戴达结束牌局

时间：2023-02-14 理论教育版权反馈

【摘要】：我们将再一次感受到《星际迷航》编剧们在创造新词汇时那令人称道的语言直觉。不过，广义相对论允许时空发生膨胀。看来广义相对论的确能够把星际旅行的图景变成现实。而在星舰和基地之间，引力场会造成毁灭性的潮汐力，仿佛人间炼狱。类似的情节已经在《星际迷航》中出现过了。有人说星舰护盾的原理是“相干引力子辐射”，这其实并不准确。没错，《星际迷航》的编剧们再一次展现

我曾沉入到世人的目光所不能及的未来；

看到了世界的幻想，所有将实而虚的奇迹。

——摘自《洛克斯利大厅》，作者为阿尔弗雷德·丁尼生

（这段摘抄被船员们贴在了星舰航海家号上）

这场赌局的赌注，既不是“《星际迷航》未来剧集中是否会出现稳定的虫洞”，也不是“进取号是否能够穿越时间回到19世纪的旧金山”，而是这样一个问题，一个能够把话题引回“弯曲时空”的问题：曲速引擎是切实可行的吗？从前三章的讨论我们可以看到，除非我们的宇宙中遍布着稳定的虫洞（可能性很小），否则我们便会被囚禁于弹丸之地，永远都没有办法去探索广袤的宇宙。现在我们来回答上面那个问题——曲速引擎确实是有可能实现的！

我们将再一次感受到《星际迷航》编剧们在创造新词汇时那令人称道的语言直觉。前面我已经讲过，由于狭义相对论的限制，出现了三个障碍，使得火箭推进系统不能够为星际航行提供动力：第一，在真空中，没有任何物质能够超光速飞行；第二，物体在接近光速时，它所处的时间系统会变慢；第三，就算火箭推进系统能够把星舰加速到亚光速，它对燃料数量的巨大需求，也会让人望而却步。

解决这一问题的最佳办法，就是放弃火箭推进系统，并充分利用时空本身的特性——时空弯曲。考虑到广义相对论的存在，我们在讨论问题、遣词用句的时候一定要格外谨慎。不要泛泛地说，任何物质都不能够超光速飞行；而要更加精准一点地说，在人类目所能及的宇宙中，任何观测者都无法观测到超光速的现象。也就是说，对于任意一个观测者，以他自身的参考系为标准，没有什么物质的速度能够超过光速。然而如果时空本身是弯曲的，那么特定观测者的结论，就不再具有普遍意义。

空间的弯曲性与曲速引擎

现在我们以宇宙本身为例。根据狭义相对论，对于那些与周边环境相对静止的观测者来说，他们具有相同的时间流逝速度。也就是说，在我航行于宇宙的过程中，我可以每隔一段时间就停下来一次，并在停歇的位置放置一个时钟，那么这些时钟在每一刻都会是同步的。即便加入广义相对论，这一结果也不会改变。与环境保持相对静止的那些时钟，一直会指向同一个时刻。不过，广义相对论允许时空发生膨胀。那些身处宇宙边缘的物体，正以接近光速的速度飞离我们，但它们和它们周边的环境却一直是相对静止的。如果宇宙足够大，并且在均匀膨胀的话——两个条件必须同时满足——就一定会存在一些我们看不到的物体，它们正在以远远超过光速的速度飞离我们。但这些文明，也是一直和其周边的环境保持相对静止。

空间的弯曲性会造成狭义相对论中的“漏洞”，这个“漏洞”非常之大，大到足以使一艘联邦星舰穿越其中。假如时空可以被自由操纵，那么人类就能让物体在低速飞行的同时，与高速膨胀的空间保持相对静止，从而在瞬间走完一段极为遥远的距离。我们已经介绍过一种夸张的旅行方式——将宇宙中相距甚远的两个区域通过虫洞进行连接——这是时空旅行的一种捷径。需要指出的是，即便我们不采用这种办法，即便在特定的参考系中无法实现超光速，从整个宇宙的角度来讲，超光速的现象也是有可能存在的。

