曲率驱动引擎

曲率驱动引擎(3)这个宇宙的空间并不是平坦的，而是存在着曲率,如果把宇宙的整体想象为一张大膜，这张膜的表面是弧形的，整张膜甚至可能是一个封闭的肥皂泡，虽然膜的局部看似平面，但空间曲率还是无处不在。

1994年物理学家米盖尔・阿尔库比雷（ Miguel Alcubierre）首次提出了类似《星际迷航》中的弯曲引擎。

这一引擎将使用尚未被发现的、具有负质量和呈负压的“特异物质”。由此可以扭曲时空,造成飞船前方的空间收缩，后方的空间膨胀。被包裹在这一“弯曲泡”中的飞船就能在不破坏相对论的情况下超光速飞行。

不幸的是,曲速引擎存在一系列的问题。首先，维持这一弯曲所需的能量就超过了宇宙的总能量。其次，它会产生大量威胁宇航员生命的辐射。另外，也没有证据表明存在这样一种特殊的物质。

更为关键的是，2002年发表的文章指出，对于飞船而言无法往“弯曲泡”的前方发送信号，这就意味着宇航员将无法操控飞船。事实上无论能提供多少能量，物理上似乎都不可能产生这样的“弯曲泡。^[1]

一个划行的小船，在一条平坦的河流上。因为河流是平坦的（相当于曲率为零），所以小船并不会加速航行。但如果前方突然遇到一个向下的瀑布（瀑布的曲率认为是无穷大），则小船会很快达到一个非常快的速度。结合这样的比喻便可以理解了。

20世纪50年代，德国物理学家海姆开始探索“超时空动力”的概念，他提出：“曲速航行”就是利用时空扭曲和时空跳跃实现超光速飞行。他认为强力磁场就可以制造引力场，以高速推动宇宙飞船。如果磁场足够强大，宇宙飞船就可以进入一个比我们所在的时空更高的二度次空间，以超光速航行。

海姆用“二度次空间”学说补充爱因斯坦四维时空说，因此，宇宙就变成了六维时空。在海姆看来，万有引力和电磁力可以互相转化，因此旋转磁场将削弱地球引力，从而使得飞船能够离开地面。

1957年当海姆公开发表理论。但当时很多物理学家都表示难以接受，因为他们认为在当时的物质技术条件下，很难制造出那么巨大的磁场。直到2001年海姆辞世，他的理论也随之消声灭迹。

2005年德国萨尔茨吉特应用科学大学的物理学家豪泽与同事德勒舍尔共同撰写了一篇，以海姆理论为基础的实验论文，探究“超时空发动机”制作的可行性。意想不到的是：突然被美国航空航天学会授予2005年度“核能和未来航空”项目大奖。与此同时美国空军对能够超越光速的“超时空发动机”表现出了极大兴趣，并派代表与豪泽见了面。见面时豪泽强调计划还处于相当初步阶段，若证明理论可行，5年后便可建造测试模型飞船。

因此，美国航空航天学会颁发的这个论文大奖在全球物理学界引起了不小的震动，这一举动一定程度上认可了海姆理论的部分学说。接着美国能源部圣迪亚国家实验室的太空动力研究员罗格·雷纳德公开宣布：他们拥有一部X光发生器——Z机器——可以提供实验所需要的磁场。他说：“即使实验证明结论是错误的，在我看来，这也是个成功的实验。”

2012年，物理学家哈罗德·怀特将围绕飞船的那个环状结构从原先设计中的扁平状改为甜甜圈那样的“圆筒形”，计算的结果显示这样一个装置的驱动所需能量，仅相当于美国宇航局在1977年发射的旅行者号探测器那样的质量按照质能方程转化得到的能量值。另外，怀特还发现如果空间弯曲的强度可以随时间发生起伏变化，那么实现这一装置所需的能量将进一步减少。

2014年6月，美国太空总署（NASA）机械工程师、物理学家怀特（Harold White）正在研究开发可作星际旅行的宇宙飞船“IXS企业号”。他近日和3D艺术家拉德梅克合作，制作出宇宙飞船的概念图，一旦飞船面世，只需两周便可到达距离太阳4光年远的地方。

怀特和他的同事们在实验室里实验了他们的小型曲率驱动装置，并在约翰逊空间飞行中心建立了一套被称作“怀特-朱迪曲率场干涉仪”的装置。简单地说基本就是使用一束激光来触发时空在微观尺度上的扭曲。这一想法将有希望让这种科幻产物成为真正的现实。

2015年5月，美国宇航局的科学家已经开展了对曲速引擎的研究工作，并对这种科幻级的动力系统进行了测试。这一消息公布后引发了多方关注，支持者认为曲速引擎的研发能够让我们不带笨重的燃料前往宇宙深处，甚至能够比光速运行得还快。这听起来似乎非常棒，这个的工作室位于美国宇航局约翰逊航天中心Eagleworks实验室，首席科学家为Harold White博士，他们已经通过一套被称为EM drive的动力装置获得了推力。而这个装置的原理，并非一般意义上靠扭曲时空行进的“曲速引擎”。

