太空中加速并不簡單

劉一手

太空是浩瀚而空洞的——各大行星、恒星相距甚遠，星體間的空氣中空無一物，近乎真空。而且太空中引力較弱，物體都是呈漂浮狀。貌似只要輕輕一推，物體就能很容易地飛跑起來，再加上沒有空氣阻力，在太空中高速運動似乎并不難。但現(xiàn)實并不是如此，于是有人提出了疑問：人類的飛行器為什么不能輕易地在太空中加速，實現(xiàn)光速飛行？本文將從幾個方面去解釋這個問題。

傳統(tǒng)火箭推進完全做不到！

我們所想象的“輕輕一推”就能將太空中的物體推飛其實是一個錯誤的印象。根據(jù)牛頓第二定律F=ma，一個一定質(zhì)量的物體，要使其獲得很高的加速度，必須給這個物體很大的外力，在太空中這個定律也成立。這就說明，雖然物體在太空上是懸浮的，但是要想使它快速地運動起來，也沒有那么容易，因為巨大的推力也不是隨隨便便就能獲得的。

目前唯一能幫助人類突破地球引力的束縛而進入太空的工具是火箭。飛行器之所以能飛行，其原理是尾部火箭燃燒噴出氣體，從而使自身獲得反沖力。要想獲得持續(xù)的加速度，必須要有足夠的火箭燃料。但靠增加燃料載荷來提升最終速度的話，燃料質(zhì)量的增速遠大于最終飛行器速度的增速。因為火箭是分級推進的，很多燃料被用于火箭自身的加速了。舉個例子，假設(shè)飛行器后面安裝了100根火箭。最后一根火箭用于前面所有火箭（此時是99根）和飛行器本身的加速。最后一根火箭脫落后，倒數(shù)第二根火箭面臨同樣的問題，以此類推。所以，火箭本身的質(zhì)量是非常沉重的負擔。

所以，增大火箭質(zhì)量的效果不佳。舉個例子便可說明這一點——假設(shè)飛行器的質(zhì)量為m飛，燃料的質(zhì)量（即所有火箭的總質(zhì)量）為m燃，以尾氣噴出速度2600米/秒的典型化學火箭為例：當m燃/m飛=1時，即燃料和飛行器的質(zhì)量一樣重，最終能將飛行器加速到1802米/秒;但當m燃/m飛=100，即燃料的質(zhì)量為飛行器的100倍，飛行器最終能被加速到12000米/秒?？梢?，即使火箭的質(zhì)量增大了100倍，往往只能帶來幾倍的速度提升，這個性價比是非常低的。

有專家通過計算表明：假設(shè)飛行器的速度僅1克，要將這1克的飛行器加速到光速的0.2倍，所需要的化學燃料的質(zhì)量遠遠大于目前所能觀測到的宇宙的質(zhì)量。而且，即使人類可以造出特別巨大的火箭，建造可供火箭發(fā)射的基礎(chǔ)設(shè)施的工程量也相當大。

“代達羅斯”計劃

傳統(tǒng)燃料不可行，那么使用核燃料呢？核反應(yīng)分為核裂變和核聚變。一些像鈾、釷和钚等質(zhì)量非常大的原子，它們的原子核在吸收一個中子以后分裂成兩個或幾個質(zhì)量較小的原子核，同時放出2～3個中子和巨大能量，這就是核裂變。核聚變則是輕原子核（例如氘和氚）結(jié)合成較重原子核（例如氦）且放出巨大能量的過程。

核反應(yīng)的威力可比傳統(tǒng)化學燃料燃燒大多了，可以為飛行器提供巨大的反沖力。那么，使用哪一種核反應(yīng)方式好呢？從材料來源上看，鈾、釷和钚在自然界的含量很少，而氘和氚的含量很多，達到10萬億噸。從環(huán)保上看，核裂變會產(chǎn)生很多核廢料，造成很大的環(huán)境污染。而通過很好的控制，可以使得核聚變做到基本無輻射。

