曲速引擎

曲速引擎（Warp drive）是一种假想的超光速（faster-than-light, FTL）推进系统，经常出现于科幻小说的设定中，尤以在影片《星际旅行》中最为常见。一架装载着曲速引擎的宇宙飞船，可以以快于光速的几个数量级的速度航行，同时又回避了时间膨胀的相对论性的问题。与其他科幻作品的超光速技术（比如跳跃引擎、银河便车指南系列中的无限不可能引擎）不同，曲速引擎并不允许在两点间进行瞬时旅行；曲速引擎技术在宇宙飞船周围创造出了一种正常时空的人工“气泡”。（这与进入独立的区域或次元截然相反，比如出现在星际大战、星际之门、战锤40000、巴比伦5号中的超空间。所以，以曲速速率航行的宇宙飞船在“正常时空”中仍能继续与物质相互作用。

运用空间翘曲（space warp）作为推进工具已成为一些物理学家（例如米给尔·阿库别瑞）的理论推导主题（参见阿库别瑞引擎），然而目前尚未有坚实的技术方法被提出，也不知道阿库别瑞所提的效应理论上要怎么引发。

## 星际迷航中的曲速

### 发展史

星际旅行中多个星球都有自己开发出曲速的发展历史；在地球，曲速是由季弗兰·寇克瑞恩（Zefram Cochrane）所开发。在电影《战斗巡航》里提到的发明年代是第三次世界大战终战后10年的2063年，试飞船为凤凰号；但在原始影集《星际迷航：初代》里则暗示曲速科技更早些年就已经被使用，虽然证据不明。小说《星际旅行之星际联邦》（Star Trek: Federation）则提到2061年寇克瑞恩发明曲速引擎。

其他文明，比如瓦肯人或安多利亚人则比地球更早发明曲速引擎，在地球开始接触外星文明的前期（例如：22世纪），这些行星的曲速科技也远超前于地球所能及，比如最高可达速度与最高巡航速度。

在星际旅行试映剧集《The Cage》里，曲速被称为“时间翘曲”（time warp）。这集里反应了时间障（time barrier）已被打破，但既然这些对话是对一群船只失事的星际旅行者报告的新消息，则不可能是指光速障的打破。（试映剧集描绘了许多与后来影集不相符的事情。）

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。原始影集的数个剧集曾设定了企业号冒着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，各影集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）。

在了解到一贯性的问题，同时亦为了展开新的故事情节，《下一代》的创造者决定曲速10级应作为最大值。后台的星际旅行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Q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。而第四代影集《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。（虽然许多影迷、制作人员，甚至是该集的编剧与制作人布兰农普遍忽略该集的事件。）

一般普遍接受：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，因为冲量式驱动的船只仍处在正常时空连续体。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。

而在2013年上映的新星际迷航电影系列暗黑无界：星际争霸战，有一段在曲速中进行舰对舰战斗的情节，并出现了进取号（NCC-1701）被打出曲速场却没有被曲速场边缘极高的时空曲率破坏的情节，但官方暂时未有理论支持这段情节的出现。

### 超曲速引擎

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，出现在电影《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。）

#### 星际联邦的实验

实验中的联邦星舰精进号（NX-2000）在史戴尔斯（Styles）舰长的领导下，成为联邦对于超曲速技术的实验船舰。虽然在《石破天惊》的大萤幕上并未解释，一般认为超曲速是传统曲速引擎的快速版本。精进号的首次操作测试会失败，是因为蒙哥马利·斯科特的暗中破坏，因此才能阻止精进号追逐企业号。在电影《迈入未来》的事件中，精进号（在苏鲁舰长的领导下）已经改装上标准曲速引擎，因此被认为超曲速测试是以失败告终。

在2374年，联邦星舰不屈号的船员被派任一项任务，前往研究联邦领域中的稀有子空间压缩现象。原先希望对于这个异常现象的进一步研究，能够引领创造出可用的超曲速引擎。不幸地这项任务被珍哈达的攻击所打断，然而船舰由婕琪·戴克斯少校、麦尔斯·欧布莱恩总管、朱利安·巴希尔医官与武夫少校成功夺回。

#### 博格人与其他外星人

博格人（如在《银河飞龙》上下二集剧集"Descent"与《重返地球》最后剧集"Endgame"）使用了名叫“超曲速导管”（transwarp conduits）的异常现象——一些特别的子空间区域使得超曲速航行可以比传统曲速引擎快到20倍。博格超曲速导管是由编码过的迅子脉冲所启动。当博格船只进入超曲速导管时，会感受到极大的重力场剪应力。为了补偿，博格人设计了船只前方的的结构完整力场（structural integrity field）。人造导管由超曲速中继站（transwarp hub）连接起来。已知有六个中继站存在，但一个在剧集"Endgame"中被摧毁；而且凯瑟琳·珍葳少将刻意将自身感染神经裂解性病原体（neurolytic pathogen）后再被同化入集合体，整个博格集合体可能也因此遭到毁灭。虽然这点需要进一步的厘清，但既然博格人是彼此连结，很可能每个博格个体都遭受连带的毁灭。

