曲速引擎

曲速引擎（英语：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^[1]。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（英语：Jump drive）、银河便车指南系列中的无限不可能引擎（英语：Technology in The Hitchhiker's Guide to the Galaxy#Infinite Improbability Drive））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^[2]。

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^[3]^[4]。

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，曲速是由泽弗拉姆·科克伦（Zefram Cochrane）所开发。在电影《第一次接触》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；但在原始剧集《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年科克伦发明曲速引擎。

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剧集不相符的事情。）

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。原始剧集的数个剧集曾设定了进取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，各剧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，旅人将进取号推进到曲速9.999996级的速度。而第四代剧集《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星际迷航：暗黑无界，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进取号。在电影《未来之城》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，然而船舰由婕琪娅·戴克斯少校、麦尔斯·奥布赖恩总管、朱利安·巴希尔医生与沃尔夫少校成功夺回。

博格人与其他外星人

博格人（如在《星际旅行：下一代》上下二集剧集"Descent"与《航海家号》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·珍妮薇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，根据吉恩·罗登伯里（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： $s(w)=w^{3}c$ 。（另有未经证实的说法指出罗登伯里原本是要将曲速层级的数字简单地对应到光速的倍数，例如曲速9级表示9倍光速（c），而一群早期的影迷在一间旅馆围住他，告诉他这种设定是无法运作的。^{[来源请求]}）

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剧集所出现的场合，因为如此进取号航行速度变得过慢，和电视剧集中所提的有时相抵触，例如That Which Survives这集中，进取号以曲速8.4级航行了11.33小时，而横越了990.7光年（此段文句为史波克的台词）。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。对于进取号来说，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

新式曲速层级对应的速度表与消耗功率。白色是新式速度；铬黄色是消耗功率；图中另标有旧式曲速层级对应的速度表，以蓝绿色呈现。

在后起的几部剧集，奥田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，科克伦曲速力学进展奖（Cochrane Award for Advancements in Warp Mechanics）颁给了一位胜出者，其所提的曲速公式为[1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）：

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

其中

$A(w)\,$ 为 $0.20467e^{-0.0058(\log(100,000-10,000w))^{5}}$ ，
$B(w)\,$ 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）^[5]	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

后起的剧集在遵守这些速度规范上做得比原始剧集好；然而仍离“完美”这词甚远。《星际旅行：下一代》的末后集数（例如"Descent"）和这些规范相抵触，而《星际旅行：深空九号》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《星际旅行：下一代技术手册》（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，包括了等离子体喷射系统、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，剧集常常有与《星际旅行：下一代技术手册》或《星际旅行：深空九号技术手册》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等离子体，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

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）。在星际旅行：初代最初几个剧集中的“Tomorrow is Yesterday”这集内容中，进取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《星际旅行：下一代》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《星际旅行：下一代》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剧集则被广泛地忽略，也鲜少提及。然而，曾有这么一例，在《星际旅行：下一代》一集中，皮卡尔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。元首级星舰进取号-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际旅行中首次被勾画出来，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（英语：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（英语：Geordi_La_Forge#VISOR））。于1996年，美国国家航空航天局（NASA）成立了突破性推进物理计划（Breakthrough Propulsion Physics Program（英语：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——其用词上与星旅系列术语一致：“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。

参考

^ Krauss, Lawrence Maxwell. The physics of Star Trek. Basic Books. 2007. ISBN 978-0-465-00863-6. OCLC 787849957.
^ Ford, L.H; Roman, T.A. Negative Energy: Wormholes and Warp Drive. Scientific American. January 2000 [2021-02-19]. （原始内容存档于2021-03-18）.
^ Agnew, J. An Examination of Warp Theory and Technology to Determine the State of the Art and Feasibility. AIAA Propulsion and Energy Forum and Exposition. 16 August 2019 [2 March 2020]. doi:10.2514/6.2019-4288. （原始内容存档于2020-09-26）.
^ Williams, Matt. Scientists Are Starting to Take Warp Drives Seriously, Especially This One Concept. ScienceAlert. 1 March 2020 [2 March 2020]. （原始内容存档于2021-03-09）.
^ Okuda, Michael. The Star trek encyclopedia : a reference guide to the future. Okuda, Denise., Drexler, Doug. Updated and expanded. New York: Pocket Books. 1999. ISBN 978-1-4516-4688-7. OCLC 682113602.

外部链接

Warp drive在阿尔法记忆网站中的相关摘录
NASA's Marshall Space Flight Center's Space Transportation website （页面存档备份，存于互联网档案馆）
Special Relativity Simulator （页面存档备份，存于互联网档案馆） What would things look like at near-warp speeds?
The warp drive: hyper-fast travel within general relativity （页面存档备份，存于互联网档案馆），by Miguel Alcubierre
Null geodesics in the Alcubierre warp drive spacetime: the view from the bridge （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Chad Clark, William A. Hiscock, and Shane L. Larson
The unphysical nature of "Warp Drive" （页面存档备份，存于互联网档案馆），by Michael J. Pfenning and L. H. Ford
A Superluminal Subway: The Krasnikov Tube （页面存档备份，存于互联网档案馆），by Allen E. Everett and Thomas A. Roman
Quantum Inequality Restrictions on Negative Energy Densities in Curved Spacetimes （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Michael John Pfenning and L. H. Ford
A "warp drive" with more reasonable total energy requirements （页面存档备份，存于互联网档案馆），by Chris Van Den Broeck
Warp Drive With Zero Expansion （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Jose Notario,
Fundamental Limitations on warp drive spacetimes （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Francisco S. N. Lobo and Matt Visser
Problems with Warp Drive Examined （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[1] Krauss, Lawrence Maxwell. The physics of Star Trek. Basic Books. 2007. ISBN 978-0-465-00863-6. OCLC 787849957.

[2] Ford, L.H; Roman, T.A. Negative Energy: Wormholes and Warp Drive. Scientific American. January 2000 [2021-02-19]. （原始内容存档于2021-03-18）.

[AIAA-20190816-3] Agnew, J. An Examination of Warp Theory and Technology to Determine the State of the Art and Feasibility. AIAA Propulsion and Energy Forum and Exposition. 16 August 2019 [2 March 2020]. doi:10.2514/6.2019-4288. （原始内容存档于2020-09-26）.

[SA-20200301-4] Williams, Matt. Scientists Are Starting to Take Warp Drives Seriously, Especially This One Concept. ScienceAlert. 1 March 2020 [2 March 2020]. （原始内容存档于2021-03-09）.

[5] Okuda, Michael. The Star trek encyclopedia : a reference guide to the future. Okuda, Denise., Drexler, Doug. Updated and expanded. New York: Pocket Books. 1999. ISBN 978-1-4516-4688-7. OCLC 682113602.

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