恒星际宇宙飞行可能吗？

沈英甲

美国物理学家杰拉德·史密斯近十几年来一直在追寻反物质，全神贯注于用磁场把反物质“囚禁”于一种特殊容器中。史密斯此举的目的是利用反物质，将它作为燃料用于亚光速宇宙飞船。依靠最新的技术成果，认为实现恒星际宇宙飞行是可能的科学家不只史密斯一人。他们提出了从搭载原子反应堆、反物质反应堆的载人飞船，到利用激光束和粒子束加速到亚光速的探测器等形形色色的方案。

航天飞机不能实现恒星际宇宙飞行

如果前往离太阳最近的半人马座ν星的恒星际宇宙飞行能够成功，我们就能得到解开宇宙年龄等宇宙之谜的大量线索。但是航天飞机使用的化学燃料火箭加速度仅为1.7g，也就是只有地球重力1.7 倍的加速能力。假设使用航天飞机的话，必须持续加速两个月以上，使其速度达到0.5倍光速。这样的话，也得需用10年时间才能到达距地球4.3 光年之遥的半人马座ν星。显然这是不可能的。因为为了持续加速，航天飞机得装载更多的燃料，这使得它的重量之大以至根本离不开发射台。不仅如此，在航天飞机以0.5 倍以上的光速飞往半人马座ν星的漫长时间内，随着接近光速，一个难关出现了，这就是“爱因斯坦狭义相对论”指出的速度越快质量越大的规律。当速度达到光速的0.75倍左右时，质量将变成原来的1.5 倍；而由于飞行器质量的增大，推进力即使加大也无法使其加速；因此航天飞机必须造得尽可能轻些。

在恒星际宇宙飞行的情况下，需要的能量与今天的一般飞行相比简直是天壤之别。如果要让载人宇宙飞船以三分之一的光速飞行，就需要相当于让全世界发电厂工作几年的能量。如果采用原子反应堆，单位质量燃料的推进力将增大1000万倍。理论上说，可以期待的办法是用激光束照射核燃料在燃烧室内发生核聚变反应。但是为此就得建造相当复杂的反应堆，技术上是十分困难的。基于上述理由，完全使用化学燃料火箭实现恒星际宇宙飞行是不可能的。

对反物质的期待与现实

杰拉德·史密斯认为，反物质能够带来解决问题的办法。反质子和正电子一类反物质，就存在于物理学家的身边。在各种各样的粒子中，存在着一类除电性相反而具有共同性质的反粒子。各种成对的粒子与反粒子一旦相遇，在释放出ν射线和π中子以及极大能量的同时将同归于尽。杰拉德·史密斯注意到，当成对的粒子与反粒子消失时所释放的这种极大的能量。理论上讲，粒子与反粒子消失时产生的能量是核裂变和核聚变的100 倍。要把一般质量为1000千克的宇宙飞船加速到0.1 倍光速，经计算只需9 千克的反物质燃料就够了。不过情况并不这么乐观。

问题之一是，怎样才能把反物质富集起来。史密斯从事研究的位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心，那里的巨型加速器，10分钟里虽能产生10亿个反质子，但它们是以0.1 倍光速(不可思议的高速)飞迸，要捕捉住谈何容易。

史密斯在反质子的前方设置了全金属箔和气体，以降低它的速度，力图将其封闭在一个用磁场形成的容器内。如果他成功了，10分钟里就能富集到100 万个左右的反质子。遗憾的是，100 万个反质子若作为火箭燃料则实在是杯水车薪。而且，这项工作得不断反复进行;即便如此仍存在两个难题：

首先，反物质是带电性的粒子，彼此会产生排斥力。反物质的密度越高，用来约束反物质的磁场强度也就越大这就需要使用能让磁场强度之大超乎想象的超导材料。于是杰拉德·史密斯想到，让反质子与正电质子结合“制造”反氢原子。由于反氢原子不带电荷，就不需要形成超强磁场的超导材料了。1996年1 月，德国、意大利、瑞士等国科学家组成的国际研究小组宣布，他们利用欧洲核子研究中心的加速器，成功地制造出了反氢原子。他们让反质子以高速运动，与氙气碰撞产生电子和正电子。在正电子与反质子速度相当的情况下，就组成了反氢原子。在他们的实验中，反氢原子约存在了40纳秒(1 纳秒为十亿分之一秒)。

其次是数量的问题。即使建造高效率、规模巨大的反物质生产厂，要生产1 克反物质也需要很长很长的时间。前面提到的国际研究小组在欧洲核子研究中心制造反氢原子，在三个星期的实验中只制造出9 个。即使有了杰拉德·史密斯提出的10年内或许能问世的设施，每年也只能生产出1 微克反物质；而要把9 千克反物质的火箭燃料数目凑齐的话，则需要90亿年！

而90亿年后，人类打算前往的目的地恒星还存在与否都不好说了。看来，只利用反物质让火箭飞行的念头得放弃了。杰拉德·史密斯于是又提出，能否把反物质利用于核裂变和核聚变反应呢？这样就能实现装置的小型化，解决火箭便于搭载的难题。其具体想法是：利用反物质连续几天引发每秒钟一次相当150 吨TNT 当量的小爆炸，如此三年时间就可以把载人宇宙飞船送上冥王星。

用太阳帆不可能实现太阳系外飞行

杰拉德·史密斯的设想说到底，都是依靠使用燃料的火箭实现恒星际宇宙飞行。对他的设想提出质疑的人中有一个人是波普·佛沃德。波普·佛沃德受美国航空航天局的委托，进行利用反物质可行性的研究。由于反物质火箭必须使搭载的反物质发生反应，将超高温能量向火箭后方喷出，因此波普·佛沃德研究后得出结论：对反物质火箭来说，火箭的质量和发动机的耐热性是根本问题所在。

