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相對論要求“任何質點的速率都小於(yu) 光速”，這裏的速率特指對質點做當時當地測量所得的速率，即定域速率。隻要與(yu) 這個(ge) 速度定義(yi) 不等價(jia) ，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常借助一種被稱為(wei) 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，從(cong) 廣義(yi) 相對論出發，物理學家米圭·阿庫別瑞於(yu) 1994年提出科學意義(yi) 上的曲速引擎概念。

日前，國際知名期刊《歐洲物理雜誌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現了一個(ge) 曲速泡。有人認為(wei) ，懷特的納米級曲速泡有望為(wei) 製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值模擬，預言在某種特定的微結構下可以給出負的能量密度分布，這有些類似於(yu) 維持阿庫別瑞時空結構（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係起來，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，根據廣義(yi) 相對論，超光速移動有兩(liang) 種途徑：延伸空間和卷曲空間。前者的最佳例子是曲速引擎，後者的例子則是蟲洞。

李理介紹，曲速引擎技術是在宇宙飛船外圍創造出一種正常時空的人工氣泡，被稱為(wei) 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，而後麵的空間被拉長,這樣飛船就會(hui) 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，而飛船裏的船員會(hui) 認為(wei) 自己是靜止不動的。“整個(ge) 泡泡移動時帶著太空船前進，某種意義(yi) 上類似於(yu) 小船在河裏被水流帶著漂流。”他比喻道。

阿庫別瑞1994年提出的使時空扭曲的具體(ti) 設想，可達到能以任意“速度”飛行的效果，但是這一時空結構（指曲速泡）需要具有負能量的奇異物質來維持。

“通常，物理學家們(men) 首先采用正能量來推進一艘宇宙飛船，其移動速度永遠慢於(yu) 光速。為(wei) 了超越光速，必須更換燃料。”加來道雄在書(shu) 中寫(xie) 道，對於(yu) 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，科學家們(men) 在自然界中尋找負物質的努力迄今為(wei) 止尚無結果，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(men) 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(chan) 生的，該效應指兩(liang) 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域的能量密度低於(yu) 金屬板外麵。通常認為(wei) 金屬板外麵區域的能量密度為(wei) 零，所以金屬板之間區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並不違背相對論

光速是一個(ge) 極限速度, 任何物體(ti) 的運動速度都無法超過光速。這個(ge) 狹義(yi) 相對論中的觀念已經深入人心。如果物體(ti) 運動接近光速，將會(hui) 帶來顯著的尺縮效應、鍾慢效應以及質增效應。

那麽(me) ，曲速泡的超光速移動違背相對論嗎？

李理強調，這裏的“超光速”隻是一種表觀的超光速，並不違背相對論。他解釋道，相對論要求“任何質點的速率（速度的大小）都小於(yu) 光速”，這裏的速率特指對質點做當時當地測量所得的速率（定域速率）。隻要與(yu) 這個(ge) 速度定義(yi) 不等價(jia) ，超光速未必違背相對論。

“相對論雖然對物體(ti) 的運動速度給出了限製，但是對空間自身的膨脹速度沒有任何限製。”李理舉(ju) 例，當前宇宙在加速膨脹，兩(liang) 個(ge) 星係相互遠離的速率隨著距離的增加而增加，對於(yu) 距離足夠遠的星係退行速率將大於(yu) 光速，但是這並非因為(wei) 星係（團）本身的運動，而是因為(wei) 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”移動也可以歸結為(wei) 空間膨脹。“飛船在曲速泡中本身相對泡泡並不移動，這樣就避免了相對論中提出的質增效應和時間膨脹效應（鍾慢效應），與(yu) 此同時，曲速泡附近的時空扭曲得非常厲害，帶動整個(ge) 曲速泡和泡泡內(nei) 的飛船前進。”李理說。

超光速旅行理論上不可行

1905年，愛因斯坦發表了《論運動物體(ti) 的動力學》，建立了狹義(yi) 相對論。狹義(yi) 相對論基於(yu) 兩(liang) 條基本原理：光速不變原理和狹義(yi) 相對性原理。更重要的是，愛因斯坦將時間和空間統一為(wei) 一個(ge) 整體(ti) “時空”。

