科幻作品中的主人公經(jīng)常借助一種被稱為曲速引擎的工具進(jìn)行超光速星際旅行。在《星際迷航》的虛擬宇宙中，曲速引擎就是一種超光速的推進(jìn)裝置。受此啟發(fā)，從廣義相對論出發(fā)，物理學(xué)家米圭·阿庫別瑞于1994年提出科學(xué)意義上的曲速引擎概念。
日前，國際知名期刊《歐洲物理雜志C輯》報道稱，美國國防高級研究計劃局(DARPA)物理學(xué)家哈羅德·懷特率領(lǐng)團隊在真實世界中發(fā)現(xiàn)了一個曲速泡。有人認(rèn)為，懷特的納米級曲速泡有望為制造曲速引擎打開一扇門，引領(lǐng)人類進(jìn)入超光速時代。
對此，中國科學(xué)院理論物理研究所副研究員李理2月中旬對科技日報記者表示，懷特團隊做了一些數(shù)值模擬，預(yù)言在某種特定的微結(jié)構(gòu)下可以給出負(fù)的能量密度分布，這有些類似于維持阿庫別瑞時空結(jié)構(gòu)(曲速泡)所需要的負(fù)能量。但是其能否跟曲速泡或曲速引擎聯(lián)系起來，還有待研究。
負(fù)能量對超光速移動不可或缺
理論物理學(xué)家加來道雄在《不可思議的物理》中指出，根據(jù)廣義相對論，超光速移動有兩種途徑：延伸空間和卷曲空間。前者的最佳例子是曲速引擎，后者的例子則是蟲洞。
李理介紹，曲速引擎技術(shù)是在宇宙飛船外圍創(chuàng)造出一種正常時空的人工氣泡，被稱為曲速泡。曲速泡附近的時空扭曲得非常厲害，飛船前方的空間被壓縮，而后面的空間被拉長,這樣飛船就會被曲速泡帶著走。在離飛船非常遠(yuǎn)的人看來，飛船的速度可以超過光速，而飛船里的船員會認(rèn)為自己是靜止不動的。“整個泡泡移動時帶著太空船前進(jìn)，某種意義上類似于小船在河里被水流帶著漂流。”他比喻道。
阿庫別瑞1994年提出的使時空扭曲的具體設(shè)想，可達(dá)到能以任意“速度”飛行的效果，但是這一時空結(jié)構(gòu)(指曲速泡)需要具有負(fù)能量的奇異物質(zhì)來維持。
“通常，物理學(xué)家們首先采用正能量來推進(jìn)一艘宇宙飛船，其移動速度永遠(yuǎn)慢于光速。為了超越光速，必須更換燃料。”加來道雄在書中寫道，對于超光速而言，負(fù)能量不可替代，而且也許負(fù)能量確實存在。對此，李理解釋說，將宇宙飛船以超光速推進(jìn)必然要找到具有負(fù)能量的物質(zhì)，科學(xué)家們在自然界中尋找負(fù)物質(zhì)的努力迄今為止尚無結(jié)果，其也尚未被證明存在，這和蟲洞遇到的情況一樣。
李理表示，目前人們已知和負(fù)能量最接近的能量是通過所謂的卡西米爾效應(yīng)產(chǎn)生的，該效應(yīng)指兩塊靠近的金屬板之間存在吸引力。而這實際上是量子效應(yīng)造成的金屬板之間區(qū)域的能量密度低于金屬板外面。通常認(rèn)為金屬板外面區(qū)域的能量密度為零，所以金屬板之間區(qū)域就具有負(fù)的能量密度。李理表示，這也是懷特團隊所報道的負(fù)能量密度的來源。
曲速泡的超光速移動并不違背相對論
光速是一個極限速度,任何物體的運動速度都無法超過光速。這個狹義相對論中的觀念已經(jīng)深入人心。如果物體運動接近光速，將會帶來顯著的尺縮效應(yīng)、鐘慢效應(yīng)以及質(zhì)增效應(yīng)。
那么，曲速泡的超光速移動違背相對論嗎?
