科普驿站 第九十三期
科目：物理
难度：B1
讲师：弦轴子
（本期科普参考科幻电影《星际迷航11》中的物理学相关知识点。）
科幻是基于现实科学或者是电影中设定的科学基础进行的幻想，大部分科幻会引入现实中尚未完成的技术成果进行合理的推断，在自身设定允许的框架内进行推断。科幻也会蕴含科学知识，激发积极的科学思维，带去崭新的观点。
用我们物理学的眼光来看科幻电影中设定的自然规律是什么样子呢？今天我们讲一讲一部经典的科幻电影中的科学设定对应的物理学。这部电影就是《星际迷航11》。
《星际迷航11：开启未来》是美国著名科幻电影电视剧星际迷航系列的续篇，由著名导演JJ·艾布拉姆斯指导。这部电影是星际迷航系列电影第11部，其主要角色为初代星际迷航的人物，并由新一代的年轻演员饰演，电影描述了詹姆斯·T·柯克与斯波克在联邦星舰进取号USS Enterprise-1701上相遇，并协力对抗未来的罗慕伦人尼禄的情节。
在这部电影中出现了很多有意思的科学设定，这些设定或多或少推动了故事情节的发展。那么以物理学的角度去看这些设定是什么样子的呢？
红物质
首先第一个就是利用红物质去制造黑洞。电影中只用一滴红物质可以制造出，据我所知，这在现代物理学上没有任何对应模型。物理学上关于黑洞的形成机制大致就是通过大质量物体的引力坍塌，任何力都无法抵御其自身引力，那么这个大质量物体一定会坍塌成一个黑洞。
那么多大质量的物体才会坍塌成一个黑洞呢，关于这个问题奥本海默与弗尔科夫计算过，临界值大概是太阳质量的2到3倍左右，所以这个质量极限，被称为奥本海默一弗尔科夫极限。这个质量极限指出，当质量超过太阳质量3倍而不再进行热核反应的坍缩星一定会在自身引力的作用下坍缩成黑洞。更精确地说，在大质量天体演化的末期，其坍缩核心的质量超过太阳质量的3.2倍时，由于没有能够对抗引力的足够排斥力，核心坍塌将无限进行下去。
还有一种黑洞被称之为原初黑洞。这种黑洞，它质量分布很广，也可能是一个细胞那么重，也有可能是太阳的几百几千几万倍。当然产生原初黑洞的机制有很多，比如早期宇宙的密度涨落导致空间平移对称性的破坏，密度高处会产生局域“史瓦西解”，这就是原初黑洞。以及由中国蔡一夫团队提出的另一种机制，在早期宇宙中，物质相互挤压时产生的“声波”的速度很不稳定，会发生周期性的振荡。在这种“声速”振荡的作用下，与物质本身就会发生共振，从而相互叠加，产生大量原初黑洞。不过无论哪一种，红物质制造黑洞的技术在物理学上没有任何的理论支持，大概是电影自己的科学设定。
曲速引擎
我们的可观测宇宙（地球为中心）直径大概是940亿光年（共动距离，也就是考虑宇宙膨胀的影响），光走完需要940亿年。距离我们最近的恒星系是半人马座三星，是4.3光年。巴纳德星，距离地球6光年。而我们整个银河系直径大概是十万光年左右。在目前看来，光是这个宇宙中最快的速度，没有什么物体可以超过光的速度。因为我们所生活的宇宙太大，而速度被严格限制。这意味着任何跨星系的文明都不太可能形成，至少通讯和行情面临极大的问题，除非这些文明能够解决航行问题和通讯问题。我们人类主要还是利用化学火箭，速度更是低得吓人，要想利用这些火箭飞往几光年之外的星球，至少需要好几代人的努力，更不要提利用这些化学火箭在银河系自由航行。每一个有描述星际旅行科幻作品也都面临这个问题，这些作品科学设定不会用化学火箭，因为必须解决光速限制问题，于是，一些超光速引擎就出现了。在星际迷航中，这种超光速引擎被称为曲速引擎，可以超过光速几千倍。在星际迷航中设定大概基本流程就是，正物质和反物质经过双锂水晶进行可控湮灭，可以产生曲速等离子。再经过EPS的传送，到达等离子注入器。注入器把曲速等离子注入曲速线圈就能得到曲速场。曲速场覆盖在飞船周围形成的就是曲速泡。这个泡泡将保护飞船，能够让飞船以超光速行驶。
