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從太空時代的黎明開始，異想天開的物理學家、工程師和科幻作家就在用周末和午餐時間構建星艦計劃，急切地想把人類拽出地球搖籃。那時候，他們關注的大多是物理層面。我們真的能飛向星空嗎？起初很多人不這么認為，但是現在我們已經知道這是有可能的。今天的問題是：我們可以嗎？ 事實上我們已經飛上了星空，而不是僅僅是打算。1977年發(fā)射的旅行者號雙胞胎太空探測器早已越過它們原本的外行星目的地，到達了太陽王國的邊界。旅行者1號距太陽124個天文單位，也就是說它要比地球和太陽的距離遠124倍——它每年要飛行3.6個天文單位。它是否已經離開太陽系取決于對“太陽系”的定義，但可以確定的是它已經超越了所有的行星。它的儀器已經遭遇到了太陽給星際空間帶去的高能粒子和磁場——這也是旅行者號小組成員、行星科學家 Ralph McNutt 想要探測的所謂“奇異的等離子體結構”。旅行者號遇到的奧秘催促科學家為接下去更為深入的宇宙叢林探險制定新的任務——它會飛到200天文單位甚至更遠處。那么，什么樣的飛行器才能把我們帶到那里呢？
離子驅動 NASA的黎明號探測器正在前往小行星帶，它為我們示范了一種先進的推進系統(tǒng)：離子驅動。離子驅動就像一把手槍，但它發(fā)射的是原子，而非子彈；飛船靠反作用力前進。整個系統(tǒng)包含一個燃料箱——燃料一般是氙，和一個電源——如太陽能電板或钚電池。引擎會首先剝去推進劑原子的最外層電子，使其帶上正電荷。然后根據異性相吸原理，一張帶有負電荷的網會把這些原子導向與飛船前進相反的方向。穿越網格后，原子在便會在其身后形成速度快于化學火箭最大能力10倍（高于子彈100倍）的噴流。作為后旅行者時代的探測器，離子引擎能夠在差不多15年時間內把飛行器加速到旅行者號速度的幾倍，因此，在建造者去世前，它就能飛好幾百個天文單位。 星際飛行的熱衷者也在考慮把離子驅動用于真正的星際任務，如半人馬座阿爾法星，它是最近的恒星系統(tǒng)，距離我們約300000天文單位。Icarus Interstellar（伊卡洛斯星際空間），是一個致力于在本世紀末實現星際旅行的非贏利組織，他們有一個名為 Tin Tin（丁?。┑膲粝胗媱潯@是一個質量還不到10千克的小型探測器，裝備有高性能的微型離子驅動系統(tǒng)。旅程仍然需要數萬年，但是與其說是切實可行的科學任務，這個團隊更視其為一種技術的示范。
太陽帆 就像日本IKAROS（伊卡洛斯）金星探測器所采用的方式那樣，太陽帆完全不需要推進劑和引擎。它依靠光的物理特性發(fā)揮作用。和運動中的其他物體一樣，光波是有動量的，它會在任何表面上產生推力。這種力是微弱的，但是如果表面足夠大，質量足夠小，時間足夠長，你就可以覺察到。太陽光能夠把一張由極輕物質——比如聚酰亞胺制造的巨大薄膜加速到很高的速度。要達到逃離太陽系的速度，飛行器首先需要奮不顧身地沖向太陽，到達離太陽盡可能近的地方——比如水星軌道以內——以便讓它的帆沐浴在充沛的陽光下。 理論上這樣的帆飛行器可以在一千年內到達半人馬座阿爾法星。它能飛多快，取決于能離太陽多近，同時也與材料的耐用性有關。紐約城市大學教授，長久以來的星際旅行倡導者 Gregory Matloff 說，希望最大的備選材料是石墨烯——一種超薄的碳石墨層。
