去年9月，有几百名科学家、工程师和太空爱好者聚集在休斯顿市中心的凯悦酒店，参加“百年星舰”的第二次公开会议。该组织由前宇航员 Mae Jemison 领导，并由 DARPA 资助。其使命是“在未来100年内，使人类超越太阳系抵达另一颗恒星的能力成为现实。”
对于大多数与会者来说，载人太空探索的进展一直令人沮丧地缓慢。尽管过去几十年来投入了数十亿美元，但太空机构的能力并没有比20世纪60年代强多少。甚至可能不如。百年星舰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。
在为期数天的时间里，与会者可以参加诸如星际飞船上的器官再生和有组织宗教等奇特主题的研讨会。最受期待的演讲之一是题为“曲速引擎力学102”的讲座，由美国宇航局的 Harold “Sonny” White 主讲。White 在该机构工作了九年，负责约翰逊航天中心（JSC）的先进推进项目，就在凯悦酒店附近。他最近与其他五人合著了该机构为期16年的《太空推进系统路线图》，该路线图概述了美国宇航局太空旅行未来的目标。该计划涵盖了从改进型化学火箭到反物质和核引擎等各种推进项目。White 的特定研究领域可能是所有这些中最具前瞻性的：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，因为它明显违反了爱因斯坦的广义相对论。White 则不这么认为。在研讨会上，他花了半小时阐述了潜在曲速引擎的物理学原理——向与会者讲解了诸如阿尔库别尔泡泡和超空间振荡等概念。他解释了他最近如何计算出可能为实际曲速引擎铺平道路的理论结果，并表示他正在他的 NASA 实验室（他称之为 Eagleworks）进行物理测试。
无需赘言，功能性曲速引擎将对太空旅行产生巨大影响。它将使探险者不仅摆脱地球轨道，还能摆脱整个太阳系。White 表示，装备了曲速引擎的宇航员，无需花费75,000年时间才能抵达离我们最近的恒星系统——半人马座阿尔法星，他们只需两周时间即可完成旅程。
在航天飞机计划终止以及私人企业在近地轨道飞行中扮演日益重要角色的背景下，美国宇航局表示将重新聚焦于遥远、大胆的探索，远远超出月球这个相当狭窄的边界。但只有开发出新的推进系统，它才能实现这些目标——速度越快越好。在百年星舰聚会结束后几天，美国宇航局局长 Charles Bolden 呼应了 White 的说法。“总有一天，我们想达到曲速速度，”他说，“我们想比光速更快，而且我们不想只停留在火星。”
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“曲速引擎”一词首次被主流使用可以追溯到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界最持久系列作品中的一个虚构概念。然后，一位名叫 Miguel Alcubierre 的物理学家在观看该剧的一集时，恰好在进行广义相对论的研究，他问自己，要使曲速引擎在物理上成为可能需要什么。他在1994年发表了一篇阐述其物理学原理的论文。
Alcubierre 设想了一个空间中的泡泡。在泡泡的前方，时空会收缩，而在泡泡的后方，时空会膨胀（有点像宇宙大爆炸）。这种变形会平稳地推动飞船前进，就像在波浪上冲浪一样，尽管周围有混乱。原则上，曲速泡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内部，而不适用于时空的扭曲本身。Alcubierre 预测，在泡泡内部，时空不会改变，太空旅行者将安然无恙。
曲速引擎将使探险者不仅摆脱地球轨道，还能摆脱整个太阳系。
广义相对论的爱因斯坦方程很难朝一个方向求解——弄清楚物质如何弯曲空间——但反向求解则相对容易。利用这些方程，Alcubierre 确定了创造这样一个曲速泡泡所需的物质分布。麻烦在于，解决方案需要一种名为负能量的稀有物质。
最基本的定义是，引力是两个物体之间的吸引力。任何物体，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，负能量是引力排斥的。负能量不会将时空拉拢在一起，而是将其推开。粗略地说，为了使他的模型奏效，Alcubierre 需要负能量来扩展飞船后方的时空。
