超光速旅行要來了？別急，聽聽專家怎么說

相對論要求“任何質(zhì)點的速率都小于光速”，這里的速率特指對質(zhì)點做當時當?shù)販y量所得的速率，即定域速率。只要與這個速度定義不等價，超光速未必違背相對論。

——李理 中國科學院理論物理研究所副研究員

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裝置。受此啟發(fā)，從廣義相對論出發(fā)，物理學家米圭·阿庫別瑞于1994年提出科學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）物理學家哈羅德·懷特率領團隊在真實世界中發(fā)現(xiàn)了一個曲速泡。有人認為，懷特的納米級曲速泡有望為制造曲速引擎打開一扇門，引領人類進入超光速時代。

對此，中國科學院理論物理研究所副研究員李理2月中旬對記者表示，懷特團隊做了一些數(shù)值模擬，預言在某種特定的微結(jié)構(gòu)下可以給出負的能量密度分布，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。

負能量對超光速移動不可或缺

理論物理學家加來道雄在《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。在離飛船非常遠的人看來，飛船的速度可以超過光速，而飛船里的船員會認為自己是靜止不動的?！罢麄€泡泡移動時帶著太空船前進，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想，可達到能以任意“速度”飛行的效果，但是這一時空結(jié)構(gòu)（指曲速泡）需要具有負能量的奇異物質(zhì)來維持。

“通常，物理學家們首先采用正能量來推進一艘宇宙飛船，其移動速度永遠慢于光速。為了超越光速，必須更換燃料?！奔觼淼佬墼跁袑懙?，對于超光速而言，負能量不可替代，而且也許負能量確實存在。對此，李理解釋說，將宇宙飛船以超光速推進必然要找到具有負能量的物質(zhì)，科學家們在自然界中尋找負物質(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，目前人們已知和負能量最接近的能量是通過所謂的卡西米爾效應產(chǎn)生的，該效應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)域就具有負的能量密度。李理表示，這也是懷特團隊所報道的負能量密度的來源。

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、鐘慢效應以及質(zhì)增效應。

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?。┒夹∮诠馑佟?，這里的速率特指對質(zhì)點做當時當?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?！崩罾砼e例，當前宇宙在加速膨脹，兩個星系相互遠離的速率隨著距離的增加而增加，對于距離足夠遠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?！帮w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)增效應和時間膨脹效應（鐘慢效應），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?！崩罾碚f。

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》，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?！罢沁@種對牛頓絕對時空觀的破壞導致了許多看似反常的現(xiàn)象，最典型的三個效應就是尺縮效應、鐘慢效應以及質(zhì)增效應。”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，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。這種尺縮效應不是彈性之類的物理機制在起作用，而完全是一種運動學效應。物理的尺子只有一把，但是不同慣性系有不同的“同時面”，導致測到不同的長度。同樣的運動學效應還有鐘慢效應，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。尺縮效應中沒有任何東西真正收縮，鐘慢效應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。在速度遠遠小于光速時，相對論效應就無法體現(xiàn)，牛頓力學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)星導航系統(tǒng)也必須考慮鐘慢效應的影響?！崩罾硌a充道，狹義相對論跟量子力學結(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標準模型。令人驚嘆的是，相對論在化學中也非常重要，重元素原子內(nèi)層電子平均速度可以高達光速的三分之二，從而必須考慮相對論效應，這就導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，將會對基礎物理學產(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?？熳樱╰achyon）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，科學的發(fā)展告訴我們，保持開放的思想十分必要?！崩罾肀硎尽?/p>

來源：科技日報

科技日報記者 唐芳

原標題：真實世界中發(fā)現(xiàn)曲速泡？別急，超光速旅行為時尚早