星際航行，一堂令人沮喪的算術(shù)課

江曉原

一萬年太久，只爭朝夕

幾年前，著名物理學(xué)家霍金就地外文明、外星人等話題發(fā)表了意見，引發(fā)了媒體對此類話題的很大興趣。話題之一，就是關(guān)于人類進(jìn)行星際航行的可能性。

與地外文明話題聯(lián)系在一起的“星際航行”，當(dāng)然不包括在我們自己太陽系中進(jìn)行的星際航行——這種航行人類已經(jīng)能夠進(jìn)行，盡管目前還只能在離地球不太遠(yuǎn)的地方（比如火星）稍轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。由于到目前為止從未發(fā)現(xiàn)我們太陽系之內(nèi)有別的文明，所以與地外文明聯(lián)系在一起的“星際航行”總是指在恒星之間的航行。

要討論這樣的星際航行，我們可以先從非常簡單的算術(shù)開始思考。

通常人們都愿意從離太陽系最近的一顆恒星——半人馬座的比鄰星——開始思考，比鄰星距離我們太陽系4.3光年，也就是說，以光速從地球到比鄰星要運行4.3年。

目前人類實際能夠達(dá)到的最高星際航行速度是多少呢？

從地球上飛出太陽系所需要的“第三宇宙速度”，人類已經(jīng)能夠?qū)嶋H達(dá)到，因為我們相信已經(jīng)有航天器能夠飛出太陽系（到底有沒有飛出，其實很難確證），這個速度是16.7公里/秒。注意這個速度連光速（30萬公里/秒）的萬分之一都不到。當(dāng)然，按照常理，在此基礎(chǔ)上再努力一下，增加一倍左右，達(dá)到30公里/秒，應(yīng)該說還是不太離譜的。

如果我們以30公里/秒（光速的萬分之一）的速度飛向比鄰星，至少需要43000年。

如果我們能夠達(dá)到3000公里/秒（光速的百分之一），飛到比鄰星至少需要430年（這里完全忽略了飛船出發(fā)后加速、到達(dá)前減速之類的過程所需要的附加時間）。但這個速度對人類目前的科技能力來說已經(jīng)是遙不可及了。

其實在不少問題上，四百三十年和四萬三千年是一樣的。比如，這都大大超出了人類的正常壽命，也大大超出了機器的工作壽命（至少到現(xiàn)在為止，人類還沒有機會實際考察任何現(xiàn)代機器設(shè)備能否安然工作四百年，更不用說宇宙飛船這樣極度復(fù)雜的系統(tǒng)了）。

我個人覺得還有一個更大的問題，那就是，任何在地球上的人們有生之年看不到結(jié)果的實驗、考察、探險等活動，雖然在理論上可以進(jìn)行，但實際上人們總會意識到它對自己已經(jīng)毫無意義，所以很難設(shè)想這樣的活動會得到實施。

也許正是考慮到了這一點，英國皇家宇航學(xué)會在20世紀(jì)70年代進(jìn)行的星際航行模擬研究“Daedalus工程”（希臘神話中Daedalus造了翅膀逃出迷宮），設(shè)想的飛行速度是3萬公里/秒（光速的十分之一），這在此后許多關(guān)于星際航行的假想中被視為一個重要“門檻”。之所以考慮采用這個“門檻”，也許和上面提到的心理有關(guān)——如果花四十三年飛到比鄰星，再等4.3年讓無線電報告?zhèn)骰氐厍颍@樣在我們有生之年（半個世紀(jì)內(nèi)）還可以得到探險結(jié)果。

上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見

星際航行是一個美麗的夢想，它既可以在當(dāng)代科學(xué)主義綱領(lǐng)下不顧一切地被追求（現(xiàn)今人類的許多航天活動就是這樣），也可以從古代純粹的人文情懷中得到共鳴——《長恨歌》中那個道士還“排空御氣奔如電，升天人地求之遍”呢。所以，盡管人類目前實際能夠達(dá)到的航行速度只有光速的萬分之一量級，但這并不妨礙科學(xué)家對星際航行展開豐富、系統(tǒng)而且大膽的想象。

