曲速引擎

提示：本条目的主题不是曲率驱动。

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联邦星舰进取号进入曲速
基本资料
神器名称	曲速引擎（Warp Drive/Warp Engine）
神器别名	曲速驱动器/驱动装置、折跃、时空翘曲、超光速推进等
神器种类	超光速（FTL）推进技术
神器主人	联邦星舰企业号等
登场作品	《星际迷航》系列等

曲速引擎（Warp Drive/Warp Engine）或阿库别瑞推进器（Alcubierre Drive）是一种目前尚处于理论探索阶段的光速或超光速航行手段，最初由约翰 W·坎贝尔（John W. Campbell）在其1931年创作的科幻小说《太空岛》（Island of Space）中提出，随后在1966年由著名科幻作品《星际迷航》系列进一步发展，并由此广为人知。

在1994年，墨西哥物理学家和数学家米基尔·阿库别瑞（Miguel Alcubierre）看过ST后突发奇想尝试并成功在现实中建立了曲速引擎的数学模型及理论，使其成为极其罕见的被证实在现实中存在理论可行性的科幻超光速航行手段，可以说是硬科幻与现实科学互相影响的最为成功范例之一。

原理

对曲速泡前后时空压缩和扩张方式的直观表现

现实中存在的曲速引擎曲速泡结构及阿库别瑞方程的具体解读。与《星际迷航》等科幻作品不同的是，现实存在的曲速引擎将需要引擎结构呈环形，环形的直径等于曲速泡的直径，引擎将起到形成和支撑曲速泡结构的作用。

在现实的曲速引擎或者说阿库别瑞推进器的理论描述中，曲速引擎通过扭曲飞船前后的时空连续体来推进飞船。一艘进入曲速的飞船将压缩飞船前的时空连续体，并扩展飞船后方的时空连续体，这样便创造出了一个时空波动（或者引力波动），并包裹在飞船所处在的一块平直的正常空间周围，被称为“曲速泡”（Warp Bubble）。曲速泡及处在其内部的飞船可以在这个时空连续体波动的带动下达到远超光速的表观速度，而不违反广义相对论的光速最快定律——因为广义相对论仅限制了物体和能量在时空连续体中的传播速度不能超过光速，却没有限制时空连续体本身的运动速度，且的确已经有此类理论和观测案例：宇宙大爆炸后的暴涨阶段，宇宙的膨胀速度远超光速，而如今由于暗能量导致的宇宙加速膨胀，可见宇宙的膨胀速度也有可能超过了光速。

阿库别瑞通过构造这样一个时空扭曲及描述其的度规（被称为阿库别瑞度规或阿库别瑞张量）解出了广义相对论方程，从而得到了曲速引擎的理论模型，并由此证明至少在广义相对论的理论框架下，曲速引擎是在理论上可行的。

此外，阿库别瑞的解还证明，以曲速航行的飞船，无论其曲速泡的速度和加速度多快、做什么机动，由于时空的扭曲，其运动轨迹都将会始终沿着广义相对论中的时空测地线，也就是说，始终等效于做自由落体运动。因此在曲速航行的过程中，无论星舰如何机动，都将不会受到任何惯性力作用，尽管有可能受到曲速泡时空扭曲的等效引力带来的潮汐力影响。

但曲速引擎这一概念也面临着很多问题。首先，阿库别瑞仅仅通过解出曲速泡对应的广义相对论方程证明了一个曲速泡是可以存在的，但并没有提出产生和消除曲速泡，也就是进入和退出曲速的手段；其次，为了扩张飞船后方的时空，与具有正质量和能量的常规物质压缩时空连续体（表现为引力）相反，在广义相对论理论框架下，曲速引擎需要具有负能量或负质量的特殊物质才能起到扩张飞船后方时空的作用，这被称为奇异物质（Exotic Matter）或奇异能量。更为致命的是，要产生这种水平的时空扭曲，所需要的能量会大到难以想象。

