扭曲因子

去年 9 月，数百名科学家、工程师和太空爱好者齐聚休斯顿市中心的凯悦酒店，参加“百年星舰”第二次公开会议。该组织由前宇航员梅·杰米森领导，由 DARPA 资助。其使命是“在未来 100 年内让人类超越太阳系前往另一颗恒星的能力成为现实”。

对于大多数与会者来说，载人航天探索的进展令人沮丧。尽管在过去几十年里投入了数十亿美元，但航天机构的能力并没有比 20 世纪 60 年代增强多少。他们的能力可能更少。100 年星舰计划旨在通过识别和开发有前景的技术来加速星际旅行的进程。

在为期几天的时间里，与会者可以参加一些专题研讨会，讨论诸如器官再生和星际飞船上的宗教组织等新奇话题。最令人期待的演讲之一是 NASA 的 Harold “Sonny” White 的演讲，题为“曲速场力学 102”。White 在该机构工作了九年，负责管理凯悦酒店附近的约翰逊航天中心 (JSC) 的先进推进项目。他最近与其他五人共同撰写了该机构为期 16 年的“太空推进系统路线图”，其中概述了 NASA 对未来太空旅行的目标。该计划呼吁开展各种推进项目，从改进的化学火箭到反物质和核发动机等前沿系统。White 的研究领域也许是其中最前沿的：曲速引擎。

简单来说，曲速引擎可以实现超光速旅行。大多数人认为这是不可能的，明显违反了爱因斯坦的广义相对论。怀特却持相反观点。在研讨会上，他用半个小时概述了潜在曲速引擎的物理原理——向与会者介绍了阿库别瑞气泡和超空间振荡等现象。他解释了他最近计算出的理论结果可能为实际的曲速引擎铺平道路，并开始在他称为 Eagleworks 的 NASA 实验室中进行物理测试。

几乎不用说，功能齐全的曲速引擎将对太空旅行产生巨大影响。它不仅将使探险者摆脱地球轨道，还将摆脱整个太阳系。怀特说，配备曲速引擎的宇航员只需两周即可完成旅程，而不必花 75,000 年才能到达距离我们最近的恒星系统半人马座阿尔法星。

随着航天飞机计划的终止，以及私营企业在低地球轨道飞行中发挥的作用日益增强，NASA 表示将重新关注遥远而大胆的探索，远远超出月球的边界。但只有开发出新的推进系统，NASA 才能实现这些目标——速度越快越好。百年星舰会议结束几天后，NASA 负责人查尔斯·博尔登 (Charles Bolden) 附和了怀特的言论。“总有一天，我们希望达到超光速，”他说。“我们想比光速更快，我们不想止步于火星。”

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“曲速引擎”这一表达首次被主流使用可追溯到 1966 年，当时 Gene Roddenberry 推出了《星际迷航》。在接下来的 30 年里，曲速引擎纯粹是科幻系列中最经久不衰的作品之一。后来，一位名叫 Miguel Alcubierre 的物理学家在观看该系列的一集。当时，他正在攻读广义相对论的研究生学位，他问自己如何才能使曲速引擎在物理上可行。1994 年，他发表了一篇论文概述了该物理原理。

阿库别瑞设想了太空中的一个气泡。气泡前方的时空会收缩，气泡后方的时空会膨胀（有点像大爆炸）。尽管周围一片混乱，但变形会推动飞船平稳前行，就像在海浪上冲浪一样。原则上，扭曲气泡可以任意快速移动；爱因斯坦理论的光速限制仅适用于时空，而不适用于时空本身的扭曲。阿库别瑞预测，气泡内的时空不会发生变化，太空旅行者不会受到伤害。

曲速引擎不仅能将探险者从地球轨道解放出来，还能让他们从整个太阳系解放出来。

爱因斯坦广义相对论方程很难在一个方向上求解——弄清楚物质如何弯曲空间——但反向求解却相当容易。利用这些方程，阿库别瑞确定了产生这种扭曲气泡所需的物质分布。问题是，这些解需要一种称为负能量的模糊物质形式。

最基本的定义是，引力是两个物体之间的吸引力。每个物体，无论多小，都会对周围的物质产生一定的吸引力。爱因斯坦的见解是，这种力是时空的曲率。然而，负能量具有引力排斥力。负能量不会将时空拉近，而是会将其推开。粗略地说，为了让他的模型发挥作用，阿库别瑞需要负能量来扩展飞船后面的时空。

