星際漂流指南

太空中存在著神秘的通道，在這些通道里飛船可以不用燃料，緩慢地漂流到遙遠的外星。

科幻迷熱衷于看到類似《星際迷航:新生代》中飛船駕駛員查看星際線路圖的場景。這樣的場景確實可能會出現，因為連接不同星球的星際公路確實存在。

美國弗吉尼亞理工學院的謝恩#8226;羅斯(Shane Ross)教授和他的研究生正致力于找出在木星衛星系統中的“引力走廊”。這些“走廊”由行星與衛星間復雜的引力相互影響而形成，它們對飛船的作用，類似地球上的洋流對船只的作用。假如能按羅斯教授的設想，繪出一張 “引力走廊地圖”，指導飛船搭上一趟太空洋流的順風車，這無疑能夠大大地節省星際旅行所需要的能源。

這里歡迎自由下落

科幻作家菲利普#8226;迪克(Philip K. Dick)在小說里描繪了這樣一幅景象:莫里斯在漫長煎熬的一天工作之后，拖著疲倦的身軀返回地球。木衛三到地球的星際通道上盡是些滿臉疲憊的商人，這趟旅程要花上個兩小時。

只需要兩小時就能往來木星和地球間的星際公路，可能還只是科幻作家筆下的想象。但對“星際通道”這個話題，謝恩#8226;羅斯教授可是個權威，因為“引力走廊”就能充當這個角色。

羅斯教授不想把“引力走廊”的發現歸結為具體某個人的功勞，“這個概念是應用數學家和太空工程師們在研究天文動力學和三體問題(見本期辭典)的過程中逐漸形成的?！彼诨貜汀缎轮汀酚浾卟稍L時介紹道。

“引力走廊”這個概念，實際描繪了太陽系中天體間運動所耗費能源最少的通道，它們蜿蜒曲折，可以為飛行其中的物體提供較低的速度。

在“引力走廊”里，飛船實際上是不停地“往下掉”的。“它是太陽系里一種特別的‘自由落體’通道?！敝x恩#8226;羅斯教授解釋說，“在地球上的近地面處，自由落體的路徑都是指向地面的直線的集合(例如像從高處落下的石頭)。但想象一下，我們要去離地球更遠一點的地方扔一塊石頭，如果這個地方遠得甚至離月球比離地球還近，對地球人來說，你會看到這塊‘自由落體’的石頭在往月亮上飛。如果剛好是一個很特殊的地方，這里地球和月球的引力恰好平衡，那么，你松手的時候，石頭甚至會懸停在半空?！?/p>

他所說的這些點就是天文學中的“拉格朗日點”(見本期辭典)。法國數學家拉格朗日于1772年推導證明， 在每個由兩大天體構成的系統中有5個拉格朗日點。在這些拉格朗日點上，一個天體的引力會被另一個天體所平衡，但其中只有兩個點是穩定的。

尋找出穩定的拉格朗日點并不代表萬事大吉，謝恩#8226;羅斯教授認為，拉格朗日點周圍的真實景象非常復雜。有些自由落體路徑靠近“拉格朗日點”，飛船可能環繞著它們旋轉，即使那里根本就不存在質量;有些理論上能夠通向繞日軌道的路徑，飛船卻可能剛好在某個點突然停止前進，甚至自動折回。

“我們可以這樣想像，每個物體都有一股能量來自太陽、所有的行星和衛星的潛在引力，這股能量，在缺乏外部動力例如火箭的情況下，決定了物體向什么地方運動。如果這股能量高于拉格朗日點所能平衡的能量，那么一個‘瓶頸’就被貫通了，這個物體就可以從拉格朗日點的一邊‘散出’到另外一邊。符合這種運動的路徑集合就是引力走廊。”謝恩#8226;羅斯教授這樣解釋引力走廊的動力來源。

誰說這是高速公路?

羅斯沒有條件像美國西部的拓荒者一樣，親自到行星周邊去測量公路的走向。所以羅斯和他的同事只能在自己的手提電腦上，利用他們開發的計算編碼，進行復雜的驗算。

除了羅斯，全球還有許多研究者正在從事計算這些引力走廊的工作。這些計算大部分依賴牛頓的萬有引力公式進行。因為潛在的自由落體軌道有無限多條，所以在計算的時候必須足夠聰明，要不就永遠得不出結果。

科學家使用的聰明方法就是運用動力系統理論的一部分—“混沌理論”(見本期辭典)?！斑@種方法要求我們首先計算重要的動態對象，像平衡點和周期軌道以及其他特殊軌道的集合。我們計算這些動態對象和所有接近或者遠離它們的軌道的集合?！敝x恩#8226;羅斯教授說道。