李理介紹，在狹義(yi) 相對論中，兩(liang) 個(ge) 事件從(cong) 一個(ge) 參考係來看是同時的，而從(cong) 另一個(ge) 相對運動的參考係來看就不再是同時的事件了。“正是這種對牛頓絕對時空觀的破壞導致了許多看似反常的現象，最典型的三個(ge) 效應就是尺縮效應、鍾慢效應以及質增效應。”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(liang) 端坐標，根據兩(liang) 者之差得出尺子長度。對於(yu) 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複雜。由於(yu) 同時是相對的，運動參考係中的同時測量跟靜止係不同。這種尺縮效應不是彈性之類的物理機製在起作用，而完全是一種運動學效應。物理的尺子隻有一把，但是不同慣性係有不同的“同時麵”，導致測到不同的長度。同樣的運動學效應還有鍾慢效應，即對於(yu) 運動的物體(ti) ，其變化用靜止觀者的時鍾去測量會(hui) 變慢。尺縮效應中沒有任何東(dong) 西真正收縮，鍾慢效應中也沒有任何鍾的走時率真正變小。

更具體(ti) 地說，尺縮和鍾慢效應都來自於(yu) 狹義(yi) 相對論中要求物理定律的形式在洛倫(lun) 茲(zi) 變化下不變（洛倫(lun) 茲(zi) 協變性），質增效應也是這種情況下一個(ge) 直接的結果。

李理表示，在運動物體(ti) 的速度接近於(yu) 光速的極端情況下，尺縮比例會(hui) 變得無窮大，時鍾會(hui) 變得像停住了一樣，此外物體(ti) 的質量（能量）在接近光速時也趨於(yu) 發散。這意味著需要無窮大的能量才能使物體(ti) 的速度達到光速，從(cong) 中可以看到光速是一個(ge) 極限速度, 任何物體(ti) 運動都無法超越光速。在速度遠遠小於(yu) 光速時，相對論效應就無法體(ti) 現，牛頓力學可以作為(wei) 狹義(yi) 相對論在低速情況下一個(ge) 好的近似。

“狹義(yi) 相對論中的這些效應已經得到了大量實驗的驗證，甚至在我們(men) 日常生活經常使用的衛星導航係統也必須考慮鍾慢效應的影響。”李理補充道，狹義(yi) 相對論跟量子力學結合產(chan) 生的量子場論在描述亞(ya) 原子粒子方麵取得了巨大成功，建立了統一描述電磁力、強力和弱力三種基本相互作用的粒子物理學標準模型。令人驚歎的是，相對論在化學中也非常重要，重元素原子內(nei) 層電子平均速度可以高達光速的三分之二，從(cong) 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(wei) 假想的超光速理論暫無存在證據

不論是廣義(yi) 相對論還是量子場論，都不允許定域速率超過光速。如果觀測發現定域速率超過光速的情況，將會(hui) 對基礎物理學產(chan) 生重大挑戰。

2011年意大利格蘭(lan) 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現了“中微子超光速”現象，造成了巨大的轟動，然而最終發現這是由於(yu) 實驗裝置存在問題導致的錯誤結果。

人們(men) 也基於(yu) 各種動機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，它總是以超光速運動。理論上也可能存在由快子組成的宇宙，但人們(men) 還從(cong) 未發現快子存在的直接或間接證據。此外，還有一些修改的引力理論也存在超光速傳(chuan) 播現象,如有些具有高階導數修正的引力理論和雙度規理論。

“客觀來說，這些理論或多或少都存在一些問題，目前也沒有發現任何可信的超光速的實驗跡象。但是，科學的發展告訴我們(men) ，保持開放的思想十分必要。”李理表示。

來源：科技日報

科技日報記者 唐芳

原標題：真實世界中發現曲速泡？別急，超光速旅行為(wei) 時尚早

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