导语：光速是无法被超越的，这是爱因斯坦提出的革命性理论中一条最为人熟知的金科玉律。宇宙飞船受到了严格的速度限制，到达遥远的星系几乎成为了不可能的任务。然而事情真的那么绝对吗？其实早在上世纪90年代，物理学家马歇尔·埃尔库比尔就发现，超光速航行并不会违背广义相对论。他通过得到广义相对论方程的一种奇异解发现了叫做“曲速引擎”驱动机制。有了它，《星际迷航》将不再是幻想。我们只要能找到隐藏在宇宙中的负能量物质，就可以利用“曲速泡”来打破光速的极限。不过问题在于，这种关键性的负能量物质是否真的存在？
关键词：超光速；广义相对论；曲速引擎；曲速泡；负能量物质
穿梭时空可能终有一天会实现。（图片来源：shutterstock）
爱因斯坦对于万有引力定律的革命性改写经历了怎样漫长发展的故事已经被讲述过很多次了，然而在过去的一百年里，广义相对论还引领着我们发现了超新星和黑洞，膨胀中的宇宙，并认识到重力只是一种幻觉。正因为爱因斯坦，你才永远不会迷路，并且，他的理论还使得通过手机进行超精确定位的技术成为可能。
这是科学的馈赠，然我们对于爱因斯坦宇宙的探索似乎也受到了相对论的严格限制，因为任何宇宙飞船都无法超越光速航行。恒星之间的距离是用光年为单位来丈量的，而星系之间的距离就有几十万光年，更别说复杂的时间膨胀效应了，因此建立并管理一个星系帝国将是一件漫长的苦差事。
弯曲时间，弯曲空间
之前我的文章里已经写过，实现《星际迷航》中的太空航行并非完全不可能。 1994年，物理学家马歇尔·埃尔库比尔发现了一件非常神奇的事情：把时空弯曲到某种恰当的程度可以让你用任何速度进行宇宙旅行！尽管存在一些缺陷，但有了这种曲速引擎的驱动，光速的极限就可以被打破。
然而我们同样面临着一系列问题，尤其是这个产生于超光速泡泡的（曲率泡）曲速引擎怎么会不违背相对论定律呢。如果它确实能和相对论相一致，为什么直到20世纪90年代才有人注意到这个事实呢。
在质能方程E=mc2提出后，任何物体都不能超光速运动这条规则很可能是爱因斯坦相对论理论中最为人熟知的了。那么所谓的超光速运动到底是什么意思呢？
首先，我们要搞清楚爱因斯坦所说的与光束赛跑具体指的是什么。对他来说，这场赛跑只是局域性的，比如你在实验室里让一个有质量的粒子和一束光同时出发来比赛。这种情况下，光束必然总是领先的。
但在他这个特殊的理论中（狭义相对论），时间和空间的细节构造在任何地方都是相同的。讲的专业一点，这两者的联合体——又叫时空，是平坦的，而且我们能够比较实验室中的粒子与宇宙深处光线的速度。
而在广义相对论中，事情就没那么简单了，因为万有引力会使得时空在不同地点的曲率不尽相同，并且我们也不可能去比较实验室粒子与遥远宇宙深处光束的速度。唯一合理的方式只有在实验室中可以进行的局域对比，而在这里光速仍然无法被突破。
这对于曲速引擎所处的弯曲时空也是一样的，如果坐在曲速泡里的太空旅行者试图跟粒子还有光赛跑的话，光束依旧每次都会赢。
一个刚好看到曲速泡掠过的观察者会认为这个光束的速度要比任何能在实验室中产生的光射线速度都要快。但这并不成问题，因为比较“这里”和“那里”的速度是没有任何意义的。
也正因如此，宇宙学家们才会乐于谈论宇宙膨胀引起其他星系（相对于我们）的退行速度超过光速的现象。
度量力学
相对论提出80多年后，才由埃尔库比尔发现了这种（广义相对论方程的）奇异解。我们不禁要问：为什么之前人们并未意识到超光速旅行实际上就是理论的一部分呢？
问题当然就在于爱因斯坦方程那及其晦涩复杂的数学性质了。想要计算时空曲率，以及从任何已知的质量和能量分布情况计算万有引力的总和作用，都是及其困难的。
从数学上来说，定义了时空的特性以后再计算符合要求的质量和能量分布要相对容易一些。而埃尔库比尔的惊人洞察力就在于，他意识到一个（曲速）泡泡能够以滚动波的形式以任意速度运动。
然而这种“度量力学”有一个严重的缺陷：我们也许能够找到允许超光速运动的特殊时空，但产生这种时空需要的质量和能量分布则是不符合物理定律的。
熟悉经典力学的读者也许知道，通过给定的重力势计算力的大小和方向是很容易的，但是这种曲率泡的产生却需要存在一种具有负能量的物质。
曲速引擎的存在也有同样的前提条件，具备负能量密度的物质才能把时空弯曲成合适的形态。虽然已经发现了这种负能量性质在宇宙中存在的迹象，人类是否有能力去开发它们，并用来改造我们的宇宙飞船却是一个未知数。所以也许我们永远都不会制造出埃尔库比尔的曲速引擎。
不过我们不能因此而灰心丧气，继承埃尔库比尔的衣钵，继续尝试弯曲和拉伸时空，梳理出那些隐藏在数学中的可能性才是我们应该做的。也许，这些可能性中的大多数会是不可能实现的。但只要有足够的想象力，再加上运气的帮助，我们或许会意外地发现通往那些遥远恒星的路。
本文作者：
Geraint Lewis，悉尼大学天体物理教授。
（翻译：乔虹 审校：侯政坤）
原文链接：
https://theconversation.com/dont-stop-me-now-superluminal-travel-in-einsteins-universe-49439
留言