深度科普：曲速引擎可达光速20万倍，能让人类实现星际旅行吗？-企业头条

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深度科普：曲速引擎可达光速20万倍，能让人类实现星际旅行吗？

随着科技的发展，我们已经实现了登上月球、向火星发射探测器等壮举，还发射了如旅行者一号、二号在内的 5 个深空探测器，它们正朝着太阳系边缘飞去，旅行者一号目前距离地球已达 225 亿公里。这些成就让我们对宇宙探索充满信心，然而，宇宙的广袤远超想象，距离成为了我们迈向星际旅行的巨大阻碍。

以目前人类探测器的速度，想要实现星际旅行简直是天方夜谭。

就像旅行者一号，它在助推火箭及行星引力的作用下，速度曾达到每秒 17 公里，这已经是个相当惊人的速度了。但即便如此，它要穿越太阳系最外侧的奥尔特云，真正离开太阳的引力范围，还需要大约 3 万年的时间；而到达比邻星，至少需要 8 万年。这样漫长的时间，远远超出了人类的寿命，也让传统的星际旅行方式变得不切实际。

除了距离，星际旅行还面临着难以想象的消耗问题。根据动能方程 Ek=mv2/2（其中 V 是物体的速度，M 是物体的质量），如果想要在短短几十年内飞出太阳系到达比邻星，飞船的速度至少要比现在快几十倍到上百倍，相应地，所需要的能量至少将是现在的数百万倍。以人类目前的科技水平和能源储备，这无疑是一个天文数字，难以实现。

即便解决了能源和能耗问题，宇宙中几乎无处不在的宇宙尘埃和宇宙气体，也会对星际旅行构成威胁。在低速状态下，它们可能无害，但一旦与超高速飞船相遇，这些看似软绵绵的物质，却能对船体造成致命的伤害。

此外，长时间的星际航行对飞船材料的要求极为严格，同时，也会对飞船内的人员带来诸多考验，如强大的生命维持系统、长时间的密闭空间、低重力下的人体病变以及致命的宇宙辐射等问题，都亟待解决。

面对这些重重困难，人类并没有放弃对星际旅行的追求。科学家们基于目前掌握的航天推进技术，进行了诸多尝试。

例如，尝试用无人探测器探索深空，像伊卡洛斯计划、代达罗斯计划、突破摄星计划等，希望制造出体积和质量极小的纳米飞船，以接近光速的速度送入宇宙进行深空探测。针对载人星际航行，也提出了太空冬眠计划、胚胎冷冻计划等大胆设想。但要真正实现星际旅行，关键还在于推进动力的突破。

传统的化学推进虽然推力较大，但比冲量低，喷气速度大约为 5 千米 / 秒；离子发动机喷气速度虽能达到 15 - 35 千米 / 秒，是常规化学推进的好几倍，但推力相对较小；普通的核裂变发动机推力大，能达到 15% 的光速，可达到这个速度需要几百年的加速时间；目前理论上动力最强劲的反物质推进技术，其理论速度能达到 90% 光速，但也仅仅停留在理论阶段。

在这样的背景下，超光速飞行技术成为了人类实现星际旅行的希望之光。如果能够实现超光速飞行，那么星际旅行中的距离和时间问题都将得到极大的缓解。而曲速引擎技术，作为一种备受瞩目的超光速飞行设想，为我们展现了一种可能的解决方案。

在众多的超光速飞行设想中，曲速引擎的概念备受瞩目，最早出现在 1957 年美国科幻作家约翰?坎贝尔所写的小说《太空岛》中，后来因著名科幻片《星际迷航》而被大众熟知。1994 年，墨西哥物理学家米给尔?阿库别瑞受到《星际迷航》中曲速引擎的启发，提出了科学意义上的曲速引擎概念 —— 阿库别瑞引擎，为这个充满科幻色彩的概念奠定了一定的理论基础。

曲速引擎的理论基础来源于爱因斯坦的广义相对论。广义相对论认为，时空并非是平坦和固定不变的，而是可以被物质和能量弯曲。就像在一块平坦的橡胶膜上放置一个重物，橡胶膜会因为重物的质量而发生弯曲，这个弯曲的橡胶膜就类似于被物质弯曲的时空。而引力，实际上就是时空弯曲的表现。例如地球围绕太阳公转，就是因为太阳的巨大质量使得周围时空发生弯曲，地球在这个弯曲的时空中沿着测地线（在弯曲时空中的最短路径）运动，就形成了公转的轨道。

曲速引擎正是利用了时空的这种可弯曲特性来实现超光速飞行。其原理是通过在飞船周围创造一种特殊的时空结构 ——“曲速泡”（也叫 “曲率泡”）。

在这个曲速泡中，飞船前方的空间被压缩，后方的空间则被拉伸膨胀。这就好比你在吹气球时，气球的一端被挤压变小，另一端则被拉伸变大，而飞船就位于这个被扭曲的时空泡中。由于空间本身的压缩和膨胀，曲速泡能够带着飞船以超光速的速度前进，而飞船在曲速泡内部相对周围空间却是静止的。这就如同在传送带上的物品，物品本身没有移动，但随着传送带的运动而被快速运输到远处。

