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原標(biāo)題：真實(shí)世界中發(fā)現(xiàn)曲速泡？別急，超光速旅行為時(shí)尚早

相對(duì)論要求“任何質(zhì)點(diǎn)的速率都小于光速”，這里的速率特指對(duì)質(zhì)點(diǎn)做當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)販y(cè)量所得的速率，即定域速率。只要與這個(gè)速度定義不等價(jià)，超光速未必違背相對(duì)論。

——李理 中國(guó)科學(xué)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(chēng)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(duì)論出發(fā)，物理學(xué)家米圭·阿庫(kù)別瑞于1994年提出科學(xué)意義上的曲速引擎概念。

日前，國(guó)際知名期刊《歐洲物理雜志C輯》報(bào)道稱(chēng)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）物理學(xué)家哈羅德·懷特率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在真實(shí)世界中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)曲速泡。有人認(rèn)為，懷特的納米級(jí)曲速泡有望為制造曲速引擎打開(kāi)一扇門(mén)，引領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入超光速時(shí)代。

對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所副研究員李理2月中旬對(duì)記者表示，懷特團(tuán)隊(duì)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(lèi)似于維持阿庫(kù)別瑞時(shí)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(lái)，還有待研究。

負(fù)能量對(duì)超光速移動(dòng)不可或缺

理論物理學(xué)家加來(lái)道雄在《不可思議的物理》中指出，根據(jù)廣義相對(duì)論，超光速移動(dòng)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(chóng)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(shí)空的人工氣泡，被稱(chēng)為曲速泡。曲速泡附近的時(shí)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(zhǎng),這樣飛船就會(huì)被曲速泡帶著走。在離飛船非常遠(yuǎn)的人看來(lái)，飛船的速度可以超過(guò)光速，而飛船里的船員會(huì)認(rèn)為自己是靜止不動(dòng)的。“整個(gè)泡泡移動(dòng)時(shí)帶著太空船前進(jìn)，某種意義上類(lèi)似于小船在河里被水流帶著漂流。”他比喻道。

阿庫(kù)別瑞1994年提出的使時(shí)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(shí)空結(jié)構(gòu)（指曲速泡）需要具有負(fù)能量的奇異物質(zhì)來(lái)維持。

“通常，物理學(xué)家們首先采用正能量來(lái)推進(jìn)一艘宇宙飛船，其移動(dòng)速度永遠(yuǎn)慢于光速。為了超越光速，必須更換燃料。”加來(lái)道雄在書(shū)中寫(xiě)道，對(duì)于超光速而言，負(fù)能量不可替代，而且也許負(fù)能量確實(shí)存在。對(duì)此，李理解釋說(shuō)，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?cè)谧匀唤缰袑ふ邑?fù)物質(zhì)的努力迄今為止尚無(wú)結(jié)果，其也尚未被證明存在，這和蟲(chóng)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(guò)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(shí)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(tuán)隊(duì)所報(bào)道的負(fù)能量密度的來(lái)源。

曲速泡的超光速移動(dòng)并不違背相對(duì)論

光速是一個(gè)極限速度, 任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都無(wú)法超過(guò)光速。這個(gè)狹義相對(duì)論中的觀(guān)念已經(jīng)深入人心。如果物體運(yùn)動(dòng)接近光速，將會(huì)帶來(lái)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(dòng)違背相對(duì)論嗎？

李理強(qiáng)調(diào)，這里的“超光速”只是一種表觀(guān)的超光速，并不違背相對(duì)論。他解釋道，相對(duì)論要求“任何質(zhì)點(diǎn)的速率（速度的大小）都小于光速”，這里的速率特指對(duì)質(zhì)點(diǎn)做當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)販y(cè)量所得的速率（定域速率）。只要與這個(gè)速度定義不等價(jià)，超光速未必違背相對(duì)論。

“相對(duì)論雖然對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)速度給出了限制，但是對(duì)空間自身的膨脹速度沒(méi)有任何限制。”李理舉例，當(dāng)前宇宙在加速膨脹，兩個(gè)星系相互遠(yuǎn)離的速率隨著距離的增加而增加，對(duì)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?yàn)樾窍担▓F(tuán)）本身的運(yùn)動(dòng)，而是因?yàn)榭臻g本身在膨脹，此時(shí)的“超光速”不違背相對(duì)論。

