未來星際旅行的十條途徑

未來星際旅行的十條途徑第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三1961年，尤里·加加林（YuriGagarin）成為了第一個(gè)進(jìn)入外層空間的人類。8年后，尼爾·阿姆斯特朗（NeilArmstrong）和巴茨·奧爾德林（BuzzAldrin）成功地著陸到了月球的表面。這是目前所到過的最遠(yuǎn)距離。除了預(yù)算問題和政治意愿之外，最大的障礙是我們目前的空間飛行技術(shù)——化學(xué)燃料火箭——無法用于長(zhǎng)距離的深空飛行。雖然我們已經(jīng)可以把機(jī)器人探測(cè)器送往了外太陽系，但是整個(gè)行程要花上好幾年的時(shí)間。對(duì)于造訪其他的恒星，根本就是不可能的任務(wù)。“阿波羅”10號(hào)是迄今速度最快的載人空間飛行器，最高速度達(dá)到了每小時(shí)39,895千米。即使以這個(gè)速度飛行，那么到達(dá)距離我們最近的、4.2光年遠(yuǎn)的比鄰星也要花上12萬年。因此，如果我們真的想進(jìn)行深空星際旅行并且前往比鄰星以及更遙遠(yuǎn)的地方，那么就需要新的技術(shù)。下面你將看到其中最有趣的10種新技術(shù)。這些技術(shù)的可行性大相徑庭。其中一些，如果我們真想的話，興許明天就能實(shí)現(xiàn)，而另一些也許根本就不可能。第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三離子推進(jìn)傳統(tǒng)的火箭通過向后噴射氣體來向前推進(jìn)。離子推進(jìn)器使用相同的原理，但與噴射高溫氣體不同，它們噴出的是帶電粒子（離子）。由此產(chǎn)生的推力非常微小，但關(guān)鍵的一點(diǎn)是，對(duì)于產(chǎn)生相同的推力而言離子推進(jìn)器所需的燃料要比傳統(tǒng)火箭少。如果它們能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，最終也能把飛行器加速到極高的速度。一些探測(cè)器已經(jīng)采用了離子推進(jìn)器，例如日本的“隼鳥”探測(cè)器和歐洲空間局的SMART-1月球探測(cè)器，并且這一技術(shù)也正在不斷地完善。其中特別有希望的是可變比沖磁等離子體火箭（VASIMR）。它和通常采用強(qiáng)電場(chǎng)加速離子的離子推進(jìn)器不同，VASIMR使用無線電頻率發(fā)生器（并非類似無線電廣播的發(fā)射器）來把離子加熱到100萬℃。其原理是，在強(qiáng)磁場(chǎng)中離子會(huì)以一定的頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后無線電頻率發(fā)生器會(huì)被調(diào)整到這一頻率，為離子注入額外的能量，進(jìn)而大幅度增加推力。初步的測(cè)試結(jié)果非常吸引人。如果一切順利，VASIMR可以在39天里把人送往火星。前景：幾年第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三可變比沖磁等離子體火箭。第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三核脈沖推進(jìn)如果這里的一些想法能讓你覺得還不是那么不可能的話，那么下面這個(gè)看起來絕對(duì)讓人難以置信。這個(gè)想法是，定期地向后方引爆核彈來驅(qū)動(dòng)飛船。美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃局（DARPA）曾經(jīng)在代號(hào)為“獵戶計(jì)劃”的項(xiàng)目中認(rèn)真地研究了核脈沖推進(jìn)。其目的是設(shè)計(jì)出一種快速的行星際旅行方案。即便以現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)來看，DARPA的設(shè)計(jì)也非常“巨大”，它需要建造一個(gè)巨大的激波吸收器，外加一個(gè)用于保護(hù)乘客的輻射防護(hù)罩。這看上去似乎能奏效，但引人關(guān)注的是如果它在大氣層中發(fā)射失敗的話，后果將不堪設(shè)想。當(dāng)首批核試驗(yàn)禁令頒布以后，這一計(jì)劃最終于20世紀(jì)60年代被取消。雖然有這些擔(dān)心，但是獵戶計(jì)劃的設(shè)計(jì)仍然是現(xiàn)有的技術(shù)可以達(dá)成的，一些科學(xué)家仍然在繼續(xù)提出新的核脈沖推進(jìn)方案。