EM drive的工作原理实际上是通过电磁波在一个圆锥形金属封闭空间内产生的一部分能量，外界认为这个想法存在原则问题，即违反了物理学上的动量守恒。这就像你坐着汽车驾驶座上推动仪表盘，汽车就会前进。科学家认为Eagleworks实验室的方案仍然有待解决。在此前的测试中，物理学家没有在真空环境中运行这套系统，而且实验设置可能还存在问题。而更大的问题是，该实验背后的数学和物理原理还不完善，甚至可能并不存在。

据国外媒体报道，借助曲率驱动实现超光速的飞行，这是一种由于科幻电影《星际迷航》而变得流行一时的概念。至今，科学家们认为这一技术可能并非如原先想象的那么难以实现。

所谓曲率驱动的概念就是指通过对时空本身的改造来驱动飞船，利用物理学定律中的漏洞来打破光速不可超越的限制。1994年墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利（Miguel Alcubierre）首次提出了现实生活中曲率驱动的概念。然而后续进行的计算显示这样一种装置将需要无法达到的极高能量才能实现。

如今，物理学家们表示，原先的曲率驱动模式可以进行改造，从而让它可以用比原先计算少得多的能量条件下实现运行，这一想法将有希望让这种科幻产物成为真正的现实。

“这让人看到曙光。”在2012年9月14日于美国宇航局约翰逊空间飞行中心举办的星际飞船100周年研讨会上，该局科学家哈罗德·怀特（" Harold "Sonny" White）这样说道。这一研讨会的举办旨在探讨未来星际航行将会遇到的挑战。^[2]

《三体》

刘慈欣著名科幻小说《三体》世界里也涉及到曲率驱动引擎，是航天器达到光速的方法，但改变曲率造成的航迹，在“黑暗森林”中被视为文明达到一个先进程度的里程碑，有大量曲率航行的航迹的行星必将受到毁灭性打击。但是若用大量曲率航迹将星系所包裹形成“慢雾”则变成了安全声明，因为航迹内的光速只有16.7千米每秒，达不到第三宇宙速度，所以光甚至无法离开太阳系。即为表明人类社会不会离开太阳系。

小说中地球文明开始研制曲率驱动时在是程心通过云天明的隐喻的“三个故事”推导出来的。

引擎在广播纪元8年，程心将星环公司交与托马斯·维德接管。

掩体纪元5年 星环集团宣布研制曲率驱动飞船的计划。

但是掩体纪元11年 程心代表星环集团向联邦政府投降，托马斯·维德被判处死刑，曲率驱动引擎在人类中发展停滞不前，后来政府发现的光速飞船对于黑域计划的作用纵容秘密研究，但是为时已晚。

掩体纪元67年太阳系开始二维化时，程心与艾AA乘坐曲率驱动飞船离开太阳系，于银河纪元409年到达DX3906。

曲速航行的速率通常以曲速层级（warp factor）代之。一般认为曲速1级是真空光速（c）；更高的层级下，速率呈指数增加。原始电视系列剧的数个剧集曾设定了企业号冒著危险以高曲速层级航行，一度高到曲速14.6级（"That Which Survives")。然而，任一曲速层级的实际速度从未在萤幕上显明地被陈述，以作为经典纪录。更甚者，各电视系列剧中航行时间与星际距离在陈述上，从未严格地保持一贯性（甚至是相当松散的）。

理论中的的曲速航行原理图

在了解这是个问题后，《星际迷航：下一代技术手册》的创造者决定曲速10级应作为最大值。后台的星际奇旅术语建议将曲速尺标重新调整，将旧曲速6级变为新曲速5级，而曲速10级为无限大速度而无法达到。制作人指示船只可以任意接近曲速10级，但就是无法到达刚好曲速10级。如此则贵族与旅人等生命体则能以相当快的速度航行，又可以回避限制。举例而言，据估计，旅人将企业号推进到曲速9.999996级的速度。而第四代电视系列剧《重返地球》中的剧集"Threshold"附议了这项设定，其中角色提到曲速10级的速度是不可能达到的，因为那是无限大的速度——但不管如何，随后他们却达到了，伴随了快速地（反向）演化成两栖类的蝾螈的副作用。（虽然是许多影迷、制作人员，甚至该集的编剧与制作人Brannon Braga都普遍忽略的事件。）

以曲速航行的船舰不会感受到任何形式的时间展长；毕竟总体来说，曲速船舰与宇宙间没有资讯交换。若船舰是采用脉冲引擎，速度则为次光速（亚光速），会感受到时间展长，因为脉冲引擎驱动的船只，仍处在正常时空连续体中。也因为这样，多数船只会将冲量速度限制在大约四分之一光速。

超曲速（transwarp）被多次使用，指的是曲速引擎的高阶形式，常为博格人所使用；但也是一项不成功的星际舰队开发计划的课题，出现于电影《石破天惊》中。如同欲进入曲速而不会用上无限多的能量，是要在星舰的周遭产生曲速场来突破光速障（在我们的宇宙中是个理论上不可能的事件）；相似地，也需要超曲速场来达到非常高的超光速速率（使得船舰能在很短时间内横越银河等级的距离。）