規(guī)模很大，光速在靠近它們的地方很可能會(huì)增加，并且會(huì)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(wú)須打破光速限制，只需某種強(qiáng)力引擎來加速飛船。

然而，如此激動(dòng)人心的技術(shù)要變成現(xiàn)實(shí)的話，還需要很漫長(zhǎng)的時(shí)間。馬奎荷甚至不愿意預(yù)測(cè)這種可能性是否真的存在。實(shí)際上，科學(xué)界一致認(rèn)為，深空旅行目前只能停留在科幻理念中。

什么是負(fù)能量？

負(fù)能量是一種能產(chǎn)生反引力的假想物質(zhì)。它與另一種假想物質(zhì)——奇異物質(zhì)有關(guān)，而它們的特性迄今未能在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到。無(wú)人知道這些物質(zhì)是真的存在，還是只是數(shù)學(xué)上的可能性。

曲速引擎 太空沖浪

廣義相對(duì)論讓超光速太空飛行看似不可能。但時(shí)空本身并不受廣義相對(duì)論限制。曲速引擎能夠扭曲宇宙結(jié)構(gòu)，使時(shí)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(yùn)動(dòng)“沖浪”——以超光速飛行，同時(shí)讓自己在曲速泡（未被改變的正常時(shí)空）內(nèi)部的小小時(shí)空中保持基本靜止。這如果能實(shí)現(xiàn)，絕對(duì)堪稱美妙。

1 假想中存在的負(fù)能量，可讓飛船背后的時(shí)空劇烈膨脹。

2 在飛船前方，常規(guī)能量會(huì)創(chuàng)造一個(gè)強(qiáng)有力的壓縮區(qū)域。

3 飛船在一個(gè)相對(duì)平坦的時(shí)空（曲速泡）中“沖浪”。

4 宇宙結(jié)構(gòu)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(diǎn)一直是：宇宙中沒有什么東西的速度會(huì)比光速更快。但物理學(xué)暗示，光子有可能輸在終點(diǎn)線。

1 宇宙膨脹

這是宇宙突然變大的假想時(shí)刻。為了這件事的發(fā)生，時(shí)空的膨脹速度必須是光速的許多倍。這并不違反物理學(xué)法則，因?yàn)橛钪嫠俣冗@個(gè)限制只適用于在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的物體，而不適用于時(shí)空自身的運(yùn)動(dòng)。宇宙膨脹是否真的發(fā)生過，迄今并不清楚。然而，空間膨脹正在讓遙遠(yuǎn)的星系看上去不斷遠(yuǎn)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(xué)對(duì)等物——契倫科夫輻射，發(fā)生于光線從真空轉(zhuǎn)入一種密度更大的介質(zhì)（例如水或玻璃）而減速之時(shí)。同方向飛行的高能粒子通常不會(huì)像光減速那么靈敏，反而可能會(huì)在進(jìn)入更大密度介質(zhì)之時(shí)飛得更快。它們形成的激波，會(huì)把擋道的光線推開。在被水包裹的核反應(yīng)堆周圍，常能見到一種詭異的藍(lán)色光暈，這便是契倫科夫輻射。

3 超光速粒子

簡(jiǎn)稱速子。這是對(duì)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(xiàn)有物理學(xué)法則，除非它具有某些非常特異的性質(zhì)。如果這樣的粒子真的存在，它就能在時(shí)間上回到過去，并且永遠(yuǎn)都不會(huì)低于光速飛行。這聽起來令人興奮，但迄今為止，哪怕一個(gè)這樣的粒子也未被找到。