虽然从未有人测量过负能量，但量子力学预测负能量是存在的，科学家应该能够在实验室中创造它。产生负能量的一种方法是通过卡西米尔效应：两个平行的导电板放在一起非常近，应该会产生少量的负能量。阿库别瑞模型的缺陷在于它需要大量的负能量，比大多数科学家估计的负能量高出几个数量级。

怀特说他找到了一种绕过这一限制的方法。在计算机模拟中，怀特改变了曲速场的强度和几何形状。他确定，从理论上讲，他可以使用比阿库别瑞预测的少数百万倍的负能量来制造曲速泡，也许少到足以让航天器携带制造它的设备。他说：“这些发现使它从不切实际变为合理。”

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约翰逊航天中心坐落在休斯顿与加尔维斯顿湾交界处的泻湖旁。它给人一种郊区大学校园的感觉，尽管它主要致力于培养宇航员。我参观的那天，怀特在 15 号楼与我会面，这是一栋低矮的建筑，里面有走廊、办公室和实验室，鹰工厂就在这里。他穿着一件绣有鹰工厂徽章的 Polo 衫，徽章上画着一只鹰，正俯冲，翱翔在未来的星际飞船上。
怀特的职业生涯并非始于推进系统。他学习的是机械工程，2004 年加入 NASA，成为其机器人小组的一员，自 2000 年以来一直以承包商身份在 JSC 工作。最终，他在攻读等离子体物理学博士学位期间接管了国际空间站上的机械臂。直到 2009 年，他才将工作重心转移到推进系统上，这是他长期以来的兴趣所在，也是他最初来 NASA 工作的原因。

“桑尼是个非常独特的人，”他的老板约翰·阿普怀特 (John Applewhite) 说道，他是 JSC 工程理事会内推进系统部门的负责人。“他绝对是一个有远见的人，但他也是一名工程师。他可以将自己的愿景转化为有用的工程产品。”加入阿普怀特团队时，怀特请求允许开设自己的实验室，专门研究先进推进技术。他想出了 Eagleworks 这个名字——一个爱国主义的对著名洛克希德马丁臭鼬工厂的模仿——并让 NASA 按照他的要求设计了一个标志。然后他开始工作。

怀特带我到了他的办公室，他和一位正在寻找月球水源的同事共用一间办公室，然后带我穿过走廊来到鹰工厂。我们走着走着，他向我讲述了他开设实验室的历程，他将其描述为“一个漫长而艰辛的过程，试图找到先进推进技术来帮助人类探索太空。”他说话时略带拖长音，这是他多年在南方生活的结果——他先是在阿拉巴马州上大学，然后在德克萨斯州待了 13 年。

怀特带我进入设施，领我参观了它的核心设备，他称之为量子真空等离子推进器 (QVPT)。该设备看起来像一个巨大的红色天鹅绒甜甜圈，电线紧紧缠绕在核心上，它是 Eagleworks 正在实施的两项计划之一，另一项是曲速引擎。这也是一个秘密。当我问起它时，怀特告诉我，除了这项技术比曲速引擎更先进之外，他不能透露任何其他信息。他在 2011 年撰写的一份 NASA 报告中说，它使用真空空间中的量子涨落作为燃料源，因此由 QVPT 推动的宇宙飞船不需要推进剂。

怀特的扭曲实验装置被放在房间的后角。一台氦氖激光器被固定在一张布满网格状小孔的小桌子上，旁边还有一台分束器和一台黑白商用 CCD 相机。这是一台怀特-朱戴扭曲场干涉仪，它以怀特自己和理查德·朱戴的名字命名，理查德·朱戴是 JSC 的退休员工，他正在帮助怀特分析来自 CCD 的数据。一半的激光穿过一个环——怀特的测试设备。另一半则没有。如果环没有影响，怀特会预期 CCD 上会出现一种信号。如果它扭曲了空间，他说“干涉图样将截然不同。”

当设备启动时，怀特的装置看起来完美得像电影中那样：激光呈鲜红色，两束光束像光剑一样交叉。环内有四个由钛酸钡制成的陶瓷电容器，怀特给它们充电至 23,000 伏。怀特花了一年半的时间设计这项实验，他说这些电容器将“产生非常大的潜在能量”。然而，当我问它如何产生扭曲时空所需的负能量时，他变得含糊其辞。“这涉及到……我可以告诉你我能告诉你的。我不能告诉你我不能告诉你的，”他说。他解释说他已经签署了保密协议，禁止透露细节。我问他和谁签了协议。他说，“人们进来想谈论一些事情。我不能说得更详细了。”

