[科普中國(guó)]-曲速

源自美國(guó)科幻片《Star Trek》,中文《星際迷航》中的一種科技。是《星際迷航》中被廣泛用于太空旅行的一種方法。在曲速狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)超光速飛行1。

曲速旅行（warp travel）是一種通過(guò)在壓縮時(shí)空中航行的技術(shù)，其原理就是在運(yùn)動(dòng)物體周圍利用反物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的曲速引擎制造一個(gè)人工的曲力場(chǎng)（warp field），從而使物體能在這個(gè)扭曲的時(shí)空泡（warp bubble）中以若干倍于光速的速度移動(dòng)。曲速（warp）就是衡量在這個(gè)時(shí)空泡里運(yùn)動(dòng)的物體的速度。

曲速簡(jiǎn)介分類

根據(jù)時(shí)空扭曲（或者說(shuō)壓縮）的程度，曲速分為0-10。其中曲速10在理論上是達(dá)不到的，因?yàn)橐郧?0運(yùn)動(dòng)的物體就意味著在任何時(shí)間在任何地點(diǎn)都出現(xiàn)，而即便在科幻作品中也還沒(méi)有發(fā)明一種能達(dá)到曲速10的曲速引擎(warp drive)。而曲速2已經(jīng)超過(guò)光速了，曲速9的飛船能在26秒內(nèi)飛躍一個(gè)太陽(yáng)系的距離?！缎请H迷航：航海家號(hào)》系列中星聯(lián)最快的星艦?zāi)苓_(dá)到曲速9.99.。

曲速(Warp)與曲速引擎(Warp drive)。

曲速(Warp)與曲速引擎(Warp drive)有二重涵義，皆關(guān)于超光速航行。原先出現(xiàn)科領(lǐng)域中的星際迷航(Star Trek)之中，后來(lái)也涉及到理論物理的一種時(shí)空模型。

曲速引擎就是說(shuō)一個(gè)物體前的空間迅速?gòu)澢s小，物體后的空間迅速?gòu)澢鷶U(kuò)大。就像在后面吹氣球?qū)⑽矬w擠向前，物體在曲速泡內(nèi)以亞光速航行。不過(guò)要使空間彎曲要太陽(yáng)的10億倍能量。

發(fā)展虛擬宇宙歷史

星際旅行中多個(gè)星球都有自己開發(fā)出曲速的發(fā)展歷史；在地球，曲速是澤弗蘭·科克倫（Zefram Cochrane)所開發(fā)。在電影《星際迷航8：第一次接觸》里提到的發(fā)明年代是第三次世界大戰(zhàn)終戰(zhàn)后10年的2063年；但在原始影集《星際迷航：原初系列》里則暗示曲速科技更早些年就已經(jīng)被使用，雖然證據(jù)不明。小說(shuō)星際奇旅之星際聯(lián)邦(Star Trek: Federation)則提到2061年寇克瑞恩發(fā)明曲速引擎2。

一般普遍接受：以曲速航行的船艦不會(huì)感受到任何形式的時(shí)間展長(zhǎng)；畢竟總體來(lái)說(shuō)，曲速船艦與宇宙間沒(méi)有資訊交換。若船艦是采用沖量引擎，速度則為次光速(亞光速)，會(huì)感受到時(shí)間展長(zhǎng)，因?yàn)闆_量式驅(qū)動(dòng)的船只仍處在正常時(shí)空連續(xù)體。也因?yàn)檫@樣，多數(shù)船只會(huì)將沖量速度限制在大約四分之一光速。

超曲速引擎超曲速(transwarp)被多次使用，指的是曲速引擎的高階形式，常為博格人所使用；但也是一項(xiàng)不成功的星際艦隊(duì)開發(fā)計(jì)劃的課題，出現(xiàn)在電影石破天驚中。如同欲進(jìn)入曲速而不會(huì)用上無(wú)限多的能量，是要在星艦的周遭產(chǎn)生曲速場(chǎng)來(lái)突破光速障(在我們的宇宙中是個(gè)理論上不可能的事件)；相似地，也需要超曲速場(chǎng)來(lái)達(dá)到非常高的超光速速率(使得船艦?zāi)茉诤芏虝r(shí)間內(nèi)橫越銀河等級(jí)的距離。)

速度企業(yè)號(hào)E正在曲速航行原始影集《星際迷航》中，根據(jù)金·羅丹貝利(Gene Roddenberry)與他的劇集編劇指引，曲速速率(s)與曲速層級(jí)(w)的三次方呈倍數(shù)關(guān)系：無(wú)法解析 (Missing texvc executable; please see math/README to configure.): s(w) = w^3c 。(另有未經(jīng)證實(shí)的說(shuō)法指出羅丹貝利原本是要將曲速層級(jí)的數(shù)字簡(jiǎn)單地對(duì)應(yīng)到光速的倍數(shù)，例如曲速9級(jí)表示9倍光速(c)，而一群早期的影迷在一間旅館圍住他，告訴他這種設(shè)定是無(wú)法運(yùn)作的。)

