科學狂想曲:人類如何才能進行星際旅行,星際旅行的五大步驟
飛船
作者: 宇宙小百科
2020-08-11 07:56:09
[ 聞蜂導讀 ] 星際旅行狂想曲 本文所說的星際旅行并非是指太陽系各行星之間的旅行,而是到太陽系以外的行星(即非太陽的其他恒星的行星)上旅行。為什么要進行星際旅行呢?這是討論太空旅行時必須涉及的一個問題。理由之一或許是:我們所在的行星——地球的資源終將耗盡。 另一個理由是:既然太陽系以外也有行星,或許還有生命存在,那么我們有什么理由不去看看呢?人類自古以

星際旅行狂想曲

本文所說的星際旅行并非是指太陽系各行星之間的旅行,而是到太陽系以外的行星(即非太陽的其他恒星的行星)上旅行。為什么要進行星際旅行呢?這是討論太空旅行時必須涉及的一個問題。理由之一或許是:我們所在的行星——地球的資源終將耗盡。

另一個理由是:既然太陽系以外也有行星,或許還有生命存在,那么我們有什么理由不去看看呢?人類自古以來一直充滿好奇心,科幻作品長久不衰就是一個明證。

為了前往其他的恒星-行星系統,我們必須克服種種大障礙:科學的、社會的和經濟的。美國宇航局和美國國防部研發機構迄今已向科幻色彩濃烈的“百年星艦”項目撥款50萬美元,該項目的終極目的是在100年內實現星際旅行。盡管這個目標看來過于樂觀,但也反映了科學家對星際旅行充滿渴望。2011年10月,美國舉行了“‘百年星艦’研討會”,到會者包括著名天文學家和科幻作家。這次研討會的目的是辨識星際旅行所面臨的難題和可能的解決辦法。

星際旅行的確令人望而生畏。如果把地球與月球之間的距離假定為20米,那么地球與太陽之外的最近一顆恒星——半人馬座阿爾法星之間的距離,就是地球與月球之間的實際距離——38.44萬千米。

經過幾千年時間,人類從每小時4千米的“溜達”速度提高到了在“阿波羅號”登月飛船上的速度——每小時40000千米。但是,要想在幾十年之內到達半人馬座阿爾法星的話,“阿波羅號”飛船的速度得再提高10000倍,也就是接近光速。事實上,為了實現星際旅行,我們不只需要飛得更快,而且需要更迅速地實現飛得更快。

盡管面臨這一切看似不可戰勝的難關,但科學家相信去太陽系以外的行星旅行有朝一日一定能夠實現。下面,我們就來看看星際旅行的五大步驟。

步驟一 建造星際飛船

對于星際旅行來說,今天的火箭所能達到的速度簡直就是蝸牛速度。星際飛船需要強大的新的推進方式。

熱核火箭

飛船必須有燃料才有推進力,飛船速度的增加取決于燃料的呈級數增加。如果要達到排氣噴管氣體速度的3倍,所需燃料就是火箭其余部分重量(所謂“干重”)的20倍。說實話,氫和氧的化學燃燒實在是太慢了。

使用裂變反應芯的熱核火箭能讓大型載人飛船在太陽系內旅行,前提是飛船能采集、利用其他地方例如氣態巨行星的資源(氫是氣態巨行星大氣層的主要組分之一)。早在冷戰時期,蘇聯和美國就開始研發熱核火箭。事實上,要想盡快實現太陽系各行星之間的載人旅行,熱核火箭是最佳運載工具。

然而,要想實現星際旅行,則需要驅動太陽的那種核反應——聚變。1978年,英國一項名為“代達羅斯”(代達羅斯是古代建筑師和雕刻家,曾為克里特國王建造迷宮)的星艦概念項目提議,利用“惰性聚變”驅動火箭。

也就是:用激光從各個方向壓縮氫同位素小丸,直到壓縮成很小的體積;壓力增大到足以產生氫核熔合反應,釋放能量,熱質從排氣噴管以超高速噴出。

利用熱核火箭能把我們送往附近的恒星,但飛行時間仍需幾百年,更何況首先得在地球上實現核聚變,而這一點至今也未能做到。

更長遠地看,我們可能要發展出物質-反物質火箭。當反物質與常態物質反應時,它們會互相湮滅,產生的能量是聚變反應的300倍。但問題是,我們迄今未能研發出制造大量反物質的技術。

曲速引擎

在美國著名科幻片《星際迷航》中,曲速引擎帶領人類在星系內超光速穿梭。超光速旅行真有可能嗎?根據愛因斯坦的廣義相對論,如果擁有負質量,超光速就并非不可能。有了負質量,就能扭曲時-空形狀,從而允許在極其遙遠的位置之間的運輸。

