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请问,去三体星怎么走?


从太空时代的黎明开始,异想天开的物理学家、工程师和科幻作家就在用周末和午餐时间构建星舰计划,急切地想把人类拽出地球摇篮。那时候,他们关注的大多是物理层面。我们真的能飞向星空吗?起初很多人不这么认为,但是现在我们已经知道这是有可能的。今天的问题是:我们可以吗?


事实上我们已经飞上了星空,而不是仅仅是打算。1977年发射的旅行者号双胞胎太空探测器早已越过它们原本的外行星目的地,到达了太阳王国的边界。旅行者1号距太阳124个天文单位,也就是说它要比地球和太阳的距离远124倍——它每年要飞行3.6个天文单位。它是否已经离开太阳系取决于对“太阳系”的定义,但可以确定的是它已经超越了所有的行星。它的仪器已经遭遇到了太阳给星际空间带去的高能粒子和磁场——这也是旅行者号小组成员、行星科学家 Ralph McNutt 想要探测的所谓“奇异的等离子体结构”。旅行者号遇到的奥秘催促科学家为接下去更为深入的宇宙丛林探险制定新的任务——它会飞到200天文单位甚至更远处。那么,什么样的飞行器才能把我们带到那里呢?



NASA


离子驱动


NASA的黎明号探测器正在前往小行星带,它为我们示范了一种先进的推进系统:离子驱动。离子驱动就像一把手枪,但它发射的是原子,而非子弹;飞船靠反作用力前进。整个系统包含一个燃料箱——燃料一般是氙,和一个电源——如太阳能电板或钚电池。引擎会首先剥去推进剂原子的最外层电子,使其带上正电荷。然后根据异性相吸原理,一张带有负电荷的网会把这些原子导向与飞船前进相反的方向。穿越网格后,原子在便会在其身后形成速度快于化学火箭最大能力10倍(高于子弹100倍)的喷流。作为后旅行者时代的探测器,离子引擎能够在差不多15年时间内把飞行器加速到旅行者号速度的几倍,因此,在建造者去世前,它就能飞好几百个天文单位。


星际飞行的热衷者也在考虑把离子驱动用于真正的星际任务,如半人马座阿尔法星,它是最近的恒星系统,距离我们约300000天文单位。Icarus Interstellar(伊卡洛斯星际空间),是一个致力于在本世纪末实现星际旅行的非赢利组织,他们有一个名为 Tin Tin(丁丁)的梦想计划——这是一个质量还不到10千克的小型探测器,装备有高性能的微型离子驱动系统。旅程仍然需要数万年,但是与其说是切实可行的科学任务,这个团队更视其为一种技术的示范。



NASA


太阳帆


就像日本IKAROS(伊卡洛斯)金星探测器所采用的方式那样,太阳帆完全不需要推进剂和引擎。它依靠光的物理特性发挥作用。和运动中的其他物体一样,光波是有动量的,它会在任何表面上产生推力。这种力是微弱的,但是如果表面足够大,质量足够小,时间足够长,你就可以觉察到。太阳光能够把一张由极轻物质——比如聚酰亚胺制造的巨大薄膜加速到很高的速度。要达到逃离太阳系的速度,飞行器首先需要奋不顾身地冲向太阳,到达离太阳尽可能近的地方——比如水星轨道以内——以便让它的帆沐浴在充沛的阳光下。


理论上这样的帆飞行器可以在一千年内到达半人马座阿尔法星。它能飞多快,取决于能离太阳多近,同时也与材料的耐用性有关。纽约城市大学教授,长久以来的星际旅行倡导者 Gregory Matloff 说,希望最大的备选材料是石墨烯——一种超薄的碳石墨层。


和运动中的其他物体一样,光波是有动量的,它会在任何表面上产生推力。


激光或微波束能够提供更强大的推力。1980年代中期,星际旅行的元老,Robert Forward,曾提出过一个当时非常流行的想法:太阳能发电卫星,它能够在轨道上收集太阳能,并用微波的方式传回地面。因此我们可以利用这种轨道上的发电站,而只需把它调转方向。一个100亿瓦的电站可以把一张大约16克重的超轻太阳帆,在一周时间内加速到光速的十五分之一。二十年后,我们就可以收看来自半人马座阿尔法星的现场直播了。


这个“星束飞船”方案有其不确定性——它需要一个庞大的镜头,而且太阳帆非常脆弱,因此被烧毁的可能性也许更大——但是至少向我们展示了在有生之年到达其他恒星的可能性。


核火箭


太阳帆也许可以把小型探测器带到别的恒星,但是却无法胜任载人任务;那样的微波束能量相当于目前全世界能源生产总量的几千倍。最成熟的载人太空旅行方案是核脉冲推进,它曾在1950、60年代期间的猎户座计划中,由政府出资进行过研究。


乍听起来,这是个疯狂的方案。在飞船上装300000个原子弹,每三秒钟引爆一个,凭借爆炸产生的冲击波前行。虽然极端,但是它的基本工作原理和别的火箭是一样的——也就是反作用力。只是它朝着身后喷射的不是原子束,而是等离子团,比如化为火球的钨。


你可以把钨和原子弹封装在金属胶囊内,发射到飞船的后方,并保持一定距离。在真空中,爆炸造成的破坏比你想像的要小。钨汽化后带来的冲击会被安装在飞船后部的厚金属板反弹回太空,在反作用力的推动下飞船得以向前移动。巨大的冲击波吸收器可以把乘员所受的震动减少到四分之一。下3D象棋的星际旅客会感受到有节奏的砰砰声,就如同公寓楼楼上有小孩子在跳绳。