按照這樣原則，可以將星際爭(zhēng)霸戰(zhàn)中不同曲速層級(jí)(Warp Factor)所對(duì)應(yīng)的速率列表如下：

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然而這樣設(shè)定仍然無(wú)法完整解釋整個(gè)影集所出現(xiàn)的場(chǎng)合，因?yàn)槿绱似髽I(yè)號(hào)航行速度變得過(guò)慢，和電視影集中所提的有時(shí)相牴觸，例如That Which Survives這集中，企業(yè)號(hào)以曲速8.4級(jí)航行了11.33小時(shí)，而橫越了990.7光年(此段文句為史巴克的臺(tái)詞)。這樣計(jì)算出來(lái)的速率超過(guò)600,000倍光速；即使是曲速15級(jí)，這樣也還超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

新式曲速層級(jí)對(duì)應(yīng)的速度表與消耗功率。白色是新式速度；鉻黃色是消耗功率；圖中另標(biāo)有舊式曲速層級(jí)對(duì)應(yīng)的速度表，以藍(lán)綠色呈現(xiàn)。在后起的幾部影集，奧田以舊制為基礎(chǔ)設(shè)置了一項(xiàng)公式，但做出了幾個(gè)重要的改變。For warp 1–9, 若w是曲速層級(jí)，s是以公里每秒計(jì)量的速率，而c表示光速，則無(wú)法解析 (Missing texvc executable; please see math/README to configure.): s(w) = w^{10 \over 3}c . 在曲速9級(jí)到曲速10級(jí)間的半開放區(qū)間，w的指數(shù)項(xiàng)快速地增加到無(wú)限大。如此，在奧田式尺度中，曲速以漸進(jìn)線方式趨向曲速10級(jí)。這段區(qū)間并沒(méi)有精確公式，因?yàn)樵谶@一段所摘錄到的速率是根據(jù)手繪曲線。然而在1995年，寇克瑞恩曲速力學(xué)進(jìn)展獎(jiǎng)(Cochrane Award for Advancements in Warp Mechanics)頒給了一位勝出者，其所提的曲速公式為[1]：

其中

利用數(shù)學(xué)軟件所產(chǎn)生來(lái)的曲線竟然和原始手繪曲線極度相符。

下方為新式曲速層級(jí)(warp factor)和它們以公里每秒為計(jì)的大約值，以及幾倍光速(c)：

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理論與科技要對(duì)曲速推進(jìn)系統(tǒng)有更深入的討論，通常會(huì)參考由里克·史騰巴赫(Rick Sternbach)和麥可·奧田(Michael Okuda)所著的《下一代技術(shù)手冊(cè)》(Star Trek: The Next Generation Technical Manual)第五章「曲速推進(jìn)系統(tǒng)」，其中提到幾項(xiàng)主題：

曲速場(chǎng)理論與應(yīng)用，包括了曲速測(cè)量、速度，以及限制。

物質(zhì)-反物質(zhì)反應(yīng)組，包括了反應(yīng)物噴射器、磁性約束節(jié)、反應(yīng)腔，雙鋰水晶(戴立辛水晶)的角色，以及能源傳輸導(dǎo)管。

曲速場(chǎng)機(jī)艙，包括了電漿噴射系統(tǒng)、曲速場(chǎng)線圈，以及曲速推進(jìn)效應(yīng)。

反物質(zhì)儲(chǔ)存與輸送、曲速推進(jìn)系統(tǒng)燃料供應(yīng)、巴薩沖壓噴射機(jī)的燃料補(bǔ)給，以及船上反物質(zhì)生成。

輪機(jī)室操作與安全、緊急關(guān)閉流程，以及災(zāi)變發(fā)生流程。

然而需注意的，影集常常有與《下一代技術(shù)手冊(cè)》或《深空九號(hào)技術(shù)手冊(cè)》矛盾的地方。

連續(xù)體扭曲推進(jìn)(continuum distortion propulsion)的精髓在于產(chǎn)生包復(fù)船艦的曲速場(chǎng)。利用來(lái)自物質(zhì)/反物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生出的高能電漿，以其對(duì)曲速機(jī)艙的子空間線圈充能，可以產(chǎn)生出曲速場(chǎng)。