尽管从未有人测量过负能量，但量子力学预测它确实存在，并且科学家们应该能够在实验室中制造出来。一种产生它的方法是利用卡西米尔效应：两个非常靠近的平行导电板应该会产生少量的负能量。Alcubierre 的模型失效之处在于，它需要大量的负能量，其数量级远超大多数科学家估计的产量。
White 表示他找到了绕过这个限制的方法。在一项计算机模拟中，White 改变了曲速场的强度和几何形状。他理论上计算出，他可以用比 Alcubierre 预测少数百万倍的负能量来产生一个曲速泡泡，而且可能足够少，以至于一艘航天器可以携带生产它的工具。“这些发现，”他说，“将其从不切实际变成了可行。”
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约翰逊航天中心坐落在休斯顿通往加尔维斯顿湾的泻湖旁。它有郊区大学校园的感觉，尽管它是为训练宇航员而设的。我来访的那天，White 在15号楼会见了我会面，这是一栋低矮的走廊、办公室和实验室组成的建筑群，里面是 Eagleworks。他穿着一件绣有 Eagleworks 标志的Polo衫，标志描绘了一只鹰，正俯冲而下，飞越一艘未来派的星舰。
White 的职业生涯并非始于推进领域。他曾学习机械工程，并于2004年作为机器人小组的一员加入该机构，自2000年起一直作为承包商在 JSC 工作。最终，他在攻读等离子体物理学博士学位期间，接管了国际空间站的机械臂。直到2009年，他才将职责转移到推进领域，这长期以来一直是他感兴趣的领域，也是他最初来 NASA 工作的原因。
“Sonny 是一个非常独特的人，”他的老板 John Applewhite 说，他领导着 JSC 工程总监部内的推进系统部门。“他绝对是一位有远见的人，但同时也是一位工程师。他能将他的远见转化为有用的工程产品。” 大约在他加入 Applewhite 的团队时，White 请求批准开设他自己的实验室，专注于先进推进技术。他构思了“Eagleworks”这个名字——这是对著名的洛克希德·马丁“臭鼬工厂”的爱国式的戏仿——并让 NASA 按照他的规格制作了一个标志。然后他开始工作了。
White 带领我到他的办公室，他和一位正在研究月球上水的同事共用。然后他带我穿过走廊来到 Eagleworks。在我们走的时候，他告诉我他申请开设实验室的过程，他将其描述为“一个漫长而艰辛的过程，试图寻找先进推进技术帮助载人太空探索的方法。” 他说话带点南方口音，这是他在南方多年生活的结果——先是在阿拉巴马州上大学，然后又在德克萨斯州待了13年。
White 领我进入设施，然后把我带到它的核心特征，他称之为量子真空等离子体推进器（QVPT）。这个装置看起来像一个巨大的红色天鹅绒甜甜圈，电线紧密地缠绕在核心周围，它是 Eagleworks 正在推进的两个项目之一，另一个是曲速引擎。它也是保密的。当我问及它时，White 告诉我他不能透露任何信息，除了这项技术比曲速引擎更先进。他2011年写的一份 NASA 报告称，它使用空空间的量子涨落作为燃料来源，因此由 QVPT 推进的宇宙飞船将不需要推进剂。
White 的曲速实验藏在房间的后角。一台氦氖激光器被固定在一个小桌子上，桌子上布满了孔洞网格，还有一个分束器和一个黑白商用 CCD 相机。这是一个 White-Juday 曲速场干涉仪，White 以他和退休的 JSC 员工 Richard Juday 的名字命名，Juday 正在帮助 White 分析 CCD 的数据。一半的激光穿过一个环——White 的测试装置。另一半则不。White 说，如果这个环没有效果，他将在 CCD 上看到一种信号。如果它扭曲了空间，“干涉图案将截然不同。”
当设备启动时，White 的设置看起来在电影中一样完美：激光是鲜红色的，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，White 将其充电到23,000伏特。White 过去一年半一直在设计这个实验，他说这些电容器将“建立非常大的势能”。然而，当我问他这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什么。我不能告诉你我不能告诉你的。” 他解释说，他签署了保密协议，禁止他透露具体细节。我问他与谁签订了协议。他说，“人们进来想谈论一些事情。我就是不能再多说细节了。”