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虽然曲速旅行理论足够直观——通过扭曲时空来创造一个移动的气泡——但它也面临一些重大障碍。塔夫茨大学理论物理学家劳伦斯·福特 (Lawrence Ford) 表示，即使怀特能够大幅减少阿库别瑞所需的负能量，但这可能仍远远超出科学家所能产生的数量。在过去 30 年里，福特发表了数十篇关于负能量的期刊文章。福特和其他物理学家表示，在一个地方可以存在一段时间的负能量存在着基本的物理限制——而不仅仅是工程挑战。

另一个挑战是，为了制造出比光速更快的曲速泡，科学家需要在飞船周围（包括飞船前方）分配负能量。怀特认为这不是问题；当我问他这个问题时，他含糊地说，曲速引擎之所以能工作，是因为“你拥有的装置正在创造你需要的条件”。但在飞船前方创造这些条件意味着产生比光速更快的负能量分布，这违反了广义相对论。

在说曲速引擎可行时，怀特还说他可以制造一台时间机器。

最后，曲速飞行带来了一个概念问题。在广义相对论中，超光速旅行相当于在时间中移动。怀特说曲速飞行是可行的，其实也是在说他可以制造一台时间机器。

这些障碍引发了一些重大疑问。“我认为，任何正常的物理学知识都无法预测他会在实验中发现任何东西，”塔夫茨大学物理学家肯·奥勒姆 (Ken Olum) 说，他曾在 2011 年的百年星舰聚会上担任讨论奇异推进的小组成员。米德尔伯里学院物理学家诺亚·格雷厄姆 (Noah Graham) 在我的请求下阅读了怀特的两篇论文，他在一封电子邮件中写道：“除了对前人工作的总结之外，我没有在这两篇论文中看到任何有效的科学依据。”

阿尔库别雷现在是墨西哥国立自治大学的物理学家，他也对此表示怀疑。“即使我在宇宙飞船中，并且拥有负能量，我也没有办法把它放到我需要的地方，”他在墨西哥城的家中通过电话告诉我。“这是一个好主意。我喜欢它，因为它是我自己写的。但多年来我已经看到了它有一系列的局限性，我不知道如何解决它们。”

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约翰逊航天中心正门左侧，一枚土星五号火箭侧卧着，各级分离，露出部分内部结构。这枚火箭体积巨大。仅其众多发动机中的一个就几乎有一辆小型汽车那么大，火箭竖立起来时，长度比一个足球场还长几英尺。它静静地见证着太空旅行的艰辛。这枚火箭已有四十年历史，它所代表的时代——当时 NASA 参与了一项将人类送上月球的盛大全国性努力——早已过去。如今，JSC 感觉就像是一个曾经触及伟大但现已脱离轨道的地方。

推进技术上的突破可能意味着 JSC 和 NASA 进入一个新时代，而在某种程度上，这个时代已经到来。2007 年发射的 Dawn 号探测器正在使用离子推进器探索小行星带。2010 年，日本团队部署了 Ikaros，这是第一艘由太阳帆驱动的星际飞船，太阳帆是另一种实验性推进器。2016 年，科学家计划在国际空间站测试 VASIMR，这是一种专为高推力推进而设计的等离子系统。虽然这些系统有朝一日可能会将宇航员送往火星，但它们仍然无法将宇航员送出太阳系。要做到这一点，怀特表示 NASA 将需要接受风险更高的项目。

曲速引擎也许是 NASA 所有推进技术中最不切实际的。科学界普遍认为怀特无法实现它。专家认为他的工作违背了自然和物理定律。尽管如此，NASA 还是支持它。“就他想要实现的目标而言，他获得的资金并不多，”阿普尔怀特说。“我认为理事会内部对继续推进他的工作非常感兴趣。这些理论概念如果得以实现，将改变整个格局。”

1 月，怀特打包了他的曲速干涉仪，将其搬到了新设施。鹰工厂的规模已经超出了原来的规模。新实验室更大，他兴奋地说：“它是隔震的”，这意味着它不受震动的影响。但新实验室最好的地方可能也是最有说服力的地方。NASA 指派怀特去一个为阿波罗计划建造的设施，正是这个设施让尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林登上了月球。

康斯坦丁·卡卡斯（Konstantin Kakaes）是新美国基金会的施瓦茨研究员。

本文刊登于《大众科学杂志》2013年4月号。