彈射效應(yīng)在星際奇旅全部系列中，曲速航行的一項(xiàng)副作用是彈射效應(yīng)(Slingshot effect)。在星際爭(zhēng)霸戰(zhàn)最初幾個(gè)劇集中的"Tomorrow is Yesterday"這集內(nèi)容中，企業(yè)號(hào)發(fā)生意外而首次發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)效應(yīng)，成了利用曲速引擎做時(shí)光旅行的方法。雖然實(shí)際程序的設(shè)定故意保留模糊化，但大體上它涉及了以高曲速向恒星航行(設(shè)定于第四部電影《搶救未來(lái)》，大概速度超過(guò)曲速9.8級(jí))，軌跡設(shè)定在精確計(jì)算的彈射路徑。若成功，則旅行至過(guò)去或未來(lái)都是被允許的。相同的技術(shù)隨后于劇集Assignment Earth中被故意使用，目的是進(jìn)行歷史研究；其中此技術(shù)被命名為「光速脫離級(jí)數(shù)」(light speed breakaway factor)。而在電影《搶救未來(lái)》中又被用上；其中此技術(shù)被稱為「時(shí)間翹曲」(time warp)。這項(xiàng)技術(shù)在《下一代》劇集"Time Squared"中被提及是一種可行的時(shí)間旅行方法。

環(huán)境影響在《下一代》第七季劇集"Force of Nature"中，曲速航行對(duì)子空間有不利影響，且在一些區(qū)域，頻繁使用航線的路徑上可能會(huì)造成子空間裂縫。因此在此之后的劇集，超過(guò)曲速5級(jí)的航行被禁止，然而在影迷社群中有過(guò)爭(zhēng)論，討論到這項(xiàng)禁令是只針對(duì)受影響區(qū)域而設(shè)，或者是全區(qū)的禁令。如果這是全區(qū)的限制，那在之后的劇集與系列影集則被廣泛地忽略，也鮮少提及。然而，曾有這么一例，在《下一代》一集中，皮卡德艦長(zhǎng)下令以高于曲速5級(jí)的速度航行，而有人提醒他這項(xiàng)禁令。一些影迷臆測(cè)已有技術(shù)解決方案被發(fā)現(xiàn)，并可能用到了聯(lián)邦星艦航海家號(hào)的曲速引擎上頭。這點(diǎn)由星際奇旅官方網(wǎng)站的圖文庫(kù)所證實(shí)，其中解釋了航海家號(hào)設(shè)計(jì)上可以高于曲速5級(jí)的速度航行而不會(huì)造成子空間破壞，比如空間裂縫。元首級(jí)星艦企業(yè)號(hào)-E也配有進(jìn)階曲速動(dòng)力引擎，允許相當(dāng)高的曲速航行而不破壞空間結(jié)構(gòu)。

四度空間模型何謂子空間以愛(ài)因斯坦所提到的 "四度空間" 模型，我們所身處的三度宇宙空間亦會(huì)向第四度（時(shí)間軸）彎曲，一如二度空間的平面向三度空間彎曲，而形成一個(gè)球形。（事實(shí)上說(shuō) "四度時(shí)空" 會(huì)比 "四度空間" 恰當(dāng), 但大家都說(shuō)習(xí)慣 "四度空間" 了， 下面也就不改口了）

把我們所身處的宇宙想象成這樣的一顆球，只差是向時(shí)間軸彎曲而不是向 z 軸彎曲。 我們所處的空間即是球體的最表面，而從表面往球中心點(diǎn)算進(jìn)去，就是所謂的子空間。

事實(shí)上，除了利用子空間場(chǎng)外，一些高密度的星體周圍的重力場(chǎng)也會(huì)將星體壓向宇宙中心點(diǎn)（宇宙模型球體中心），也不是很稀奇。只要想象一個(gè)物體同時(shí)存在于宇宙球體的最外圍的真實(shí)空間與所交互作用的子空間帶即可3。

進(jìn)入子空間在 StarTrek 里，曲速航行應(yīng)該是利用子空?qǐng)觥＝栌蛇@個(gè)子空間場(chǎng)與子空間相互作用，讓時(shí)間軸傾斜的情形在子空間上并不會(huì)造成與行進(jìn)方向相平行的不合理現(xiàn)象，借此突破光速。而當(dāng) subspace field 強(qiáng)度越強(qiáng)，所作用的子空間也就越接近四度空間球形模型中的宇宙中心，此時(shí)以subspace field 在靠近宇宙中心點(diǎn)子空間移動(dòng)一定的距離，投影至真實(shí)空間上的 starship 速度當(dāng)然就遽增。所以才會(huì)有曲速每跳一級(jí)，starship 的速度就呈 "指數(shù)倍" 跳升的現(xiàn)象吧。當(dāng)物體以曲速航行時(shí), 還是在真實(shí)空間上, 并無(wú)所謂 "物質(zhì)" 存在于子空間的說(shuō)法。所謂的子空間力場(chǎng)，是作用于子空間作用的。并不是說(shuō)船因此而 "進(jìn)入" 子空間。而是將整艘船被包在 "子空間" 移動(dòng)的作用范圍內(nèi)。一個(gè)球狀的四度空間的球型宇宙模型上, 足可解釋這個(gè)現(xiàn)象。