这个猜想得到了物理学家米给尔·阿库别瑞的证明。据说他原本只是为了好玩，才尝试着把广义相对论和“翘曲速度”统一起来。结果表明，我们可以构造一个时空结构，让星舰能够瞬间移动；同时这个时空结构可以任意裁剪。而且我们可以让这艘星舰和它周边的环境保持相对静止，从而确保星舰上时间流逝的速度，与出发点和目的地保持同步。看来广义相对论的确能够把星际旅行的图景变成现实。

这其实不难理解。如果时空能够任意弯曲，使得星舰后面的时空膨胀，而前面的时空收缩，那么星舰就会随着它所在的那一片空间一起被动地前进，就像冲浪板在波涛中前进一样。即便如此，星舰本身的飞行速度也不可能超过光速，因为光本身也会被动地随着膨胀的空间一起前行。

如果想要更形象地描述这一切，那最好的办法就是把你自己放进这艘星舰。如果你身后的空间突然大规模膨胀，你将会发现，虽然你离开星舰基地一共也没几分钟，但它距离你却有十几光年之远。同样的，如果你面前的空间突然大规模收缩，你就会发现，刚才还相距甚远的一颗恒星，现在只有咫尺之遥。只需要使用普通的火箭推进器，不用几分钟便可以到达。

我们可以通过调整时空的几何结构，来制造一个相对理想的人工引力场——它能够成功地让时空膨胀或收缩到我们想要的状态，同时不会影响到我们的星舰和基地。也就是说，它们周围的时空是近似平坦的，这就使得星舰上的时钟能够和基地的时钟保持同步。而在星舰和基地之间，引力场会造成毁灭性的潮汐力，仿佛人间炼狱。不过，反正我们并不需要驶进这些区域，造个炼狱又有何妨呢。

类似的情节已经在《星际迷航》中出现过了。我想编剧们一定是在构思曲速引擎的时候灵光一现，想出了这样精妙的情节，然而他们并不认同我的猜想。此外不得不提的是，上面这种星际航行的方法，完全满足我们之前提出的种种条件：（1）超光速旅行；（2）无时间膨胀；（3）无火箭推进。也就是说，广义相对论允许我们把时空动态化，从而创造出一个“可设计的时空”，在这样的时空中，几乎任何形式的时空运动都是可以实现的。不过这是有前提的，它依赖于一种把时空运动和物质能量分布结合起来的理论。这样一来，为了从“物理学”的角度实现上面构想的那种时空，我们就不得不把问题转向物质能量的分布。不过我们还是先来说一下这个“可设计的时空”。

可设计的时空

“可设计的时空”最大的妙处就在于，它把问题转回了最原始的“牛顿难题”，并为惯性阻尼器和牵引光束的设定提供了理论支持。这个理论在本质上和曲速引擎是一致的。如果星舰周围的时空可以弯曲，那么物体就可以随意地靠近或远离，丝毫不受加速度的影响——“牛顿难题”迎刃而解。为了绕开达到亚光速所需要的加速过程，我们可以采取同样的办法，同时也能够缩小冲量引擎和曲速引擎之间的差距。类似的，当我们想利用牵引光束来拖动一个像行星一样重的物体时，我们只需要使远侧的空间膨胀，近侧的空间收缩，便能够轻松达到目的！

弯曲的空间有许多优点。显而易见，如果进取号前面的空间极度弯曲，那么任何射向进取号的光线——包括相位光束——都将被反射回去。这应该就是星舰护盾的工作原理了。有人说星舰护盾的原理是“相干引力子辐射”，这其实并不准确。根据定义，“引力子”其实就是传递引力的粒子，因此“相干引力子辐射”就是相干引力场的产物。通俗来说，相干引力场就是空间发生弯曲的缘由。没错，《星际迷航》的编剧们再一次展现了他们令人瞠目的语言直觉。

