星際旅行的夢想能實現嗎?科學傢:“太難瞭”但是有機會

包括《星際迷航》和《星球大戰》在內,星際旅行一直是科幻作品的重要橋段。

如果能夠研制出科幻作品中的曲速引擎或者超光速引擎,星際旅行的夢想能否實現?

星際旅行的夢想能實現嗎?科學傢:“太難瞭”但是有機會

科幻作品中的太空旅行者經常利用曲速引擎前往遙遠星球。人類能夠實現超光速飛行嗎?

對超光速期待過高前往距離我們最近的恒星系統或者跨越銀河系究竟面臨怎樣的難度和挑戰?在《星際迷航》和《星球大戰》等科幻影片中,星際旅行簡直是信手拈來的橋段。接到遙遠星球發出的求救信號,片中的主人公啟動曲速引擎或者超光速引擎,隻需幾分鐘或者幾小時就能抵達目的地。所以,如果我們能夠研制出這樣的推進系統,星際旅行的夢想能否成為現實?50年前,人類首次登上月球。自1972年最後一次登月以來,人類從未進行月球以外的太空冒險之旅,雖然我們曾發射一系列機器人探測器,但是人類從未將《2001:太空漫遊》中描繪的木星之旅變成現實,甚至沒有登上火星。究竟哪些因素讓遠距離太空旅行如此艱難?除瞭顯而易見的健康風險(長時間逗留微重力環境會對人體造成巨大傷害)和預算問題,長途太空旅行還面臨巨大的技術挑戰。5月7日,紀錄片《詹姆斯·卡梅隆的科幻故事》播出第二集,講述瞭太空探索的點點滴滴。

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詹姆斯·卡梅隆與《星球大戰》導演喬治·盧卡斯

雖然專傢們一直在研究星際旅行設想,但他們警告稱我們對超光速飛行的期待可能過高。科幻小說作傢、致力於研究星際推進系統的美國宇航局科學傢傑弗裡·蘭迪斯表示:“絕大多數科幻作品的問題在於,將難度超乎想象的超光速飛行描繪得過於簡單。”

遭遇“時間膨脹”利用純粹能量加速一艘飛船需要耗費大量推進劑,最終會遭遇光速屏障。根據愛因斯坦的廣義相對論,隨著速度接近光速,物體的質量將變得無限大。換句話說,飛船無法在物理層面進行光速飛行。一些科幻小說(例如1962年的兒童著作《時間的皺折》,最近被搬上大銀幕)利用蟲洞繞過這個問題。但蟲洞也存在疑問。我們很難確定一個地點如何獲得足夠的質量,以形成蟲洞。(黑洞是熱門的蟲洞候選者。)此外,蟲洞如何打開?飛船又如何安全穿過蟲洞?

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“獵戶座”火星飛船藝術概念圖

不管是以接近光速的速度飛行還是利用蟲洞,都可能遭遇所謂的“時間膨脹”。根據愛因斯坦的狹義相對論,隨著飛船的速度接近光速,時間將變慢,乘客將以更慢的速度走向衰老。等到完成長途太空旅行,重返地球時,飛船上的乘客可能發現他們的朋友和傢人已經老去或者死亡。即便是在國際空間站上,宇航員也受到時間膨脹的影響,隻是幅度極小。在空間站度過一年後(2015年-2016年),宇航員斯科特·凱利與他的雙胞胎兄弟馬克·凱利的年齡差增加瞭5毫秒。

現實世界的星際旅行星際旅行仍具有可行性,但據我們所知,最明智的選擇是將目光鎖定本地宇宙。距離太陽系最近的恒星系統是半人馬座α星,一個三合星系統。2016年,科學傢在半人馬座α星系統的比鄰星(一顆紅矮星)適居區發現一顆類地行星。比鄰星是否產生大量輻射,導致生命無法在其行星上生存?現在尚無定論。如果以光速飛行,我們隻需短短4年時間就能達到半人馬座α星。但如果速度較慢,這個恒星系統仍遙不可及。如果派遣“旅行者2”號前往半人馬座α星,再過7.5萬年也無法抵達。(“旅行者2”號1977年發射,2012年進入星際空間。)因此,我們需要速度更快的推進系統。

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“代達羅斯”號星際飛船藝術概念圖1998年,蘭迪斯的一項星際旅行設想獲得美國宇航局“創新先進概念”計劃(NIAC)的資助。NIAC計劃將目光聚焦於一個很難在幾十年內成為現實的超前太空探索想法。蘭迪斯建議利用激光推進裝有光帆的飛船。他的設想基於1984年物理學傢羅伯特·福沃德闡述的想法。隨後,這一設想又被“突破攝星”計劃看中。2016年,“突破攝星”項目組宣佈希望向半人馬座α星派遣迷你飛船。蘭迪斯表示他的想法雖然行得通,但如果不能制造出微型飛船,便無法在短時間內抵達半人馬座α星。他在接受太空網采訪時說:“我們的唯一選擇就是派遣微型探測器。探測器的尺寸越小,速度越快,如此才有可能在幾十年內抵達這個距我們最近的恒星系統。”NIAC繼續資助星際旅行研究。2017年,加州莫哈韋太空研究所的海蒂·費爾恩獲得NIAC計劃的第一階段獎金。費爾恩研究的星際飛船推進系統可能利用所謂的“馬赫效應”。馬赫效應闡述瞭物體的靜止質量在加速狀態下如何發生改變,以及內部能量的變化。

