太空中加速并不简单

刘一手

太空是浩瀚而空洞的——各大行星、恒星相距甚远，星体间的空气中空无一物，近乎真空。而且太空中引力较弱，物体都是呈漂浮状。貌似只要轻轻一推，物体就能很容易地飞跑起来，再加上没有空气阻力，在太空中高速运动似乎并不难。但现实并不是如此，于是有人提出了疑问：人类的飞行器为什么不能轻易地在太空中加速，实现光速飞行？本文将从几个方面去解释这个问题。

传统火箭推进完全做不到！

我们所想象的“轻轻一推”就能将太空中的物体推飞其实是一个错误的印象。根据牛顿第二定律F=ma，一个一定质量的物体，要使其获得很高的加速度，必须给这个物体很大的外力，在太空中这个定律也成立。这就说明，虽然物体在太空上是悬浮的，但是要想使它快速地运动起来，也没有那么容易，因为巨大的推力也不是随随便便就能获得的。

目前唯一能帮助人类突破地球引力的束缚而进入太空的工具是火箭。飞行器之所以能飞行，其原理是尾部火箭燃烧喷出气体，从而使自身获得反冲力。要想获得持续的加速度，必须要有足够的火箭燃料。但靠增加燃料载荷来提升最终速度的话，燃料质量的增速远大于最终飞行器速度的增速。因为火箭是分级推进的，很多燃料被用于火箭自身的加速了。举个例子，假设飞行器后面安装了100根火箭。最后一根火箭用于前面所有火箭（此时是99根）和飞行器本身的加速。最后一根火箭脱落后，倒数第二根火箭面临同样的问题，以此类推。所以，火箭本身的质量是非常沉重的负担。

所以，增大火箭质量的效果不佳。举个例子便可说明这一点——假设飞行器的质量为m飞，燃料的质量（即所有火箭的总质量）为m燃，以尾气喷出速度2600米/秒的典型化学火箭为例：当m燃/m飞=1时，即燃料和飞行器的质量一样重，最终能将飞行器加速到1802米/秒;但当m燃/m飞=100，即燃料的质量为飞行器的100倍，飞行器最终能被加速到12000米/秒。可见，即使火箭的质量增大了100倍，往往只能带来几倍的速度提升，这个性价比是非常低的。

有专家通过计算表明：假设飞行器的速度仅1克，要将这1克的飞行器加速到光速的0.2倍，所需要的化学燃料的质量远远大于目前所能观测到的宇宙的质量。而且，即使人类可以造出特别巨大的火箭，建造可供火箭发射的基础设施的工程量也相当大。

“代达罗斯”计划

传统燃料不可行，那么使用核燃料呢？核反应分为核裂变和核聚变。一些像铀、钍和钚等质量非常大的原子，它們的原子核在吸收一个中子以后分裂成两个或几个质量较小的原子核，同时放出2～3个中子和巨大能量，这就是核裂变。核聚变则是轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）且放出巨大能量的过程。

核反应的威力可比传统化学燃料燃烧大多了，可以为飞行器提供巨大的反冲力。那么，使用哪一种核反应方式好呢？从材料来源上看，铀、钍和钚在自然界的含量很少，而氘和氚的含量很多，达到10万亿吨。从环保上看，核裂变会产生很多核废料，造成很大的环境污染。而通过很好的控制，可以使得核聚变做到基本无辐射。

于是，2 0世纪70年代中期，英国科学家提出了“代达罗斯”计划——以核聚变火箭为推进方式，将飞行器加速到近光速，几十年就可以探测到邻近恒星。该计划预备建造一艘长达190米的宇宙飞船，飞船的总质量为5. 4万吨，其中火箭的重量是5万吨，有效负载质量为450吨。该火箭为二级火箭，故加速过程被分为了两个阶段。第一阶段将持续2. 2年，由第一级火箭负责加速，使航天器达到光速的7.1%。第二阶段将持续1.8年，由第二级火箭负责加速，最终使航天器达到光速的12%。然后关闭发动机，进行4 6年的巡航。总共50年后，飞行器就可以到达离我们最近的恒星之一——距离地球约6光年的巴纳德星。

且不说5万吨的核燃料如何取得，5万吨的核动力火箭本身制造难度就相当大了。人类目前制造的最重的火箭是“土星5号”运载火箭，也不过才2900吨。现在谈“代达罗斯”计划，无异于“ 纸上谈兵”，还不具备可行性。

当然，人类可不会停止想象，更新颖的光帆和引力弹弓的加速方式被提了出来。

光帆和引力弹弓

风帆承受风吹，进而驱动帆船前进。所以对于风帆来说，风是帆的动力。顾名思义，光帆则是一种以光为动力的帆。为什么光能当作动力呢？光由光子构成，光子虽然没有静态质量，但是光子有动量，它们以光速快速飞行。当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。

专家表示，使用光帆技术，将1克的物体加速到光速的20%，也需要相当于400多吨TNT炸药的能量。这也就意味着，二战时美军向日本长崎投下的“胖子”原子弹，其能量最多也就只能将50克的物体加速到光速的20%。可见，耗能是光帆技术的问题之一。光帆技术还面临另一个问题——人类是利用在地球上发射的激光给光帆提供光子，所以光帆的面积必须足够的大，才能有效地接收到光子。此外，光帆的质量也要尽可能的小，这意味着光帆要做得很薄。有人经过计算，认为光帆的厚度最好低至几十纳米才能极大地节省能源。如何保证光帆在如此薄的情况下不被烧毁，也是一个问题。

除了利用光帆，还有人建议利用引力弹弓给飞行器加速。引力弹弓利用了天体（行星、恒星或者黑洞）的引力。飞行器飞向迎面而来的天体并进入天体的特定轨道，就能实现360度旋转，朝与初始速度差不多相反的方向以更大的速度飞出。这个方式的相关理论还在验证，飞向一个遥远的大天体是一项耗能巨大的项目，然而更大的难度还在于飞行器难以进入天体的特定轨道。

物体真的能够以光速飞行吗？

目前，最强大的粒子加速器，也只能将带电粒子加速到光速的99%。这是什么情况呢？这是相对论所限制的。在经典物理学中，物体的质量是不变的，但在相对论中，物体的质量是随着速度的改变而改变的。假设一个物体静止时的质量为m0，运动时的质量为m，当速度为v时，m=m0/（1-v2/c2）1/2。根据这个公式，如果v接近于光速，则1-v2/c2接近于0，m就会变得无限大。一个质量无限大的粒子，加速器是无法将其加速的。

即使飞行器能被加速到光速，根据上文，我们也很容易知道，穷极整个宇宙的能量，也不一定能达到加速到光速所需要的最低能量。而且，以光速运动的物体，即使一个原子，都能对其产生非常大的撞击，这个物体早晚会撞碎成小的不能再被其他粒子撞击的纳米微粒了。

目前，能够以光速运动的物质只有电磁波，光波就是电磁波的一种。电磁波由不能频率运动的光子组成，而光子的静止质量为0。换句话说，目前只有没有质量的物体能够达到光速，有质量的物体是无法加速到光速的。