飛向恒星

迄今為止，地球仍是我們所知宇宙間唯一有智能生物存在的星球。但是，自地球上出現(xiàn)人類(lèi)以來(lái)，世界人口已經(jīng)超過(guò)60億。人類(lèi)人口的迅速增長(zhǎng)，促使人類(lèi)向地球索取更大的資源。但是，地球的資源并不是取之不盡，用之不竭的。為了保護(hù)地球的生態(tài)環(huán)境，幾代科學(xué)家都在設(shè)想開(kāi)發(fā)其他星球，并去那里旅行甚至向那里移民。

但是，這些設(shè)想可行嗎?這樣的設(shè)想在將來(lái)的某一天會(huì)成為現(xiàn)實(shí)嗎?物理法則怎樣才能準(zhǔn)許我們橫跨恒星之間巨大的距離呢?

在這篇文章中，一位科學(xué)家將描述一些新奇的有關(guān)推進(jìn)器的概念，利用它們可以在恒星之間用相對(duì)較短的時(shí)間進(jìn)行星際旅行。現(xiàn)在，就讓我們簡(jiǎn)單地考慮一下為什么我們可能到其他恒星旅行?

物理學(xué)上的問(wèn)題

最近的幾年中，天文學(xué)家在我們的銀河系中發(fā)現(xiàn)了200余顆圍繞恒星運(yùn)行的行星。在那些地方是不是有智能生物存在呢?然而，要證明圍繞其他恒星旋轉(zhuǎn)的．行星上是否有生命存在談何容易，更不用說(shuō)了解它們的生物學(xué)和演化史的詳細(xì)內(nèi)容，除非我們能夠拜訪(fǎng)那些行星，直接觀(guān)察它們。的確，人類(lèi)的整個(gè)行星探索歷史告訴我們，我們需要宇宙飛船來(lái)研究行星，這對(duì)于其他行星體系也同樣適用。

但是，我們能利用可預(yù)知的技術(shù)飛向遙遠(yuǎn)的恒星嗎?或許能。現(xiàn)在我們來(lái)闡述利用核聚變能量和物質(zhì)與反物質(zhì)相互湮滅時(shí)發(fā)生的質(zhì)能轉(zhuǎn)換來(lái)推動(dòng)的火箭推進(jìn)器到達(dá)恒星的可行性。

星際飛船

到目前為止，世界上已經(jīng)有四艘人造宇宙飛船在駛向恒星的途中，它們是：“先鋒1”號(hào)、“先鋒2”號(hào)、“旅行者1”號(hào)和“旅行者2”號(hào)。然而，除了太陽(yáng)外，距我們最近的恒星半人馬座a星，距我們4.2光年，以這些飛行器現(xiàn)在的速度(大約每秒10千米)，它們到達(dá)該恒星至少得花120000年時(shí)間。

如果我們想要在幾十年的時(shí)間里到達(dá)離我們最近的恒星，就要以至少10％或20％的光速行進(jìn)，這需要一種比“先鋒”號(hào)和“旅行者”號(hào)的化學(xué)燃料推進(jìn)器力量大得多的推進(jìn)系統(tǒng)。

核燃料火箭

目前，最新星際飛船的設(shè)計(jì)研究就采用了核燃料。20世紀(jì)70年代晚期英國(guó)星際學(xué)會(huì)進(jìn)行“代達(dá)羅斯”計(jì)劃就是利用這種技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一艘自動(dòng)飛船，能夠?qū)o(wú)人駕駛的450噸的科學(xué)載荷加速到光速的12％。若以這種速度行進(jìn)的話(huà)，到達(dá)半人馬座a星只需花36年時(shí)間。

在該項(xiàng)設(shè)計(jì)中，推進(jìn)器是以氫的兩種同位素之間的聚變反應(yīng)為基礎(chǔ)的。將含有氘和氚的球丸灌入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并將它們加熱、壓縮到出現(xiàn)聚變反應(yīng)所需的高溫和密度。這時(shí)產(chǎn)生的離子氣體云由磁場(chǎng)導(dǎo)向，用來(lái)產(chǎn)生推力。這一設(shè)計(jì)分為兩級(jí)，每一級(jí)將燃燒2年，之后450噸的載重將以12％的光速自由飛行。

然而，為了獲得上述速度。需要50000噸的氫同位素。要全部裝上這些燃料，我們的飛行器至少得200米長(zhǎng)才行。

“代達(dá)羅斯”計(jì)劃想象中的飛行器將在太空中建造。如此做法有兩個(gè)原因：第一，該飛行器過(guò)于龐大，在地球的引力范圍內(nèi)難以發(fā)射；第二，氮3是一種稀有的同位素，它必須從木星富含氦3的大氣層中獲得。

另一個(gè)與核能火箭相關(guān)的主要問(wèn)題是：它們能否在其目的地停下來(lái)。如果利用50000噸的燃料將速度增加到12％的光速，那么就需要同樣大的能量才能使它停下來(lái)。這就是說(shuō)，要使450噸的科學(xué)載荷完成這樣的任務(wù)，必須得有100000噸的有效載荷才能達(dá)到。似乎，這是一條完全不切合實(shí)際的道路。