于是，2 0世紀70年代中期，英國科學家提出了“代達羅斯”計劃——以核聚變火箭為推進方式，將飛行器加速到近光速，幾十年就可以探測到鄰近恒星。該計劃預(yù)備建造一艘長達190米的宇宙飛船，飛船的總質(zhì)量為5. 4萬噸，其中火箭的重量是5萬噸，有效負載質(zhì)量為450噸。該火箭為二級火箭，故加速過程被分為了兩個階段。第一階段將持續(xù)2. 2年，由第一級火箭負責加速，使航天器達到光速的7.1%。第二階段將持續(xù)1.8年，由第二級火箭負責加速，最終使航天器達到光速的12%。然后關(guān)閉發(fā)動機，進行4 6年的巡航?？偣?0年后，飛行器就可以到達離我們最近的恒星之一——距離地球約6光年的巴納德星。

且不說5萬噸的核燃料如何取得，5萬噸的核動力火箭本身制造難度就相當大了。人類目前制造的最重的火箭是“土星5號”運載火箭，也不過才2900噸。現(xiàn)在談“代達羅斯”計劃，無異于“ 紙上談兵”，還不具備可行性。

當然，人類可不會停止想象，更新穎的光帆和引力彈弓的加速方式被提了出來。

光帆和引力彈弓

風帆承受風吹，進而驅(qū)動帆船前進。所以對于風帆來說，風是帆的動力。顧名思義，光帆則是一種以光為動力的帆。為什么光能當作動力呢？光由光子構(gòu)成，光子雖然沒有靜態(tài)質(zhì)量，但是光子有動量，它們以光速快速飛行。當光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從墻上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，并給撞擊物體以相應(yīng)的作用力。

專家表示，使用光帆技術(shù)，將1克的物體加速到光速的20%，也需要相當于400多噸TNT炸藥的能量。這也就意味著，二戰(zhàn)時美軍向日本長崎投下的“胖子”原子彈，其能量最多也就只能將50克的物體加速到光速的20%?？梢?，耗能是光帆技術(shù)的問題之一。光帆技術(shù)還面臨另一個問題——人類是利用在地球上發(fā)射的激光給光帆提供光子，所以光帆的面積必須足夠的大，才能有效地接收到光子。此外，光帆的質(zhì)量也要盡可能的小，這意味著光帆要做得很薄。有人經(jīng)過計算，認為光帆的厚度最好低至幾十納米才能極大地節(jié)省能源。如何保證光帆在如此薄的情況下不被燒毀，也是一個問題。

除了利用光帆，還有人建議利用引力彈弓給飛行器加速。引力彈弓利用了天體（行星、恒星或者黑洞）的引力。飛行器飛向迎面而來的天體并進入天體的特定軌道，就能實現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)，朝與初始速度差不多相反的方向以更大的速度飛出。這個方式的相關(guān)理論還在驗證，飛向一個遙遠的大天體是一項耗能巨大的項目，然而更大的難度還在于飛行器難以進入天體的特定軌道。

物體真的能夠以光速飛行嗎？

目前，最強大的粒子加速器，也只能將帶電粒子加速到光速的99%。這是什么情況呢？這是相對論所限制的。在經(jīng)典物理學中，物體的質(zhì)量是不變的，但在相對論中，物體的質(zhì)量是隨著速度的改變而改變的。假設(shè)一個物體靜止時的質(zhì)量為m0，運動時的質(zhì)量為m，當速度為v時，m=m0/（1-v2/c2）1/2。根據(jù)這個公式，如果v接近于光速，則1-v2/c2接近于0，m就會變得無限大。一個質(zhì)量無限大的粒子，加速器是無法將其加速的。

即使飛行器能被加速到光速，根據(jù)上文，我們也很容易知道，窮極整個宇宙的能量，也不一定能達到加速到光速所需要的最低能量。而且，以光速運動的物體，即使一個原子，都能對其產(chǎn)生非常大的撞擊，這個物體早晚會撞碎成小的不能再被其他粒子撞擊的納米微粒了。

目前，能夠以光速運動的物質(zhì)只有電磁波，光波就是電磁波的一種。電磁波由不能頻率運動的光子組成，而光子的靜止質(zhì)量為0。換句話說，目前只有沒有質(zhì)量的物體能夠達到光速，有質(zhì)量的物體是無法加速到光速的。