尽管此后的物理学家不断完善了这一理论，减少了奇异物质的需求量（甚至可能存在不需要奇异物质的模型），并通过对曲速泡进行修型等调整极大降低了能量的需求（现在最乐观的理论中，已经“仅”需要吨级别的奇异物质，就能让一艘100米长的飞船达到10倍甚至100倍光速），但仍有许多现实问题亟待解决。比如，阿库别瑞的曲速引擎理论是基于广义相对论框架的，因此并不知道在引入量子引力等框架后，曲速引擎的理论模型是否仍可兼容；此外，即便星舰能够实现曲速航行，也还有更大的问题——星舰本身是在超光速航行了，可星舰上的传感器和通讯设备却还是只能以光速探测或发射信号——这就意味着曲速中的星舰既无法与外界通讯，也不能及时探测前方的情况，因为星舰的飞行速度会比自己发射出的探测或通讯信号还快。以光速10倍的速度两眼一抹黑盲飞绝不是什么好体验。最后，即便星舰本身能够安全顺利地完成曲速航行，当其终于抵达目的地并退出曲速时，一路上将前方空间压缩所积累的大量能量在瞬间释放，会像冲击波一般将星舰前方的所有物体在字面意义上抹去。

“所有创作超光速科幻的作者，无论他们的理论多么合理多么与现实理论相呼应，都没办法圆上的问题是，超光速所需的能级意味着星舰根本不需要什么武器，对着敌舰直接一脚油门就再也没有什么敌舰了”但也不尽然，在星球大战传说宇宙中就有超空间动能武器，甚至在第八部电影中真的出现了开船用超空间创敌船……

此外，降低曲速泡形成和维持所需能量的修型是通过增加曲速泡“壁”的厚度，也就是延长空间扭曲的长度来实现的。这种设计的确能极大降低理论能耗，但也意味着曲速泡内留给星舰的平直时空尺度更小，而紧贴曲速泡壁的星舰舰体将可能因此受到曲速泡本身潮汐力的严重影响。更有甚者，有理论研究认为，当曲速引擎的曲速泡达到乃至超过光速之后，曲速泡前方的空间扭曲强度将增加到形成人造黑洞的程度，星舰本身会被自己引擎产生的人造黑洞所吞噬，或者被黑洞的霍金辐射烧毁。

总之，虽然目前曲速引擎的确存在理论上的可行性，但要成为现实，甚至哪怕只是形成一个足够完善的理论模型，也还有非常长的路要走。

但现实也不是全是坏事——在《星际迷航》中，为了避免星舰在曲速航行中撞上物体损毁，星舰需要使用偏导仪在星舰前方投射低强度的人工引力场和引力波束来主动扫走星舰前方的障碍物，而现实中的曲速引擎理论则表明，星舰其实并不需要偏导仪——因为曲速泡所含有的能量过于强大，任何接触到曲速泡的物体，哪怕是行星，都会在瞬间被撞个稀巴烂不是，这到底算是好事还是坏事？

作品中的出现

《星际迷航》系列

凤凰号舱内的曲速场显示器，展示了曲速场脉冲产生、扩散和接续的过程

正在曲速中航行的联邦星舰进取号，可以看到曲速泡前方的时空被压缩，而后方扩张的时空则随着曲速场脉动而扩散并逐渐消散

银河级星舰曲速引擎舱内部，可看到曲速线圈组和引擎舱尾部的主等离子体喷注器。这是在港口维护时的状态，当星舰处于航行状态时，曲速线圈中将充满高能等离子体

联邦星舰进取号于普雷金63号行星轨道上退出曲速，以与联邦星舰卡博特号会合。注意退出曲速瞬间曲速场的残余能量同样以切伦科夫辐射的形式超光速释放

在与卡博特号会合完成后，联邦星舰进取号进入曲速离开。注意等离子体喷注器将等离子体注入曲速引擎舱及启动曲速引擎进入曲速时，等离子体发出的蓝光，以及突破光障时的切伦科夫辐射光爆

