人類能實現(xiàn)星際旅行嗎？

●孫文德

羅伯特·弗里斯比邁著輕盈的步伐下了坡，向位于加利福尼亞州帕薩迪那的美國航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室院內(nèi)一座大樓走去，他高興地深吸了一口氣。圣加布里埃爾山脈形成一道亮麗的風(fēng)景線，陽光把1月的天空照得暖融融的，如同春天一般。所有這一切，弗里斯比仿佛都沒有注意到。的確，他心不在焉，他的思緒已飄向遙遠(yuǎn)的星際空間，思索著有朝一日如何利用航天器去訪問那些星球。

用你所能想像到的每一種尺度去衡量，星球同星球之間的距離都非常遙遠(yuǎn)，去一趟都需要幾十年，而且要掌握被某些研究人員稱為“奇跡”的先進(jìn)技術(shù)。然而，對于如何征服這“最后的邊疆”，卻不乏合乎情況的設(shè)想。在美國航空航天局下屬的研究中心，在大學(xué)、研究所和公司的一些人，正在為促進(jìn)所需技術(shù)發(fā)展的試驗從事基礎(chǔ)工作。

長期以來到其他星球去旅行一直是科幻小說家的主要課題，今天它卻成為美國航空航天局長遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)的組成部分。美國航空航天局的“起源計劃”規(guī)劃了一系列望遠(yuǎn)鏡，其性能漸次提高，以便拍攝離我們最近的1000顆恒星周圍的類地行星。據(jù)此，美國航空航天局局長丹·戈爾丁要求該局在未來25年內(nèi)進(jìn)行星際飛行。

科學(xué)家們認(rèn)為，雖然這項任務(wù)尚處在萌芽階段，十分艱難，但仍有可能實現(xiàn)。

讓我們以“旅行者1”號為例，先來了解一下宇宙有多大吧。這顆星際探測器是1977年9月5日發(fā)射的，在飛行了20多年后，現(xiàn)在正以約每小時82萬千米的速度在距地球109億千米的太空中穿行。這個距離相當(dāng)于約10光時(1光時是光以每秒30萬千米的速度傳播1小時的距離)遠(yuǎn)。到距地球最近的半人馬座比鄰星也有43光年(約40萬億千米)遠(yuǎn)。據(jù)計算，如果“旅行者”的飛行方向正確，它將用74萬年完成這一旅行。但是，載人星際飛行必須在一個人的壽命期內(nèi)完成。這意味著，一次“緩慢”的飛行最長也不能超過40年，而快速的飛行更理想的期限是10年。

接下來談?wù)剱垡蛩固沟南鄬φ?。一種旨在以高速飛越遙遠(yuǎn)距離的航天器還必須與狹義相對論做斗爭。狹義相對論認(rèn)為，當(dāng)物質(zhì)的速度接近光速時，它的質(zhì)量會增加。如果乘飛行器去半人馬座比鄰星，比如說用10年時間，那么飛行器就必須以接近光速一半的速度飛行。在此速度下，它的質(zhì)量將成為其原來質(zhì)量的15倍。從事此類飛行分析的弗里斯比則換了一種說法：“如果把像‘旅行者這樣重達(dá)1噸的飛行器的速度提高到光速的一半，它所需要的能量將相當(dāng)于今天人類一個月生產(chǎn)的全部能量的總和。即使有可能建造一個足夠大的貯箱，常規(guī)化學(xué)能火箭也不具備完成這項任務(wù)所需的能力或能量密度。”

這就要求增大推進(jìn)速度，并進(jìn)行慣性飛行，以便實現(xiàn)近天體探測飛行。正如“旅行者”在太陽系內(nèi)，對外層行星做過的那樣。但是，如果需要航天器進(jìn)入繞星際目標(biāo)運行的軌道或在其上著陸，那就必須消耗能量以實現(xiàn)減速。弗里斯比說：“那么一來，我們馬上就得把對推進(jìn)系統(tǒng)的要求提高1倍?！?/p>

那么，到底該怎么辦?弗里斯比說：“怎么說的都有，核裂變發(fā)動機不具備足夠的能量。但你不妨關(guān)注一下用在航天器上的核聚變發(fā)動機和反物質(zhì)發(fā)動機。還有一種重要的選擇就是不帶發(fā)動機去航天。例如，利用在環(huán)繞太陽的軌道上運行的太陽能驅(qū)動的激光器就能推進(jìn)裝有薄帆的航天器穿越太空。就我們目前這點兒認(rèn)識水準(zhǔn)而言，哪一種方案都實現(xiàn)不了，而每種方案又都有可能實現(xiàn)。”

