目标：星际飞行

2012-12-30梁晓鹏

飞碟探索 2012年3期

关键词：反物质美国航空航天局星际

■ 梁晓鹏

在1966年，当《星际旅行：进取号》上映的时候，科幻系列在找寻自身的空间和时间空档方面遇了到难题。

几十年后，新一代银河探索者掀起一股类似的热情，幻想去寻找新世界和新文明，想到太空船以前都没有去过的地方：遥远的恒星及其周围的行星。

毫无疑问，我们的行星以外还有别的世界，但是即使你把油门加到最大，找到一条去其他星球的快速通道也不是那么容易。

遥远的距离

为防止迷路，第一个星际探测器已经上路。“先锋”号与“旅行者”号航天器已向星际空间迈进，但它们的目标并不是附近的星球，而且它们缺乏真正的星际探测器所要求的动力源及通讯装置。

位于美国伊利诺斯西芝加哥的Hbar技术有限责任公司创建人之一及高官史蒂芬·豪指出，人人都知道宇宙浩渺无际，不一定非是火箭专家或天文学家。比如说，美国航空航天局的“旅行者1”号是人类制造的离开地球最遥远的物体，距离太阳大约90天文单位（2004年的数据）。“旅行者1”号1977年发射升空，目前的速度大约是每年3.6天文单位。相较之下，太阳系外围的柯伊伯带地球大约200天文单位，奥尔特云约10000天文单位，而最近的恒星在260000天文单位之外。

豪认为，当今的任何技术都需要某种奇迹，才能在合理的时间内把探测器发送到另一个目标星球。因此，研制极小载荷和超轻型推动系统是至关重要的。

我们知道，现在可能使太空旅行成为现实的推动技术只能是核聚变与反物质。核聚变是个不可捉摸的东西；而反物质技术仍处于起始阶段，但是发展非常迅速，在未来的几十年时间里，它会像激光一样产生巨大的影响力。

技术障碍

人类文明时期可以通过观察他们控制的能源强度得到简单的界定：石器时代是柴火；青铜器时代有了煤；工业时代有了汽油；现在临近核的时代。我们必须有接受挑战的毅力，否则就会后退。

豪和Hbar技术有限责任公司正在评估反物质驱动飞行这个概念。这项工作由美国航空航天局尖端概念研究所赞助，该研究所属于大学太空研究协会的一个机构。

这个项目的最终目标，是确认将轻量仪器包发射到另一个恒星系的技术障碍。第一个阶段的任务要求不太苛刻：10年内将探测器发送到柯伊伯带。

就目前现有的技术来看，这项任务仍然超出了美国航空航天局和其他机构的能力。然而，该公司目前的工作表明，用30毫克的反氢可以将一个小仪器在10年内发送到距离250天文单位的地方。

这多么的反物质以美国现有的加速器技术来看，是未来40年内潜在的上市产品。据粗算，类似的探测器可以用40年的时间到达邻近的三星系统——半人马座。

前方的路标

要把飞行器运送到其他星球上去，路线图是至关重要的，漫无目标地穿越时空的巨大鸿沟是不可取的。因此，科学家正在通过多种方式绘制一张星际探寻地图。

有了哈勃太空望远镜这样的历史奇迹以及近期升空的低频射电望远镜装置，加上地面上的天文台，人类正在把围绕其他恒星运行的行星系统的真实图像拼接起来。未来的空中舰队将会携手寻找含有类似地球的行星的恒星系。

美国航空航天局于2007年启动的“开普勒”任务，旨在确定大量光谱类恒星的可居住区及其附近行星的频率。“开普勒”专用于持续观测包含100000个恒星的太空区域，如果有地球大小的行星穿越，它将会非常警觉。

在随后的几年中，地球人类将会把越来越强大、越来越难建造的天文硬件送入太空。

渴望的期盼

美国航空航天局于2009年发射了太空干涉测量任务（SIM），其目标是将先前观察到的恒星位置和距离精确度提高数百倍。有了这种精确度，SIM才能寻找环轨运行的行星导致的附近恒星在位置或天体测量上的偏移。在有些情况下，小如地球的行星应该能被发现。

SIM获得的数据将会帮助人们确定美国航空航天局“类地行星发现者”的目标。“类地行星发现者”预计在2012年—2015之间发射，它将能够发现45光年以外围绕多至150个恒星运转的类地球行星并探测其特征。“类地行星发现者”将通过5年的观察来发现可居住或已居住行星的大气信号。

欧洲航天局也已经选定被称为“达尔文”的红外太空干涉仪来执行“地平线2000计划”。“达尔文”的发射日期预计在2014年—2015年间，将根据在此之前的经费和科研情况而定。按照目前的情况预测，“达尔文”将使用一组六台太空望远镜，目的是寻找类似地球行星上的生命迹象。

不需要：曲速引擎与超空间转移

真正的星际之旅非常困难，它不同于稍许离开太阳系的“星际先驱”，但是通过利用我们目前所知的物理学是可以实现的。还有一个好消息：这不需要曲速引擎和超空间转移！

以上是一位名叫乔丹·凯尔的高级空间系统技术顾问的观点，该系统坐落于华盛顿州的西雅图。他认为，根本问题在于，要在合理的时间内到达外星球需要相当高的速度，相应地也要巨大的能量。

怎样才算是“合理的时间”，各人观点不同。凯尔认为，如果你愿意用1000年的时间旅行几光年，一般的核裂变能源和离子推动器都能够帮助你实现。给出一个足够充分的理由，比如说发现太阳会在2100年1月1日爆炸，那我们现在就可以开始建造星际飞船了。

