星际旅行的梦想能实现吗?科学家:“太难了”但是有机会

2020-10-16 06:54     互联网

       包括《星际迷航》和《星球大战》在内,星际旅行一直是科幻作品的重要桥段。

       如果能够研制出科幻作品中的曲速引擎或者超光速引擎,星际旅行的梦想能否实现?

       

       

       科幻作品中的太空旅行者经常利用曲速引擎前往遥远星球。人类能够实现超光速飞行吗?

       对超光速期待过高前往距离我们最近的恒星系统或者跨越银河系究竟面临怎样的难度和挑战?在《星际迷航》和《星球大战》等科幻影片中,星际旅行简直是信手拈来的桥段。接到遥远星球发出的求救信号,片中的主人公启动曲速引擎或者超光速引擎,只需几分钟或者几小时就能抵达目的地。所以,如果我们能够研制出这样的推进系统,星际旅行的梦想能否成为现实?50年前,人类首次登上月球。自1972年最后一次登月以来,人类从未进行月球以外的太空冒险之旅,虽然我们曾发射一系列机器人探测器,但是人类从未将《2001:太空漫游》中描绘的木星之旅变成现实,甚至没有登上火星。究竟哪些因素让远距离太空旅行如此艰难?除了显而易见的健康风险(长时间逗留微重力环境会对人体造成巨大伤害)和预算问题,长途太空旅行还面临巨大的技术挑战。5月7日,纪录片《詹姆斯卡梅隆的科幻故事》播出第二集,讲述了太空探索的点点滴滴。

       

       詹姆斯卡梅隆与《星球大战》导演乔治卢卡斯

       虽然专家们一直在研究星际旅行设想,但他们警告称我们对超光速飞行的期待可能过高。科幻小说作家、致力于研究星际推进系统的美国宇航局科学家杰弗里兰迪斯表示:"绝大多数科幻作品的问题在于,将难度超乎想象的超光速飞行描绘得过于简单。"

       遭遇"时间膨胀"利用纯粹能量加速一艘飞船需要耗费大量推进剂,最终会遭遇光速屏障。根据爱因斯坦的广义相对论,随着速度接近光速,物体的质量将变得无限大。换句话说,飞船无法在物理层面进行光速飞行。一些科幻小说(例如1962年的儿童著作《时间的皱折》,最近被搬上大银幕)利用虫洞绕过这个问题。但虫洞也存在疑问。我们很难确定一个地点如何获得足够的质量,以形成虫洞。(黑洞是热门的虫洞候选者。)此外,虫洞如何打开?飞船又如何安全穿过虫洞?

       

       "猎户座"火星飞船艺术概念图

       不管是以接近光速的速度飞行还是利用虫洞,都可能遭遇所谓的"时间膨胀"。根据爱因斯坦的狭义相对论,随着飞船的速度接近光速,时间将变慢,乘客将以更慢的速度走向衰老。等到完成长途太空旅行,重返地球时,飞船上的乘客可能发现他们的朋友和家人已经老去或者死亡。即便是在国际空间站上,宇航员也受到时间膨胀的影响,只是幅度极小。在空间站度过一年后(2015年-2016年),宇航员斯科特凯利与他的双胞胎兄弟马克凯利的年龄差增加了5毫秒。

       现实世界的星际旅行星际旅行仍具有可行性,但据我们所知,最明智的选择是将目光锁定本地宇宙。距离太阳系最近的恒星系统是半人马座α星,一个三合星系统。2016年,科学家在半人马座α星系统的比邻星(一颗红矮星)适居区发现一颗类地行星。比邻星是否产生大量辐射,导致生命无法在其行星上生存?现在尚无定论。如果以光速飞行,我们只需短短4年时间就能达到半人马座α星。但如果速度较慢,这个恒星系统仍遥不可及。如果派遣"旅行者2"号前往半人马座α星,再过7.5万年也无法抵达。("旅行者2"号1977年发射,2012年进入星际空间。)因此,我们需要速度更快的推进系统。

       

       

       "代达罗斯"号星际飞船艺术概念图1998年,兰迪斯的一项星际旅行设想获得美国宇航局"创新先进概念"计划(NIAC)的资助。NIAC计划将目光聚焦于一个很难在几十年内成为现实的超前太空探索想法。兰迪斯建议利用激光推进装有光帆的飞船。他的设想基于1984年物理学家罗伯特福沃德阐述的想法。随后,这一设想又被"突破摄星"计划看中。2016年,"突破摄星"项目组宣布希望向半人马座α星派遣迷你飞船。兰迪斯表示他的想法虽然行得通,但如果不能制造出微型飞船,便无法在短时间内抵达半人马座α星。他在接受太空网采访时说:"我们的唯一选择就是派遣微型探测器。探测器的尺寸越小,速度越快,如此才有可能在几十年内抵达这个距我们最近的恒星系统。"NIAC继续资助星际旅行研究。2017年,加州莫哈韦太空研究所的海蒂费尔恩获得NIAC计划的第一阶段奖金。费尔恩研究的星际飞船推进系统可能利用所谓的"马赫效应"。马赫效应阐述了物体的静止质量在加速状态下如何发生改变,以及内部能量的变化。

