曲速引擎

通过移动空间本身让飞船比光更快：需要什么，以及从内部看是什么样

这是一个假想：物理在纸面上允许它存在，但从没有人见过。所展示的一切都遵循现有理论。

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移动空间，而不是飞船

相对论的速度极限是针对在空间中运动的东西。它并没有反对空间本身的运动：遥远的星系以超过光速的速度退行，因为它们之间的空间在不断增长。阿尔库比埃雷的想法是有意让其中一小块这样发生，并在其中带上一艘飞船。

气泡是一片平直空间，周围有一层壁，壁中空间在前方被压缩、在后方被拉伸。飞船静止在中间，像被浪托着的冲浪者。船员会在平直空间里自由下落：没有推力，没有时间膨胀，钟表像外面一样走。

这是爱因斯坦方程的一个解，不是机器。角落里的图表属于解本身：沿行进线，空间被拉伸（线上方）或压缩（线下方）得有多快。图中是气泡以两倍光速飞驰而去时，气泡后方的观察者会看到的：前方一个扭曲天空的圆盘，随着它远去而缩小。

什么撑起了壁

要撑住壁，需要负能量的物质环绕整个气泡，两侧最多。1997年普芬宁和福特发现，一个十年内载飞船穿越银河系的气泡需要约−10⁶⁴千克，远多于可观测宇宙所含的物质。

阿尔库比埃雷的能量公式处处带负号：就是那种让虫洞保持敞开的奇异物质。它沿行进线为零，在飞船中部周围的壁中最大，即紫色的环。这个环是画出来的。

1997年迈克尔·普芬宁和拉里·福特把量子理论对负能量设的限制用在了气泡上。他们发现它的壁只能有几百个普朗克长度厚，而一个大到能载飞船远行的气泡所需能量约−10⁶⁴千克：大约是可观测宇宙质量（约10⁵³千克）的一千亿倍。

后来的设计降低了费用。范登布鲁克1999年的设计，载一个原子那么小的东西的气泡需要不到三个太阳的量。2021年博布里克和马尔蒂雷证明，慢于光的气泡可以用普通物质造出，伦茨则提出一种只需正能量的更快气泡，别人对此有异议。没有一个便宜，也没有一个得到公认。

怎样把它造出来

在纸面上，曲速引擎要分三步造出：制造大量负能量，把它塑成围绕飞船的薄壁，再在飞船前方启动它。没有人知道其中任何一步怎么做。这里的环是画出来的。

1. 制造负能量。我们唯一能造的那种极其微小：卡西米尔效应在相距一微米的两块板之间给出每立方米约−4 × 10⁻⁴焦耳，压缩态光则能产生短暂的脉冲。福特和罗曼发现的限制只允许这么多、这么短的时间。气泡需要约−10⁶⁴千克。

2. 把它塑成壁。阿库别瑞的公式把物质放在飞船周围的一层壳里：沿行进线方向没有，两侧最多，壁面平滑。普芬宁和福特发现壁只能有几百个普朗克长度厚，约10⁻³³米，比我们能造出的任何物质都薄。

3. 在飞船前方启动它。飞船无法向前方的壁发送信号，所以无法从内部启动气泡。克拉斯尼科夫1995年提出，一艘较慢的飞船可以一路准备航线，在身后留下一条改造过的空间管道，这样之后沿它的旅行就会很快。

这些都不是作为机器存在的。每一步都是数学的要求，而不是技术。图中的负能量环和前方的航线是画出来的。

气泡内部

在里面你什么也感觉不到。飞船静止在平直空间里：没有推力，没有时间膨胀，钟表像别处一样走。变的是天空。把引擎开大，前方的星星聚拢、变亮、变蓝。

在中心，空间是平直而静止的。气泡加速时没有什么推你，因为你没有在加速；动的是气泡的壁。你的表走的是每个人的表所走的时间。

只有射进来的光显示发生了什么。它必须穿过空间在流动的壁，出来时已被频移：来自前方的光频率提高1加速度倍，来自后方的降低1减速度倍。这里的每一束光都是沿曲速几何结构追踪的。