设定有点类似于阿库别瑞的曲率驱动，这是一种洛伦兹流形，允许一个曲速泡出现在原先平坦的时空中，并在实质上以超光速移动。这种允许曲速泡存在的时空是阿库别瑞在1994年提出的，这种时空的度规被称之为阿库别瑞度规，但是制造曲速泡需要巨大的负能量。而在时间机器的说明中，我们也知道负能量在目前看来是很难大规模制造的。因此，目前看来想实现这种理论上的曲率驱动，还要走很远的路。
传送
星际迷航系列中还有一个比较津津乐道的场景就是，主角和团员可以通过飞船上的传送，将自己传送到雷达坐标可以扫描锁定的位置，也包括飞船上。当然，如果这个飞船进行曲速飞行那么一般的传送不可以，但是在星际迷航11中，出现了超曲速传送就是把人传送到曲速飞行的飞船上，从对话中（超曲速传送的提出者指出，不仅时间在移动，空间也在移动）可以知道，电影中的传送有可能是某种光波把传送的东西包裹起来，然后在时空中移动。这有点类似于曲速引擎。不过在物理理论上会实现另一种传送，利用的原理就是量子隐态传输。
所谓的量子隐态传输就是把一个量子态（那个微观粒子的状态，包含该粒子的所有信息）从一个地点传输到另外一个地点。传输者并不知道这个被传送的量子态，是把一个粒子的未知状态传输给另一个粒子，所以才叫做量子隐态传输。
我们这里讲一下最简单的量子隐态传输例子。现在我们考虑制备了一对处于纠缠态的粒子，分别放在AB两处。然后在A处放一个普通的粒子，这个粒子的量子态是我们需要传递的量子态。再对A处这两个相邻的粒子进行测量，但不是直接测量它们各自状态，而是去测量它们两个的状态是相同还是不同。这个状态有很多种，比如我们仅仅说一个最简单的自旋方向。如果A处两个粒子的自旋方向是相同的，我们发出信息让B处的人用磁场将纠缠粒子旋转，于是B处的纠缠粒子就变成了上旋。
如果A处两个粒子的状态是相反的，那么我们发出信息告诉B处的人不用做任何操作，B处的纠缠粒子本身就是上旋的。
同理，对于一个不知道量子态的粒子，也是可以做到无损地把它的量子态传输给B处的某个粒子，只是过程复杂很多。这样你就把一个粒子的量子态传到另一个粒子上了。不过聪明的你们也发现了，这个过程也需要AB两点的对话，所以还是离不开经典的电磁波手段通信。
因此，根据上面的原理，只要我们设想，可以把一个物体分解成一个个粒子，然后用某种方法把一个个粒子的量子传到另一个地方一个个粒子上，然后把这些一个个粒子组装起来，那么我们就可以成功的将一个物体传到另一个地方。不过这样做仅仅是理论上，因为实际上操作起来很困难。首先你要有足够的能量去瓦解一个物体，让它变成一个粒子，这要克服各种化学键能和相互作用势能，其次，你要有一个足够大的超级计算机，能够记住这个物体的信息以及分解后的信息，方便组装的时候参考。传递少量粒子还好说，如果传递的是人体或者是复杂的物体，那么粒子的数目就可能是10 ＾31个，如此多的粒子信息处理非常复杂，更别提瓦解它们，然后组装它们，因此，这种方法仅仅是理论上可以成立，实际上不太可能成功的一个传送方案。换个方向来设想，假设解决了能量问题和计算机问题，也会面对一些伦理道德问题。比如传送人或者有生命物体时，一定要先分解，这算不算一种谋杀？被传送者会经历很大的痛苦，而且即使传送过去，也仅仅是传送构成被传送子粒子的量子态，然后在另一地方组装，那么这个被组装后的人还是原来那个人吗？所以说这种利用量子隐态传输进行传送的方案仅仅是理论上可能实现的，但实际操作上是不可能的。
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