我不禁怀疑，罗慕伦帝国的隐形设备，也采用了类似的工作原理。其实，开启护盾的进取号，就跟隐形了一样。毕竟，我们之所以能看到那些本身不发光的物体，就是因为它们能够把外来光线反射到人眼中。对于一艘星舰来说，它想要隐形，就必须以某种方式让周边的空间发生弯曲，从而让外来光线绕过星舰，而不是照射到星舰上，并反射到人眼中。（有趣的是，美国军方现在已经研制出隐形战机，能够躲过雷达的探测。不过它的原理并不是制造一个引力场，而是依靠电磁间的相互作用。这样一来，它就能够躲避特定波长的检测，比如雷达的探测波。当然了，如果你想躲过所有波长的探测，让战机彻底隐形，那你还是得制造一个引力场。）这种方法，与进取号在电视剧中采取的办法——将光线折射开来相比，有着微妙的差别。在《星际迷航：下一代》“天马号”[21]放送之前，一直有一个问题在困扰着影迷们：为什么联邦的星舰不使用伪装技术呢？毕竟对于一个能够研制出星舰护盾的技术团队来说，开发一种隐形技术应该也不是什么难事。“天马号”这一集回答了我们的问题：这的确不是技术问题，而是法律问题——联邦不允许研制隐形技术。（在《星际迷航：下一代》大结局“曲终人散”一集中，联邦终于批准了对隐形技术的研制。）从剧集中我们可以看到，行星联盟早在第一艘进取号诞生之际就已经能够操纵引力场了。不仅如此，根据特拉维斯·梅威瑟的说法，他们还研制出了人工引力生成器，能够在联盟的星舰上生成一个“甜蜜点”。“甜蜜点”能够扭转引力，让你舒服地坐在天花板上。

由于广义相对论的理论支持，翘曲速度有了更为实际的意义。虽然它和星舰前后空间的膨胀系数和收缩系数有着密不可分的关系，但是它并没有一个固定的计算公式。在前两部剧集中，吉恩·罗登贝瑞为了让物质的速度不超过“翘曲速度10”，决定重新调整翘曲速度的计算模式。也就是说，翘曲速度并不是简单的对数转换（比如翘曲速度10=2¹⁰倍光速=1024倍光速）。根据《星际迷航：下一代——技术手册》的说法，进取号的最高额定速度为“翘曲速度9.6”。如果以光速为标准，就是1909倍光速。“翘曲速度10”对应于无穷大。有趣的是，尽管翘曲速度经过了修正，某些物体（比如博格立方体）的飞行速度还是超过了“翘曲速度10”。毕竟编剧也不是神，希望大家不要过多的纠结于这些小纰漏。

好消息到此为止……

虽然我们已经阐明了（至少从理论上来讲）曲速引擎是切实可行的，但我们仍旧逃不开爱因斯坦关于能量的那个方程——我们必须考虑物质和能量的分布形式。你猜怎么着？我们面临的困境，比当初虫洞的困境还要糟！对于一个高速穿过虫洞的人来说，他能够观测到负能量的存在。因此，对于曲速引擎所需要的那些物质来说，即便是一个和星舰保持相对静止的观测者——也就是说他正坐在星舰上——也会发现它们带有负能量。

这一结果可能并不会让人感到惊讶。毕竟从某种意义上来讲，广义相对论已经提出过类似的概念：要想让虫洞保持开启状态，从而实现曲速引擎和时间旅行，我们就需要一些闻所未闻的奇异物质。这就意味着，我们必须找到一些引力相斥的物质。广义相对论认为，这大体上就等同于找到一些具有负能量的物质。

在前面我们阐述过这样一个事实：如果把量子力学和狭义相对论相结合，我们就会发现，在微观范围内，能量有可能出现负值，这就是第三章中的量子涨落问题。不过这个问题的核心——物理学定律是否允许微观范围内的负能量——至今尚未得到解答。没错，目前为止，我们没有任何切实可行的办法，能够创造出这种负能量物质。

在本书第一版问世后不久，就有人证明了，真空中的确存在引力相斥的能量。在宇宙占主导地位的恰恰就是这种引力相斥的能量，它们的总大小约是宇宙中星系和星团能量之和的3倍，这就是众所周知的“暗能量”。这些“暗能量”是宇宙不断膨胀的起因，它和爱因斯坦提出并抛弃的那个概念——宇宙常数——一样神秘。迄今为止，我们仍不知道这些“暗物质”源自何处，也不知道它们存在的确切意义。如果它真的来自真空的话，我们就没有办法利用它来实现星际旅行。

