星际航行，一堂令人沮丧的算术课

江晓原

一万年太久，只争朝夕

几年前，著名物理学家霍金就地外文明、外星人等话题发表了意见，引发了媒体对此类话题的很大兴趣。话题之一，就是关于人类进行星际航行的可能性。

与地外文明话题联系在一起的“星际航行”，当然不包括在我们自己太阳系中进行的星际航行——这种航行人类已经能够进行，尽管目前还只能在离地球不太远的地方（比如火星）稍转一转。由于到目前为止从未发现我们太阳系之内有别的文明，所以与地外文明联系在一起的“星际航行”总是指在恒星之间的航行。

要讨论这样的星际航行，我们可以先从非常简单的算术开始思考。

通常人们都愿意从离太阳系最近的一颗恒星——半人马座的比邻星——开始思考，比邻星距离我们太阳系4.3光年，也就是说，以光速从地球到比邻星要运行4.3年。

目前人类实际能够达到的最高星际航行速度是多少呢？

从地球上飞出太阳系所需要的“第三宇宙速度”，人类已经能够实际达到，因为我们相信已经有航天器能够飞出太阳系（到底有没有飞出，其实很难确证），这个速度是16.7公里/秒。注意这个速度连光速（30万公里/秒）的万分之一都不到。当然，按照常理，在此基础上再努力一下，增加一倍左右，达到30公里/秒，应该说还是不太离谱的。

如果我们以30公里/秒（光速的万分之一）的速度飞向比邻星，至少需要43000年。

如果我们能够达到3000公里/秒（光速的百分之一），飞到比邻星至少需要430年（这里完全忽略了飞船出发后加速、到达前减速之类的过程所需要的附加时间）。但这个速度对人类目前的科技能力来说已经是遥不可及了。

其实在不少问题上，四百三十年和四万三千年是一样的。比如，这都大大超出了人类的正常寿命，也大大超出了机器的工作寿命（至少到现在为止，人类还没有机会实际考察任何现代机器设备能否安然工作四百年，更不用说宇宙飞船这样极度复杂的系统了）。

我个人觉得还有一个更大的问题，那就是，任何在地球上的人们有生之年看不到结果的实验、考察、探险等活动，虽然在理论上可以进行，但实际上人们总会意识到它对自己已经毫无意义，所以很难设想这样的活动会得到实施。

也许正是考虑到了这一点，英国皇家宇航学会在20世纪70年代进行的星际航行模拟研究“Daedalus工程”（希腊神话中Daedalus造了翅膀逃出迷宫），设想的飞行速度是3万公里/秒（光速的十分之一），这在此后许多关于星际航行的假想中被视为一个重要“门槛”。之所以考虑采用这个“门槛”，也许和上面提到的心理有关——如果花四十三年飞到比邻星，再等4.3年让无线电报告传回地球，这样在我们有生之年（半个世纪内）还可以得到探险结果。

上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见

星际航行是一个美丽的梦想，它既可以在当代科学主义纲领下不顾一切地被追求（现今人类的许多航天活动就是这样），也可以从古代纯粹的人文情怀中得到共鸣——《长恨歌》中那个道士还“排空御气奔如电，升天人地求之遍”呢。所以，尽管人类目前实际能够达到的航行速度只有光速的万分之一量级，但这并不妨碍科学家对星际航行展开丰富、系统而且大胆的想象。

这种想象已经提出了多种方案，大体可以分为两条路径。

一条路径是接受目前只能“慢速航行”的现实，考虑千百万年的长期航行。这样的航行必将面临一系列难以克服的困难。

首先是燃料从何处提供？目前人类都是采用固体、液體或气体燃料来驱动飞船，但是飞船出发时不可能携带43000年的燃料，目前也没有任何在中途添加燃料的能力。想象中的核动力也难以维持如此之长的年代。其次是机器设备的工作寿命，迄今为止还没有一架航天器持续工作过五十年，四万三千年谁敢指望？

这还只是考虑无人航天器，如果载人，则宇航员要么“冬眠”，那飞船上的支持系统能工作千万年而不出差错吗？电影《2001太空漫游》中冬眠宇航员因生命维持系统遭电脑切断而被“谋杀”的命运如何避免？要么在飞船上传宗接代，那这飞船就要被建设成一个小型的地球，这就更没谱了。况且还有近亲繁殖问题。

另一条路径当然是从加快航行速度上来着手，只要速度足够快，就可以消解上一条路径中的大部分困难。这时“Daedalus工程”中的十分之一光速“门槛”就经常会被用到。已设想的至少有如下几种重要方案：

核聚变发动机。这正是“Daedalus工程”本身所设想的方案，它用的是氢的同位素氘（D）和氦-3（3He）聚变，这样可以不需用水来冷却发动机，但是方案所需的数千吨氦-3，则只能到木星上去提取。所以这只是史诗般的假想，用来拍科幻电影可以，要实施的话目前人类根本没有这样的能力和财力。

反物质发动机。欲将物质转换成为能量，目前所知最有效者，莫过于物质与“反物质”的相遇湮灭，能够释放出巨大能量。如果想把一吨重的设备，在50年内送到比邻星，初步的计算表明，需要1.2公斤反物质。但是目前人类的技术能力，在这方面还差得太远。关于反物质发动机在技术上离我们有多远，只要提到一个事实就够了：反物质不能存放在任何有形容器中（因为任何有形容器都是物质，两者一相遇就要湮灭爆炸），它只能被悬空拘束在一个真空磁场中。在丹·布朗的小说《天使与魔鬼》中，他只敢想象一克的反物质。而事实上，以人类现有的科技能力，哪怕只生产一毫克（一克的千分之一）反物质，就需要耗尽全世界的能源。

光帆飞船。它很容易在公众心目中唤起诗意的联想，但是真要实施的话，技术上的困难是骇人听闻的。飞船的光帆将大到数十平方公里，厚度则只有16纳米（一毫米的十万分之一多一点）。这样的帆怎样张开？更别说还要操纵它了。

何以解忧，唯有虫洞？

上面这些史诗般的狂想方案中，基本上都没有考虑人。人类向外太空的探险行动，最先派出无人飞船当然可以，但最终总要派人去到彼处才行。而一旦考虑了人的因素，立刻出现两方面的困难。

首先是生理上的问题。在“Daedalus工程”类型的方案中，要求飞船的巡航速度达到光速的十分之一，即每秒3万公里，这必然有一个现今难以想象的加速过程，人体瞬间能够承受多大的加速度？对某种加速度又能够持续承受多长时间？在民航客机起飞和降落时，这么一点点加速度就会使某些乘客不适甚至发病。宇宙飞船如果急剧加速，说不定刚起飞不久宇航员就七窍流血而死了。

其次是心理上的问题。如果奉派飞往比邻星，以光速的十分之一巡航，这对宇航员来说意味着什么？四十三年如一日在船舱里，到了比邻星后，即使能够顺利返回地球，那至少也得八十年以后了——这其实就是终身监禁啊！世间有几人能够承受？

人类星际航行的真正出路，恐怕只能是目前谁也没见过的虫洞了。（摘自《科学外史》）