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要飞出太阳系,一定要掌握可控核聚变吗?其实还有一条捷径!

人类从仰望星空开始,就一直向往星辰大海,一百多年以来,从理论到实践,一步步正在变为现实,1957年第一颗卫星被发射上天,1969年人类登上月球,2004年旅行者一号离开了日球层顶,标志着人类终于踏出狭义上的太阳系!

人类真的飞出太阳系了吗?

其实残酷的事实就摆在眼前,广义太阳半径接近2光年,旅行者几万年也飞不出去!那么哪里才是真正的太阳系边界呢?

太阳系的行星边界在海王星,之外的已经没有称得上是行星的天体,而冥王星也在2006年的国际天文联合会上被开除出了行星籍,成了外海王星天体中众多的矮行星的一员,而这个外海王星天体的分布在30-75天文单位内星罗棋布!

此处作为太阳系的边界其实也挺合理,形成太阳系的边角料留在了此处,但事实上太阳系还有一个太阳风能到达的最远位置的范围,也可以说是太阳所能给予太阳系庇护的最大范围!这个位置最近大约在94天文单位处,这里作为太阳系的边界似乎更合适一些!

但在2000年以后又陆续发现了12颗半长轴超过150天文单位海王星外天体,这些被称为超海王星外天体让天文学家颇为尴尬,因为日球层外还有大量天体仍然属于太阳系,而且从理论上来看,整个形成太阳系的奥尔特云范围内都可能有这样的天体存在,所以奥尔特云才是真正的太阳系范围。

整个奥尔特云半径高达2光年,所以想让飞船飞出真正的太阳系,除了无限的等待,就是不断的提高人类的推进技术!

有哪些技术能让飞船冲出太阳系?

几年前一条““突破摄星”计划推进!人类将以20%光速冲出太阳系!”的新闻走红于网络,说的是霍金主导实施了一个探测比邻星的计划,使用的是邮票大小的微型芯片探测器,然后在地球上激光阵列将其推进到光速的20%,预计将在20年内到达比邻星。

听上去非常难诱人,但却要建设一个有史以来最强大的激光阵列,成本将高达50~100亿美元,显然这是一笔巨大的投资,从2016年宣布该计划成行以来并没有特别好的消息。2020年7月7日在《天文学与天体物理学》上提出了一个比较现实的理论,即使用碳泡沫制造的探测器!

它的密度极低,只有同体积的铝合金的1/15000,如果用这样的物质制造一个直径1米的探测器,那么它将在现有的技术(太阳帆)下大约在3.9年内到达冥王星轨道,而如果利用帕克探测器(太阳探测器,近日点极度靠近太阳)的位置的太阳帆动力,那么可以在185年内跨越地球与比邻星之间的距离,到达最近的恒星!

人类那么努力,难道就没有一条捷径吗?

一直以来我们的发动机使用的就是作用与反作用原理,也就是说物体的速度与所收到的力是呈正比关系的,当物体的质量一定时,它受到的力越大,那么前进的速度也越大,到现在为止的所有方法都是不断增加推力和保持的时间,提高火箭或者飞船的前进速度!

比如从不可控的固体火箭到后来的液体火箭,从早期的挤压循环到后来的膨胀循环,再到顶级煤油机RD180的高压分级燃烧循环,再后来化学燃烧已经无法提供更高的比冲,离子推进闪亮登场,但有一点一直都没有改变过:

无论我们如何改善发动机的推力和持续燃烧的时间,它总是慢吞吞的增加速度,即使我们未来实现核聚变发动机,比冲大到不可思议,仍然无法做到像《星际迷航》中的“进取号”瞬间达到光速的速度!捷径在哪里?

2017年《美国物理学会》期刊上的一篇论文提出了一个令人大跌眼镜的概念,与不断增加的推力和持续时间不同,它减少的是载荷质量,但和“突破摄星”或者“碳泡沫制造探测器”中不断减少探测器的质量不同,该论文中的描述是用负质量抵消载荷质量!

也就是说,该方法并不降低密度或者缩小探测器体积,而是按原设计要求,比如几吨的探测器甚至上百吨甚至数千吨的星际飞船,但同时布置一种叫做负质量的东西,两者抵消,将质量完全抵消或者无限接近于零!

此时无论多大的推力都能让飞船以极高的速度前进,当然只能是在人体所受的极限之内!一个比较有趣的操作方式是将人工重力和加速度相配合,在飞船上模拟1:1地球重力的情况,即飞船以一个G的重力加速度前进,那么它大约在一年左右的时间里接近光速!

当然光速是无法达到的,因此可以在飞船上一直以一个G的方式加速,然后快到目的地时候再以一个G的速度减速,而最简单的方式则是路程过半就减速,那么除了掉头减速的过程外,全程飞船上称成员都能在模拟的地球重力下工作与生活。

这种负质量的物质存在吗?

物质的存在就会对周围的时空产生弯曲,这是广义相对论中对于质量与引力的描述,也就是说它有质量的物体有一种相互靠近的趋势,所以负质量是不是就是天然排斥呢?1998年两个国际天文团队发现了宇宙正在以超过此前预计的速度膨胀,而得以发现暗能量的存在!

它在数十亿年前开始主导了宇宙的膨胀,它的存在会使物质相互远离,那么它是否是这种传说中的负质量物质呢?当然到现在为止我们除了对它产生斥力以及宇宙中大部分物质都是暗能量外,其他一无所知!

也许解开了暗能量之谜的那天,就是人类飞向星辰大海的那一天!

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