恒星際宇宙飛行可能嗎？

沈英甲

美國物理學(xué)家杰拉德·史密斯近十幾年來一直在追尋反物質(zhì)，全神貫注于用磁場把反物質(zhì)“囚禁”于一種特殊容器中。史密斯此舉的目的是利用反物質(zhì)，將它作為燃料用于亞光速宇宙飛船。依靠最新的技術(shù)成果，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)恒星際宇宙飛行是可能的科學(xué)家不只史密斯一人。他們提出了從搭載原子反應(yīng)堆、反物質(zhì)反應(yīng)堆的載人飛船，到利用激光束和粒子束加速到亞光速的探測器等形形色色的方案。

航天飛機(jī)不能實(shí)現(xiàn)恒星際宇宙飛行

如果前往離太陽最近的半人馬座ν星的恒星際宇宙飛行能夠成功，我們就能得到解開宇宙年齡等宇宙之謎的大量線索。但是航天飛機(jī)使用的化學(xué)燃料火箭加速度僅為1.7g，也就是只有地球重力1.7 倍的加速能力。假設(shè)使用航天飛機(jī)的話，必須持續(xù)加速兩個月以上，使其速度達(dá)到0.5倍光速。這樣的話，也得需用10年時間才能到達(dá)距地球4.3 光年之遙的半人馬座ν星。顯然這是不可能的。因?yàn)闉榱顺掷m(xù)加速，航天飛機(jī)得裝載更多的燃料，這使得它的重量之大以至根本離不開發(fā)射臺。不僅如此，在航天飛機(jī)以0.5 倍以上的光速飛往半人馬座ν星的漫長時間內(nèi)，隨著接近光速，一個難關(guān)出現(xiàn)了，這就是“愛因斯坦狹義相對論”指出的速度越快質(zhì)量越大的規(guī)律。當(dāng)速度達(dá)到光速的0.75倍左右時，質(zhì)量將變成原來的1.5 倍；而由于飛行器質(zhì)量的增大，推進(jìn)力即使加大也無法使其加速；因此航天飛機(jī)必須造得盡可能輕些。

在恒星際宇宙飛行的情況下，需要的能量與今天的一般飛行相比簡直是天壤之別。如果要讓載人宇宙飛船以三分之一的光速飛行，就需要相當(dāng)于讓全世界發(fā)電廠工作幾年的能量。如果采用原子反應(yīng)堆，單位質(zhì)量燃料的推進(jìn)力將增大1000萬倍。理論上說，可以期待的辦法是用激光束照射核燃料在燃燒室內(nèi)發(fā)生核聚變反應(yīng)。但是為此就得建造相當(dāng)復(fù)雜的反應(yīng)堆，技術(shù)上是十分困難的?；谏鲜隼碛?，完全使用化學(xué)燃料火箭實(shí)現(xiàn)恒星際宇宙飛行是不可能的。

對反物質(zhì)的期待與現(xiàn)實(shí)

杰拉德·史密斯認(rèn)為，反物質(zhì)能夠帶來解決問題的辦法。反質(zhì)子和正電子一類反物質(zhì)，就存在于物理學(xué)家的身邊。在各種各樣的粒子中，存在著一類除電性相反而具有共同性質(zhì)的反粒子。各種成對的粒子與反粒子一旦相遇，在釋放出ν射線和π中子以及極大能量的同時將同歸于盡。杰拉德·史密斯注意到，當(dāng)成對的粒子與反粒子消失時所釋放的這種極大的能量。理論上講，粒子與反粒子消失時產(chǎn)生的能量是核裂變和核聚變的100 倍。要把一般質(zhì)量為1000千克的宇宙飛船加速到0.1 倍光速，經(jīng)計(jì)算只需9 千克的反物質(zhì)燃料就夠了。不過情況并不這么樂觀。

問題之一是，怎樣才能把反物質(zhì)富集起來。史密斯從事研究的位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心，那里的巨型加速器，10分鐘里雖能產(chǎn)生10億個反質(zhì)子，但它們是以0.1 倍光速(不可思議的高速)飛迸，要捕捉住談何容易。

史密斯在反質(zhì)子的前方設(shè)置了全金屬箔和氣體，以降低它的速度，力圖將其封閉在一個用磁場形成的容器內(nèi)。如果他成功了，10分鐘里就能富集到100 萬個左右的反質(zhì)子。遺憾的是，100 萬個反質(zhì)子若作為火箭燃料則實(shí)在是杯水車薪。而且，這項(xiàng)工作得不斷反復(fù)進(jìn)行;即便如此仍存在兩個難題：