在他看來(lái)，曲速引擎的“超光速”移動(dòng)也可以歸結(jié)為空間膨脹。“飛船在曲速泡中本身相對(duì)泡泡并不移動(dòng)，這樣就避免了相對(duì)論中提出的質(zhì)增效應(yīng)和時(shí)間膨脹效應(yīng)（鐘慢效應(yīng)），與此同時(shí)，曲速泡附近的時(shí)空扭曲得非常厲害，帶動(dòng)整個(gè)曲速泡和泡泡內(nèi)的飛船前進(jìn)。”李理說(shuō)。

超光速旅行理論上不可行

1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了《論運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)力學(xué)》，建立了狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論基于兩條基本原理：光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)性原理。更重要的是，愛(ài)因斯坦將時(shí)間和空間統(tǒng)一為一個(gè)整體“時(shí)空”。

李理介紹，在狹義相對(duì)論中，兩個(gè)事件從一個(gè)參考系來(lái)看是同時(shí)的，而從另一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系來(lái)看就不再是同時(shí)的事件了。“正是這種對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀(guān)的破壞導(dǎo)致了許多看似反常的現(xiàn)象，最典型的三個(gè)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(diǎn)就是“同時(shí)”的相對(duì)性。比如測(cè)量尺子長(zhǎng)度，需要同時(shí)測(cè)量尺子的兩端坐標(biāo)，根據(jù)兩者之差得出尺子長(zhǎng)度。對(duì)于靜止的尺子來(lái)說(shuō)這很容易做到，但是在尺子運(yùn)動(dòng)的情況下就變得復(fù)雜。由于同時(shí)是相對(duì)的，運(yùn)動(dòng)參考系中的同時(shí)測(cè)量跟靜止系不同。這種尺縮效應(yīng)不是彈性之類(lèi)的物理機(jī)制在起作用，而完全是一種運(yùn)動(dòng)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(shí)面”，導(dǎo)致測(cè)到不同的長(zhǎng)度。同樣的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)還有鐘慢效應(yīng)，即對(duì)于運(yùn)動(dòng)的物體，其變化用靜止觀(guān)者的時(shí)鐘去測(cè)量會(huì)變慢。尺縮效應(yīng)中沒(méi)有任何東西真正收縮，鐘慢效應(yīng)中也沒(méi)有任何鐘的走時(shí)率真正變小。

更具體地說(shuō)，尺縮和鐘慢效應(yīng)都來(lái)自于狹義相對(duì)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(gè)直接的結(jié)果。

李理表示，在運(yùn)動(dòng)物體的速度接近于光速的極端情況下，尺縮比例會(huì)變得無(wú)窮大，時(shí)鐘會(huì)變得像停住了一樣，此外物體的質(zhì)量（能量）在接近光速時(shí)也趨于發(fā)散。這意味著需要無(wú)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(gè)極限速度, 任何物體運(yùn)動(dòng)都無(wú)法超越光速。在速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論效應(yīng)就無(wú)法體現(xiàn)，牛頓力學(xué)可以作為狹義相對(duì)論在低速情況下一個(gè)好的近似。

“狹義相對(duì)論中的這些效應(yīng)已經(jīng)得到了大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)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(bǔ)充道，狹義相對(duì)論跟量子力學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的量子場(chǎng)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(qiáng)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(duì)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(duì)論效應(yīng)，這就導(dǎo)致了日常見(jiàn)到的金子閃亮亮的金黃色和水銀的低熔點(diǎn)。

作為假想的超光速理論暫無(wú)存在證據(jù)

不論是廣義相對(duì)論還是量子場(chǎng)論，都不允許定域速率超過(guò)光速。如果觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)定域速率超過(guò)光速的情況，將會(huì)對(duì)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室下屬奧佩拉（OPERA）實(shí)驗(yàn)小組的研究人員在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了“中微子超光速”現(xiàn)象，造成了巨大的轟動(dòng)，然而最終發(fā)現(xiàn)這是由于實(shí)驗(yàn)裝置存在問(wèn)題導(dǎo)致的錯(cuò)誤結(jié)果。

人們也基于各種動(dòng)機(jī)提出了一些超光速的理論。快子（tachyon）就是一種理論上假想的超光速粒子，它總是以超光速運(yùn)動(dòng)。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(guān)來(lái)說(shuō)，這些理論或多或少都存在一些問(wèn)題，目前也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何可信的超光速的實(shí)驗(yàn)跡象。但是，科學(xué)的發(fā)展告訴我們，保持開(kāi)放的思想十分必要。”李理表示。

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