色调是频移颜色的简单替代，亮度遵循多普勒因子。中心的飞船本身没有画出来。

飞船看到什么

克拉克、希斯科克和拉森1999年追踪了穿过气泡的光，托马斯·米勒和斯图加特的同事后来制作了这景象的影片。超过光速后，前半部分的星星看起来比实际更靠近行进方向，并且朝它变得更亮、更蓝。

飞船后方，多普勒因子，即1减速度，在光速时降到零，超过之后，正后方周围张开一个锥，完全没有光从中到达。它的半角是余弦等于1除以速度的角：两倍光速时为60°，飞船越快越大。

这个锥是一个视界，像超音速喷气机后面的马赫锥：锥内的东西被它自己的光甩在后面。直视后方，船员只会看到黑暗，靠近边缘处有几颗暗淡的红星。

旁观者看到什么

从外面看，曲速气泡几乎看不见：没有辉光，没有可见的壁。从后面看，它表现为前方一个扭曲天空的圆盘，随气泡飞远而缩小；从侧面看，直到它过去之前你什么也不会注意到。

来自前方远处恒星的光在到达你之前穿过气泡的壁，壁把它偏折几十度并改变它的颜色。你看到的是一个天空的圆盘，它其实来自天穹上很宽的一段，被挤进行进方向周围的一个小圆里：气泡越远，圆盘越小。这里的摄像机相对空间静止，位于气泡后方。

气泡运动得比任何光能显示它的速度都快：它的像要等它过去之后才会到达你。挡在它路上的人会在看到它到来之前就被它越过，就像音爆跟在超音速飞机之后。

中间的飞船没有画出来，壁本身的辉光（如果有的话）也没有：显示的只是方程对星光所做的事。

无法操纵，无法停下

1995年谢尔盖·克拉斯尼科夫指出，飞船发出的任何东西都不能比光更快地到达气泡前方，所以船员既不能创造壁，也不能操纵它，也不能让它停下。关于壁的一切必须在飞船到来之前安排在它前方。

克拉克、希斯科克和拉森找到了这里画出的两个锥：前方一个，飞船不能向它发送信号；后方一个，没有光能从那里到达飞船。每个锥的半角，余弦等于1除以速度。

所以曲速气泡里的飞船无法在目的地停下，除非那里已有的机械来完成。克拉斯尼科夫自己的回答是沿航线预先铺设的一条弯曲空间的管道。这些是想法，不是设计。

另外两个问题

如果气泡从平直空间中开启，计算说量子效应会在它的前壁上无限积聚并摧毁它。而比光更快的一种方式，也可能是回到过去的一种方式。

菲纳齐、利贝拉蒂和巴塞洛2009年证明，由平直空间形成的超光速气泡，前壁上会出现视界，那里量子场的能量随时间呈指数增长。他们的结果把引力当作经典的、把物质当作量子的，所以完整的量子引力理论可能会有不同。

艾伦·埃弗雷特1996年证明，对模型作一个简单改动，飞船就能走一个回路，在它出发之前回到家。像虫洞一样，超光速气泡既是引擎，也是时间机器。

斯蒂芬·霍金的时序保护猜想说，自然总会阻止这样的回路形成。它对曲速气泡是否成立还不知道。前壁上画出的脉动的辉光代表积聚的能量；它是画出来的。

有人造出来过吗？

没有。哈罗德·怀特领导的一个美国国家航空航天局团队2011年和2012年用激光干涉仪寻找一个微小的曲速场，没有发现令人信服的迹象。曲速引擎仍留在方程里，等待它所需的负能量。

在美国国家航空航天局约翰逊航天中心，怀特和理查德·朱戴造了一台干涉仪，来寻找一个由陶瓷电容器小环产生的空间畸变。结果没有定论，2014年的一项分析认为这样的装置能产生的畸变太小，它看不到。

广义相对论允许气泡的形状；缺的是物质。没有已知的材料具有所需数量的负能量，而量子理论只允许微小的量，如卡西米尔效应中的那样，且时间很短。

这个想法仍在做有用的工作。它显示相对论允许什么、禁止什么，并促使物理学家追问自然究竟遵守关于能量的哪些规则。用普通物质做的慢于光的气泡，现在被研究，是为了它们对引力的说明，而不是作为引擎。