首先，反物質(zhì)是帶電性的粒子，彼此會產(chǎn)生排斥力。反物質(zhì)的密度越高，用來約束反物質(zhì)的磁場強(qiáng)度也就越大這就需要使用能讓磁場強(qiáng)度之大超乎想象的超導(dǎo)材料。于是杰拉德·史密斯想到，讓反質(zhì)子與正電質(zhì)子結(jié)合“制造”反氫原子。由于反氫原子不帶電荷，就不需要形成超強(qiáng)磁場的超導(dǎo)材料了。1996年1 月，德國、意大利、瑞士等國科學(xué)家組成的國際研究小組宣布，他們利用歐洲核子研究中心的加速器，成功地制造出了反氫原子。他們讓反質(zhì)子以高速運(yùn)動，與氙氣碰撞產(chǎn)生電子和正電子。在正電子與反質(zhì)子速度相當(dāng)?shù)那闆r下，就組成了反氫原子。在他們的實(shí)驗(yàn)中，反氫原子約存在了40納秒(1 納秒為十億分之一秒)。

其次是數(shù)量的問題。即使建造高效率、規(guī)模巨大的反物質(zhì)生產(chǎn)廠，要生產(chǎn)1 克反物質(zhì)也需要很長很長的時間。前面提到的國際研究小組在歐洲核子研究中心制造反氫原子，在三個星期的實(shí)驗(yàn)中只制造出9 個。即使有了杰拉德·史密斯提出的10年內(nèi)或許能問世的設(shè)施，每年也只能生產(chǎn)出1 微克反物質(zhì)；而要把9 千克反物質(zhì)的火箭燃料數(shù)目湊齊的話，則需要90億年！

而90億年后，人類打算前往的目的地恒星還存在與否都不好說了?？磥?，只利用反物質(zhì)讓火箭飛行的念頭得放棄了。杰拉德·史密斯于是又提出，能否把反物質(zhì)利用于核裂變和核聚變反應(yīng)呢？這樣就能實(shí)現(xiàn)裝置的小型化，解決火箭便于搭載的難題。其具體想法是：利用反物質(zhì)連續(xù)幾天引發(fā)每秒鐘一次相當(dāng)150 噸TNT 當(dāng)量的小爆炸，如此三年時間就可以把載人宇宙飛船送上冥王星。

用太陽帆不可能實(shí)現(xiàn)太陽系外飛行

杰拉德·史密斯的設(shè)想說到底，都是依靠使用燃料的火箭實(shí)現(xiàn)恒星際宇宙飛行。對他的設(shè)想提出質(zhì)疑的人中有一個人是波普·佛沃德。波普·佛沃德受美國航空航天局的委托，進(jìn)行利用反物質(zhì)可行性的研究。由于反物質(zhì)火箭必須使搭載的反物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，將超高溫能量向火箭后方噴出，因此波普·佛沃德研究后得出結(jié)論：對反物質(zhì)火箭來說，火箭的質(zhì)量和發(fā)動機(jī)的耐熱性是根本問題所在。

1960年，佛沃德第一次提出了撐開巨大的鋁箔制成的帆，利用太陽風(fēng)推進(jìn)飛行──“乘坐”從太陽不斷噴發(fā)出的帶電粒子流，也就是“坐蹭車”的“太陽帆”的構(gòu)想。但是利用太陽帆在恒星際間飛行有重大的缺陷。因離開太陽系后，帶電粒子流會變得稀薄，宇宙飛船將不能繼續(xù)加速。顯然，利用太陽帆前往其他恒星是不可能的。

對激光束寄以厚望

稍后，當(dāng)?shù)弥t寶石產(chǎn)生的激光比太陽光更亮?xí)r，佛沃德又產(chǎn)生了一個新念頭：用激光束鼓起宇宙飛船的光帆以獲得推進(jìn)力。因?yàn)榧す馐鴰缀醪粫l(fā)散，而且可從太陽系中射出，所以能夠?qū)嵭斜匾牟倏v和管理，設(shè)備的更新也有了可能。更重要的是，由于宇宙飛船不必再搭載燃料，因此能造得更輕。而在加速到亞光速的情況下，宇宙飛船的質(zhì)量小是一個非常大的優(yōu)勢。

為把宇宙飛船送至半人馬座ν星，得用激光束加速約一年，才能使其速度達(dá)到光速的三分之一左右。此后，切斷激光束，宇宙飛船轉(zhuǎn)入慣性飛行。在接近半人馬座ν星時，光帆的外圈逐次斷開，形成同心圓狀的三部分。這時，需把光帆的最外側(cè)移至宇宙飛船的前部，同時再次發(fā)射強(qiáng)大的激光束。這樣宇宙飛船后部的光帆便被罩在強(qiáng)光之中，宇宙飛船因此也獲得了制動力。當(dāng)然，來自飛船身后的激光束仍照射在光帆上構(gòu)成推進(jìn)力。由于宇宙飛船外側(cè)的光帆面積是內(nèi)側(cè)兩個光帆面積的9 倍，因此制動力比推進(jìn)力更大。在對半人馬座ν星的探測結(jié)束準(zhǔn)備踏上歸途之際，處在中間的環(huán)狀光帆被取下。此時的光帆仍在反射激光束，使得宇宙飛船獲得與來路相反的推進(jìn)力得以飛返地球。