理論上，一艘由核彈驅(qū)動(dòng)的飛船可以達(dá)到光速的十分之一，這使得到距離我們最近的恒星只需要40年。前景：完全可能，但需降低風(fēng)險(xiǎn)第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三核聚變火箭核脈沖推進(jìn)并不僅僅是空間飛行技術(shù)，還要依賴核能。核動(dòng)力火箭可以利用火箭上的裂變反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱量來噴射氣體提供推力。但是就威力而言，它們根本無法和核聚變火箭相比。通過原子之間的聚合，核聚變可以釋放出巨大的能量。絕大部分的聚變反應(yīng)都采用被稱為“托卡馬克”的裝置把自身束縛在磁場(chǎng)中。不幸的是，托卡馬克裝置都極為笨重，因此核聚變火箭都專注于另一種觸發(fā)核聚變的方法，被稱為“慣性約束聚變”。在慣性約束聚變中，高功率能量束（通常為激光）取代了托卡馬克中的磁場(chǎng)。通過劇烈引爆一小塊燃料彈丸導(dǎo)致外層爆炸，進(jìn)而推動(dòng)內(nèi)層物質(zhì)觸發(fā)核聚變。隨后磁場(chǎng)會(huì)被用來引導(dǎo)所產(chǎn)生的高溫等離子體從飛船尾部排出。20世紀(jì)70年代英國(guó)行星際學(xué)會(huì)詳細(xì)地研究了這一類型的核聚變火箭，它們可以在50年內(nèi)——對(duì)于人類而言這一時(shí)間跨度尚可承受——把人類送往另一顆恒星。美中不足的是，盡管已經(jīng)攻關(guān)了幾十年，但是至今還沒有一個(gè)可以工作的核聚變反應(yīng)器。前景：可能，但至少還要幾十年第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)所有的火箭，包括核聚變火箭，都有相同的根本問題。為了獲得更高的加速度，就必須攜帶更多的燃料，這就會(huì)使得飛船變得越來越重，最終又減緩了加速。因此，如果你真想進(jìn)行星際旅行，就應(yīng)該避免攜帶任何燃料。1960年物理學(xué)家羅伯特·巴薩德（RobertBussard）提出的星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)就能干凈地解決這個(gè)問題。它是一個(gè)如上文所述的核聚變火箭，但它并不攜帶核燃料，而是通過電離周圍宇宙空間中的氫，并且使用“電磁網(wǎng)”將它們吸入飛船做為燃料。星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的問題并不是前面提到的沒有可運(yùn)轉(zhuǎn)的核聚變反應(yīng)器，而是其所需電磁網(wǎng)的大小。由于星際空間中氫的數(shù)量非常少，于是這張電磁網(wǎng)必須要有數(shù)百甚至上千千米寬。一種辦法是從地球向星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將要經(jīng)過的路線發(fā)射其所需的燃料，由此飛船就可以不必使用巨大的電磁網(wǎng)。但這就意味著飛船必須按照預(yù)先設(shè)定的路線飛行，同時(shí)這也使得往返其他恒星的旅行變得極為困難。前景：巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三太陽帆這是解決燃料攜帶問題并且達(dá)到超高速的另一技術(shù)，但代價(jià)是時(shí)間。就如借助地球大氣層中風(fēng)能的風(fēng)帆，太陽帆汲取的是太陽光中的能量。太陽帆已經(jīng)在地球上的真空室中成功地進(jìn)行了測(cè)試，但軌道測(cè)試卻屢遭不幸。2005年，“宇宙”1號(hào)發(fā)射失敗。另一個(gè)“納米帆-D”也因火箭發(fā)射失敗而告終。雖然有這些問題，但太陽帆仍然是非常有前景的技術(shù)——至少在太陽系內(nèi)如此，因?yàn)槠渲嘘柟獾墓鈮鹤畲?。但是由于重量問題，對(duì)于載人星際旅行來說太陽帆還是不行。前景：完全可能，但有局限第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三太陽帆第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三磁帆作為太陽帆的一個(gè)“變種”，磁帆由太陽風(fēng)推動(dòng)，而非太陽光。太陽風(fēng)是自身具有磁場(chǎng)的一股帶電粒子流。其想法是，在飛船周圍包裹上一層和太陽風(fēng)極性相反的磁場(chǎng)，通過磁場(chǎng)間的排斥作用飛出太陽系。