這些計算方法對于一般人來說顯然過于深奧，NASA噴射推進實驗室的數學家羅聞宇(Martin Lo)干脆在2002年與同事們開發了一個軟件，通過這個軟件可以很快計算出宇宙飛船利用引力走廊的飛行路線。

NASA繪制“引力走廊”地圖的熱情可以理解，這關系到他們的錢袋。

在太陽系中，飛往地內行星(金星、水星)的飛行器由于受到太陽引力作用而獲得加速，最終速度遠高于目標行星的軌道運行速度，所以飛行器需要進入環繞該內行星的軌道，就必須通過某種機制為飛行器降速;同樣，前往地外行星(火星等)的飛行器必須通過某種機制來加速。

而現在，使用火箭助推是為飛行器加減速的重要方法之一。但是火箭助推需要燃料，越多的燃料讓飛船重量和體積變得越大，發射和續航成本也變得更高，看來不是個好方法。

“彈弓效應”(見本期辭典)是現在構想比較成熟的一種太空飛行的加減速方法，它的原理跟“引力走廊”類似，也是利用飛船與行星、衛星之間的萬有引力，使圍繞行星飛行的飛船與行星的衛星交換軌道能量，像彈弓一樣把飛船拋向一個更大的運行軌道。

不過這種方法存在一定危險，如果計算錯誤，飛船就有可能淪為行星的衛星。而且，這種方法仍然存在加速和減速問題，需要消耗燃料。

謝恩#8226;羅斯教授認為，飛船利用引力走廊可以做得更好。飛船進入引力走廊后就像進入了“引力特區”，不需要過多考慮速度問題，它可以用相對慢的速度造訪行星和衛星，而不需擔心被這些天體的引力場所捕獲。當然，更主要的是，由于引力走廊基本上不產生加速和減速問題，它不需要消耗燃料。

在NASA的羅聞宇那里，他的軟件已經給大眾展現了一個星際公路網絡存在的可能。不僅如此，他還給我們指出了進入這個星際公路網的換車道——太陽和地球之間的兩個拉格朗日點，在這兩個點之間的“暈環軌道”(Halo orbits)實際上是連接整個太陽系的動力通道網絡的入口。

但是這個免費的星際交通網也并非完美?！爸饕膯栴}在于運用引力走廊從一個地方到另外一個地方需要消耗很長的時間，記得我說過它提供緩慢的相遇速度。本質上，我們讓引力和慣性來完成所有的工作，因此我們可以節省下燃料，代價則是需要許多的時間?！?/p>

謝恩#8226;羅斯教授說道，“穿行在自然連接地球和太陽的引力走廊需要花費上百甚至上千年的飛行時間。即使我們借助一些推進力可以把這個時間縮減到幾十年，但這對于一次載人任務來說還是太多?！?/p>

目前只有一項美國太空任務曾利用這種方式，即“起源”號飛船任務?！捌鹪础碧栍?004年發射，任務是捕獲太陽風粒子并將其帶回地球。沿引力通道飛行讓許這個探測器所攜帶的燃料減少了10倍。

飄浮的月球旅館

雖然作為太空洋流，引力走廊所提供的動力速度十分有限，但不用悲觀。如今地球上行駛最快的輪船依靠的也并非是海洋洋流提供的速度，隨著人類飛船推進技術的發展，如等離子火箭等的應用，引力走廊總有成為“星際高速公路”的一天。

在真正使用它之前，科學家更多的工作集中在不斷增進對它的了解上。他們現在可以計算出每個三體系統的引力走廊。在一個行星和它圍繞的太陽組成的這個結構里，只受這兩個天體影響而產生的引力走廊是固定的。

但是隨著更多的天體被納入考慮范圍，情況也隨之變得更復雜，因此計算繪制太陽系的引力走廊地圖是件非常復雜的任務，尋找地球與火星間一條免費引力管道可能需要數千年時間。

謝恩#8226;羅斯教授認為，以人類目前的科技能力，利用引力走廊讓飛船在衛星間飛行將特別有用，“利用地球和月亮間的引力走廊，有可能在可預料的未來就成為現實?！?/p>

羅聞宇早在2002年就提出，人類可在地月之間的拉格朗日點位置設置太空站，讓大家前往旅游，飛一趟不過3#12316;5天。謝恩#8226;羅斯教授覺得這是個好主意，而且在拉格朗日點設置太空站，不僅可以當作觀光的旅館，還可以作為未來飛往月球或更遠地方的交通樞紐。