在《星际迷航》系列中，曲速引擎通过对虚构的一个时空连续体中的次级嵌套结构子空间（Subspace）进行操纵来实现对本时空连续体的控制，从而实现曲速航行。子空间技术也是《星际迷航》系列中大部分技术的基石，类似的技术被用于超光速通讯、计算与探测，护盾，偏导仪，牵引光束，力场技术，以及人造引力等。

两种虚构元素Verterium和Cortenum被用于曲速引擎核心部分的建造。由Verterium硅酸盐和单晶Cortenum可以制成Verterium cortenide合金，这种合金在通入高能等离子体之后，会像普通金属材料通入电流时产生磁场那样产生子空间场。这样，通过曲速反应堆（Warp Reactor）或曲速核心（Warp Core）产生足够浓度的载能等离子体，并将其通入设计成特定外形的Verterium cortenide合金制成的子空间场发生器（联邦星舰使用与磁螺线管一样制成线圈型的曲速线圈，专业术语称为“引力场位移歧管(Gravimetric Field Displacement Manifold)”），便能产生子空间场。

不同文明的曲速引擎使用不同的曲速反应堆来产生子空间场发生器所需的载能等离子体，联邦的曲速引擎，其反应堆核心使用由二锂控制的氘和反氘的物质-反物质湮灭反应来产生等离子体，而罗慕伦的量子奇点核心则使用人造微型黑洞吸入物质后形成的轴向射流。通过调节等离子体在Verterium cortenide合金装置内的流动方式、流量和浓度，便能控制子空间场的场强和场型，从而对时空连续体的扭曲进行对应的控制和调节，并最终实现曲速航行。

子空间场的场强单位为科克伦（Cochrane），以地球曲速引擎发明者泽弗里·科克伦命名。1科克伦的子空间场意味着其场强和能级已达到突破光障的条件，只要将其扭曲成曲速泡形状便能进入曲速。低于光速的子空间场以毫科计算。但要作为曲速引擎使用，子空间场必须呈现与曲速泡相对应的不对称（即前部压缩后部扩张）蠕动流形，此时被称为曲速场。而一个对称稳定的子空间场，其作用将仅相当于相应能级的普通电磁场或引力场。尽管如此，子空间场有着降低其内物体表观质量的作用。这被用于星舰的亚光速航行，使星舰在常规亚光速航行及向曲速加速的过程中，消耗的能量更少，或者在进入行星引力场起降时降低星舰的重力，以避免星舰结构损坏或对行星引力场造成过于严重的异常影响。但不像质量效应，它不能将物体的表观质量变成零。

在达到超光速之后，每单位科克伦场强将对应一倍光速的速度，换句话说，一艘以曲速8级（512倍光速）航行的星舰，其曲速场场强就是512科。随着曲速场场强的增加，每科场强所对应的能量需求也将相应增加，这最终限制了曲速引擎可以达到的极限场强，也即极限航速。这被称为尤金极限（Eugene's Limit）。

由于超光速下的曲速场处于不对称蠕动状态，其本质上是静不稳定的这一点也已被现实理论证明，ST编剧又赢麻了，因此曲速引擎实际上是在以脉冲状态工作，上一个曲速场脉冲产生后迅速消散的同时，下一个曲速场脉冲随即产生，以维持星舰周围的曲速泡。以联邦星舰为例，在曲速引擎舱内设置的一系列等离子体喷注器会以由推进计算机计算并给定的脉冲频率、脉宽和流量不断向曲速线圈组喷注等离子体，脉冲频率越高、脉宽越宽、流量越大，能级也就越高，曲速场的场强也就越高，星舰航速也就越快。显然曲速场的脉冲频率不可能快过普朗克常数的倒数，除去场强-能量曲线之外，这也是曲速引擎在性能上的最大理论限制。其他限制还包括等离子体喷注器的工作负荷、曲速线圈的疲劳寿命等。这些限制共同决定了曲速引擎技术的理论上限。