曲速航行光速限制其實(shí)有關(guān)于真實(shí)世界的物體無(wú)法超過(guò)光速的看法是愛(ài)因斯坦出生時(shí)的那個(gè)年代人的想法。起因于有人發(fā)現(xiàn)到一個(gè)非常難解的現(xiàn)象： "無(wú)論光源運(yùn)動(dòng)的速度為何，所測(cè)到的光速值都是一致的。" 這是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，而不是有人事先提出解釋這件事。只是這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果太過(guò)于詭異，使得解釋它的人眾說(shuō)紛紜。

其中勞倫茲所提出的理論（事實(shí)上類似的理論也不是他先提出來(lái)的，更早提出理論的人反而因?yàn)槭菬o(wú)名小卒而乏人理會(huì)）這個(gè)理論便是： "所有物體都會(huì)沿著運(yùn)動(dòng)方向縮小自身的距離，使得測(cè)到的光速值維持一致。" 并寫下了勞倫茲轉(zhuǎn)換式，可以精確計(jì)算出何種速度下物體縮小的距離，還有時(shí)鐘變慢。當(dāng)然這種說(shuō)法有點(diǎn)吊詭，也有些無(wú)賴。有人的印象認(rèn)為這就是 "相對(duì)論"，那實(shí)在是差遠(yuǎn)了。

曲速10級(jí)記得transwarp不是用warp factor來(lái)計(jì)算的,曲速十級(jí)的 >定義是瞬間達(dá)到空間中任何一點(diǎn),也就是"無(wú)意義".

只是有一點(diǎn)要說(shuō)明的是 trans-warp 不等于 warp10。 warp 10 是速度破表（實(shí)體同時(shí)存在于宇宙球面上的每一點(diǎn)）而 trans-warp 與傳統(tǒng)的 warp-device都是讓 starship 以曲速航行的裝置（或者稱之...技術(shù)）像 borg 所使用 trans-warp 飆起來(lái)，速度就比 starfleet 的 warp 快了二十幾倍，但以速度對(duì)照表來(lái)看，還是在曲速 9.???...上，并沒(méi)有到 warp 10，也沒(méi)有 voyager 到 warp 10時(shí)發(fā)生的那一切。 不過(guò)有趣的是，在 TNG 里（enterprise 吸入一個(gè)生物內(nèi)撞毀 1 次後時(shí)光倒流六小時(shí)的那集）似乎是設(shè)定當(dāng)超越warp 10 後（也就是 warp 11，warp 12...），時(shí)間就可以倒流。（那集 Riker 有提到）但 voyager 那集似乎又設(shè)定成在 warp 10 時(shí)，便已經(jīng)打破線性時(shí)間的限制... （voyager上的船員超速進(jìn)化與退化，幅度超過(guò)數(shù)百萬(wàn)年）小弟就不曉得以後 paramount 要如何設(shè)定這些關(guān)系了。

實(shí)踐引擎是否可行

如許多星艦迷所知，許多未來(lái)性技術(shù)是在星際奇旅中首次被勾畫出來(lái)，并且后來(lái)也被真正的發(fā)明，例如折疊式手機(jī)、通訊徽章、皮下注射器(hypospray)、精靈刀(機(jī)械手臂光子刀)，以及目前正在開發(fā)中的物品(例如VISOR)。于1996年，美國(guó)國(guó)家航空暨太空總署(NASA)成立了突破性推進(jìn)物理計(jì)劃(Breakthrough Propulsion Physics Program, BPP)，其中部分經(jīng)費(fèi)支援了曲速引擎方面的推測(cè)性工作。這項(xiàng)計(jì)劃在2002年中止。

思想實(shí)驗(yàn)還在理論物理荒蕪的前沿漫步前進(jìn)，時(shí)至今日仍未有允許曲速航行且被主流科學(xué)接受的體系被拓展出來(lái)。一些物理學(xué)家提出一種超光速航行的模型，以洛侖茲流形的架構(gòu)來(lái)陳述；這種架構(gòu)在廣義相對(duì)論中被用以建立時(shí)空模型。然而，相反于平常的誤解，這些模型并非愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程序的解。它們也沒(méi)有給出如何實(shí)做曲速泡(warp bubble)的提示。These models do however show that while it is indeed impossible to go faster than the speed of light, in principle it might be possible to circumvent the problem by suitably "warping" spacetime itself. 其中最廣為人知的是阿庫(kù)別瑞引擎，具有有趣的特質(zhì)——其用詞上與星艦系列術(shù)語(yǔ)一致：「曲速層級(jí)」是空間(或者說(shuō)時(shí)空更為恰當(dāng))翹曲的量度，而不是實(shí)際速度。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

郎奠波 - 副教授 - 黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院