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伊卡洛斯協會的概念星際飛船

其它星際旅行設想當然,激光推進並非星際旅行的唯一選擇。1958年,通用原子公司的特德·泰勒和普林斯頓大學物理學傢弗裡曼·戴森參與瞭獵戶座項目,研究如何利用核彈爆炸推進飛船。蘭迪斯指出獵戶座計劃設想的星際旅行需要30萬到3000萬顆氫彈。“這將是一艘非常可怕的飛船。”不過,核動力推進仍舊是一項流行的太空旅行思想實驗。上世紀50年代,宇航局與美國原子能委員會合作實施NERVA(核動力火箭發動機應用)計劃,將核裂變作為探索太陽系的動力之源。該領域的研究仍在繼續。上周,宇航局和美國能源部國傢核安全管理局公佈瞭Kilopower斯特林技術反應堆(KRUSTY)的測試結果。他們的系統表明核裂變可用於前往太陽系的目的地,例如月球或者火星。

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伊卡洛斯協會的概念星際飛船

另一個選擇是核聚變。2012年的一項NIAC提議將目光聚焦核聚變火箭,用於快速前往火星或者其它星球。這項提議由華盛頓大學的約翰·斯隆提出。上世紀70年代,英國行星際協會也將目光投向核聚變,實施瞭“代達羅斯計劃”。在這項計劃的基礎上,伊卡洛斯星際旅行協會繼續進行研究。伊卡洛斯的目標是,在2100年前設計出一艘采用核聚變技術的星際飛船。問題是,當前的核聚變反應堆效率低下,消耗超出產出。前伊卡洛斯協會主席理查德·奧伯塞在接受太空網采訪時表示:“我們至少能夠制造熱核彈,聚變反應堆技術也不斷取得進步。如果齊心協力,我們有望在幾十年後讓這個夢想成為現實。”

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反物質火箭星際探索系統(VARIES)藝術概念圖

其它可能性包括離子推進系統和核電推進器,前者利用電加速離子,例如“黎明”號飛船,後者雖然推進力很少,但燃效更高。為瞭提高飛行速度,科學傢提議打造反物質發動機,利用反物質與正常物質之間的交互,推動飛船高速飛行。不過,這項提議面臨巨大挑戰:不僅要產生大量反物質,同時還要確保在需要的時候產生爆炸。如何獲取反物質至今仍是一個未知數。一旦反物質與物質相遇,二者相互湮滅,同時釋放巨大能量。除瞭上述超前方式,我們也可以利用化學燃料火箭這種傳統手段。當前的火箭主要利用液態氧和液態氫作為燃料,將航天器送入太空。如果能夠產生足夠的推進力,飛船的速度可以達到光速的10%。雖然按照宇宙的標準,這個速度並不算快,但也足以讓我們做星際旅行。奧伯塞指出單級火箭進行光速飛行所需的質量超過已知宇宙的質量總和。“雖然多級設計能夠緩解這個問題,但你由此得知,利用化學燃料火箭來做光速飛行是一個不切實際的選擇。”

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“探路者”號星際飛船藝術概念圖

蘭迪斯和奧伯塞指出,如果能夠找到進入星際空間的理想方式,人類將獲得大量益處,不僅能夠進一步加深對宇宙的認知,甚至能夠讓半人馬座α星之旅變成一次短途旅行。首先,星際旅行能夠為人類找到一個“備用傢園”。一旦太陽系不適於居住,我們可以遷往另一顆星球,繼續繁衍生息。此外,科學傢也將有機會對星際介質(恒星之間的氣體和塵埃)進行深入研究。公眾將欣賞到遙遠世界的特寫照片,感受宇宙的壯麗與神奇。奧伯塞說:“我們不能低估近距離拍攝系外行星的積極影響。除瞭展現令人興奮的景象,這種觀測也有助於我們進行天體生物學研究。我們是宇宙內唯一的已知生命,但我相信其它星球也存在生命。我認為人們會對系外世界的探索產生濃厚興趣。”蘭迪斯指出太空探索的歷史告訴我們,宇宙要比我們認為的怪異和神秘。開普勒太空望遠鏡對系外行星的觀測揭示瞭與太陽系截然不同的恒星系統。某些恒星系統存在所謂的“熱木星”或者說靠近母星的氣態巨行星。其它恒星系統則存在“超級地球”,即體積介乎地球和海王星之間的多巖行星。如果能夠上演星際旅行,很難預測我們將遭遇怎樣的星球。他說:“宇宙內存在大量我們無法想象的星球。為瞭探索這些奇異的世界,我們需要戰勝星際旅行的各種挑戰,最終飛出太陽系,前往更為遙遠的宇宙角落。”

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