银河级星舰的曲速场构型示意图，可以直观地看到星舰外形与曲速场几何结构之间是如何相互作用的。（摘自《〈星际迷航：下一代〉技术手册》）

曲速引擎产生的曲速场初始外形，与曲速引擎舱及其内的线圈构型，以及飞船船体本身的外形都有着很大关系。曲速引擎产生的子空间场及其引发的时空连续体扭曲会以左右两侧曲速引擎舱的中线上某点（具体取决于设计需求，通常是曲速反应堆或舰体质心位置）为焦点产生，并扩散穿过整个船体，然后从船体外表面附着、滑动、分离并扩散，形成包绕星舰的曲速场。因此，星舰需要有一个恰当的流线型外形，以确保时空连续体在船体表面附着与滑动时受到的阻力最小。此外，恰当的船体外形还有助于让多层曲速场在从船体向外扩散的过程中产生曲速所需的前部压缩、后部扩张的不对称性趋势，从而更有效地维持曲速泡。这一切解释了为什么即便在没有空气的太空中，联邦星舰仍然需要一个修长流畅且前倾的流线型外形。为了美学而强行圆上设定这同时也意味着星舰通常需要设计成有左右成对分布的曲速引擎舱以产生恰当的曲速场，尽管有一些舰船似乎并不遵循此规则。问就美工爱好吃书

在传统曲速引擎设计从亚光速加速到光速的途中，由于星舰仍然部分地在常规空间内运动，因此相对论效应仍将发挥作用，星舰在加速到接近光速的过程中仍会遭遇时间膨胀效应和质量附加效应的影响。这使得传统曲速引擎在亚光速下的效率极低。当星舰达到曲速1，也就是正好达到光速时，这也意味着理论上，星舰将需要与在常规空间中加速到光速所需要的相同的无穷大能量——这就是所谓的光障。

为了规避相对论效应，曲速引擎充分运用了量子理论来在实质上“避开”光速屏障。当星舰以曲速1航行时，实际上星舰并不会真正“精确”地处于光速，而是借助曲速场的脉冲作用，以一个普朗克时间长度为频率，在刚好稍高于和稍低于光速的状态下来回波动，从而规避了宏观物体不能恰好达到光速的限制。而当星舰需要加速到超过光速的速度时，则通过启动加速时极高的能级直接依靠量子隧穿效应击穿光障达到超光速，这样也就绕开了光速限制。就像物质超过介质中光速运动时一样，当星舰突破真空光速时，会产生切伦科夫辐射激波，也就是所谓的光爆闪光。

很多科幻作品都有类似的设定，虽然大概只是为了支撑炫酷的进入曲速特效。这与现实理论其实是相悖的。实际上，在曲速引擎启动的那一刻，无论你之前处于何等状态，你所处的空间都已经和你一起被包进曲速泡里，此时无论曲速泡怎么动，相对论都已经管不着你了。

当需要退出曲速时，通常可以通过简单地关闭等离子喷注器来使子空间场场强逐渐降低直至消散，构成曲速泡的时空扭曲摊平，星舰即回到正常空间。但这种过程很慢，往往需要数分钟，因此在需要紧急制动的情况下，星舰往往会通过产生一个反向的曲速场来抵消本舰正处于的曲速场，从而使星舰迅速返回正常空间中，这被称为曲速场差动法。但因为这种操作产生的潮汐力可能对星舰的结构产生过大载荷，因此在星舰存在严重结构损坏或结构完整性场系统出现故障的情况下往往会被安全协议禁用。类似的手段也可以用于调节曲速泡的指向，从而使星舰在曲速航行中转向。