因此，“代達(dá)羅斯”計(jì)劃將只會(huì)是一次不能減速的在目標(biāo)恒星系統(tǒng)邊緣飛行的計(jì)劃，而且就這樣的相遇也只有幾個(gè)小時(shí)。為了擴(kuò)大在這一時(shí)間內(nèi)所要收集的信息數(shù)量，“代達(dá)羅斯”計(jì)劃將配置許多附屬探測(cè)器，盡可能多地接近各個(gè)行星。然而，盡管這種相遇能進(jìn)行饒有趣味的觀(guān)測(cè)，但還是不能對(duì)星球進(jìn)行詳細(xì)、全面的觀(guān)測(cè)。要進(jìn)行這樣一種觀(guān)測(cè)，就必須在其他恒星的行星上著陸，這就需要比核聚變更強(qiáng)大的能源。

反物質(zhì)火箭

核聚變能將少量的聚變核的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量。然而，原則上，需要一個(gè)能將質(zhì)量100％地轉(zhuǎn)化為能的物理過(guò)程，這就是通常所說(shuō)的物質(zhì)與反物質(zhì)的相互湮滅原理。所有亞原子粒子都有其對(duì)應(yīng)的粒子，當(dāng)它們相撞時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)化成能量。現(xiàn)在，大多數(shù)反物質(zhì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)假設(shè)，少量反物質(zhì)將會(huì)與更多的正常物質(zhì)混合，它能通過(guò)火箭噴嘴釋放和膨脹的能量產(chǎn)生推進(jìn)力。

需用多少燃料

現(xiàn)在，我們來(lái)考慮一下這個(gè)過(guò)程需要多少反物質(zhì)。我們把飛船所需的動(dòng)能與反物質(zhì)湮滅時(shí)釋放出來(lái)的能量等同起來(lái)，假設(shè)飛船的速度與光速不是很近，根據(jù)相對(duì)論，理論上我們就能估計(jì)出推動(dòng)每1000千克的重量所需反物質(zhì)的質(zhì)量應(yīng)該是2.5千克。然而事實(shí)并不這么簡(jiǎn)單，還要考慮到飛船完成任務(wù)必須攜帶的各項(xiàng)工具，反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率及發(fā)動(dòng)機(jī)本身的質(zhì)量。

我們必須承認(rèn)這個(gè)事實(shí)，截至目前還沒(méi)有人知道反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)到底會(huì)有多大!因此，要想獲得10％的光速，所需的反物質(zhì)有可能是理論值的幾倍甚至幾十倍。

獲得燃料

然而，反物質(zhì)燃料的獲得有兩大問(wèn)題。首先反物質(zhì)很難儲(chǔ)存，盡管從理論上講，磁場(chǎng)中可能包含有它，但如何避免它在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中需要之前與普通物質(zhì)接觸是個(gè)棘手的問(wèn)題。其次，任何反物質(zhì)在自然界中一旦出現(xiàn)就會(huì)馬上和物質(zhì)對(duì)滅。因此如果我們要利用反物質(zhì)，首先就要制造它。

一般說(shuō)來(lái)，反物質(zhì)可以在核物理實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生出來(lái)，但這只是少量。反物質(zhì)的生產(chǎn)效率極低——生產(chǎn)所需的能量要比我們從反物質(zhì)的最終湮滅中獲得的能量大1000萬(wàn)倍。這就需要我們建立一個(gè)專(zhuān)用的反物質(zhì)工廠(chǎng)。

然而。假定我們需要制造10千克的反物質(zhì)，那么所要消耗掉的能量是多少呢?9×10²J。這一巨大的能量相當(dāng)于目前全世界發(fā)電總?cè)萘康?00倍。因而，唯一一種可能產(chǎn)生這么大能量的能源就是太陽(yáng)，所以我們必須正視未來(lái)在太空中建立反物質(zhì)工廠(chǎng)的可能性。但即使是這樣也有很大難度，因?yàn)檫@需要在地球與太陽(yáng)之間建造500平方千米的太陽(yáng)能板才能產(chǎn)生足夠的能量。

展望未來(lái)

盡管生產(chǎn)反物質(zhì)既耗資巨大又技術(shù)難度大，但是，反物質(zhì)作為一種火箭燃料的長(zhǎng)處，就在于它的能源密度，而且只需要相對(duì)低的燃料重量。這是一個(gè)特別需要考慮的問(wèn)題，要知道，“代達(dá)羅斯”計(jì)劃就是因?yàn)槿剂现亓窟^(guò)于龐大而無(wú)法實(shí)現(xiàn)著陸的。然而，從理論上講，有了反物質(zhì)就有了把幾噸重的科學(xué)儀器加速到10％的光速，從而行進(jìn)到目標(biāo)恒星系統(tǒng)并將這些儀器釋放下來(lái)的可能性。其需要的總?cè)剂现亓坎坏?000噸，其中2噸是反物質(zhì)。

很顯然，從科學(xué)探索的觀(guān)點(diǎn)來(lái)考慮，這樣的做法是很有利的。現(xiàn)在，把反物質(zhì)作為燃料的巨大技術(shù)難點(diǎn)催生的許多替代推進(jìn)器已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，讓我們期待其中的一些推進(jìn)器在不久的將來(lái)得以應(yīng)用。