在飞船上装300000个原子弹,每三秒钟引爆一个,凭借爆炸产生的冲击波前行。


飞船的速度可能会达到光速的十分之一。假如太阳爆发,外星人入侵,我们不得不尽快离开这个行星,而且不惜把发射台炸掉的话,这的确是个办法。所需的一切我们都已经有了。“最切实可行的技术就是核脉冲了,” Matloff 说。如果可能的话,大部分人都会乐意把所有的原子弹装在一艘船上,然后尽快地把它们扔掉。


更为理想的是,炸弹的爆炸可以用受控核聚变来取代。这就是 Daedalus(达代罗斯)计划所追求的目标,这个70年代的计划曾试图设计出一艘全能的自动星际飞船。最大的难点在于,每吨的载荷,需要用100吨的燃料。这样的一个庞然大物如同一艘战列舰,其长度可达200米,质量可达50000吨。


“这是一台巨大的怪兽级机器,”英国航空航天工程师 Kelvin Long 说。他是 Icarus(伊卡洛斯)计划的合作创始人,正在致力于用现代的技术改进飞船的设计。“自那以后发生了什么呢?微电子,微型化技术,纳米技术。所有这些发展都促使我们重新思考。我们真的需要那种巨大的构造吗?”他说他们正准备在伦敦推出新的设计。


星际设计师正在想尽办法地缩小燃料箱。比如,让飞船利用电磁场在星际空间中获取氢气。氢可以当作聚变反应堆的燃料。飞船跑得越快,氢的获取速度也越快——这是一个良性循环,如果能一直维持,就可以将飞船推进到接近光速。但是不幸的是,这种开采也会产生阻力,使飞船减速,同时迎面而来的粒子会把乘员烤焦。而且,纯氢聚变的效率是很低的。以聚变为动力的飞船从地球获取燃料也许是不可避免的。


寻找奇特物质


除了氢气,纽约大学物理学研究生 Jia Liu(刘佳)认为还可以寻找暗物质,这是一种奇特的看不见的物质,天文学家认为是它构成了星系的主体。粒子物理学家设想,暗物质是由一种名为渺中子的粒子构成的,而它有一种实用的特性:两个渺中子在相撞后,会湮灭在一道伽马射线中。这样的连锁反应能够驱动一艘飞船向前行进。像采集氢气一样采集暗物质并加以利用,飞船就可以接近光速。然而问题在于,暗物质之所以“暗”——是因为它对任何电磁力都不发生作用。物理学家不知道该如何收集暗物质,更不用说拿它来产生火箭推力了。


假如工程师用某种方法克服了这些困难,并建造出一速近光速飞船,那就不仅是半人马座阿尔法星,整个银河系都不在话下。根据1960年代天文学家 Carl Sagan(卡尔·萨根)的计算,如果可以实现适度的加速——大概相当于一辆赛车——并且维持足够长的时间,就可以逐渐接近光速,穿越银河系只需几十年的船上时间。而且,这个加速度会产生一种让人感到舒适的人造重力。


但是与此同时,地球上却已经过去了几十万年。当你回来时,这个社会可能已经被猿猴占领了。不过从某种角度来说,也许还不错。引力和时间玩的把戏可以解决电脑跑得太慢这个永恒的问题。假如你要进行一次持续亿万年的计算,那就去遥远的恒星探险吧,等你回来时,结果就已经在等着你了。未来的飞船乘员进行远航的目的也许不是求生、荣耀或征服,而只是想玩个智力游戏。



弯曲时间和空间


如果飞船以光速的十分之一飞行,人类就可以在有生之年移民到最近的恒星,但是穿越银河系仍需百万年,而且每个恒星仍然与世隔绝。要构建一个银河系版的地球村,并用飞机和电话把它连接起来,就需飞得比光还快。


与通常的认识相反,爱因斯坦的相对论并没有将这种可能性完全排除。根据这个理论,空间和时间是有弹性的;我们所察觉的引力实际上是空间和时间的变形。理论上,我们可以把空间弯曲到非常大的程度,从而缩短要穿越的距离,这就像把一块毯子折叠起来,让它的两个面互相靠近一样。如果可以做到的话,我们就可以在瞬间穿越任何距离。你甚至可能都觉察不到加速,因为飞船内部的重力是零。飞船窗外的景色将会十分壮观。繁星会变色,并朝着飞船运动的轴线靠近。


我们可以把空间弯曲到非常大的程度,从而缩短要穿越的距离,这就像把一块毯子折叠起来,让它的两个面互相靠近一样。


一定要说这个理念距我们今天的技术水平有多远看起来一点儿也不大气。曲率驱动需要一种能够产生引力推动而非吸引的物质。这种物质所含的能量值是负的——如果你有-50千克的质量,那还不如“没有”。物理学家创造性地想像出了许多能够产生这种能量的方式,但是他们竟然忘记了一艘飞船所需的负能量总和会相当于好几颗恒星。而且,这艘飞船将变得无法驾驶,因为控制信号受限于光速,它将无法以足够快的速度从舰桥传递到位于船体边缘的推进系统。(但是飞船内部的设备却运作良好。)


在谈及飞船的时候,最好还是不要纠缠于细节。当人类真正有能力建造一艘的时候,我们对旅行的观念可能已经变了。“我们需要把所有人都送去吗?”Long 问道。“也许我们只需把胚胎送去,也许在未来,可以把你自己整个儿上传到电脑里,并在另一边用类似3D打印的技术重新制造出来。”今天,飞船还是一个新潮的想法。未来,就可能已经是老古董了。


作者 George Musser 是一位物理学和宇宙学作家,《命运的量子力学》一文也是他写的。


文/George Musser

图/Chad Hagen

译/老孙

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