除了尤金极限等理论限制外，由于其他材料和能源等工程限制，一般认为联邦传统曲速引擎理论速度上限约在曲速9.99级（7,912倍光速）到曲速9.9999级（199,516倍光速）。因此除了标准的曲速引擎之外，还有其他基于曲速引擎或类似原理的超光速航行手段以达到更高的速度满足剧情需要：

无畏号启动并进入量子滑流

航海家号进入超曲速通道

• 量子滑流（Quantum Slipstream）：与曲速引擎相似，但不同的是仅在飞船前部产生空间扭曲，且将能量聚焦在偏导仪上，以利用偏导仪扭曲空间，并通过高能级能量击穿量子壁垒实现宏观量子隧穿效应，在时空连续体中产生一个连续不断的子空间波动进行高速航行。

量子滑流引擎拥有远高于常规曲速的航行速度且能效更高，但由于量子力学的天生特性而非常不稳定，因此需要船载导航系统不断探测量子场的状态并迅速计算相位偏差后进行修正，才能确保稳定航行。若量子场的偏差不能及时修正，滑流将立即崩溃，并将星舰抛回正常空间，这种崩溃通常会导致全舰结构和系统的严重损坏。

量子滑流技术最早于2372年由联邦星舰航海家号在德尔塔象限从与其相遇的种族116量子滑流飞船无畏号（NX-01-A USS Dauntless）上获知，此后航海家号成功仿制该系统并装在航海家号上进行试航，但引擎的不稳定险些导致航海家号坠毁，此后便不再使用。而在半官方游戏《星际迷航在线》的设定中，在25世纪初，量子滑流引擎已经技术成熟，并与联邦仿制的博格超曲速线圈一起被用于星舰的短时间紧急高速冲刺，而常规远程巡航仍然使用传统曲速引擎。

• 同轴曲速（Coaxial Warp）：与曲速引擎基于相同的基本原理，但不是产生曲速泡进行超光速的点到点航行，而是通过扭曲子空间结构打开虫洞来实现瞬间跃迁航行。

与常规虫洞不同的是，同轴曲速引擎需要在跃迁前使用传感器测量子空间结构并计算出折叠空间打开虫洞的最佳方式，因此其跳跃虽然是瞬间完成的，但本质上使用其进行航行会需要很长的预热时间，且具体用时将取决于导航计算机的算力。

• 超曲速（Transwarp）：最初为星际舰队于2283年在精进号推进技术试验舰（NX-2000 USS Excelsior）上测试的新型曲速引擎设计，其基于常规曲速方程的一种复杂变形来改进常规曲速引擎的性能，理论预计认为采用这种设计的星舰可达到远超常规曲速引擎的性能。然而实践证明理论有误，精进号的曲速引擎性能相比常规曲速引擎并无多大提高。

此后超曲速变为一个颇为宽泛的概念，任何基于常规曲速引擎设计或理论而性能优于传统曲速引擎的超光速推进技术都可以被称为“超曲速”所以下文中的所有技术都是超曲速。不过后来提到超曲速时，一般指的是博格人的超曲速技术。

博格人的超曲速技术在空间中开辟了一系列与量子滑流通道相近，但持续开放且稳定的子空间扭曲走廊，被称为超曲速通道或超曲速导管（Transwarp Conduit），通道两端则通过专用的超曲速星门或枢纽进行维持。使用这种技术的飞船需要加装与其配套的超曲速线圈，并通过发射超光速粒子或快子（Tachyon）进入通道。一旦进入通道，星舰可以以与量子滑流相近乃至更快的高速迅速抵达通道彼端。超曲速线圈也可以单独使用，像量子滑流那样在空间中开辟一条临时的超曲速导管，并将星舰加速到比常规曲速引擎速度更高的航速。超曲速线圈起动时，需要至少300兆牛（30万千牛）的推力输入。

