【极重篇 | 第二章：广义相对论的验证及应用】05 曲率飞船

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严老师讲义 

我们在科幻电影中，经常看到一些超光速飞行的宇宙飞船，比方《星球大战》和《星际迷航》当中都有超光速飞船的设定。你会发现这些宇宙飞船，大多叫曲率飞船。

为什么它们的名字都一样？因为这些飞船的运行原理不是瞎编的，它确实有一定的理论基础，这个理论就是广义相对论。

1994年，有一个墨西哥理论物理学家，叫Alcubierre，他给出了一种假想中的宇宙飞船。根据他的设计，这种宇宙飞船可以以超过光速运行，但是并不违背狭义相对论。

2.4.1 为什么宇宙膨胀可以超光速？

先来回顾一下哈勃定律，哈勃定律说一个天体远离我们的速度正比于它与我们的距离，这个比例叫做哈勃常数，大小是70km/s/Mpc。

按照这个公式算一算，那些离我们非常远的天体，比方几十亿上百亿光年以外的天体，会以超过光速的速度远离我们，也就是宇宙的整体膨胀速度是超过光速的。但是根据爱因斯坦的狭义相对论，不是任何东西运动的速度都不能超过光速吗？

这里要明确，宇宙的膨胀并不能理解为天体的运动速度超过了光速，而是宇宙时空的膨胀速度超过了光速。爱因斯坦的相对论，说的是一个物体相对于观察者来说的运动速度不能超过光速。

宇宙时空的膨胀，应当理解为时空本身的膨胀。一个天体远离我们，并不是它相对于我们在运动，而是时空本身在把这个天体运走。

就好比一个膨胀的气球，气球上的点代表了天体，因为气球的膨胀，天体看上去在远离我们，但实际上，气球上的每个点并没有相对于它原来的位置有所运动。因此，此处并没有违背狭义相对论。

再举个例子，鱼在水里游动的速度也许很慢。但是如果堤坝泄洪，鱼会随着洪水快速的流动下来，尽管鱼本身没有相对于自己周围的水发生运动。

因此时空的膨胀行为与物体的运动并非等同关系，这种膨胀就是我们上一篇说的由暗能量所主导的。

2.4.2 曲率飞船的基本原理

有了这个认知，我们就能够从原理上设计超光速的宇宙飞船了，这种飞船就叫曲率飞船。原理说起来也不难，让飞船在它的前方制造一个收缩的时空。

譬如通过极高的能量密度，让飞船前方的时空收缩，再用一定手段让飞船后方的时空膨胀。这样的话，飞船就置身在了一个前方收缩，后方膨胀的时空区域当中。

这样，整个飞船以及它周围的时空，都会因为前方的收缩和后方的膨胀往前挪动一个位置。这里要注意，飞船相对于它的空间并未发生移动，而是飞船连同周围的空间整体向前挪动了一些。

原则上，只要能量足够大，飞船的整体运动速度就可以无限制地提升，然而因为飞船相对于自己周围的空间，并没有运动，因此完全不违背狭义相对论。

曲率飞船的原理

这个过程就好像我有一块橡皮泥，上面有一只蜗牛，我可以把蜗牛前方的橡皮泥挤压一些，后方的橡皮泥拉伸一些，这样蜗牛连同它周围的橡皮泥都被往前移动了一些，但是蜗牛相对于自己下方的橡皮泥，根本没有运动。

如果你注意观察就会发现，科幻电影里面考虑的还是非常到位的。飞船在正常飞行的时候，比方遭遇了一些太空战的飞行场景，这些飞船里的人员都会晃来晃去，因为飞船在不断改变航向。

但是一旦用上曲率加速，飞船里的人站得反而很稳，他们瞬移的时候，完全不会因为飞船的加速减速而前后摇摆，这恰恰是曲率飞船的好处。因为对于飞船来说，尽管它移动了，但是它相对于周围的时空并没有动

2.4.3 曲率飞船的制造需要什么？

这里有个关键问题，让时空收缩还是好办的，质量的效果就是让它周围的时空收缩，并且能量和质量是等价的。

因此只需要在飞船前方制造足够强的能量密度，原则上就能获得可观的时空收缩。但是后方的时空膨胀就不好办了。

因为所有我们能够大规模制造出来的能量，都是正能量，我们只能让时空收缩。但是要时空膨胀的话应该怎么办呢？

答案是负能量，也就是数值为负的能量，比零还要小。负能量涉及到比较深刻的量子力学的知识，我们将在【极小篇】做特别的介绍。

这里会用到一个量子力学的特殊效应，叫卡西米尔效应。卡西米尔效应能帮我们获得负能量，但是这种负能量实在少得可怜。因此，如果要制造一艘曲率飞船，负能量的收集将会是巨大的挑战。