1960年，佛沃德第一次提出了撑开巨大的铝箔制成的帆，利用太阳风推进飞行──“乘坐”从太阳不断喷发出的带电粒子流，也就是“坐蹭车”的“太阳帆”的构想。但是利用太阳帆在恒星际间飞行有重大的缺陷。因离开太阳系后，带电粒子流会变得稀薄，宇宙飞船将不能继续加速。显然，利用太阳帆前往其他恒星是不可能的。

对激光束寄以厚望

稍后，当得知红宝石产生的激光比太阳光更亮时，佛沃德又产生了一个新念头：用激光束鼓起宇宙飞船的光帆以获得推进力。因为激光束几乎不会发散，而且可从太阳系中射出，所以能够实行必要的操纵和管理，设备的更新也有了可能。更重要的是，由于宇宙飞船不必再搭载燃料，因此能造得更轻。而在加速到亚光速的情况下，宇宙飞船的质量小是一个非常大的优势。

为把宇宙飞船送至半人马座ν星，得用激光束加速约一年，才能使其速度达到光速的三分之一左右。此后，切断激光束，宇宙飞船转入惯性飞行。在接近半人马座ν星时，光帆的外圈逐次断开，形成同心圆状的三部分。这时，需把光帆的最外侧移至宇宙飞船的前部，同时再次发射强大的激光束。这样宇宙飞船后部的光帆便被罩在强光之中，宇宙飞船因此也获得了制动力。当然，来自飞船身后的激光束仍照射在光帆上构成推进力。由于宇宙飞船外侧的光帆面积是内侧两个光帆面积的9 倍，因此制动力比推进力更大。在对半人马座ν星的探测结束准备踏上归途之际，处在中间的环状光帆被取下。此时的光帆仍在反射激光束，使得宇宙飞船获得与来路相反的推进力得以飞返地球。

巨大光帆的设想现实吗？

美中不足的是，虽然具有无须搭载燃料的优点，但宇宙飞船仅依靠激光束所获得的推进力实在小得无济于事。于是，上述诸多的优点便被这一缺陷抵消了。要真正实现利用激光束作动力进行星际飞行，就必须有非常强的激光束；而且，飞船上的光帆也必须大得超出想象。

佛沃德认为，可在水星轨道上利用太阳能设置约1000台激光发射装置。如果把这些激光束用巨型装置合为一股，那么不开发巨型激光发射装置也行。不过要获得必要的推进力，理想的激光发射装置要比现在利用太阳能的激光发射装置强大1000亿倍！而且还得在土星附近设置巨大的透镜，以纠正激光束的发散。此外，光帆的直径也必须达到1000公里之巨。对此，佛沃德说，若不从大处着眼就会一事无成。

对于佛沃德的雄心壮志，美国明尼苏达大学的数学家埃得·贝尔布鲁诺说了这么一番话：“即使让质量为1000千克的无人探测器飞行，也需要直径1000公里的光帆和巨大的透镜，这不过是异想天开。”

粒子束对单程飞行有效

贝尔布鲁诺强调，利用激光束的设想存在难以解决的难题。他更关心粒子束。重粒子，比如质子，它没有光的速度却有质量。而对于推进力而言，有质量的质子比没有质量的光子更有效。提出“粒子束设想”的是霍普·萨普林和达纳·安得留。他们认为，宇宙飞船的光帆采用超导体制成的巨环更有效。超导体环可形成面包圈状的磁场，粒子束射向磁场就会产生推进力。可采用在小行星上设置的核聚变反应堆，超高温加热等离子体化的气体，向一定方向喷射来获得粒子束。

粒子束的缺点是很容易扩散。这是因为粒子之间的彼此碰撞。虽然距离增大效率会降低，但仍比激光束更具推进力。根据安得留的计算，他的“粒子束设想”只需使用佛沃德构想所需能量的六分之一，就能把载人宇宙飞船加速到三分之一的光速。不过，他也遇到了难题──宇宙飞船的乘员必须耐受高达1000g 的加速度。

在“粒子束设想”中还有一个重大不足：前往恒星这样遥远的地方，根本不可能传递能量，也就是说有去无回。安得留自信地说，虽说是“自杀”，估计还是会有志愿者的……

余下的难题和形形色色的构想

贝尔布鲁诺坚持认为，目前采用粒子束发送无人探测器是可能的。贝尔布鲁诺现正在构想针尖大小的探测器。因为当探测器只有1 克质量时，即使以亚光速飞行，质量增加也不受影响。但是针尖这么小的东西若丢失不见了怎么办呢？还能在其上搭载通讯装置吗？难题也不少。

此外，也有人提出了利用连接“黑洞”和“白洞”间的通道——“虫洞”等设想……形形色色五花八门的方案层出不穷。但就人类目前的科技水平而言，恒星际宇宙飞行是不可能的。这也说明，我们还没有掌握能实现这一梦想的具体知识和技术，人类还得像以往那样探索相当长的时间。

名词解释：

1.质子 带正电的基本粒子，和中子一起是原子核的“建筑砖块”。

2.反物质 一种由正电子、反质子和反中子构成的原子所组成的物质。反物质的原子由反原子核（反质子和反中子的集合体）及核外运动的正电子构成。

3.光子 光量子或电磁辐射的一种基本粒子，不带电，但具有能量。

4.量子 是一个单位，某些物理量的数值被限制为这个单位的整倍数，例如光子是电磁场的量子。