超曲速通道本身是对子空间极度翘曲所形成的产物，其等效子空间场强高达至少2.9太科（2,900,000,000,000科克伦），而通道本身的尺度则不算太大，因此星舰进入其中航行时，会受到这种时空扭曲所带来的强烈的潮汐力和时间拖拽效应的作用。为此，任何进入超曲速通道航行的飞船，不仅需要对结构完整性力场进行加强以抵抗潮汐力，同时也需要在全船投射一个时间粒子（Chroniton，星际迷航系列设定的架空时间粒子）形成的保护场以确保船上参照系免受其影响。

• 孤立子波（Soliton Wave）：与曲速引擎产生一个包绕星舰的时空扭曲相反，这种技术通过对空间注入能量产生一个由孤立波(Solitary Wave)或孤立子(Soliton)构成的空间扭曲，从而将在波内的星舰带入与曲速相同的超光速航行状态下。待航行到目的地之后，再使孤立波消散，从而让星舰退出曲速。

在《星际迷航》中，孤立波技术在首次试验时出现了不稳定和失控现象，因此最终未能投入实用，因为失控的孤立波有可能摧毁路径上的一切编剧倒是知道用孤立波进行超光速航行会这样，那为什么不知道使用曲速引擎航行也是一样的呢。但低能级的孤立波可以作为超光速通讯手段，相比通过子空间以曲速传播无线电信号进行的常规超光速通讯技术，孤立波通讯的抗干扰能力更强，更适合在虫洞或其他时空强烈扭曲的区域进行通讯。这已经在24世纪末开始试验并取得了一定成功。

与曲速引擎相同，孤立子波也是一个不仅仅是科幻、在现实中也被证明存在理论可行性的超光速推进技术，已有相关论文对此开展研究。但与现实中的曲速引擎一样，目前的孤立子波曲速同样需要数量惊人的能量才能运作

其他系列

（待补充）

注意：曲速引擎不是曲率引擎

由于《三体》系列的大获成功，其中的许多实际上非常不严谨的技术设定也随之广为人知，尤其是宇宙中光速航行飞船所用的曲率驱动技术。由于曲率驱动与曲速引擎一样是通过扭曲时空曲率实现推进，很多人经常将二者混为一谈，甚至在《星际迷航》系列的作品评论区里也经常能看到有不明就里的人提问这是不是曲率驱动的，导致了不少困惑甚至冲突。

实际上从细节描写和技术设定中可以看出，曲率驱动并不是曲速引擎。与曲速引擎相比，曲率引擎并没有一个完整的曲速泡或者曲速场将飞船包裹在其中，而只是简单地通过降低后方时空的曲率或者说扩张后方时空，让飞船在前方时空的张力作用下向前加速航行。在使用曲率引擎时，飞船本身仍然处在常规空间中，并会像使用常规手段加速到光速那样受到时间膨胀效应和引力拖拽效应的影响。因此，曲率引擎只能达到光速，而不能像曲速引擎那样超过光速。这也是大刘为了尽可能保持小说至少表面上的严谨性而做的设定，不然如果具备超光速航行能力，那么《三体》就会一下子看起来像黄金时代的那些经典太空歌剧了……

此外，曲率驱动在工作时会产生航迹（考虑到曲率引擎需要扩张飞船后方的空间，可能是奇异物质的作用），而无论是什么作品中设定的技术水平的曲速引擎，在正常航行的情况下，都不会产生航迹尽管《星际迷航》世界观中的早期曲速引擎在航速高于曲速6时可能会产生或加剧子空间裂缝。

当然我们都知道，这个设定大概只是大刘为了情节需要而加上去的，实际操作中，不太可能在操纵时空曲率的时候产生这样一种无法修复的副作用

由于时空曲率的本质就是引力，所以曲率驱动的本质实际上也呼之欲出了——曲率驱动的本质，实际上是一种反重力技术。这也可以解释为什么《三体》中的人类文明这么快就能掌握曲率引擎的技术：在《三体2》的末尾，人类已经通过引力波天线掌握了反重力引擎的制造技术，因此在此基础上发展出原理近似的曲率引擎也就不奇怪了。