从相对论到曲率驱动，人类有望研究出超光速飞船吗？

在不少科幻电影情节中，都曾出现过超光速太空飞船在太空中星际遨游，假如我们现在就在一艘超光速飞船上，以接近光速的速度穿梭在宇宙中，我们的视野会发生怎样翻天覆地的变化？

在小说《三体》中，歌者文明最后向太阳系发射了星际武器“二向箔”，之后三维的太阳系就开始以光速向二维坍缩，这个过程中并不是无人生还，因为当时的人们已经研究出了曲率驱动飞船，并且乘坐超光速飞船逃离了太阳系。

相比曲率驱动飞船的原理，相信大家更好奇超光速旅行路途上的风景。随着飞船速度的不断增加，我们首先会注意到前方星星的位置似乎发生了变化，它们逐渐向后移动，而天空则在我们前方收缩。这种现象是由于光的异常（光的方向看起来随着观察者的移动而改变）和多普勒效应（观察到的光波频率随着源头和观察者之间的相对速度而变化）共同作用的结果。

随着速度的进一步增加，我们将经历更加奇异的视觉效果。由于光速不变原理，无论我们的速度如何增加，光速相对于我们始终保持不变。这导致了一个有趣的现象：尽管我们以极高的速度前进，但前方的光线似乎总是以相同的速度远离我们，这使得我们永远无法真正接触到光速。

我们可以通过爱因斯坦的相对论理解这些现象，其中一个关键概念是时间膨胀，即随着相对速度的增加，时间会变慢。这意味着在太空船上的我们会感觉时间流逝得更慢，而对于地球上的观察者来说，我们似乎在以更快的速度老去。

另一个概念则是长度收缩，它指的是在运动方向上，物体的长度会随着接近光速而减少。因此，从太空飞船内部看出去，整个宇宙似乎在我们的运动方向上被压缩了，这使得远距离的星系看起来离我们更近。

那么人类有可能研究出超光速飞船吗？科幻作品中它的理论基础又是什么？

光速是宇宙中的速度极限，任何有质量的物体都无法达到或超过这一速度。这是因为随着速度的接近光速，物体的相对质量会趋向无穷大，需要的能量也会趋向无穷大，这在物理上是不可能实现的。

毫无疑问，以人类目前的科技水平，制造出光速飞船距离我们还是很遥远的。然而，物理学家并没有完全放弃超光速旅行的梦想。一种被称为“曲率驱动”，也叫“翘曲驱动”（Warp Drive）的理论设想，通过弯曲时空本身来实现超光速飞行，而不是直接加速物体。

了解“曲率驱动”之前，我们先来大概了解一下广义相对论。广义相对论是20世纪初由阿尔伯特·爱因斯坦提出的重力理论，它彻底改变了我们对宇宙、时空和重力的理解。广义相对论不仅是现代物理学的基石之一，也是现代宇宙学和天体物理学的核心理论。

在广义相对论中，我们可以将重力视为时空的几何属性，而不是我们物理课上学到的力的描述。广义相对论认为物质和能量能够影响时空的几何结构，使其弯曲，而在这弯曲的时空中，物体的运动轨迹就会遵循所谓的测地线运动。

也就是说，时空不再是一个静态的背景，而是一个动态的、可以被物质和能量影响的实体。一个常用的类比是将时空比作一个布，而行星或恒星则像是放在布上的球，它们的质量会使布弯曲，而其他较小的物体则会沿着这个弯曲的表面移动。这种弯曲就是我们感受到的重力效应。

理解这个之后，我们再来接着看曲率驱动。其基本思想就是通过使太空船周围局部的时空弯曲，进而“吸引”太空船向前移动。具体来说，它通过在太空船前方压缩时空，而在后方扩张时空来实现。这种时空的弯曲创造了一种“泡”，太空船实际上位于这个泡内的稳定区域，因此不会感受到任何加速度，从而避免了高速旅行中的相对论性质量增加问题。

最后，曲率驱动目前只是一个理论概念，我们在不少科幻作品中都能看到这一观念，尤其是《星际迷航》系列中的星舰使用的翘曲引擎，和《三体》中的曲率驱动飞船。不得不说，它为超光速旅行提供了一种可能的物理框架，拓宽了我们对宇宙、时空以及物理定律的理解。