另一種變體則是“空間蛛網(wǎng)”，它使用從飛船延伸出的帶正電的導(dǎo)線來排斥太陽風(fēng)中的正離子。磁帆或者類似的技術(shù)還可以利用行星的磁場(chǎng)來改變自身的軌道，甚至飛躍行星際空間。然而，就自身而言，太陽帆和磁帆都不適合星際旅行。當(dāng)它們逐漸遠(yuǎn)離太陽的時(shí)候，陽光和太陽風(fēng)的強(qiáng)度就會(huì)迅速下降。結(jié)果是它們無法達(dá)到飛往其他恒星所需的速度。前景：僅適用太陽系旅行第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三空間蛛網(wǎng)第十二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三能量束推進(jìn)如果太陽無法提供足夠的能量來推動(dòng)星際飛船達(dá)到高速，那么也許我們可以通過向飛船發(fā)射能量束來做到這一點(diǎn)。這一技術(shù)就是激光燒蝕，即通過從地面上發(fā)射出的強(qiáng)激光來使得飛船上的一塊金屬板逐漸蒸發(fā)產(chǎn)生推力。類似地，物理學(xué)家和科幻小說家格雷戈里·本福德（GregoryBenford）及其兄弟詹姆斯·本福德（JamesBenford）提出為飛船裝配涂有特質(zhì)涂料的太陽帆。從地球上發(fā)出的微波可以灼燒這些涂料產(chǎn)生推力。這可以加快行星際旅行的速度。另一種則是使用磁化等離子束推進(jìn)，它可以加速磁帆。當(dāng)進(jìn)行星際旅行的時(shí)候，最好的辦法可能是使用激光來推動(dòng)光帆。羅伯特·福沃德（RobertForward）在1984年的一篇論文中首次提出了這一構(gòu)想。能量束推進(jìn)也面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。能量束必須在遠(yuǎn)距離上精確的瞄準(zhǔn)目標(biāo)，飛船必須要能極為高效地利用輸入的能量，產(chǎn)生能量束的裝置必須非常強(qiáng)大——在某些情況下其所需的能量甚至超過了目前人類的總能量輸出。前景：極具挑戰(zhàn)第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三曲速引擎1994年物理學(xué)家米蓋爾·阿爾庫(kù)比雷（MiguelAlcubierre）首次提出了類似《星際迷航》中的彎曲引擎。這一引擎將使用尚未被發(fā)現(xiàn)的、具有負(fù)質(zhì)量和呈負(fù)壓的“特異物質(zhì)”。由此可以扭曲時(shí)空，造成飛船前方的空間收縮、后方的膨脹。被包裹在這一“彎曲泡”中的飛船就能在不破壞相對(duì)論的情況下超光速飛行。不幸的是，曲速引擎存在一系列的問題。首先，維持這一彎曲所需的能量就超過了宇宙的總能量。其次，它會(huì)產(chǎn)生大量威脅宇航員生命的輻射。另外，也沒有證據(jù)表明存在這樣一種特殊的物質(zhì)。更為關(guān)鍵的是，2002年發(fā)表的計(jì)算證明，對(duì)于飛船而言無法往“彎曲泡”的前方發(fā)送信號(hào)，這就意味著宇航員將無法操控飛船。事實(shí)上，無論能提供多少能量，物理上似乎都不可能產(chǎn)生這樣的“彎曲泡”。前景：顯然不可能第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三蟲洞自從愛因斯坦的廣義相對(duì)論被廣為接受以來，蟲洞已經(jīng)從理論上被證明是可以存在的，它是聯(lián)接時(shí)空的隧道狀捷徑。發(fā)明了“黑洞”一詞的物理學(xué)家約翰·惠勒（JohnWheeler）創(chuàng)造了這個(gè)詞。問題是它在現(xiàn)實(shí)中存在嗎？如果存在，我們能從中穿過嗎？很不幸，兩者的回答都是“不”。如果蟲洞要想存在，就必須要由上文中阿爾庫(kù)比雷所提出的特異物質(zhì)來穩(wěn)定，而目前還沒有發(fā)現(xiàn)這樣的物質(zhì)。另外，雖然可以用特殊的負(fù)能量場(chǎng)來維持蟲洞處于張開的狀態(tài)，但進(jìn)入蟲洞的任何物質(zhì)或者能量都會(huì)立即使得它關(guān)閉。不過，20世紀(jì)90年代物理學(xué)家謝爾蓋·柯蘭斯尼可夫（SergueiKrasnikov）提出了一種可用于旅行的不同蟲洞。由于自身可以制造出特異物質(zhì)，因此這一類型的蟲洞可以自我維持。另一大反對(duì)蟲洞的理由是，如果蟲洞可以用于穿越空間，那它也就能成為某種時(shí)間機(jī)