跨越光年，飛向開普勒-452b？

顧新書

開普勒-452b是至今為止人們發(fā)現(xiàn)的最接近地球的星球，有可能擁有大氣層和流動(dòng)的水，但送人類到那里的太空旅行，其難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)“難于上青天”，特別是高昂的費(fèi)用正阻礙著太空旅行的商業(yè)進(jìn)程和科研進(jìn)程，讓人們望太空而興嘆。

除了經(jīng)費(fèi)問(wèn)題外，新的載人航天器發(fā)射方式需要解決的另一個(gè)重要問(wèn)題是：太空中雖然沒有發(fā)射時(shí)的逃逸速度這樣一個(gè)硬指標(biāo)，但它的廣闊對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的要求更高。

傳統(tǒng)的化學(xué)火箭可能需要用大約7萬(wàn)年的時(shí)間才能到達(dá)最近的恒星，比如，于1977年發(fā)射的兩架“旅行者”號(hào)宇宙飛船就是在把物體送入深層太空方面創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。目前，它們已經(jīng)飛出了170億公里的距離，但這僅僅是到恒星距離的很小一部分。

為了增加星際飛船的速度，科學(xué)家殫精竭慮，提出了一些充滿創(chuàng)意的設(shè)計(jì)方案和推進(jìn)系統(tǒng)。

太陽(yáng)帆的原理是：盡管光沒有質(zhì)量，但是它有動(dòng)量，因此可以施加壓力。來(lái)自太陽(yáng)的光壓非常小，小到用手都無(wú)法感覺到，但是，如果有足夠大的帆，我們又有足夠的時(shí)間等待，它就能驅(qū)動(dòng)星際飛船。要知道，太空中的太陽(yáng)光強(qiáng)度是地球上太陽(yáng)光的8倍。

想象一個(gè)巨大的太陽(yáng)帆，它由極薄的但有彈性的塑料制成，寬度達(dá)數(shù)公里，直接在外層空間修建。一旦組裝起來(lái)，它會(huì)慢慢地圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，獲得越來(lái)越多的動(dòng)量。繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)幾年之后，它就旋轉(zhuǎn)脫離太陽(yáng)系，到達(dá)下一個(gè)恒星系?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，這樣一個(gè)太陽(yáng)帆能使飛船的速度達(dá)到光速的0.1%（每秒300公里），在400年后就能到達(dá)最近的恒星。

為了縮短抵達(dá)恒星的必要時(shí)間，我們甚至可以給太陽(yáng)帆增加推進(jìn)器。一種可能性是在月球上放置一組大型激光裝置。激光束射到帆上，在帆朝著恒星飛行時(shí)增加帆的動(dòng)量。

由太陽(yáng)帆驅(qū)動(dòng)的宇宙飛船，面臨的一個(gè)問(wèn)題是很難停止和轉(zhuǎn)向，因?yàn)楣馐菑奶?yáng)向外運(yùn)動(dòng)的。一種可能性是使太陽(yáng)帆的飛行方向倒過(guò)來(lái)，利用目標(biāo)恒星的光壓讓飛船減速。另一種可能性是圍繞遠(yuǎn)距離恒星飛行，利用該恒星的引力在返回途中產(chǎn)生彈弓效應(yīng)。還有一種可能性是在衛(wèi)星上降落，建造激光電池，然后背對(duì)恒星光和衛(wèi)星激光束飛行。但無(wú)論哪一種，都會(huì)使它的控制顯得笨拙而遲鈍。

但這并不是一個(gè)空想。2010年，日本太空開發(fā)署成功發(fā)射了“伊卡洛斯”號(hào)太陽(yáng)帆，這是利用太陽(yáng)帆技術(shù)在星際空間發(fā)射的第一艘宇宙飛船，該帆呈正方形，對(duì)角線長(zhǎng)約20米，利用太陽(yáng)帆推進(jìn)系統(tǒng)向金星飛行。日本人希望，最終能夠利用太陽(yáng)帆推進(jìn)系統(tǒng)向木星發(fā)射另一艘飛船。

和許多科幻作品一樣，科學(xué)家也考慮過(guò)用核能驅(qū)動(dòng)星際飛船。只是在上世紀(jì)五六十年代的一系列試驗(yàn)中，有關(guān)核火箭的構(gòu)思基本都以失敗而告終，因?yàn)樗鼈兲环€(wěn)定，太復(fù)雜，以至于無(wú)法處理。而且，普通的聚變反應(yīng)堆不能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)星際飛船的能量。一座典型的核電廠的發(fā)電量約為10億瓦，這樣的能量不足以抵達(dá)恒星。