激光或微波束能夠提供更強大的推力。1980年代中期，星際旅行的元老，Robert Forward，曾提出過一個當時非常流行的想法：太陽能發(fā)電衛(wèi)星，它能夠在軌道上收集太陽能，并用微波的方式傳回地面。因此我們可以利用這種軌道上的發(fā)電站，而只需把它調轉方向。一個100億瓦的電站可以把一張大約16克重的超輕太陽帆，在一周時間內加速到光速的十五分之一。二十年后，我們就可以收看來自半人馬座阿爾法星的現場直播了。 這個“星束飛船”方案有其不確定性——它需要一個龐大的鏡頭，而且太陽帆非常脆弱，因此被燒毀的可能性也許更大——但是至少向我們展示了在有生之年到達其他恒星的可能性。 核火箭 太陽帆也許可以把小型探測器帶到別的恒星，但是卻無法勝任載人任務；那樣的微波束能量相當于目前全世界能源生產總量的幾千倍。最成熟的載人太空旅行方案是核脈沖推進，它曾在1950、60年代期間的獵戶座計劃中，由政府出資進行過研究。 乍聽起來，這是個瘋狂的方案。在飛船上裝300000個原子彈，每三秒鐘引爆一個，憑借爆炸產生的沖擊波前行。雖然極端，但是它的基本工作原理和別的火箭是一樣的——也就是反作用力。只是它朝著身后噴射的不是原子束，而是等離子團，比如化為火球的鎢。 你可以把鎢和原子彈封裝在金屬膠囊內，發(fā)射到飛船的后方，并保持一定距離。在真空中，爆炸造成的破壞比你想像的要小。鎢汽化后帶來的沖擊會被安裝在飛船后部的厚金屬板反彈回太空，在反作用力的推動下飛船得以向前移動。巨大的沖擊波吸收器可以把乘員所受的震動減少到四分之一。下3D象棋的星際旅客會感受到有節(jié)奏的砰砰聲，就如同公寓樓樓上有小孩子在跳繩。
飛船的速度可能會達到光速的十分之一。假如太陽爆發(fā)，外星人入侵，我們不得不盡快離開這個行星，而且不惜把發(fā)射臺炸掉的話，這的確是個辦法。所需的一切我們都已經有了?！白钋袑嵖尚械募夹g就是核脈沖了，” Matloff 說。如果可能的話，大部分人都會樂意把所有的原子彈裝在一艘船上，然后盡快地把它們扔掉。 更為理想的是，炸彈的爆炸可以用受控核聚變來取代。這就是 Daedalus（達代羅斯）計劃所追求的目標，這個70年代的計劃曾試圖設計出一艘全能的自動星際飛船。最大的難點在于，每噸的載荷，需要用100噸的燃料。這樣的一個龐然大物如同一艘戰(zhàn)列艦，其長度可達200米，質量可達50000噸。 “這是一臺巨大的怪獸級機器，”英國航空航天工程師 Kelvin Long 說。他是 Icarus（伊卡洛斯）計劃的合作創(chuàng)始人，正在致力于用現代的技術改進飛船的設計?！白阅且院蟀l(fā)生了什么呢？微電子，微型化技術，納米技術。所有這些發(fā)展都促使我們重新思考。我們真的需要那種巨大的構造嗎？”他說他們正準備在倫敦推出新的設計。 星際設計師正在想盡辦法地縮小燃料箱。比如，讓飛船利用電磁場在星際空間中獲取氫氣。氫可以當作聚變反應堆的燃料。飛船跑得越快，氫的獲取速度也越快——這是一個良性循環(huán)，如果能一直維持，就可以將飛船推進到接近光速。但是不幸的是，這種開采也會產生阻力，使飛船減速，同時迎面而來的粒子會把乘員烤焦。而且，純氫聚變的效率是很低的。以聚變?yōu)閯恿Φ娘w船從地球獲取燃料也許是不可避免的。 尋找奇特物質 除了氫氣，紐約大學物理學研究生 Jia Liu（劉佳）認為還可以尋找暗物質，這是一種奇特的看不見的物質，天文學家認為是它構成了星系的主體。