凯尔说，反物质虽然能够提供足够的能量加速星际旅行，但是其造价贵得令人难以置信，而且我们还不知道如何储存并且有效地利用它做推进。喷射推进式炸弹

星际旅行最美好的前景看来得依靠太空飞船外的能源，其中的一个方法是在行进过程中收集推进物。不幸的是，收集星际氢气似乎不可行，因为它的浓度不够。人类设计磁性大铲的实践表明，在飞行中收集氢气是非常困难的。事实上，磁性大铲用来做减速拉闸要比做加速推动效果好。

凯尔已经设计了一个星际推动系统，该系统将一长串聚变燃料小球提前置于加速轨道上，为飞船提供能量和反应堆。让固定的小球碰撞飞船携带的类似小球，利用冲击引发的聚变反应来推动飞船。飞船与第二次世界大战时的V形飞弹类似，利用一连串密集的爆炸来推进，爆炸速度之快，听起来像不间断的嗡嗡声。

但是，星际推动的最佳办法似乎是利用射线动力，即利用激光束或是微波束来加速反射性的帆束达到高速。凯尔的帆束设计由一连串小帆组成，这些帆将动力从激光加速器传送到飞船，在其末端可用磁拉闸来减速。

这是一个巨大的工程：用帆束将一个1吨重的探测器发射到另外一个星球上得好些年，并且还需要10万亿瓦特的激光能量。

但是，在这一工程中不需要用到任何新的物理知识，所要求的技术也只是从我们所知道的进行研究，估计再过二三十年可以开始建造帆束，到2050年就可以发射探测器了。

一夜之间的成功

多数人都没有意识到星际飞行有多大的野心：到半人马座的距离4.3光年，这大约相当于地球到月球距离的1亿倍。

莱蒙德·哈尔雅德是美国得克萨斯州休斯敦联合太空联盟的设计师、火箭动力工程师，已在美国航空航天局位于休斯敦的约翰森太空中心干了很多年，致力于从“阿波罗”任务到土星探测器的五个助推发动机以及航天飞机动力系统的研究。目前，他正在独立研究惯性约束核聚变推动问题。据估计，飞越半人马座的最佳设计的终端速率是光速的1/10，飞行耗时50年，研究所需经费大约1000亿美元，相当于当年“阿波罗”计划的标价。因此，研究能否如期进行，还要看经费能不能得到落实。目前有好几位专家在自己的车间里用微薄的经费进行着研究，不过很难说会不会像莱特兄弟设计飞机那样，有人会一夜之间一举成名！

尽管哈尔雅德本人对推动力物理学方面的突破并非十拿九稳，但他认为可能性是有的。他认为，在这个领域搞这种事就像买彩票一样，花点钱试探一下还是值得的。

新物理学

如果时间充足，再加上辛勤努力，无须助推力的空间旅行或更奇异的助推动力系统也许会向人类打开探索宇宙的大门。

人类目前所拥有的利用化学燃料作为推动力的火箭，是不可能在太空中逗留的。没有反物质做能源，即使是到最近的星球，它所需要的时间对于载人飞船来说都是不可行的。

传统的化学或核动力火箭解决不了载人的太空飞行这一课题。即使是用反物质做能源，也只能将我们带到最近的星球上去，就像目前的化学燃料火箭只能把我们送到火星上那样。

如果有足够的能源，核动力火箭可以在30年内让我们展开对自己太阳系的探索。

然而，我们需要的火箭是能够循环利用推动力的，也即一般所说的无推动力或场推动力。这就要求我们用超越标准牛顿物理学的理念去理解物理，这种新型的物理要求我们对宇宙有一个新的理解，可以让我们操控时空以使场推动成为可能，使星际迷航似的扭曲气泡可以实现。

多数物理学家在面临这个问题时都竭力反对；然而也有持赞同观点的，他们认为这种推动概念用不了多久就不再是科幻了。

边界的突破

身为天文学家和作家的格里高利·马特洛夫说，他认为人类首次的恒星际飞行不会是个人冒险。他说，得克萨斯州休斯敦的“协同面对”研究小组，现在正加紧研制携带人类基因材料的太阳帆太空飞船。

马特洛夫透露，美国航空航天局计划在2020年之前发射一次携带科学载荷的星际帆以探索太阳风层顶（太阳风层顶是太阳系和星际空间的界限）。在速度上，这将比“协同面对”小组的太阳帆快得多，能够在7000年前后到达距离我们最近的恒星。

星际门槛

据马特洛夫说，在22世纪之前，核动力与太阳能驱动力应该都能够达到其星际潜力。如果飞船采用这种推动力，它可在1000年内到达半人马座。

新形式的星际推动力将有希望缩短旅行时间。现在，我们能够现实地谈论相当于一个人类文明长度的星际运载时间，但是，如果我们能够将此时间缩短到一个人的寿命或者更短，那就更好了。尽管机器人不在意它们的飞行时间很长，可是在家等待数据的人可能会失去兴趣。乘坐时代飞船的人在到达目的地的时候，可能就已经忘记他们的目标了。

在这里还有一个问题，那就是如果我们的搜寻没能发现类似地球的世界，星际扩张的目标就会失去动力。这是因为，如果我们能够在几年之内花费较低的成本到达太阳系内的一个类似世界，为什么还要花几十年或者几百年来占领一颗彗星、类星体或环绕半人马座的类火星世界呢？可是，如果我们在星际门槛上的搜寻找到了其他“地球”，那么意义就截然不同了。