有科學(xué)家因此提議采用原子彈和氫彈而非反應(yīng)堆為星際飛船提供動(dòng)力。比如大名鼎鼎的“獵戶座計(jì)劃”提出的火箭是由原子彈爆炸所產(chǎn)生的一連串核沖擊波推進(jìn)的。星際飛船可以從其后面丟下許多原子彈，產(chǎn)生一系列強(qiáng)大的X射線沖擊波，然后沖擊波會(huì)推動(dòng)星際飛船向前飛行。這是一個(gè)一舉兩得的計(jì)劃，既可以幫助人類探索外太空，又可以借機(jī)消耗掉地球上那些危險(xiǎn)的武器。有物理學(xué)家估計(jì)，一艘重達(dá)800萬(wàn)噸的飛船開展一次太陽(yáng)系內(nèi)的航行，大約需要1000顆氫彈提供動(dòng)力，這是個(gè)相當(dāng)劃算的數(shù)字。

只是后來(lái)出臺(tái)的《全面禁止核試驗(yàn)條約》扼殺了“獵戶座計(jì)劃”，該條約禁止實(shí)行核武器的地面實(shí)驗(yàn)。沒有了實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家無(wú)法對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，于是只能黯然終止。

美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·巴薩德提出了另一個(gè)核火箭建議，他把聚變發(fā)動(dòng)機(jī)想象成類似普通的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，沖壓噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)吸取前面的空氣，然后與燃料進(jìn)行內(nèi)部混合。點(diǎn)燃空氣和燃料混合物后，沖壓噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)爆炸，形成推力。他設(shè)想著把相同的基本原理應(yīng)用于聚變發(fā)動(dòng)機(jī)上。

沖壓噴氣式聚變發(fā)動(dòng)機(jī)不吸取空氣，而吸取星際空間到處可見的氫氣。氫氣被電場(chǎng)和磁場(chǎng)擠壓、加熱，直到氫氣融合成氦，這個(gè)過(guò)程釋放大量的能量，引發(fā)爆炸，然后產(chǎn)生推力。由于外太空在理論上存在取之不盡的氫氣，因此，我們可以想象得到，沖壓噴氣式聚變發(fā)動(dòng)機(jī)能夠永久運(yùn)行。

只是，沖壓噴氣式聚變發(fā)動(dòng)機(jī)還面臨著一些問(wèn)題。比如，由于質(zhì)子主要存在于星際太空中，所以聚變發(fā)動(dòng)機(jī)必須燃燒純氫氣，產(chǎn)生的能量也會(huì)隨之削弱不少。要知道，融合氫氣的方法很多。在地球上，最好的方法是融合可以產(chǎn)生大量能量的氘和氚。可是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)外太空中的氫是單個(gè)質(zhì)子，因此，沖壓噴氣式聚變發(fā)動(dòng)機(jī)只能用質(zhì)子融合質(zhì)子，其產(chǎn)生的能量不如融合氘和氚所產(chǎn)生的能量多。

而更重要的問(wèn)題是制動(dòng)和轉(zhuǎn)向。當(dāng)沖壓噴氣式聚變發(fā)動(dòng)機(jī)一路加速時(shí)，它必須受到足夠強(qiáng)大的拖曳力，以防其加速至接近光速。這個(gè)拖曳力是由星際飛船在經(jīng)過(guò)氫原子場(chǎng)時(shí)所遇到的阻力形成的。目前，在我們更好地掌握聚變過(guò)程以及太空離子的牽制效應(yīng)之前，沖壓噴氣式聚變發(fā)動(dòng)機(jī)仍然沒有定論。不過(guò)，如果能解決這些工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，或許它的問(wèn)世指日可待。

另一個(gè)可能性是利用宇宙中最強(qiáng)大的能源——反物質(zhì)為飛船提供動(dòng)力。反物質(zhì)即物質(zhì)的對(duì)立面，帶有反電荷。反物質(zhì)與普通物質(zhì)接觸后就會(huì)毀滅，據(jù)測(cè)算，一茶匙反物質(zhì)所具有的能量足以摧毀整個(gè)紐約市區(qū)。