擁有負質量的東西(包括物體和空間)的行為極為怪異,可以使引力場不復存在或者不會對物體或空間造成影響。雖然我們都沒見過擁有負質量的東西,但量子力學允許這樣的東西存在。理論物理學界對負質量是否可用于星際旅行一直存有爭議,原因是扭曲時空所需要的能量大得實在令人難以置信,遠遠超過從一顆恒星上所能得到的能量。

如果能夠捕捉到足夠的能量,就能扭曲一塊時-空區域,創造“曲速泡”或稱“時空泡”。這個“泡泡”的大小只容得下一艘星際飛船?!芭菖荨鼻胺降臅r-空將被壓縮,背后的時-空將膨脹,由此推進飛船前進??墒?,能量從哪里來?能量又怎樣產生?

科學家過去估計,創造一個“曲速泡”所需的能量,相當于一個星系的質量(愛因斯坦向我們證明了質量和能量可以互換,而質量和能量都能塑造時-空)?,F在,科學家相信,也許木星的質量就足夠了。但即便這樣,我們也仍有很長的路要走。請注意:哪怕最大的氫彈,也只能把幾千克的物質轉變為能量。

在“曲速泡”的規模上扭曲時-空并非21世紀的科學技術所能做到的,甚至就連進行這方面的實際試驗都很遙遠——這個理念至今仍停留于理論。至少從目前來看,像《星際迷航》中那樣的由雙鋰晶體驅動的曲速引擎仍然停留在電影道具階段。

射速能量帆

早在1610年,在注意到彗星尾巴被吹離太陽方向之后,德國科學家開普勒就提出了用帆推動飛船的設想。今天,真的有了由太陽帆驅動的飛行器,例如由太陽輻射加速的星際風箏-飛行器。不過,使用這樣的飛行器,哪怕就是到達距離地球最近的非太陽恒星,也要花幾千年時間。有可能真正實現星際飛行的是一種21世紀的飛船,即射速能量帆,簡稱帆飛船。這一理念就是利用電磁波傳輸能量穿越太空的能力,在超遠距離產生力量。射束的來源——投射器再加一部天線,把強力激光或微波投射到一面超大帆上。帆發射激光束或微波束,獲得動量“推動”飛船。這樣的飛船出現在好萊塢科幻大片《星球大戰》的第二集中。投射器的樣子頗像人造衛星的接收天線碟,只不過要大很多很多倍。

帆飛船最昂貴的部分是投射器。它將利用開采自月球或小行星的材料在太空中建造,定位在靠近太陽的地方,以強烈的太陽能為動力源。射束能量的最大優勢就是把沉重的投射器丟在后面,而光帆攜帶著乘員和荷載被驅離到很遠的地方。接著,投射器可重新用于未來的任務。就像19世紀的鐵路,一旦鋪就鐵軌,列車本身的費用就小多了。

帆飛船的物理學原理已被證明,但如何建造超巨型的投射器和太空帆是大問題。投射器的寬度可能達數千米,太空帆的長度可能達幾百千米。經濟學研究表明它們效率太低而費用極大,但科學家仍在探尋射速能量帆是否有朝一日可能適用。

步驟二 深空導航

選擇路線并不難,難在尋找參考位置和克服星際風險。

目標恒星已經選定,但浩瀚太空,我們怎樣才能知道我們的飛船在什么位置呢?為了確定星際飛船的位置,可以利用三角測量法來測定飛船與已知的幾顆恒星之間的角度,或者定位多顆脈沖星。脈沖星是旋轉的中子星,它們以短到幾千分之一秒的時間間隔發出規則的強烈微波脈沖。星際飛船的速度可通過計量脈沖頻率來確定。隨著飛船移動,飛船速度將需要運用多普勒頻移來進行調整。

還有,星球之間的空間并不空曠,星際塵埃也是個大問題。雖然單粒塵埃的直徑可能只有幾百萬分之一米,但一艘穿行距離為10光年的星際飛船的每平方毫米面積得忍受1000次撞擊。在前往半人馬座阿爾法星的旅途中,飛船將緩慢卻又持續地遭遇星際塵埃的撞擊(或稱侵蝕),船體將被撞破。

避免這種侵蝕的一種途徑,是在飛船前方幾米處設置一面金屬箔板。來襲的塵埃微粒穿越箔板,穿出時已經離子化(作為帶電電子或離子),然后擊中一面靜電屏蔽盾——某種“力場”,或許是一個充電網格。這面“盾牌”將保護它后面的所有飛船部件。只需幾千伏特就能讓電子轉向,而要讓離子轉向則需要100萬伏特。

