星际航行:一堂令人沮丧的算术课

[ 录入者:linq | 时间:2010-09-16 23:00:06 | 作者:江晓原 | 来源:新发现杂志 | 浏览:21018次 ]

原载《新发现》杂志2010年第9期 科学外史(51)  作者:江晓原

一万年太久,只争朝夕

  霍金最近心血来潮,就地外文明、外星 人等话题发表了意见,引发了媒体对此类话题的 很大兴趣。话题之一,就是关于人类进行星 际航行的 可能性。

  与地外文明话题联系 在一起的 “星 际航行”,当然不包括在我们自己太阳系 中进行的 行星 际航行——这种航行人类已经能够进行,尽管目前还只能在离地球不太远的 地方(比如火星 )稍转一转。由于到目前为止从未发现我们太阳系 之内有别的 文明,所以与地外文明联系 在一起的 “星 际航行”总是指在恒星 之间的 航行。

  要讨论这样的 星 际航行,我们可以先从非常简单的 算术开始思考。

  通常人们都愿意从离太阳系 最近的 一颗恒星 ——半人马座的 比邻星 ——开始思考,比邻星 距离我们太阳系 4.3光年,也就是说,以光速从地球到比邻星 要运行4.3年。

  目前人类实际能够达到的 最高星 际航行速度是多少呢?

  从地球上飞出太阳系 所需要的 “第三宇宙速度”,人类已经能够实际达到,因为我们相信已经有航天器能够飞出太阳系 (到底有没有飞出,其实很难确证),这个速度是16.7公里/秒。注意这个速度连光速(300000公里/秒)的 万分之一都不到。当然,按照常理,在此基础上再努力一下,增加一倍左右,达到30公里/秒,应该说还是不太离谱的 。

  如果我们以30公里/秒(光速的 万分之一)的 速度飞向比邻星 ,至少需要43000年。

  如果我们能够达到3000公里/秒(光速的 百分之一),飞到比邻星 至少需要430年(这里完全忽略了飞船出发后加速、到达前减速之类的 过程所需要的 附加时间)。但这个速度对人类目前的 科技能力来说已经是遥不可及了。

  其实在不少问题上, 430年和43000年是一样的 。比如,这都大大超出了人类的 正常寿命,也大大超出了机器的 工作寿命(至少到现在为止,人类还没有机会实际考察任何现代机器设备能否安然工作400年,更不用说宇宙飞船这样极度复杂的 系 统了)。

  我个人觉得还有一个更大的 问题,那就是,任何在地球上的 人们有生之年看不到结果的 实验、考察、探险等活动,虽然在理论上可以进行,但实际上人们总会意识到它对自己已经毫无意义,所以很难设想这样的 活动会得到实施。

  也许正是考虑到了这一点,英国皇家宇航学会在20世纪70年代进行的 星 际航行模拟研究“Daedalus工程”(希腊神话中Daedalus造了翅膀逃出迷宫),设想的 飞行速度是30000公里/秒(光速的 十分之一),这在此后许多关于星 际航行的 假想中被视为一个重要“门槛”。之所以考虑采用这个“门槛”,也许和上面提到的 心理有关——如果花43年飞到比邻星 ,再等4.3年让无线电报告传回地球,这样在我们有生之年(半个世纪内)还可以得到探险结果。

 

上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见

  星 际航行是一个美丽的 梦想,它既可以在当代科学主义纲领下不顾一切地被追求(现今人类的 许多航天活动就是这样),也可以从古代纯粹的 人文情怀中得到共鸣——《长恨歌》中那个道士还“排空御气奔如电,升天入地求之遍”呢。所以,尽管人类目前实际能够达到的 航行速度只有光速的 万分之一量级,但这并不妨碍科学家对星 际航行展开丰富、系 统而且大胆的 想象。

  这种想象已经提出了多种方案,大体可以分为两条路径。

  一条路径是接受目前只能“慢速航行”的 现实,考虑千百万年的 长期航行。这样的 航行必将面临一系 列难以克服的 困难。

  首先是燃料从何处提供?目前人类都是采用固体、液体或气体燃料来驱动飞船,但是飞船出发时不可能携带43000年的 燃料,目前也没有任何在中途添加燃料的 能力。想象中的 核动力也难以维持如此之长的 年代。其次是机器设备的 工作寿命,迄今为止还没有一架航天器持续工作过50年,43000年谁敢指望?