原則上，反物質(zhì)可以用作星際飛船火箭的理想燃料?？茖W(xué)家估計(jì)，4毫克反物質(zhì)可以把人類送上火星，100克反物質(zhì)或許就足夠把人類送上最近的恒星。在相同重量條件下，反物質(zhì)釋放的能量是火箭燃料的10億倍。這樣一看，反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)似乎很簡(jiǎn)單：我們只要把一些反物質(zhì)粒子穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)胤湃牖鸺紵?，反物質(zhì)與普通物質(zhì)結(jié)合，就會(huì)發(fā)生巨大的爆炸；然后，爆炸氣體從燃燒室一端噴出，形成推力。

但實(shí)際上，我們的夢(mèng)想還很遙遠(yuǎn)。到目前為止，物理學(xué)家已經(jīng)能夠制造反電子、反質(zhì)子和反氫原子，其中反電子圍繞反質(zhì)子旋轉(zhuǎn)?？墒?，資金問(wèn)題再次站到了我們面前。已知唯一的生產(chǎn)大量穩(wěn)定反物質(zhì)的方法是利用類似于粒子加速器的原子擊破器，這些設(shè)備極其昂貴，而且只能生產(chǎn)小量的反物質(zhì)。比如，2004年，歐洲核子研究組織的原子擊破器以2000萬(wàn)美元的代價(jià)僅生產(chǎn)出了幾萬(wàn)億分之一克的反物質(zhì)。按照這樣的速度，要生產(chǎn)出為星際飛船提供動(dòng)力的反物質(zhì)?？赡芤谋M地球的全部資金。

另一種可能性是在外層太空中尋找一顆反物質(zhì)隕星，從而為星際飛船提供足夠的能量。如果能在太空找到大量反物質(zhì)，那么我們就能設(shè)想采用大型電磁網(wǎng)收集反物質(zhì)，用來(lái)做我們探索更遠(yuǎn)地區(qū)的燃料。

提起星際飛船，我們會(huì)直觀地想到一個(gè)充滿了最新高科技的、巨大的、酷炫的飛行器形象。可是在科幻小說(shuō)《三體》中，維德的那句“只送大腦”卻為我們指出了另外一條道路：也許，我們并不需要在飛船上搭載那么多東西，自然也不需要做出那么大的飛船。

一種可能性是利用納米技術(shù)制造一艘小型星際飛船，它也許不比一個(gè)針頭大，甚至更小。理論上，星際飛船的基本功能是有可能被納米技術(shù)小型化的，這樣，我們就可以把數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的微型納米飛船送上附近的行星，不過(guò)只有其中的一小部分能真正抵達(dá)恒星。—旦它們到達(dá)附近的恒星，它們就會(huì)建造一個(gè)工廠，無(wú)限制地自我復(fù)制。

有科學(xué)家認(rèn)為，在探索方面，小型納米飛船并不比專業(yè)宇航員遜色。小而強(qiáng)大的納米級(jí)設(shè)備運(yùn)輸簡(jiǎn)便，很容易被送到與我們相鄰的恒星和衛(wèi)星大氣層的表面或表面之下，以至進(jìn)入大氣層……我們甚至可以推斷出進(jìn)行星際探索的可能性。

納米飛船的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，只要非常少的燃料就能把它們送入太空。以令人難以置信的速度把微型物體送入太空相對(duì)容易，不需要使用大型助推火箭就能達(dá)到足夠的逃逸速度。實(shí)際上，利用普通的電場(chǎng)就能很容易地以接近光速的速度發(fā)射亞原子粒子。

100年后，可能我們已經(jīng)把宇航員送上火星和小行星帶，也完成了對(duì)木星衛(wèi)星的探測(cè)，開始把探測(cè)器送到其他恒星系中。距離真正意義上的恒星級(jí)星際航行，又大大邁進(jìn)了一步。但不管是你還是我，在那時(shí)或許都已經(jīng)不存在了，至于離開地球，太空移民，那更是遙遙無(wú)期。

我們現(xiàn)在談?wù)撔请H探索，似乎只是談?wù)撝粋€(gè)夢(mèng)，一個(gè)讓我們跳出現(xiàn)實(shí)生活，看得更遠(yuǎn)的夢(mèng)，但就像NASA發(fā)言人在回答記者提問(wèn)時(shí)所說(shuō)的：“在發(fā)現(xiàn)了地球的孿生星球后，我們想到的第一步總是找到答案，看看我們是否孤單。雖然我們也許不可能去這些行星旅行，但我們的后代子孫會(huì)去。”

所以，也許好奇與期待，才是科學(xué)賦予我們的最美好的人生意義！（來(lái)源：蝌蚪五線譜 責(zé)任編輯/余風(fēng)）