對真空的深空而言,產生這樣一面靜電屏蔽盾并不是問題。因此,剩下的風險就是較大的微粒。這樣的微粒雖然很罕見,但我們不知道它們究竟有多罕見,是否會構成威脅。不過,來自飛船的離子化激光脈沖在雷達導向之下應該能阻止它們。

深空旅行 自己導航

科學家最近宣布,到達生命盡頭的恒星或許有助于飛船進行深空旅行時的導航。

目前進行深空旅行的飛船,依賴與地球上的地面站網絡進行通訊,這種通訊對于確保任務的成功來說十分重要。飛船在浩瀚太空中飛行,其導航只能等待來自地球的指令,別無其他選擇。

不過,科學家最近研發了一種運用一類特殊的恒星來為深空飛船導航的新技術。這類恒星死亡時大多會留下非常致密的殘骸——中子星。后者有極強的磁場,能把中子星的輻射聚焦成兩股具有高度方向性的x射線柱。這時的中子星被稱為脈沖星??茖W家認為,基于來自脈沖星的有規律的x射線,可以研發新技術來為深空飛船導航,其原理有些類似于使用全球定位衛星(GPS)為地面導航。

目前,科學家正在深入研發把脈沖星作為太空中的GPS的技術。

飛船運用自己搭載的射線探測器,就能測量從脈沖星接收到的脈沖時間,從而確定飛船的位置和運動。如果這項技術可行,飛船就能自我導航,從而可以同時展開多項深空飛行任務,而這在目前是行不通的。與此同時,相比于地面的太空導航,這種導航方法還能打破瓶頸、節省成本。

步驟三 讓旅途安全又愉快

除了維持生命支持系統和社交互動之外,星際飛船上的人們還需要生孩子和處于“延生復蘇”狀態。

失重狀態會導致宇航員每月失去1%~2%的骨頭重量。

如果沒有骨頭重量和肌肉緊張度(肌張力),宇航員在抵達外星后將無法走路。解決辦法是通過離心力創造人工引力,具體來說,就是讓飛船每分鐘自轉一圈。為此,可能需要整艘飛船自轉,也可能只需要飛船的一部分轉動。

對星際旅行的機組成員來說,生存必需的空氣、食物和水決定著所需的飛船內空間,這意味著私人生活空間比較狹窄。美國宇航局已經認識到宇航員能忍受多長時間的小空間——電話亭大小的空間為1天,而棺材大小的空間僅1小時。國際空間站10年的運作經驗表明,從長期來看,每位宇航員在太空所需的空間至少為100立方米。

有兩種途徑來維持星際飛船內的棲居環境:一種是閉合的再循環生態系統,其中每一樣東西都自行種植或內部處理;另一種則是為旅途攜帶一切所需物資。

然而,閉合的再循環生態系統有可能失敗,長途旅行所需的物資根本無法全部由飛船搭載。因此,最佳方式或許是把兩者合二為一:空氣和水可以再循環,就像在國際空間站上那樣;新鮮蔬菜和水果則可以在飛船上的水栽農場區生產,冷凍和脫水食品可作為后備支援。然而,至今沒有任何閉合的生態系統在地球上成功運作過。生態系統中有許多子系統,要想在飛船上相對狹小的空間內建造一個完整的生態系統,我們目前的能力還不能及。

除了生存方面的挑戰外,還有“囚禁”于狹小空間、伙伴數量有限和社交缺乏帶來的心理問題。為了對付這些問題,一些科學家建議星際旅行機組人員保持忙碌,保持穩定的日夜作息規律,時刻注意自己的健康情況——這一切顯然都相當缺乏新奇性。而在載人星際飛船上,機組成員應該男女都有,尤其是當需要進行星際移民時更是如此。這又意味著:星際飛船上是否應該有孩子出生?這有什么好處或不好?

一種有助于時光平穩度過的方式——“延生復蘇”,好萊塢科幻片《異形》中對此有所展現:通過降溫讓宇航員的新陳代謝減緩,到達目的地之后再“復蘇”。目前,科學家正致力于找到通過減緩代謝速度為等待治療外傷的患者贏得時間的辦法?!把由鷱吞K”不僅可以減少物資需求,而且可以消除心理問題。如果真能實現“延生復蘇”,無疑將大大促進星際旅行的盡早實現。

步驟四 登陸外星

為登陸做好充分準備,然后建立外星營地,甚至對外星實施地球化改造。

在星際飛船搭載人類飛往目標行星的過程中,飛船沿途可能要拋射小型探測器到其他一些行星的軌道中,這些行星與目標行星同在一個恒星-行星系統里。通過研究來自行星大氣層的光線的光譜,我們就能找出有趣的化合物例如水和甲烷。如果我們發現失去均衡的化學反應,就可能意味著行星上有生命。