这种超光速飞行方式巧妙地避开了狭义相对论中 “任何携带信息和能量的物体都无法达到或超越光速” 的限制，因为并不是飞船本身在时空中以超光速移动，而是飞船所处的时空在发生运动，而时空的运动并没有传递信息，所以不违反大自然法则。这就好像宇宙大爆炸之后，宇宙一直在以超过光速的速度膨胀，这种超光速膨胀并未传递信息，同样不违反物理规律。

在科幻作品中，如《星际迷航》，曲速引擎被设定为不同的等级，每个等级对应着不同的飞行速度。从最初级的曲速 1 级，就能达到光速，实现了人类突破光速的梦想；到曲速 2 级，速度提升至 10 倍光速，大大缩短了星际旅行的时间；而曲速 9.9 级，速度更是惊人，可达到光速的 3053 倍。这意味着，以这样的速度，飞出太阳系仅需 2.87 小时，飞出银河系也只需 32.8 年，相比传统的航行速度，这是一个巨大的飞跃。

而最为引人注目的 9.9999 级曲速引擎，更是速度上的奇迹，它可以达到近 20 万倍光速。如此惊人的速度，对星际旅行有着不可估量的意义。以我们目前可观测宇宙的直径 930 亿光年为例，如果一艘飞船以 9.9999 级曲速引擎飞行，穿越整个可观测宇宙所需的时间将大大缩短，这使得我们对宇宙的探索不再受限于漫长的时间。原本需要无数代人才能完成的旅程，在这样的速度下，或许在一个人的有生之年就能够实现。

有了这样的速度，我们可以轻松抵达距离地球 254 万光年的仙女座星系，只需要短短十余年的时间。这将使我们有机会近距离观测这个与银河系相似的星系，研究它的恒星形成、星系演化等过程，进一步加深我们对宇宙的认识。

我们还能够探索更遥远的星系团和超星系团，了解宇宙大尺度结构的奥秘。例如，本星系群直径约 1000 万光年，室女座超星系团直径达 1.1 亿光年，拉尼亚凯亚超星系团直径更是达到 5.2 亿光年。以 9.9999 级曲速引擎的速度，我们可以在相对较短的时间内穿越这些巨大的宇宙结构，探索其中的奥秘。

虽然曲速引擎从理论上为人类实现星际旅行带来了希望，但是在实际应用中，曲速引擎技术还面临着诸多技术挑战，其中最主要的就是能量困境。根据理论计算，要实现曲速引擎所需的时空扭曲，需要极其巨大的能量。

以 1994 年米给尔?阿库别瑞提出的阿库别瑞引擎为例，要形成一个可供飞船航行的曲速泡，所需的能量相当于整个可观测宇宙的能量总和。这是一个极其庞大的数字，远远超出了人类目前所能获取和掌控的能量范围。

为了实现曲速引擎，科学家们设想了一些可能的能量来源，如反物质和真空零点能。反物质与普通物质相遇时会发生湮灭，释放出巨大的能量，其能量转化效率极高，根据质能公式 E=mc2，少量的反物质就能释放出巨大的能量。

但是，反物质在宇宙中极为罕见，目前人类只能在实验室中通过高能粒子对撞机产生极少量的反物质，且产生反物质的过程需要消耗大量的能量，成本极高。真空零点能是量子力学中提出的一种概念，认为真空中充满了不断涨落的虚粒子对，蕴含着巨大的能量。然而，如何从真空中提取并利用这些能量，目前还只是停留在理论设想阶段，尚未找到切实可行的方法。

除了能量获取的难题，曲速引擎还需要负能量的参与。这里的负能量并非日常生活中所说的消极情绪或负面力量，而是物理学中与正能量相对的概念，具有与普通物质相反的引力效应。

在曲速引擎的理论中，负能量被用于维持曲速泡的稳定，防止其坍塌。但目前，负能量仅仅是一种理论假设，虽然在一些量子效应中观察到了类似于负能量的现象，如卡西米尔效应，但这些效应所产生的负能量极其微弱，远远无法满足曲速引擎的需求。

除了能量方面的挑战，曲速引擎在工程技术和物理理论方面也存在诸多未知需要探索。在工程技术上，如何设计和制造能够承受巨大时空扭曲力的飞船结构，以及如何确保飞船内部的环境适合人类生存，都是亟待解决的问题。

时空扭曲可能会对飞船的材料和设备产生巨大的应力，目前还没有找到一种材料能够承受如此强大的力量。在物理理论上，虽然广义相对论为曲速引擎提供了理论基础，但广义相对论与量子力学之间还存在着难以调和的矛盾。在曲速引擎所涉及的极端条件下，如何统一这两个理论，以更准确地描述时空的行为，也是科学家们面临的重大课题。

除了曲速引擎，虫洞和反物质引擎也是备受关注的星际旅行设想，它们与曲速引擎一样，都承载着人类对星际旅行的无限期望，同时也各自面临着独特的挑战。

虫洞，也被称为爱因斯坦 - 罗森桥，是广义相对论中一种连接宇宙中两个不同时空点的理论通道。从概念上来说，虫洞就像是宇宙时空结构中的一条捷径，或者说是一个 “时空隧道”。