博格超曲速技术类似于Arturis种族所用的量子滑流技术。

### 曲速速度

《原初系列》中，根据金·罗丹贝利（Gene Roddenberry）与他的剧集编剧指引，曲速速率（s）与曲速层级（w）的三次方呈倍数关系：$s(w) = w^3c$。

按照这样原则，可以将《原初系列》中不同曲速层级所对应的速率列表如下：

曲速层级｜几倍光速（c）｜大约速度

曲速1级｜1 c｜3.0x105 公里／秒

曲速1.5级｜3.375 c｜1.0x106公里／秒

曲速2级｜8 c｜2.4x106公里／秒

曲速3级｜27 c｜8.0x106公里／秒

曲速4级｜64 c｜1.9x107公里／秒

曲速5级｜125 c｜3.7x107公里／秒

曲速6级｜216 c｜6.5x107公里／秒

曲速7级｜343 c｜1.0x108公里／秒

曲速8级｜512 c｜1.5x108公里／秒

曲速9级｜729 c｜2.2x108公里／秒

曲速9.25级｜791 c｜2.4x108公里／秒

曲速9.5级｜857 c｜2.6x108公里／秒

曲速9.75级｜926 c｜2.8x108公里／秒

曲速10级｜1,000 c｜3.0x108公里／秒

曲速11级｜1,331 c｜4.0x108公里／秒

曲速14.6级｜3,112 c｜9.3x108公里／秒

曲速15级｜3,375 c｜1.0x109公里／秒

然而这样设定仍然无法完整解释整个影集所出现的场合，因为如此企业号航行速度变得过慢，和电视系列剧中所提的有时相抵触，例如That Which Survives这集中，企业号以曲速8.4级航行了11.33小时，而横越了990.7光年（此段文句为史巴克的台词）。这样计算出来的速率超过600,000倍光速；即使是曲速15级，这样也还超过两个数量级。对于企业号来说，这也是事实，因为他可以容易地由银河的一边航行到另一边。

#### 新式曲速速度

在后起的几部影集，奥田(Michael Okuda)以旧制为基础设置了一项公式，但做出了几个重要的改变。对于1至9级曲速，若w是曲速层级，s是以公里每秒计量的速率，而c表示光速，则$s(w) = w^{10 \over 3}c$.在曲速9级到曲速10级间的半开放区间，w的指数项快速地增加到无限大。如此，在奥田式尺度中，曲速以渐近线方式趋向曲速10级。这段区间并没有精确公式，因为在这一段所摘录到的速率是根据手绘曲线。然而在1995年，寇克瑞恩曲速力学进展奖（Cochrane Award for Advancements in Warp Mechanics）颁给了一位胜出者，其所提的曲速公式为：

$$s=w^{\frac{10}{3}+\frac{10}{3}A(w)B(w)C(w)}c$$

其中

- $A(w)\,$为$0.20467 e^{-0.0058(\log(100,000-10,000w))^5}$。
- $B(w)\,$为$1+\frac{1}{3}(2\cos(10\pi \log(\frac{8}{100-10w}))-1)e^{-49.369(\log(\frac{8}{100-10w}))^4}$。
- $C(w)\,$为$1+1.88269\frac{\frac{\pi}{2}-\arctan(10^w \log(20,000-2000w))}{\pi}$。利用数学软件所产生来的曲线竟然和原始手绘曲线极度相符。