       

       伊卡洛斯协会的概念星际飞船

       其它星际旅行设想当然,激光推进并非星际旅行的唯一选择。1958年,通用原子公司的特德泰勒和普林斯顿大学物理学家弗里曼戴森参与了猎户座项目,研究如何利用核弹爆炸推进飞船。兰迪斯指出猎户座计划设想的星际旅行需要30万到3000万颗氢弹。"这将是一艘非常可怕的飞船。"不过,核动力推进仍旧是一项流行的太空旅行思想实验。上世纪50年代,宇航局与美国原子能委员会合作实施NERVA(核动力火箭发动机应用)计划,将核裂变作为探索太阳系的动力之源。该领域的研究仍在继续。上周,宇航局和美国能源部国家核安全管理局公布了Kilopower斯特林技术反应堆(KRUSTY)的测试结果。他们的系统表明核裂变可用于前往太阳系的目的地,例如月球或者火星。

       伊卡洛斯协会的概念星际飞船

       另一个选择是核聚变。2012年的一项NIAC提议将目光聚焦核聚变火箭,用于快速前往火星或者其它星球。这项提议由华盛顿大学的约翰斯隆提出。上世纪70年代,英国行星际协会也将目光投向核聚变,实施了"代达罗斯计划"。在这项计划的基础上,伊卡洛斯星际旅行协会继续进行研究。伊卡洛斯的目标是,在2100年前设计出一艘采用核聚变技术的星际飞船。问题是,当前的核聚变反应堆效率低下,消耗超出产出。前伊卡洛斯协会主席理查德奥伯塞在接受太空网采访时表示:"我们至少能够制造热核弹,聚变反应堆技术也不断取得进步。如果齐心协力,我们有望在几十年后让这个梦想成为现实。"

       

       反物质火箭星际探索系统(VARIES)艺术概念图

       其它可能性包括离子推进系统和核电推进器,前者利用电加速离子,例如"黎明"号飞船,后者虽然推进力很少,但燃效更高。为了提高飞行速度,科学家提议打造反物质发动机,利用反物质与正常物质之间的交互,推动飞船高速飞行。不过,这项提议面临巨大挑战:不仅要产生大量反物质,同时还要确保在需要的时候产生爆炸。如何获取反物质至今仍是一个未知数。一旦反物质与物质相遇,二者相互湮灭,同时释放巨大能量。除了上述超前方式,我们也可以利用化学燃料火箭这种传统手段。当前的火箭主要利用液态氧和液态氢作为燃料,将航天器送入太空。如果能够产生足够的推进力,飞船的速度可以达到光速的10%。虽然按照宇宙的标准,这个速度并不算快,但也足以让我们做星际旅行。奥伯塞指出单级火箭进行光速飞行所需的质量超过已知宇宙的质量总和。"虽然多级设计能够缓解这个问题,但你由此得知,利用化学燃料火箭来做光速飞行是一个不切实际的选择。"

       

       "探路者"号星际飞船艺术概念图

       兰迪斯和奥伯塞指出,如果能够找到进入星际空间的理想方式,人类将获得大量益处,不仅能够进一步加深对宇宙的认知,甚至能够让半人马座α星之旅变成一次短途旅行。首先,星际旅行能够为人类找到一个"备用家园"。一旦太阳系不适于居住,我们可以迁往另一颗星球,继续繁衍生息。此外,科学家也将有机会对星际介质(恒星之间的气体和尘埃)进行深入研究。公众将欣赏到遥远世界的特写照片,感受宇宙的壮丽与神奇。奥伯塞说:"我们不能低估近距离拍摄系外行星的积极影响。除了展现令人兴奋的景象,这种观测也有助于我们进行天体生物学研究。我们是宇宙内唯一的已知生命,但我相信其它星球也存在生命。我认为人们会对系外世界的探索产生浓厚兴趣。"兰迪斯指出太空探索的历史告诉我们,宇宙要比我们认为的怪异和神秘。开普勒太空望远镜对系外行星的观测揭示了与太阳系截然不同的恒星系统。某些恒星系统存在所谓的"热木星"或者说靠近母星的气态巨行星。其它恒星系统则存在"超级地球",即体积介乎地球和海王星之间的多岩行星。如果能够上演星际旅行,很难预测我们将遭遇怎样的星球。他说:"宇宙内存在大量我们无法想象的星球。为了探索这些奇异的世界,我们需要战胜星际旅行的各种挑战,最终飞出太阳系,前往更为遥远的宇宙角落。"

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