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虽然 曲速旅行 的理论足够直观——扭曲时空以创建一个移动的泡泡——但它存在几个重大的障碍。塔夫茨大学的理论物理学家 Lawrence Ford 说，即使 White 能够大大减少 Alcubierre 所需的负能量，其数量仍然可能远远超过科学家能够产生的。“在过去30年里，他在负能量领域发表了数十篇期刊文章。” Ford 和其他物理学家表示，在负能量能够存在于一个地方多长时间的问题上，存在着根本性的物理限制，而不仅仅是工程挑战。
另一个挑战是，为了创造一个比光速还快的曲速泡泡，科学家需要将负能量分布在飞船周围，包括飞船前方。White 不认为这是个问题；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“你拥有一个产生所需条件的装置。” 但是，在飞船前方创造这些条件意味着产生一种比光速更快的负能量分布，这违反了广义相对论。
White 声称曲速引擎可行，同时也等于声称他可以制造一台时间机器。
最后，曲速引擎提出了一个概念性问题。在广义相对论中，超光速旅行等同于在时间中移动。White 声称曲速引擎可行，同时也等于声称他可以制造一台时间机器。
这些障碍引起了一些严重的怀疑。“我认为任何正常的物理学理解都无法预测他在实验中会看到任何东西，”塔夫茨大学的物理学家 Ken Olum 说，他在2011年百年星舰的集会上曾在一个关于奇异推进的专家小组中任职。Middlebury College 的物理学家 Noah Graham 在我请求下阅读了 White 的两篇论文后，在一封电子邮件中写道：“除了对先前工作的总结，我在这两篇论文中看不到任何有效的科学内容。”
Alcubierre，现任墨西哥国立自治大学的物理学家，也表示怀疑。“即使我身处飞船中间，并且拥有负能量，我也无法把它放到我需要的地方，”他从墨西哥城的家中打电话告诉我。“这是一个好想法。我喜欢它，因为是我自己写的。但它有一系列限制，我多年来已经看到了，而且我不知道如何解决它们。”
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在约翰逊航天中心主入口的左侧，一架土星五号火箭横卧在地，其各级分离，展示了其内部结构。它非常巨大。它的其中一个引擎几乎有一辆小汽车那么大，如果竖起来，整个火箭比足球场长几英尺。它是太空旅行困难的无声见证。它也已经有四十年历史了，它所代表的时代——当时 NASA 是国家为载人登月而进行的宏大努力的一部分——早已过去。如今，JSC 感觉像一个曾经触及过伟大，但后来却从轨道上坠落的地方。
推进技术的突破可能预示着 JSC 和 NASA 新时代的到来，在某种程度上，这个时代已经来临。2007年发射的“黎明”号探测器，正利用离子推进器探索小行星带。2010年，一个日本团队部署了“光帆一号”（Ikaros），这是第一艘由太阳帆驱动的星际飞行器，太阳帆是另一种实验性推进方式。2016年，科学家们计划在国际空间站测试 VASIMR，这是一个为高推力推进设计的基于等离子体的系统。虽然这些系统有一天可能会将宇航员送往火星，但它们仍然无法将宇航员送往太阳系以外的地方。White 说，要做到这一点，NASA 需要拥抱更具风险的项目。
曲速引擎也许是 NASA 最具异想天开的推进项目。更广泛的科学界认为 White 无法制造它。专家们说他正在与自然和物理定律作对。尽管如此，NASA 还是支持它。“以他正在做的事情的规模来说，他的资金水平并不高，”Applewhite 说，“我认为总监部内有很大的兴趣继续发展他的工作。这些都是理论概念，如果它们能够实现，将是改变游戏规则的。”
一月份，White 把他的曲速干涉仪打包，搬到了一个新设施。Eagleworks 已经超出了它第一个家的容量。新实验室更大，他热情地说，“它具有抗震隔离功能”，这意味着它能免受振动的影响。但新实验室最棒的也许也是最能说明问题的。NASA 为 White 分配了一个为阿波罗计划建造的设施，正是该计划将尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林送上了月球。
Konstantin Kakaes 是新美国基金会的施瓦茨研究员。
本文刊登于2013年4月版的《大众科学》杂志。