下方为新式曲速层级（warp factor）和它们以公里每秒为计的大约值，以及几倍光速（c）：

曲速层级｜几倍光速（c）｜大约速度

曲速1级｜1 c｜3.0x105公里／秒

曲速2级｜10.079 c｜3.0x106公里／秒

曲速3级｜38.941 c｜1.2x107公里／秒

曲速4级｜101.59 c｜3.0x107公里／秒

曲速5级｜213.75 c｜6.4x107公里／秒

曲速6级｜392.50 c｜1.2x108公里／秒

曲速7级｜656.13 c｜2.0x108公里／秒

曲速8级｜1,024 c｜3.1x108公里／秒

曲速9级｜1,516.4 c｜4.5x108公里／秒

曲速9.2级｜1,649 c｜4.9x108公里／秒

曲速9.6级｜1,909 c｜5.7x108公里／秒

曲速9.9级｜3,053 c｜9.2x108公里／秒

曲速9.9753级｜6,000 c｜1.8x109公里／秒

曲速9.99级｜7,912 c｜2.3x109公里／秒

曲速9.9999级｜199,516 c｜6.0x1010公里／秒

曲速层级｜几倍光速（c）｜横越太阳系｜到南门二｜横越星区｜横越联邦｜横越本银河系｜到仙女座星系

曲速1级｜1 c｜11小时｜4.36年｜20年｜1,000年｜100,000年｜2,500,000年

曲速2级｜10.079 c｜1小时｜6个月｜1年｜100年｜10,000年｜200,000年

曲速3级｜38.941 c｜17分钟｜6周｜6个月｜25年｜2,564年｜51,000年

曲速4级｜101.59 c｜6.5分钟｜18天｜2个月｜10年｜990年｜19,800年

曲速5级｜213.75 c｜3分钟｜8.4天｜34天｜4.6年｜467年｜9,345年

曲速6级｜392.50 c｜1.7分钟｜4.6天｜18.6天｜2.5年｜255年｜5,102年

曲速7级｜656.13 c｜1分钟｜2.8天｜11.3天｜1.52年｜152年｜3,048年

曲速8级｜1,024 c｜38秒｜1.7天｜7.1天｜1年｜100年｜1,953年

曲速9级｜1,516.4 c｜26秒｜1.2天｜4.8天｜8个月｜66年｜1,319年

曲速9.2级｜1,649 c｜24秒｜1.1天｜4.4天｜7个月｜61年｜1,217年

曲速9.6级｜1,909 c｜20.7秒｜23小时｜3.8天｜6个月｜53年｜1,051年

曲速9.9级｜3,053 c｜13秒｜14小时｜2.4天｜3.8个月｜33.3年｜660年

曲速9.9753级｜6,000 c｜6.6秒｜7.1小时｜1.2天｜1.9个月｜16.9年｜335年

曲速9.99级｜7,912 c｜5秒｜5.4小时｜22小时｜1.4个月｜12.8年｜254年

曲速9.9999级 (亚空间通讯)｜199,516 c｜0.2秒｜12.8分钟｜52分钟｜1.6天｜6个月｜10年

后起的影集在遵守这些速度规范上做得比原始影集好；然而仍离“完美”这词甚远。《银河飞龙》的末后集数（例如"Descent"）和这些规范相抵触，而《银河前哨》所提到的联邦星际舰队的战略操作（舰队移动）也是以奥田式尺度下不可能达到的速度在运作。《航海家号》虽然是以奥田尺度的基础作为前提，但在几回显著的例子，例如"Parallax"或"The 37's"这两集中，提到的曲速速度也和奥田标准相差甚远。

### 曲速理论与曲速科技

要对曲速推进系统有更深入的讨论，通常会参考由里克·史腾巴赫（Rick Sternbach）和麦可·奥田（Michael Okuda）所著的《银河飞龙技术手册》（Star Trek: The Next Generation Technical Manual）第五章“曲速推进系统”，其中提到几项主题：

- 曲速场理论与应用，包括了曲速测量、速度，以及限制。
- 物质-反物质反应组，包括了反应物喷射器、磁性约束节、反应腔，二锂晶体的角色，以及能源传输导管。
- 曲速场荚舱，包括了电浆喷射系统、曲速场线圈，以及曲速推进效应。
- 反物质储存与输送、曲速推进系统燃料供应、巴萨冲压喷射机的燃料补给，以及船上反物质生成。
- 轮机室操作与安全、紧急关闭流程，以及灾变发生流程。

然而需注意的，影集常常有与《银河飞龙技术手册》或《银河前哨技术手册》矛盾的地方。

连续体扭曲推进（continuum distortion propulsion）的精髓在于产生包覆船舰的曲速场。利用来自物质／反物质反应产生出的高能电浆，以其对曲速机舱的子空间线圈充能，可以产生出曲速场。

能够克服广义相对论所提的限制，其关键在于子空间场减低了所包覆物体所感的重力常数。如果场的影响使重力常数减到零值，这时传统上需遵守的相对论就不发生作用，以此情况下，质量因素已被挪除。船舰可以透过“非对称蠕动场”操控获得推进力。这是指子空间场是按照从前向后的架构充能，因而将船舰周遭的空间推动，而产生了连续体扭曲推进（continuum distorsion propulsion）这样的名字。一层曲速场可以达到曲速一级的速度，然而有意思地，这样的速度并非刚好是光速，以这样速度行进的物体，即使是光本身，在光速上下的两种速度态之间交替变换，每个态的停留时间不超过普朗克时间。

达到高曲速层级的关键在于将多层曲速场套叠在一起，并调和曲速场间的耦合率和去耦合率。在高曲速时，耦合与去耦合效应造就了更大的推进力。如同上面曲速尺标图所指的，要达到高曲速层级所要花的能量随着速度极快地增加，使得要达到曲速10级看起来是不可能的——场的耦合与去耦合率会短于普朗克时间，同时能量要求会超过曲速核所能负载。