如果真的存在外星生態環境,那么我們就會面臨來自那里的危險,而且我們也會把危險帶到那里。在地球上,當來自舊世界(東半球,指歐、亞、非三洲)的疾病在500年前被引入新世界(指西半球或南、北美洲及其附近島嶼)時,新世界遭遇重創;與此同時,新世界的惡疾也傳到了舊世界。在著名科幻小說《多個世界之間的大戰》中,火星入侵者被地球上的普通感冒消滅。這并非沒有道理——外星人可能對地球上的病原體毫無抵抗力,

因為它們從未面對過這些病原體,不可能演化出防御能力;而地球人一旦到了有生命的外星,也完全有可能面臨同樣的毀滅。所以,在登陸太陽系以外行星的初期階段,應該先由機器人宇航員查明有關情況,然后再由穿著防護服的人類宇航員實施登陸。當然,一些危機可能相當微妙,要等很長一段時間才會浮現出來。

地球人在面對截然不同的生態方面,沒有絲毫的經驗可言。因此,地球人前往定居的外星上最好沒有任何生命存在。如果外星環境條件與地球類似,那么地球移民可以把地球生物(包括動植物和微生物)引入到外星上去。這就要求外星至少應該位于“可居住帶”以內。也就是說,這里與母恒星的距離既不太遠也不太近,既不太冷也不太熱,這樣的行星表面才可能有液態水存在。

當然,要想支持來自地球的生物存活,外星不僅要有液態水,還得有可供呼吸的大氣層。我們甚至還可以在外星上重建地球生命的演化過程,并且從引入微生物開始進行。為了在很熱、很冷,或者在化學上很危險的外星環境中繁衍生息,我們可能需要把能忍受極端條件的微生物引入到外星上以制造二氧化碳。隨著外星環境改善,植物也被引入到外星上進行光合作用,把二氧化碳轉變為氧。

這一切的結果就是外星環境的地球化改造。在一部好萊塢科幻大片《新外星人》中,

一家公司參與在外星上“建立更好的世界”,外星的地球化改造只花了幾十年時間就完成了。而事實上,這種改造需要耗費的時間長得多——至少要好幾百年。不過,一旦完成對外星的地球化改造,這顆外星就會真的像是第二個地球。

步驟五 首次接觸外星人

如果遇到的是一個先進的外星文明,我們應該怎么辦?

在影視劇《星際迷航》

中,有現成的一套指南來約束地球人和外星人之間的接觸。例如,該指南說,一個先進的人種不應該干預外星文明的發展。一旦一個人種變得足夠先進而能夠進行星際旅行,與外星人的首次接觸就應該遵循“具體問題具體分析”的原則。

迄今仍無任何官方協議來界定這個問題:如果找到了外星文明,地球人應該怎樣應對?不過,要是我們真的和外星人首度相遇,這與地球上不同文化之間的首度相遇可能不會有本質上的不同。從好的方面說,一個例子是美洲土著“斯坎多”教會了歐洲移民怎樣抓鰻魚、種玉米。從壞的方面說,當英國的庫克船長登陸新西蘭時,

毛利族人用他們的戰舞歡迎他,卻被英國人誤解為威脅之舉,于是他們向毛利族人開火而不是伸出橄欖枝(伸出橄欖枝是毛利族人的傳統)。

外星人的樣子可能像蜘蛛或者蛇,我們可能會對它們退避三舍。它們也可能像鳥或魚,但是智慧強得多。所以,我們最好不要帶著偏見去見它們。我們帶給它們的任何禮物都必須事先經過仔細消毒,而它們可能甚至不了解送禮的概念??傊?,一切情況都不能事先假定。

用來界定與外星文明接觸原則的首份協議的重要目標之一,就是避免生發敵意。如果我們面臨的是很難避免的徹底的外星文化,我們進入它們的地盤將很可能被視為入侵或危險。而我們穿著防護服以避免交叉污染,卻可能被它們看作是對它們的害怕。

有一點我們可以假定:外星人也會對我們感到好奇,正如我們對它們感到好奇一樣。我們在它們眼中是什么樣子?我們是否會被它們當成威脅?我們將在外星上怎樣生活?它們將從我們身上學到什么?如此種種有趣的問題,都只有等到我們真的定居外星或遭遇外星文明那一天才會有答案。而對這些問題的好奇心,不正是促使我們竭力實現星際旅行的動力的一部分嗎?

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