星際旅行談何容易

陳育和

我們的這個(gè)銀河系包含約10的11次方（1011）顆恒星。那么現(xiàn)實(shí)生活中能實(shí)現(xiàn)去別的恒星旅行嗎？

為什么計(jì)劃星際旅行？

一些理由是具有科學(xué)性的。在最近的幾年中，天文學(xué)家在我們的銀河系中發(fā)現(xiàn)了200多個(gè)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？上述行星的發(fā)現(xiàn)重新又引起了人們對(duì)“普通生物如何能在宇宙中生存”這個(gè)問(wèn)題的興趣。然而，要證明其他圍繞別的恒星旋轉(zhuǎn)的行星上是否有生命存在談何容易。了解它們的生物學(xué)和演化史的詳細(xì)內(nèi)容也是不可能的，除非我們有一天能夠拜訪那些行星，直接觀察它們。

先鋒號(hào)和旅行者號(hào)星際飛船

到目前為止，世界上已經(jīng)有4艘人造宇宙飛船行駛在探索其他恒星的途中，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)，它們發(fā)射于20均世紀(jì)70年代，原用于研究我們的太陽(yáng)系的外層行星?，F(xiàn)在它們卻直指其他恒星。然而，除了太陽(yáng)外，離我們最近的恒星———人馬座a星，距離是4.2光年，以這些飛行器現(xiàn)在的速度（大約每秒10公里），它們到達(dá)該恒星也得花12萬(wàn)年時(shí)間，并且它們要按直線行進(jìn)。

如果我們想要在幾十年間到達(dá)離我們最近的恒星，就要以10%或20%的光速行進(jìn)，因此這就需要設(shè)計(jì)一種比先鋒號(hào)和旅行者號(hào)的化學(xué)燃料推進(jìn)器力量要大得多的推進(jìn)器系統(tǒng)。

核燃料火箭

核燃料是顯然可行的，而且到目前星際飛船設(shè)計(jì)最先進(jìn)細(xì)的研究就采用了這種方法。這就要提到20世紀(jì)70年代末期英國(guó)星際學(xué)會(huì)進(jìn)行的以希臘神話人物代達(dá)羅斯命名的計(jì)劃。其目的就是要利用高新技術(shù)，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，到人馬座a星只需花36年時(shí)間。該推進(jìn)器則是以氫的兩個(gè)同位素氘和氚之間的聚變反應(yīng)為基礎(chǔ)。

在該項(xiàng)設(shè)計(jì)中，將含有氫同位素氘和氚的球丸灌入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它們被一個(gè)直線的能量射線所截取，將它們加熱并壓縮到出現(xiàn)聚變反應(yīng)所需的高溫和密度。所產(chǎn)生的離子氣體云，由磁場(chǎng)所導(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)將燃燒兩年，之后450噸的載重將以光速12%的速度自由飛行。

然而，為了獲得上述速度，則必須要有50000噸的核同位素。擁有這些燃料，我們的飛行器就必須有200米長(zhǎng)才行，而且必須要包括一只超大的燃料箱，用來(lái)裝核燃料球芯塊。

有趣的是，自從“代達(dá)羅斯研究計(jì)劃”實(shí)施以來(lái)，美國(guó)已經(jīng)投入了數(shù)十億美元建設(shè)了位于加州的點(diǎn)火設(shè)施。從這些研究中得到直接應(yīng)用于“代達(dá)羅斯飛行計(jì)劃”的核聚變推進(jìn)器的設(shè)施。

“代達(dá)羅斯飛行研究計(jì)劃”想象的飛行器將在太空中建造。如此建造有以下幾個(gè)原因。第一，該飛行器過(guò)于龐大，在地球的引力下難以發(fā)射，而且在大氣層中給核能火箭點(diǎn)火是極為不可靠的。第二，氦-3（He）是一種稀有的同位素，它必須從木星的富含氦-3的大氣層中獲得。這樣做顯而易見是這個(gè)計(jì)劃的目的所在。

另一個(gè)與核能火箭相關(guān)的主要問(wèn)題就是，不能隨意地停下來(lái)。載重5萬(wàn)噸燃料將速度增加到光速的12%，那么就需要同樣大的能量才能停下來(lái)。這就是說(shuō)，在第一級(jí)時(shí)加速到12%光速的“有效載荷”，就不會(huì)是450噸的科學(xué)有效載荷，而是要增加50000噸有效載荷才能使飛船減速。發(fā)射這種火箭需要數(shù)百萬(wàn)噸的核燃料，這是完全不切合實(shí)際的。

因此，“代達(dá)羅斯飛行研究計(jì)劃”將只會(huì)是一次不能減速地在目標(biāo)恒星邊緣飛行，而且這樣的效果也只有幾個(gè)小時(shí)。為了擴(kuò)大在這一時(shí)間收集的信息數(shù)量，“代達(dá)羅斯飛行研究計(jì)劃”將配置許多的附屬探測(cè)器，盡可能多地接近各個(gè)行星。

反物質(zhì)火箭

核聚變將少量的聚變核的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量。然而，原理上，需要一個(gè)能將質(zhì)量百分百地轉(zhuǎn)化為能的物理過(guò)程，也就是說(shuō)物質(zhì)與反物質(zhì)的相互湮滅原理。所有亞原子粒子（反電子和反質(zhì)子）與它們的“正?！被锇閹У南喾吹碾姾?。這些粒子和反粒子都擁有通常的“正”質(zhì)量，如果它們相撞，就會(huì)轉(zhuǎn)化成能量。大多數(shù)反物質(zhì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)（嚴(yán)格地講是假想的）假設(shè)，少量反物質(zhì)將會(huì)與更大量的正常物質(zhì)（一種反應(yīng)液體）混合。它能通過(guò)火箭噴嘴釋放膨脹的能量產(chǎn)生推進(jìn)力。

獲得燃料

反物質(zhì)燃料有兩大問(wèn)題。首先反物質(zhì)很難儲(chǔ)存，盡管從理論上講，磁場(chǎng)中可能包含它，避免它與普通物質(zhì)接觸直至需要為止。其次，任何反物質(zhì)在自然界出現(xiàn)（例如宇宙射線）并非單一的粒子可以馬上和物質(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)，但僅僅是少量的反粒子。反物質(zhì)的生產(chǎn)效率極低———所需產(chǎn)生的能量要比我們從反物質(zhì)的最終湮滅所獲得的能量大1000萬(wàn)倍。這就需要我們建立一個(gè)專用的反物質(zhì)工廠。

現(xiàn)在，讓我們假設(shè)這種反物質(zhì)工廠每天0.0001的效率生產(chǎn)。而我們每年投資制造10公斤的反物質(zhì)需要多少能量呢？相當(dāng)于目前全世界發(fā)電總?cè)萘康?00倍。顯然實(shí)現(xiàn)這一愿望還要到遙遠(yuǎn)的將來(lái)。