從太空時代的黎明開始，異想天開的物理學(xué)家、工程師和科幻作家就在用周末和午餐時間構(gòu)建星艦計劃，急切地想把人類拽出地球搖籃。那時候，他們關(guān)注的大多是物理層面。我們真的能飛向星空嗎？起初很多人不這么認(rèn)為，但是現(xiàn)在我們已經(jīng)知道這是有可能的。今天的問題是：我們可以嗎？
事實上我們已經(jīng)飛上了星空，而不是僅僅是打算。1977年發(fā)射的旅行者號雙胞胎太空探測器早已越過它們原本的外行星目的地，到達(dá)了太陽王國的邊界。旅行者1號距太陽124個天文單位，也就是說它要比地球和太陽的距離遠(yuǎn)124倍——它每年要飛行3.6個天文單位。它是否已經(jīng)離開太陽系取決于對“太陽系”的定義，但可以確定的是它已經(jīng)超越了所有的行星。它的儀器已經(jīng)遭遇到了太陽給星際空間帶去的高能粒子和磁場——這也是旅行者號小組成員、行星科學(xué)家 Ralph McNutt 想要探測的所謂“奇異的等離子體結(jié)構(gòu)”。旅行者號遇到的奧秘催促科學(xué)家為接下去更為深入的宇宙叢林探險制定新的任務(wù)——它會飛到200天文單位甚至更遠(yuǎn)處。那么，什么樣的飛行器才能把我們帶到那里呢？
離子驅(qū)動
NASA的黎明號探測器正在前往小行星帶，它為我們示范了一種先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)：離子驅(qū)動。離子驅(qū)動就像一把手槍，但它發(fā)射的是原子，而非子彈；飛船靠反作用力前進(jìn)。整個系統(tǒng)包含一個燃料箱——燃料一般是氙，和一個電源——如太陽能電板或钚電池。引擎會首先剝?nèi)ネ七M(jìn)劑原子的最外層電子，使其帶上正電荷。然后根據(jù)異性相吸原理，一張帶有負(fù)電荷的網(wǎng)會把這些原子導(dǎo)向與飛船前進(jìn)相反的方向。穿越網(wǎng)格后，原子在便會在其身后形成速度快于化學(xué)火箭最大能力10倍（高于子彈100倍）的噴流。作為后旅行者時代的探測器，離子引擎能夠在差不多15年時間內(nèi)把飛行器加速到旅行者號速度的幾倍，因此，在建造者去世前，它就能飛好幾百個天文單位。
星際飛行的熱衷者也在考慮把離子驅(qū)動用于真正的星際任務(wù)，如半人馬座阿爾法星，它是最近的恒星系統(tǒng)，距離我們約300000天文單位。Icarus Interstellar（伊卡洛斯星際空間），是一個致力于在本世紀(jì)末實現(xiàn)星際旅行的非贏利組織，他們有一個名為 Tin Tin（丁丁）的夢想計劃——這是一個質(zhì)量還不到10千克的小型探測器，裝備有高性能的微型離子驅(qū)動系統(tǒng)。旅程仍然需要數(shù)萬年，但是與其說是切實可行的科學(xué)任務(wù)，這個團(tuán)隊更視其為一種技術(shù)的示范。
太陽帆
就像日本IKAROS（伊卡洛斯）金星探測器所采用的方式那樣，太陽帆完全不需要推進(jìn)劑和引擎。它依靠光的物理特性發(fā)揮作用。和運動中的其他物體一樣，光波是有動量的，它會在任何表面上產(chǎn)生推力。這種力是微弱的，但是如果表面足夠大，質(zhì)量足夠小，時間足夠長，你就可以覺察到。太陽光能夠把一張由極輕物質(zhì)——比如聚酰亞胺制造的巨大薄膜加速到很高的速度。要達(dá)到逃離太陽系的速度，飛行器首先需要奮不顧身地沖向太陽，到達(dá)離太陽盡可能近的地方——比如水星軌道以內(nèi)——以便讓它的帆沐浴在充沛的陽光下。
理論上這樣的帆飛行器可以在一千年內(nèi)到達(dá)半人馬座阿爾法星。它能飛多快，取決于能離太陽多近，同時也與材料的耐用性有關(guān)。紐約城市大學(xué)教授，長久以來的星際旅行倡導(dǎo)者 Gregory Matloff 說，希望最大的備選材料是石墨烯——一種超薄的碳石墨層。
和運動中的其他物體一樣，光波是有動量的，它會在任何表面上產(chǎn)生推力。