如果反物質(zhì)與正常物質(zhì)相接觸，它們就會湮滅，兩種物質(zhì)的質(zhì)量均轉(zhuǎn)化為能量。噴氣推進(jìn)實驗室的斯蒂法妮·利弗說：“我們知道，反物質(zhì)——物質(zhì)反應(yīng)具有最大的能量密度?！边@種反應(yīng)釋放出帶電粒子，用磁性“噴管”可導(dǎo)引這些帶電粒子從航天器的尾部排出，供作推力。帶電粒子運動極快，其速度約為光速的1／3。不過，利弗說：“我們還不知道如何制造供反物質(zhì)發(fā)動機用的足夠大的噴管。制造這種噴管不是完全辦不到，但非常困難?！?/p>

還有另一大難題，一臺純反物質(zhì)發(fā)動機需要上千噸的反物質(zhì)，再加上物質(zhì)，堆起來會有華盛頓紀(jì)念塔那么大。但是，目前在費米實驗室和歐洲核子研究中心這樣的實驗室中，也只制造出了幾毫微克的反物質(zhì)。利弗推測說：“我們也許該在太空建立一座永久性設(shè)施，以獲得這種反物質(zhì)?！?/p>

這種努力可能是有理由的，因為反物質(zhì)可用于醫(yī)學(xué)，比如造像和消除某些癌腫塊等。但隨之又引出另外的問題，反物質(zhì)不能接觸物質(zhì)，所以它很難在用于防止帶電粒子與物質(zhì)容器壁碰撞而湮滅的磁力阱中微量儲存。

賓夕法尼亞州的物理學(xué)家杰拉爾德·史密斯提出一種大量減少反物質(zhì)需求量的途徑。他說：“在我看來，我們將永遠(yuǎn)不會擁有即使是1噸的反物質(zhì)。我們認(rèn)為，可用1微克的反物質(zhì)引發(fā)，而且可以預(yù)見，用現(xiàn)在的技術(shù)能夠做到這一點?！币l(fā)什么?引發(fā)核聚變反應(yīng)。史密斯研究小組正從幾個方面攻克這個問題。首先，用建在賓夕法尼亞州的鞋盒般大小的反物質(zhì)阱中成功地進(jìn)行了試驗。從理論上講，這種阱可容納1億個反質(zhì)子，即帶正電荷的反物質(zhì)粒子。成功的試驗一直激勵著研究人員與馬歇爾空間飛行中心合作，制造一個更大的反物質(zhì)阱，這項工作將于今年夏天完成。史密斯估計，大的阱能夠容納的反質(zhì)子數(shù)可能是小阱的1萬倍。該阱將用專門設(shè)計的用于引發(fā)核聚變反應(yīng)的反物質(zhì)等離子體，使最終的試驗成為可能。

發(fā)生在像太陽一樣的星球核心的核聚變需要極高的壓力和溫度?！暗汀睖睾司圩冊?50萬攝氏度才開始發(fā)生。反物質(zhì)等離子體艙用于產(chǎn)生足以引發(fā)核聚變的高溫。迄今，受控核聚變試驗反應(yīng)都只進(jìn)行幾秒鐘就結(jié)束了。

賓夕法尼亞州所做努力的第三部分是探索發(fā)動機方案。史密斯的愛姆斯發(fā)動機方案提出一種維持核聚變反應(yīng)的方法。該方法是，最初用少量反物質(zhì)與鉛或鈾接觸，引起反物質(zhì)裂變，裂變所釋放的能量幫助驅(qū)使氘與某種形式的氦發(fā)生核聚變反應(yīng)，高溫下形成由帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核組成的等離子體。磁性噴管控制帶電粒子用于推進(jìn)。但是溫度如此之高，難道噴管就不會損壞嗎?史密斯回答說：“我正在解決這個問題。”

史密斯的方案需要克服的另一個難題就是熔化，實際上，一次熔掉的量很少。他說：“我們正在開動腦筋充分發(fā)揮想像力。因為如果有一種技術(shù)能夠讓我們到達(dá)星球，那就是反物質(zhì)。”

一種名叫“巴薩德沖壓發(fā)動機”的核聚變法是個根本不用裝很多燃料，卻能解決載重問題的方案。該方案需要一個巨大的帶有磁場的“戽斗”，用它來從星際空間撈取它所需的燃料。當(dāng)然，這個戽斗比在地球上曾制出的任何設(shè)備都大得多——其直徑約為從地球至月球間距離的1／3，其強度是今天實驗室所能達(dá)到的數(shù)百倍。在噴氣推進(jìn)實驗室工作的利弗是這樣描述該系統(tǒng)的：“用它采集燃料，將其壓縮，加熱并從后部排出，而不使航天器的速度慢下來。但是如何做到這些，我們還一點也不知道。”