  这还只是考虑无人航天器,如果载人,则宇航员要么“冬眠”,那飞船上的 支持系 统能工作千万年而不出差错吗?电影《2001太空漫游》中冬眠宇航员因生命维持系 统遭电脑切断而被“谋杀”的 命运如何避免?要么在飞船上传宗接代,那这飞船就要被建设成一个小型的 地球,这就更没谱了。况且还有近亲繁殖问题。

  另一条路径当然是从加快航行速度上来着手,只要速度足够快,就可以消解上一条路径中的 大部分困难。这时“Daedalus工程”中的 十分之一光速“门槛”就经常会被用到。已设想的 至少有如下几种重要方案:

  核聚变发动机。这正是“Daedalus工程”本身所设想的 方案,它用的 是氢的 同位素氘(D)和氦-3(3He)聚变,这样可以不需用水来冷却发动机,但是方案所需的 数千顿氦-3,则只能到木星 上去提取。所以这只是史诗般的 假想,用来拍科幻电影可以,要实施的 话目前人类根本没有这样的 能力和财力。

  反物质发动机。欲将物质转换成为能量,目前所知最有效者,莫过于物质与“反物质”的 相遇湮灭,能够释放出巨大能量。如果想把1顿重的 设备,在50年内送到比邻星 ,初步的 计算表明,需要1.2公斤反物质。但是目前人类的 技术能力,在这方面还差得太远。关于反物质发动机在技术上离我们有多远,只要提到一个事实就够了:反物质不能存放在任何有形容器中(因为任何有形容器都是物质,两者一相遇就要湮灭爆炸),它只能被悬空拘束在一个真空磁场中。在丹·布朗的 小说《天使与魔鬼》中,他只敢想象1克的 反物质。而事实上,以人类现有的 科技能力,哪怕只生产1毫克(1克的 千分之一)反物质,就需要耗尽全世界的 能源。

  光帆飞船。它很容易在公众心目中唤起诗意的 联想,但是真要实施的 话,技术上的 困难是骇人听闻的 。飞船的 光帆将大到数十平方公里,厚度则只有16纳米(1毫米的 十万分之一多一点)。这样的 帆怎样张开?更别说还要操纵它了。还需要在土星 和天王星 之间的 的 某个位置建造巨大的 太阳能—激光转换器,设想中该转换器直径竟达1公里,据说射出的 激光束可以远至40光年也不发散……。不过,这个宏伟的 方案真要实施的 话,它的 能量消耗将是现今整个地球生产能力的 几万倍。

 

何以解忧,唯有虫洞?

  上面这些史诗般的 狂想方案中,基本上都没有考虑人。人类向外太空的 探险行动,最先派出无人飞船当然可以,但最终总要派人去到彼处才行。而一旦考虑了人的 因素,立刻出现两方面的 困难。

  首先是生理上的 问题。在“Daedalus工程”类型的 方案中,要求飞船的 巡航速度达到光速的 十分之一,即每秒30000公里,这必然有一个现今难以想象的 加速过程,人体瞬间能够承受多大的 加速度?对某种加速度又能够持续承受多长时间?在民航客机起飞和降落时,这么一点点加速度就会使某些乘客不适甚至发病。宇宙飞船如果急剧加速,说不定刚起飞不久宇航员就七窍流血而死了。

  其次是心理上的 问题。如果奉派飞往比邻星 ,以光速的 十分之一巡航,这对宇航员来说意味着什么?43年如一日在船舱里,到了比邻星 后,即使能够顺利返回地球,那至少也得86年以后了——这其实就是终身监禁啊!世间有几人能够承受?

人类星 际航行的 真正出路,恐怕只能是目前谁也没见过的 虫洞了。

Tags:航天

责任编辑:linq

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