不过，我们现在可以把潜在的障碍抛之脑后，并设想在未来的某一天，我们能够利用更先进的量子力学工程技术，将物质或者真空改造成那种“奇异物质”。即便如此，这其中仍旧有一个问题难以解决。如果我们打算采用上面的方法实现时空旅行，那么我们就需要收集充足的能量。这个数量是如此之大，以至于前面我们在计算冲量引擎时所得到的那个数字，在它面前都会显得微不足道。不妨以太阳为例，虽然它的质量比地球大100万倍，但是它产生的引力场，也只能让光线弯曲非常细小的一个角度——比千分之一度还要小。我们需要的，是一个能量极大的引力场，一个能让牵引光束弯曲90度的引力场！这也是“引力弹弓效应”不能实现的原因。（在“明天即是昨天”[22]一集中首次提到这个效应，并利用这个效应来把进取号送回过去；类似的情节也出现在电影《星际迷航4：抢救未来》和剧集《星际迷航：下一代》“时间平方”[23]一集。）与实现星际旅行所需要的引力场相比，太阳产生的引力场实在是太小了。有一种办法，可以估算制造这种引力场所需能量的大小，那就是设想一个与进取号一样大的黑洞——毕竟黑洞是掰弯光线的“行家里手”。这样一个黑洞的质量，大约只有太阳质量的十分之一。不过，制造这样一个黑洞所需的能量，却比太阳一生释放的能量总和还要多。

在这个游戏接近尾声的时刻，我们不禁会提出这样一个疑问：到底哪种理论最靠谱呢？我们已经了解了很多时空的特性，至少在面对“如何利用弯曲空间实现星际旅行”这个问题时，我们能说出大概的原理。我们也知道了，如果没有这种负能量的奇异物质，我们大概永远都无法穿越星河。不过，我们仍不知道这些物理条件能否在现实生活中实现，甚至不知道它们在理论范围内是否可行。即便理论允许我们进行这一切，我们也没有任何办法将其付诸实践，因为这需要巨大的能量，大到难以想象。

可能有人对此持乐观态度，毕竟凭借我们如今的科技水平，无法否定星际旅行的可能性。也许在未来的某一天，我们掌握了制造和维持这些奇异物质与能量的能力呢？不过，我本人对此持怀疑态度。就像我的同事史蒂芬·霍金一样，我相信，任何一个科学性的理论框架，都难以容纳时间旅行所产生的种种悖论。考虑到曲速引擎和星舰护盾都需要数量庞大到难以想象的能量，我也不觉得它们有朝一日能够出现在现实生活中——不过不要过于相信我的直觉，因为我的直觉出过岔子。

其实我本质上还是很乐观的。我仍旧相信科学的力量，正是科学引领着我们探索这迷人的世界。在可观测的宇宙中，一共有1000亿个星系，人类只生活在其中一个小小的角落里。就像橡胶板上的那只二维昆虫，我们至今仍无法看清宇宙的真实模样。然而经过20代人的努力——从牛顿时代走到今天——我们已经点燃了物理学的火把，并用它照亮了时间和空间的深处。虽然看上去我们永远也无法乘坐星舰遨游宇宙，只能被囚禁在这小小的蔚蓝色星球上，透过茫茫夜空去探寻宇宙背后的故事，但即便如此，我们也一定能发现更多新奇的东西。我相信，如果物理学不赐予我们星舰，让我们探索宇宙的尽头；那它一定会赐予我们绳索，让我们把另一头的宇宙拉过来。

注解：

[1]　出自Michael Okuda，Denise Okuda，Debbie Mirak. The Star Trek Encyclopedia（New York: Pocket Books；1994）

[2]　技术参数出自《星际迷航：下一代——技术手册》，Rick Sternbach, Michael Okuda, Next Generation Technicsl Manual （New York: Pocket Books；1991）

[3]　1毫秒=0.001秒

[4]　《星际迷航：下一代》，第一季，第九集。

[5]　动量是物体质量和速度的乘积，具有大小和方向。计算公式为P=mv，其中P为动量，m为质量，v为速度。

[6]　《星际迷航：原初系列》，第一季，第十九集。

[7]　《星际迷航：原初系列》，第一季，第四集。

[8]　《星际迷航：下一代》，第七季，第十一集。

[9]　出自Albert Einstein: Philosopher-Scientist（New York: Tudor；1957）

[10]　“最糟糕的事情”（The Worst of Both Worlds）是DC漫画《星际迷航：下一代》里一个故事单元的标题，同时是电视剧集“两全其美”（The Best of Both Worlds）的后续。

[11]　出自《星际迷航：下一代——技术手册》。