弗里斯比說，太陽帆可能比反物質(zhì)或核聚變更有前途?！疤柗赡苁亲罹o湊和最清潔的發(fā)展計劃的第一步?！边@個想法是休斯公司一位退休物理學(xué)家羅伯特·福沃德在幾十年前提出的。

按福沃德的基本設(shè)想，激光束可以“推動”太陽帆。光的粒子叫光子，光子具有動量，光子的動量可傳給太陽帆。據(jù)此想法，需要有個非常大的發(fā)射器透鏡。若想行駛45光年的路程，就要有一個直徑達(dá)幾萬米的帆，要能產(chǎn)生幾千兆瓦的功率。采用多級飛行，可以使帆在到達(dá)目標(biāo)后減速。

噴氣推進(jìn)實驗室的物理學(xué)家享利·哈瑞斯是太陽帆的另一位支持者。他說：“一次長時間的飛行需要大量的能量。但如果能從太陽獲得能量，那就不成問題了。”在2001年春天呈送給航空航天局的一份報告中，他的研究小組概述了利用太陽帆進(jìn)行多功能飛行的情況。制造許多激光器并布放在環(huán)繞太陽的軌道上，將其相位鎖定，以便產(chǎn)生強激光束。該激光束交替用于推動航天器和拍攝目標(biāo)星球系。激光束還可用于移動繞地球軌道的太空渡船，為地球提供動力，甚至可以摧毀有威脅的彗星和小行星。哈瑞斯說：“用于星際旅行的主要手段并不僅僅是為了旅行?！?/p>

盡管軍用天基激光器的研究為距離遙遠(yuǎn)的裝置實現(xiàn)精確瞄準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)，但太陽帆的激光束要求還必須精確許多倍。控制也是一個問題。為減輕重量，太陽帆只能有幾個原子的厚度。此外，現(xiàn)在的光子推進(jìn)裝置模型還需要經(jīng)過試驗證實。所以，哈瑞斯要求今年對這種很薄的太陽帆材料進(jìn)行試驗。

得克薩斯州奧斯汀高能研究所的哈羅德·普索福等一些研究人員，對推進(jìn)問題還有另一種想法，是基于量子物理學(xué)的預(yù)測提出來的。量子物理學(xué)認(rèn)為，空蕩蕩的空間含有巨大的剩余背景能量，我們稱之為“零點能”。在這個真空中，只有很少的粒子飛來飛去，有可能導(dǎo)致慣量。此理論認(rèn)為，研究控制慣量的能力，可幫助解決星際飛行問題。至于如何去做，仍是一個未解決的難題。

雖然實現(xiàn)這種奇異技術(shù)還需數(shù)十年，但美國航空航天局仍在從事近期所能做的星際科學(xué)研究。今年3月，一科學(xué)家小組在噴氣推進(jìn)實驗室開會，研討穿越太陽系日光層(1200千米～2000千米高度的大氣層)的飛行方案。來自太陽的帶電粒子流(稱為太陽風(fēng))正是在日光層被星際介質(zhì)所淹沒。該小組更希望在未來10年內(nèi)進(jìn)行這次飛行。

這樣的一次飛行將做些什么呢?科學(xué)家小組主席、加州理工學(xué)院的理查德·梅瓦爾特說：“進(jìn)行大量的科學(xué)研究?！彼讶展鈱用枥L成一個直徑為400億千米的氣泡。他說：“想要直接了解星際介質(zhì)的性質(zhì)，必須沖破這個氣泡?！庇幸环N設(shè)備可探測低能量的宇宙射線。這些射線不能穿過日光層，但對天文學(xué)家了解銀河系動力學(xué)卻非常重要。

通過對太陽系及其外圍的星際空間的構(gòu)成進(jìn)行比較，可為了解銀河系的演變提供線索。天文學(xué)家也將歡迎觀測凱珀帶，那里可能有100個從幾十到幾百千米大小不等的小星體，其中許多是通過夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡觀測到的。更遠(yuǎn)的是奧爾特云(距離太陽75萬～15萬天文單位的彗星云)，可能是哈雷彗星一類長周期彗星的發(fā)源地。另一次飛行可能將一臺望遠(yuǎn)鏡放置在日光層外，通過與在地球上進(jìn)行的測量做比較，以便更精確地測量星球的位置。

物理學(xué)家杰拉爾德·史密斯說：“美國航空航天局最終要去這些星球，并沒有什么理由，這是必然。很顯然，美國航空航天局將來要去太陽系的邊緣及其以外的太空，無論是太陽帆、反物質(zhì)還是核聚變，這些技術(shù)都得研究。我們依然可以大談特談星際大戰(zhàn)等許許多多想干的事，但若造不出發(fā)動機來，這一切都將成為僅供消遣的東西?！?/p>