既然曲速场是对齐好的，并以从前到后的架构产生，就生出了一项疑问：如果场没有对齐的话会出什么状况？推测上，这会造成船舰结构完整度的灾难性影响——船身一部分会以比其他部分更快的速度航行，然而船身会撕裂开来。

#### 重力助推

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在星际旅行全部系列中，曲速航行的一项副作用是重力助推（Slingshot effect）。在星际争霸战最初几个剧集中的“Tomorrow is Yesterday”这集内容中，企业号发生意外而首次发现这项效应，成了利用曲速引擎做时光旅行的方法。虽然实际程序的设定故意保留模糊化，但大体上它涉及了以高曲速向恒星航行（设定于第四部电影《抢救未来》，大概速度超过曲速9.8级），轨迹设定在精确计算的弹射路径。若成功，则旅行至过去或未来都是被允许的。相同的技术随后于剧集Assignment Earth中被故意使用，目的是进行历史研究；其中此技术被命名为“光速脱离级数”（light speed breakaway factor）。而在电影《抢救未来》中又被用上；其中此技术被称为“时间翘曲”（time warp）。这项技术在《银河飞龙》剧集“Time Squared”中被提及是一种可行的时间旅行方法。

### 曲速造成的环境影响

在《银河飞龙》第七季剧集“Force of Nature”中，曲速航行对子空间有不利影响，且在一些区域，频繁使用航线的路径上可能会造成子空间裂缝。因此在此之后的剧集，超过曲速5级的航行被禁止，然而在影迷社群中有过争论，讨论到这项禁令是只针对受影响区域而设，或者是全区的禁令。如果这是全区的限制，那在之后的剧集与系列影集则被广泛地忽略，也鲜少提及。然而，曾有这么一例，在《银河飞龙》一集中，毕凯舰长下令以高于曲速5级的速度航行，而有人提醒他这项禁令。一些影迷臆测已有技术解决方案被发现，并可能用到了联邦星舰航海家号的曲速引擎上。这点由星际旅行官方网站的图文库所证实，其中解释了航海家号设计上可以高于曲速5级的速度航行而不会造成子空间破坏，比如空间裂缝。元首级星舰企业号-E也配有进阶曲速动力引擎，允许相当高的曲速航行而不破坏空间结构。

## 非科幻的曲速引擎的现实可行性

如许多星舰迷所知，许多未来性技术是在星舰奇航记中首次被勾画出来，并且后来也被真正的发明，例如折叠式手机、平板电脑、通讯徽章、皮下注射器（Hypospray）、精灵刀（机械手臂光子刀），以及目前正在开发中的物品（例如VISOR）。于1996年，美国国家航空暨太空总署（NASA）成立了突破性推进物理计划（Breakthrough Propulsion Physics Program，BPP），其中部分经费支援了曲速引擎方面的推测性工作，这项计划在2002年中止。

思想实验还在理论物理荒芜的前沿漫步前进，时至今日仍未有允许曲速航行被主流科学接受的体系被拓展出来。一些物理学家提出一种超光速航行的模型，以劳仑兹流形的架构来陈述，这种架构在广义相对论中被用以建立时空模型。然而，这种模型并非爱因斯坦场方程式的解，它也没有给出如何实际做出曲速泡（warp bubble）的提示，这种模型确实指出速度是无法超过（局域）光速，但原理上却可能可以透过对时空本身做出适度的弯曲，来回避光速限制的问题，其中最广为人知的是阿库别瑞引擎，具有有趣的特质——其用词上与星舰系列术语一致：“曲速层级”是空间（或者说时空更为恰当）翘曲的量度，而不是实际的速度。

## 外部链接

- Warp_drive
- NASA's Marshall Space Flight Center's Space Transportation website
- Special Relativity Simulator What would things look like at near-warp speeds?
- The warp drive: hyper-fast travel within general relativity，by Miguel Alcubierre
- Null geodesics in the Alcubierre warp drive spacetime: the view from the bridge by Chad Clark, William A. Hiscock, and Shane L. Larson
- The unphysical nature of "Warp Drive"，by Michael J. Pfenning and L. H. Ford
- A Superluminal Subway: The Krasnikov Tube，by Allen E. Everett and Thomas A. Roman
- Quantum Inequality Restrictions on Negative Energy Densities in Curved Spacetimes by Michael John Pfenning and L. H. Ford
- A "warp drive" with more reasonable total energy requirements，by Chris Van Den Broeck
- Warp Drive With Zero Expansion by Jose Notario,
- Fundamental Limitations on warp drive spacetimes by Francisco S. N. Lobo and Matt Visser
- Problems with Warp Drive Examined