巨大光帆的設(shè)想現(xiàn)實(shí)嗎？

美中不足的是，雖然具有無須搭載燃料的優(yōu)點(diǎn)，但宇宙飛船僅依靠激光束所獲得的推進(jìn)力實(shí)在小得無濟(jì)于事。于是，上述諸多的優(yōu)點(diǎn)便被這一缺陷抵消了。要真正實(shí)現(xiàn)利用激光束作動力進(jìn)行星際飛行，就必須有非常強(qiáng)的激光束；而且，飛船上的光帆也必須大得超出想象。

佛沃德認(rèn)為，可在水星軌道上利用太陽能設(shè)置約1000臺激光發(fā)射裝置。如果把這些激光束用巨型裝置合為一股，那么不開發(fā)巨型激光發(fā)射裝置也行。不過要獲得必要的推進(jìn)力，理想的激光發(fā)射裝置要比現(xiàn)在利用太陽能的激光發(fā)射裝置強(qiáng)大1000億倍！而且還得在土星附近設(shè)置巨大的透鏡，以糾正激光束的發(fā)散。此外，光帆的直徑也必須達(dá)到1000公里之巨。對此，佛沃德說，若不從大處著眼就會一事無成。

對于佛沃德的雄心壯志，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的數(shù)學(xué)家埃得·貝爾布魯諾說了這么一番話：“即使讓質(zhì)量為1000千克的無人探測器飛行，也需要直徑1000公里的光帆和巨大的透鏡，這不過是異想天開?！?/p>

粒子束對單程飛行有效

貝爾布魯諾強(qiáng)調(diào)，利用激光束的設(shè)想存在難以解決的難題。他更關(guān)心粒子束。重粒子，比如質(zhì)子，它沒有光的速度卻有質(zhì)量。而對于推進(jìn)力而言，有質(zhì)量的質(zhì)子比沒有質(zhì)量的光子更有效。提出“粒子束設(shè)想”的是霍普·薩普林和達(dá)納·安得留。他們認(rèn)為，宇宙飛船的光帆采用超導(dǎo)體制成的巨環(huán)更有效。超導(dǎo)體環(huán)可形成面包圈狀的磁場，粒子束射向磁場就會產(chǎn)生推進(jìn)力。可采用在小行星上設(shè)置的核聚變反應(yīng)堆，超高溫加熱等離子體化的氣體，向一定方向噴射來獲得粒子束。

粒子束的缺點(diǎn)是很容易擴(kuò)散。這是因?yàn)榱Ｗ又g的彼此碰撞。雖然距離增大效率會降低，但仍比激光束更具推進(jìn)力。根據(jù)安得留的計(jì)算，他的“粒子束設(shè)想”只需使用佛沃德構(gòu)想所需能量的六分之一，就能把載人宇宙飛船加速到三分之一的光速。不過，他也遇到了難題──宇宙飛船的乘員必須耐受高達(dá)1000g 的加速度。

在“粒子束設(shè)想”中還有一個重大不足：前往恒星這樣遙遠(yuǎn)的地方，根本不可能傳遞能量，也就是說有去無回。安得留自信地說，雖說是“自殺”，估計(jì)還是會有志愿者的……

余下的難題和形形色色的構(gòu)想

貝爾布魯諾堅(jiān)持認(rèn)為，目前采用粒子束發(fā)送無人探測器是可能的。貝爾布魯諾現(xiàn)正在構(gòu)想針尖大小的探測器。因?yàn)楫?dāng)探測器只有1 克質(zhì)量時，即使以亞光速飛行，質(zhì)量增加也不受影響。但是針尖這么小的東西若丟失不見了怎么辦呢？還能在其上搭載通訊裝置嗎？難題也不少。

此外，也有人提出了利用連接“黑洞”和“白洞”間的通道——“蟲洞”等設(shè)想……形形色色五花八門的方案層出不窮。但就人類目前的科技水平而言，恒星際宇宙飛行是不可能的。這也說明，我們還沒有掌握能實(shí)現(xiàn)這一夢想的具體知識和技術(shù)，人類還得像以往那樣探索相當(dāng)長的時間。

名詞解釋：

1.質(zhì)子 帶正電的基本粒子，和中子一起是原子核的“建筑磚塊”。

2.反物質(zhì) 一種由正電子、反質(zhì)子和反中子構(gòu)成的原子所組成的物質(zhì)。反物質(zhì)的原子由反原子核（反質(zhì)子和反中子的集合體）及核外運(yùn)動的正電子構(gòu)成。

3.光子 光量子或電磁輻射的一種基本粒子，不帶電，但具有能量。

4.量子 是一個單位，某些物理量的數(shù)值被限制為這個單位的整倍數(shù)，例如光子是電磁場的量子。