激光或微波束能夠提供更強大的推力。1980年代中期，星際旅行的元老，Robert Forward，曾提出過一個當(dāng)時非常流行的想法：太陽能發(fā)電衛(wèi)星，它能夠在軌道上收集太陽能，并用微波的方式傳回地面。因此我們可以利用這種軌道上的發(fā)電站，而只需把它調(diào)轉(zhuǎn)方向。一個100億瓦的電站可以把一張大約16克重的超輕太陽帆，在一周時間內(nèi)加速到光速的十五分之一。二十年后，我們就可以收看來自半人馬座阿爾法星的現(xiàn)場直播了。
這個“星束飛船”方案有其不確定性——它需要一個龐大的鏡頭，而且太陽帆非常脆弱，因此被燒毀的可能性也許更大——但是至少向我們展示了在有生之年到達(dá)其他恒星的可能性。
核火箭
太陽帆也許可以把小型探測器帶到別的恒星，但是卻無法勝任載人任務(wù)；那樣的微波束能量相當(dāng)于目前全世界能源生產(chǎn)總量的幾千倍。最成熟的載人太空旅行方案是核脈沖推進(jìn)，它曾在1950、60年代期間的獵戶座計劃中，由政府出資進(jìn)行過研究。
乍聽起來，這是個瘋狂的方案。在飛船上裝300000個原子彈，每三秒鐘引爆一個，憑借爆炸產(chǎn)生的沖擊波前行。雖然極端，但是它的基本工作原理和別的火箭是一樣的——也就是反作用力。只是它朝著身后噴射的不是原子束，而是等離子團(tuán)，比如化為火球的鎢。
你可以把鎢和原子彈封裝在金屬膠囊內(nèi)，發(fā)射到飛船的后方，并保持一定距離。在真空中，爆炸造成的破壞比你想像的要小。鎢汽化后帶來的沖擊會被安裝在飛船后部的厚金屬板反彈回太空，在反作用力的推動下飛船得以向前移動。巨大的沖擊波吸收器可以把乘員所受的震動減少到四分之一。下3D象棋的星際旅客會感受到有節(jié)奏的砰砰聲，就如同公寓樓樓上有小孩子在跳繩。
在飛船上裝300000個原子彈，每三秒鐘引爆一個，憑借爆炸產(chǎn)生的沖擊波前行。
飛船的速度可能會達(dá)到光速的十分之一。假如太陽爆發(fā)，外星人入侵，我們不得不盡快離開這個行星，而且不惜把發(fā)射臺炸掉的話，這的確是個辦法。所需的一切我們都已經(jīng)有了?！白钋袑嵖尚械募夹g(shù)就是核脈沖了，” Matloff 說。如果可能的話，大部分人都會樂意把所有的原子彈裝在一艘船上，然后盡快地把它們?nèi)拥簟?/p>
更為理想的是，炸彈的爆炸可以用受控核聚變來取代。這就是 Daedalus（達(dá)代羅斯）計劃所追求的目標(biāo)，這個70年代的計劃曾試圖設(shè)計出一艘全能的自動星際飛船。最大的難點在于，每噸的載荷，需要用100噸的燃料。這樣的一個龐然大物如同一艘戰(zhàn)列艦，其長度可達(dá)200米，質(zhì)量可達(dá)50000噸。
“這是一臺巨大的怪獸級機器，”英國航空航天工程師 Kelvin Long 說。他是 Icarus（伊卡洛斯）計劃的合作創(chuàng)始人，正在致力于用現(xiàn)代的技術(shù)改進(jìn)飛船的設(shè)計?！白阅且院蟀l(fā)生了什么呢？微電子，微型化技術(shù)，納米技術(shù)。所有這些發(fā)展都促使我們重新思考。我們真的需要那種巨大的構(gòu)造嗎？”他說他們正準(zhǔn)備在倫敦推出新的設(shè)計。
星際設(shè)計師正在想盡辦法地縮小燃料箱。比如，讓飛船利用電磁場在星際空間中獲取氫氣。氫可以當(dāng)作聚變反應(yīng)堆的燃料。飛船跑得越快，氫的獲取速度也越快——這是一個良性循環(huán)，如果能一直維持，就可以將飛船推進(jìn)到接近光速。但是不幸的是，這種開采也會產(chǎn)生阻力，使飛船減速，同時迎面而來的粒子會把乘員烤焦。而且，純氫聚變的效率是很低的。以聚變?yōu)閯恿Φ娘w船從地球獲取燃料也許是不可避免的。
尋找奇特物質(zhì)
