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激动人心的星际航行?只要做几道计算题就知道也许我们永远只能停留在幻想层面!

2017-07-08

作者 吴苡婷

2014年一部《星际穿越》红遍全球,引发了宇宙学物理学知识探究的浪潮,文中的宇航员库珀成功地穿越了所谓的虫洞,又魔幻般地来到了被称为“第五维度”的空间,他如同幽灵般地通过扰动空间边缘来干涉三维空间,于是他把书柜里的书推到地上以引起那个空间的人的注意,指引着女儿找到了帮助人类发现移居目的地的救命稻草。父女重逢时,女儿已经垂垂老去,而库珀依旧十分年轻。

没错,星际航行一直是人类的梦想,无数的科幻小说和科幻电影都在叙述着人类的这一梦想,但是这个梦想真的可以实现么?

最近春秋君阅读了由江晓原、黄庆桥、李月白著的《今天让科学做什么》一书,发现星际航行可能只是一场令人沮丧的幻想而已。

为什么是幻想呢?

在江晓原教授的文章里,提到了几道计算题,我们一看就明白了。

要说星际穿越,那么从离太阳系最近的一颗恒星——半人马座的比邻星——开始思考,最合适,因为距离最近。

比邻星距离太阳系有4.3光年,也就是说,以光速从地球到比邻星要运行4.3年。

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),第三宇宙速度是多少呢?注意!!这个速度是16.7公里/秒。这个速度连光速(300 000公里/秒) 的万分之一都不到。

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43 000年。

就算我们能够达到3 000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)。请注意,这个速度对于人类来说,还是遥不可及的,我们的科学技术目前根本无法触及到。

就算我们有一天有重大科学突破,实现了这个速度,但是能够运行430年的机器似乎还没有出现过,事实上,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。

所以我们还是困在太阳系里东张西望的井底之蛙。虽然这样说,有点残酷,但是事实就是如此。

江晓原老师介绍说,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30 000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”,是因为如果人类花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。

如果低于这个速度,我们要在宇宙飞船上繁衍后代,一代又一代接力,在一个密闭的空间中生存下来。一方面是机器无法承受,另一方面人类的心理也无法承受。

那么我们有没有可能达到飞行速度是30 000公里/秒(光速的十分之一)呢?

科学家有几种设想。

第一种是核聚变发动机,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。

在核聚变反应中,核子被迫进行聚合从而产生巨大的能量。大多数的聚变反应堆都是利用托卡马克装置将燃料限制在一个磁场之中来驱动聚变反应的。但是,托卡马克装置太重,并不适合用于宇宙飞船之上。因此,核聚变动力火箭必须要采用另一种触发聚变的方法,即惯性约束核聚变。这种设计以高能光束(通常是激光)来代替托卡马克装置中的磁常当聚变反应发生后,磁场再引导炽热离子喷向火箭尾部,实现核聚变火箭的推进力。

但是方案所需的数千吨氦-3,则只能到木星上去提取。

如何提取,怎么提取,人类都没有近距离来到过木星,一切停留在幻想阶段。

第二种是反物质发动机。

物质与“反物质”的相遇湮灭,能够释放出巨大能量。科学家计算过,如果想把1吨重的设备,在50年内送到比邻星,初步的计算表明,需要1.2公斤的反物质。

反物质研究的确是目前各国科学研究的重点。它是目前核武器中最强、最重要的一种。美国费米国立加速器研究所,法国和瑞士合建的欧洲研究中心,俄罗斯高能物理研究所都在做此研究。中国的反物质研究所始于80年代初,由世界著名的核物理学家、反物质发现者赵忠尧担任技术顾问,因此西方称他为“中国反物质武器之父”。

但是反物质的生产至今仍然停留在神话阶段。目前人类的技术能力在这方面还差得太远。

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。

所以这是不现实的。

第三种是光帆飞船。

著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不要携带任何能源,仅仅依靠太阳光能就可使宇宙帆船驰骋太空。但太阳帆飞船这一概念到20世纪20年代才明晰起来。

江晓原老师介绍说,这是另一个神话,因为要实施的话,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某个位置建造巨大的太阳能-激光转换器,设想中该转换器的直径竟达1公里,据说射出的激光束可以远至40光年也不发散。

如果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。

说实话一点都不靠谱。

最后的希望是虫洞。

虫洞是1916年由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出的概念,1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的,认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做时间旅行。

迄今为止,科学家们还没有观察到虫洞存在的证据。

而且就算有虫洞,贯穿虫洞的辐射(来自附近的恒星,宇宙的微波背景等等)将蓝移到非常高的频率。当你试着穿越虫洞时,宇宙飞船和你都将被这些X射线伽玛射线烤焦。

虽然说的有点赤裸裸,但是这就是残酷的现实。

科学的进步需要大胆想象,但是想象归想象,现实我们还是无法轻易去攻破,所以春秋君也是时时刻刻在体会到人类的渺小,人类的科学技术从某种意义上说,还处于襁褓期,我们的科学研究道路依然任重道远。

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