這種想象已經(jīng)提出了多種方案，大體可以分為兩條路徑。

一條路徑是接受目前只能“慢速航行”的現(xiàn)實，考慮千百萬年的長期航行。這樣的航行必將面臨一系列難以克服的困難。

首先是燃料從何處提供？目前人類都是采用固體、液體或氣體燃料來驅(qū)動飛船，但是飛船出發(fā)時不可能攜帶43000年的燃料，目前也沒有任何在中途添加燃料的能力。想象中的核動力也難以維持如此之長的年代。其次是機器設(shè)備的工作壽命，迄今為止還沒有一架航天器持續(xù)工作過五十年，四萬三千年誰敢指望？

這還只是考慮無人航天器，如果載人，則宇航員要么“冬眠”，那飛船上的支持系統(tǒng)能工作千萬年而不出差錯嗎？電影《2001太空漫游》中冬眠宇航員因生命維持系統(tǒng)遭電腦切斷而被“謀殺”的命運如何避免？要么在飛船上傳宗接代，那這飛船就要被建設(shè)成一個小型的地球，這就更沒譜了。況且還有近親繁殖問題。

另一條路徑當(dāng)然是從加快航行速度上來著手，只要速度足夠快，就可以消解上一條路徑中的大部分困難。這時“Daedalus工程”中的十分之一光速“門檻”就經(jīng)常會被用到。已設(shè)想的至少有如下幾種重要方案：

核聚變發(fā)動機。這正是“Daedalus工程”本身所設(shè)想的方案，它用的是氫的同位素氘（D）和氦-3（3He）聚變，這樣可以不需用水來冷卻發(fā)動機，但是方案所需的數(shù)千噸氦-3，則只能到木星上去提取。所以這只是史詩般的假想，用來拍科幻電影可以，要實施的話目前人類根本沒有這樣的能力和財力。

反物質(zhì)發(fā)動機。欲將物質(zhì)轉(zhuǎn)換成為能量，目前所知最有效者，莫過于物質(zhì)與“反物質(zhì)”的相遇湮滅，能夠釋放出巨大能量。如果想把一噸重的設(shè)備，在50年內(nèi)送到比鄰星，初步的計算表明，需要1.2公斤反物質(zhì)。但是目前人類的技術(shù)能力，在這方面還差得太遠(yuǎn)。關(guān)于反物質(zhì)發(fā)動機在技術(shù)上離我們有多遠(yuǎn)，只要提到一個事實就夠了：反物質(zhì)不能存放在任何有形容器中（因為任何有形容器都是物質(zhì)，兩者一相遇就要湮滅爆炸），它只能被懸空拘束在一個真空磁場中。在丹·布朗的小說《天使與魔鬼》中，他只敢想象一克的反物質(zhì)。而事實上，以人類現(xiàn)有的科技能力，哪怕只生產(chǎn)一毫克（一克的千分之一）反物質(zhì)，就需要耗盡全世界的能源。

光帆飛船。它很容易在公眾心目中喚起詩意的聯(lián)想，但是真要實施的話，技術(shù)上的困難是駭人聽聞的。飛船的光帆將大到數(shù)十平方公里，厚度則只有16納米（一毫米的十萬分之一多一點）。這樣的帆怎樣張開？更別說還要操縱它了。

何以解憂，唯有蟲洞？

上面這些史詩般的狂想方案中，基本上都沒有考慮人。人類向外太空的探險行動，最先派出無人飛船當(dāng)然可以，但最終總要派人去到彼處才行。而一旦考慮了人的因素，立刻出現(xiàn)兩方面的困難。

首先是生理上的問題。在“Daedalus工程”類型的方案中，要求飛船的巡航速度達(dá)到光速的十分之一，即每秒3萬公里，這必然有一個現(xiàn)今難以想象的加速過程，人體瞬間能夠承受多大的加速度？對某種加速度又能夠持續(xù)承受多長時間？在民航客機起飛和降落時，這么一點點加速度就會使某些乘客不適甚至發(fā)病。宇宙飛船如果急劇加速，說不定剛起飛不久宇航員就七竅流血而死了。

其次是心理上的問題。如果奉派飛往比鄰星，以光速的十分之一巡航，這對宇航員來說意味著什么？四十三年如一日在船艙里，到了比鄰星后，即使能夠順利返回地球，那至少也得八十年以后了——這其實就是終身監(jiān)禁??！世間有幾人能夠承受？

人類星際航行的真正出路，恐怕只能是目前誰也沒見過的蟲洞了。（摘自《科學(xué)外史》）