李理強調(diào)，這里的“超光速”只是一種表觀的超光速，并不違背相對論。他解釋道，相對論要求“任何質(zhì)點的速率(速度的大小)都小于光速”，這里的速率特指對質(zhì)點做當(dāng)時當(dāng)?shù)販y量所得的速率(定域速率)。只要與這個速度定義不等價，超光速未必違背相對論。
“相對論雖然對物體的運動速度給出了限制，但是對空間自身的膨脹速度沒有任何限制。”李理舉例，當(dāng)前宇宙在加速膨脹，兩個星系相互遠(yuǎn)離的速率隨著距離的增加而增加，對于距離足夠遠(yuǎn)的星系退行速率將大于光速，但是這并非因為星系(團)本身的運動，而是因為空間本身在膨脹，此時的“超光速”不違背相對論。
在他看來，曲速引擎的“超光速”移動也可以歸結(jié)為空間膨脹。“飛船在曲速泡中本身相對泡泡并不移動，這樣就避免了相對論中提出的質(zhì)增效應(yīng)和時間膨脹效應(yīng)(鐘慢效應(yīng))，與此同時，曲速泡附近的時空扭曲得非常厲害，帶動整個曲速泡和泡泡內(nèi)的飛船前進(jìn)。”李理說。
超光速旅行理論上不可行
1905年，愛因斯坦發(fā)表了《論運動物體的動力學(xué)》，建立了狹義相對論。狹義相對論基于兩條基本原理：光速不變原理和狹義相對性原理。更重要的是，愛因斯坦將時間和空間統(tǒng)一為一個整體“時空”。
李理介紹，在狹義相對論中，兩個事件從一個參考系來看是同時的，而從另一個相對運動的參考系來看就不再是同時的事件了。“正是這種對牛頓絕對時空觀的破壞導(dǎo)致了許多看似反常的現(xiàn)象，最典型的三個效應(yīng)就是尺縮效應(yīng)、鐘慢效應(yīng)以及質(zhì)增效應(yīng)。”他指出。
最核心的一點就是“同時”的相對性。比如測量尺子長度，需要同時測量尺子的兩端坐標(biāo)，根據(jù)兩者之差得出尺子長度。對于靜止的尺子來說這很容易做到，但是在尺子運動的情況下就變得復(fù)雜。由于同時是相對的，運動參考系中的同時測量跟靜止系不同。這種尺縮效應(yīng)不是彈性之類的物理機制在起作用，而完全是一種運動學(xué)效應(yīng)。物理的尺子只有一把，但是不同慣性系有不同的“同時面”，導(dǎo)致測到不同的長度。同樣的運動學(xué)效應(yīng)還有鐘慢效應(yīng)，即對于運動的物體，其變化用靜止觀者的時鐘去測量會變慢。尺縮效應(yīng)中沒有任何東西真正收縮，鐘慢效應(yīng)中也沒有任何鐘的走時率真正變小。
更具體地說，尺縮和鐘慢效應(yīng)都來自于狹義相對論中要求物理定律的形式在洛倫茲變化下不變(洛倫茲協(xié)變性)，質(zhì)增效應(yīng)也是這種情況下一個直接的結(jié)果。
李理表示，在運動物體的速度接近于光速的極端情況下，尺縮比例會變得無窮大，時鐘會變得像停住了一樣，此外物體的質(zhì)量(能量)在接近光速時也趨于發(fā)散。這意味著需要無窮大的能量才能使物體的速度達(dá)到光速，從中可以看到光速是一個極限速度,任何物體運動都無法超越光速。在速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速時，相對論效應(yīng)就無法體現(xiàn)，牛頓力學(xué)可以作為狹義相對論在低速情況下一個好的近似。
“狹義相對論中的這些效應(yīng)已經(jīng)得到了大量實驗的驗證，甚至在我們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)常使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也必須考慮鐘慢效應(yīng)的影響。”李理補充道，狹義相對論跟量子力學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的量子場論在描述亞原子粒子方面取得了巨大成功，建立了統(tǒng)一描述電磁力、強力和弱力三種基本相互作用的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。令人驚嘆的是，相對論在化學(xué)中也非常重要，重元素原子內(nèi)層電子平均速度可以高達(dá)光速的三分之二，從而必須考慮相對論效應(yīng)，這就導(dǎo)致了日常見到的金子閃亮亮的金黃色和水銀的低熔點。
作為假想的超光速理論暫無存在證據(jù)
不論是廣義相對論還是量子場論，都不允許定域速率超過光速。如果觀測發(fā)現(xiàn)定域速率超過光速的情況，將會對基礎(chǔ)物理學(xué)產(chǎn)生重大挑戰(zhàn)。
2011年意大利格蘭薩索國家實驗室下屬奧佩拉(OPERA)實驗小組的研究人員在實驗時發(fā)現(xiàn)了“中微子超光速”現(xiàn)象，造成了巨大的轟動，然而最終發(fā)現(xiàn)這是由于實驗裝置存在問題導(dǎo)致的錯誤結(jié)果。
人們也基于各種動機提出了一些超光速的理論?？熳?tachyon)就是一種理論上假想的超光速粒子，它總是以超光速運動。理論上也可能存在由快子組成的宇宙，但人們還從未發(fā)現(xiàn)快子存在的直接或間接證據(jù)。此外，還有一些修改的引力理論也存在超光速傳播現(xiàn)象,如有些具有高階導(dǎo)數(shù)修正的引力理論和雙度規(guī)理論。
“客觀來說，這些理論或多或少都存在一些問題，目前也沒有發(fā)現(xiàn)任何可信的超光速的實驗跡象。但是，科學(xué)的發(fā)展告訴我們，保持開放的思想十分必要。”李理表示。(唐芳)