除了氫氣，紐約大學(xué)物理學(xué)研究生 Jia Liu（劉佳）認(rèn)為還可以尋找暗物質(zhì)，這是一種奇特的看不見的物質(zhì)，天文學(xué)家認(rèn)為是它構(gòu)成了星系的主體。粒子物理學(xué)家設(shè)想，暗物質(zhì)是由一種名為渺中子的粒子構(gòu)成的，而它有一種實用的特性：兩個渺中子在相撞后，會湮滅在一道伽馬射線中。這樣的連鎖反應(yīng)能夠驅(qū)動一艘飛船向前行進(jìn)。像采集氫氣一樣采集暗物質(zhì)并加以利用，飛船就可以接近光速。然而問題在于，暗物質(zhì)之所以“暗”——是因為它對任何電磁力都不發(fā)生作用。物理學(xué)家不知道該如何收集暗物質(zhì)，更不用說拿它來產(chǎn)生火箭推力了。
假如工程師用某種方法克服了這些困難，并建造出一速近光速飛船，那就不僅是半人馬座阿爾法星，整個銀河系都不在話下。根據(jù)1960年代天文學(xué)家 Carl Sagan（卡爾·薩根）的計算，如果可以實現(xiàn)適度的加速——大概相當(dāng)于一輛賽車——并且維持足夠長的時間，就可以逐漸接近光速，穿越銀河系只需幾十年的船上時間。而且，這個加速度會產(chǎn)生一種讓人感到舒適的人造重力。
但是與此同時，地球上卻已經(jīng)過去了幾十萬年。當(dāng)你回來時，這個社會可能已經(jīng)被猿猴占領(lǐng)了。不過從某種角度來說，也許還不錯。引力和時間玩的把戲可以解決電腦跑得太慢這個永恒的問題。假如你要進(jìn)行一次持續(xù)億萬年的計算，那就去遙遠(yuǎn)的恒星探險吧，等你回來時，結(jié)果就已經(jīng)在等著你了。未來的飛船乘員進(jìn)行遠(yuǎn)航的目的也許不是求生、榮耀或征服，而只是想玩?zhèn)€智力游戲。
彎曲時間和空間
如果飛船以光速的十分之一飛行，人類就可以在有生之年移民到最近的恒星，但是穿越銀河系仍需百萬年，而且每個恒星仍然與世隔絕。要構(gòu)建一個銀河系版的地球村，并用飛機和電話把它連接起來，就需飛得比光還快。
與通常的認(rèn)識相反，愛因斯坦的相對論并沒有將這種可能性完全排除。根據(jù)這個理論，空間和時間是有彈性的；我們所察覺的引力實際上是空間和時間的變形。理論上，我們可以把空間彎曲到非常大的程度，從而縮短要穿越的距離，這就像把一塊毯子折疊起來，讓它的兩個面互相靠近一樣。如果可以做到的話，我們就可以在瞬間穿越任何距離。你甚至可能都覺察不到加速，因為飛船內(nèi)部的重力是零。飛船窗外的景色將會十分壯觀。繁星會變色，并朝著飛船運動的軸線靠近。
我們可以把空間彎曲到非常大的程度，從而縮短要穿越的距離，這就像把一塊毯子折疊起來，讓它的兩個面互相靠近一樣。
一定要說這個理念距我們今天的技術(shù)水平有多遠(yuǎn)看起來一點兒也不大氣。曲率驅(qū)動需要一種能夠產(chǎn)生引力推動而非吸引的物質(zhì)。這種物質(zhì)所含的能量值是負(fù)的——如果你有-50千克的質(zhì)量，那還不如“沒有”。物理學(xué)家創(chuàng)造性地想像出了許多能夠產(chǎn)生這種能量的方式，但是他們竟然忘記了一艘飛船所需的負(fù)能量總和會相當(dāng)于好幾顆恒星。而且，這艘飛船將變得無法駕駛，因為控制信號受限于光速，它將無法以足夠快的速度從艦橋傳遞到位于船體邊緣的推進(jìn)系統(tǒng)。（但是飛船內(nèi)部的設(shè)備卻運作良好。）
在談及飛船的時候，最好還是不要糾纏于細(xì)節(jié)。當(dāng)人類真正有能力建造一艘的時候，我們對旅行的觀念可能已經(jīng)變了?！拔覀冃枰阉腥硕妓腿?？”Long 問道?！耙苍S我們只需把胚胎送去，也許在未來，可以把你自己整個兒上傳到電腦里，并在另一邊用類似3D打印的技術(shù)重新制造出來?！苯裉?，飛船還是一個新潮的想法。未來，就可能已經(jīng)是老古董了。
作者 George Musser 是一位物理學(xué)和宇宙學(xué)作家，《命運的量子力學(xué)》一文也是他寫的。
文/George Musser
圖/Chad Hagen
譯/老孫