粒子物理學家設想，暗物質是由一種名為渺中子的粒子構成的，而它有一種實用的特性：兩個渺中子在相撞后，會湮滅在一道伽馬射線中。這樣的連鎖反應能夠驅動一艘飛船向前行進。像采集氫氣一樣采集暗物質并加以利用，飛船就可以接近光速。然而問題在于，暗物質之所以“暗”——是因為它對任何電磁力都不發(fā)生作用。物理學家不知道該如何收集暗物質，更不用說拿它來產生火箭推力了。 假如工程師用某種方法克服了這些困難，并建造出一速近光速飛船，那就不僅是半人馬座阿爾法星，整個銀河系都不在話下。根據1960年代天文學家 Carl Sagan（卡爾·薩根）的計算，如果可以實現適度的加速——大概相當于一輛賽車——并且維持足夠長的時間，就可以逐漸接近光速，穿越銀河系只需幾十年的船上時間。而且，這個加速度會產生一種讓人感到舒適的人造重力。 但是與此同時，地球上卻已經過去了幾十萬年。當你回來時，這個社會可能已經被猿猴占領了。不過從某種角度來說，也許還不錯。引力和時間玩的把戲可以解決電腦跑得太慢這個永恒的問題。假如你要進行一次持續(xù)億萬年的計算，那就去遙遠的恒星探險吧，等你回來時，結果就已經在等著你了。未來的飛船乘員進行遠航的目的也許不是求生、榮耀或征服，而只是想玩?zhèn)€智力游戲。 彎曲時間和空間 如果飛船以光速的十分之一飛行，人類就可以在有生之年移民到最近的恒星，但是穿越銀河系仍需百萬年，而且每個恒星仍然與世隔絕。要構建一個銀河系版的地球村，并用飛機和電話把它連接起來，就需飛得比光還快。 與通常的認識相反，愛因斯坦的相對論并沒有將這種可能性完全排除。根據這個理論，空間和時間是有彈性的；我們所察覺的引力實際上是空間和時間的變形。理論上，我們可以把空間彎曲到非常大的程度，從而縮短要穿越的距離，這就像把一塊毯子折疊起來，讓它的兩個面互相靠近一樣。如果可以做到的話，我們就可以在瞬間穿越任何距離。你甚至可能都覺察不到加速，因為飛船內部的重力是零。飛船窗外的景色將會十分壯觀。繁星會變色，并朝著飛船運動的軸線靠近。
一定要說這個理念距我們今天的技術水平有多遠看起來一點兒也不大氣。曲率驅動需要一種能夠產生引力推動而非吸引的物質。這種物質所含的能量值是負的——如果你有-50千克的質量，那還不如“沒有”。物理學家創(chuàng)造性地想像出了許多能夠產生這種能量的方式，但是他們竟然忘記了一艘飛船所需的負能量總和會相當于好幾顆恒星。而且，這艘飛船將變得無法駕駛，因為控制信號受限于光速，它將無法以足夠快的速度從艦橋傳遞到位于船體邊緣的推進系統(tǒng)。（但是飛船內部的設備卻運作良好。） 在談及飛船的時候，最好還是不要糾纏于細節(jié)。當人類真正有能力建造一艘的時候，我們對旅行的觀念可能已經變了?！拔覀冃枰阉腥硕妓腿幔俊盠ong 問道?！耙苍S我們只需把胚胎送去，也許在未來，可以把你自己整個兒上傳到電腦里，并在另一邊用類似3D打印的技術重新制造出來。”今天，飛船還是一個新潮的想法。未來，就可能已經是老古董了。 作者 George Musser 是一位物理學和宇宙學作家，《命運的量子力學》一文也是他寫的。 文/George Musser 圖/Chad Hagen 譯/老孫 |
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