我們如何在太空中星際旅行？

北京時間7月24日零時，NASA官方發布了一條重磅消息：他們發現了最接近地球的「孿生星球」——Kepler 452b。這是至今為止被發現的最接近地球的孿生星球，有可能擁有大氣層和流動的水。一時間，輿論嘩然，不管是不是科幻愛好者，在這一刻都不約而同地想到了同一個詞：「太空移民」，甚至有人已經開始在暢想著那星球上的風景，會不會有另外一種智能生物，像人類一樣生活在上面呢？

然而，科學家又說，這顆星球距離我們大概有1400光年，也就是說，即便是光，也要馬不停蹄地走上1000多年才能到達，更別說我們人類這些落後的飛行器了。於是探索和移民都可以放一放了，以人類的短暫壽命想要在太空中有所作為，實在不是一件容易的事。事實上，就算不說遠的，只從我們對近鄰的探索來看，太空旅行也是個相當困難的任務。

近地航天旅行的障礙

最大的障礙用一個字概括，就是錢。

早在1969年，我們的宇航員就已經信誓旦旦地準備探索太陽系。尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林剛登上月球，人們正巳經夢想著登上火星及更遠的行星。似乎我們就站在恆星的門檻處。人類正進入一個新時代。然後，美夢破滅了。

正如科幻小說家艾薩克·阿西莫夫曾寫到的那樣，我們觸地得分了，拿起橄欖球，然後回家。如今，原來的「土星」助推火箭在博物館裡閑置著，或者在垃圾場上慢慢腐爛著。整個一代頂級火箭專家被解散。當年太空競賽的衝勁也漸漸消散而去。今天，你只能在落滿灰塵的歷史文獻中才能找到月球漫歩的資料了。

到底發生了什麼事？太多了，這其中包含越南戰爭、水門事件等，都是客觀上造成影響的重大事件。但是，追根究底，就是一個詞「成本」。

有時候，我們會忘記一點：太空航行是昂貴的，非常昂貴。僅把一公斤重的東西送入近地軌道，就要花費高達20000美元。要到達月球，這個成本會上升到接近200000美元。要到達火星，數字則會暴漲至2000000萬美元（大致相當於重量為成人體重兩倍的鑽石的價錢）。所以，即便是當年的美國和前蘇聯這樣的超級大國，也不能連續數十年承受如此高昂的代價。

遺憾的是，要想完成一次太空航行，有一個不得不越過的硬指標，這是300多年前，牛頓已經寫下的物理定律。根據萬有引力定律，想要把物體送入近地軌道，你必須以7.9千米/秒（即第一宇宙速度）的速度發射它才行。而要把它送入外層空間並擺脫地球的引力場，你必須以11.2千米/秒（即第二宇宙速度）的速度推進。要想走得更遠，逃離太陽系，飛行器甚至需要達到第三宇宙速度。考慮到每一個作用力，都有一個大小相等、方向相反的反作用力，這個力要從哪裡來呢？只能讓人類去想辦法。因此，從牛頓定律到計算太空旅行的成本，只有簡單的一步——沒有哪一條工程法則或物理學定律會阻止我們探索太陽系，除了成本問題。

更遺憾的是，火箭有自己的重量，還必須攜帶自己的燃料，這直接導致重量還得往上增加。再加上太空中沒有氧氣，於是火箭還必須攜帶自己的氧氣箱和氯氣箱——這玩意看起來空空如也，實際一稱的話，重量也不小。和這些東西相比，最重要的宇航員以及相關的科研設備，反而只是其中微不足道的一點重量了。

由此也可以看出，目前的載人航空技術的性價比實在太低，隨著航行距離的延長，燃料相應增加，這一比例還要不斷下降。想要前往1000多光年遠的目標，不說壽命，光是暴漲的成本問題就讓人無法承受。

所以，我們必須尋找新的方法。

勢在必行的技術革新

高昂的費用已經阻礙了太空旅行的商業進程和科研進程，因此，我們需要從傳統的航天技術中跳出來，尋找一個革命性的新設計方案。科學家們預計，到本世紀中葉，他們和工程師將進一步完善助推火箭技術，力爭降低太空旅行的成本。一些技術也許有一天會為普通老百姓開啟太空旅遊之門。雖然這些提案都具有高風險性，但是，它們可能大幅度地降低成本。

第一個方案是激光推進發動機：它能在火箭底部發射出大功率的激光束從而引發微爆炸，爆炸產生的衝擊波推動火箭上升。一連串穩定的速射激光脈衝使水汽化，從而把火箭推進太空。激光推進系統的主要優勢是能量來自陸基系統，因此它不攜帶任何燃料。相比之下，化學火箭在把燃料重量帶入太空時浪費了大量的能量。

這一技術被形象地稱為「光船技術」。

科學家們已經建立起了這種火箭的實用樣機，並親切地稱之為「光船技術示範者」。早期設計的雛形的直徑約15.厘米，重量只有50餘克。10千瓦的激光能夠在火箭底部產生一連串的激光脈衝，讓氣浪以2g的加速度推動火箭，並發出像是機關槍掃射的聲音。這個原型機升空高度可以達到100多英尺，這相當於上世紀30年代早期液體燃料推迸火箭的升空高度。

也許會有這麼一天，激光推進系統能夠把巨大的有效載荷送入近地軌道，而每公斤重量只需要花費10美元，這將為太空旅行帶來重大變革。有科學家設想用1000兆瓦（這是一座標準核電廠的功率輸出）的巨型激光把兩噸重的火箭送入軌道。火箭底部攜帶著有效荷載和水箱，而水緩緩地從水箱的細孔中漏出。當激光束衝擊火箭底部時，水頃刻間汽化，產生一連串的衝擊波，把火箭推向太空。火箭的加速度瞬間達到3g，並在6分鐘之內脫離地球引力。

由於火箭沒有攜帶任何燃料，因此，不存在助推火箭發生災難性爆炸的危險。而化學火箭，即使經過了這麼多年的發展，仍然具有約1%的事故率，而且這些事故都是非常驚人的。相比之下，光船技術顯得既簡單又安全，只用水和激光器，而且可以反覆使用，只需要短暫的停機檢修即可。因此，它最終實現的盈利會遠遠大於投資。

然而，我們也要看到這樣的夢想會是未來數十年之後的事情。巨型激光發射器的基礎研究所需要的經費遠遠超過一所大學所能承受的數額。除非該項研究得到大公司或政府的擔保，否則將永遠不能建成激光推進系統。要想使用這樣低廉的技術，還需要等待。

還有其他試驗性的火箭設計，但是這些設計都具有不同程度的風險。

其中一種可能性是「氣槍」，它可以從巨型氣槍中發射拋射物，有點像凡爾納的小說《從地球到月球》中的火箭。只是，凡爾納的火箭已被證明是不可行的，因為火藥不可能以每小時40000公里的速度發射拋射物（該速度是擺脫地球引力的必要速度）。相比之下，氣槍利用長槍管中的高壓氣體高速推進拋射物，槍里的氣體是甲烷和空氣的混合體，事先被增壓到大氣壓力的25倍。當氣體被點燃時，有效載荷以驚人的30000g的加速度順著爆炸力攀升，這樣的加速度足以摧毀大多數金屬物體。

已經有科學家證明過「氣槍」的構思是可行的，不過，要把有效載荷送入外層太空，氣槍管必須足夠長，至少也要接近300米，還必須沿彈道採用不同的氣體。要使有效載荷達到逃逸速度，必須在5個階段採用不同的氣體。

這種方式的發射費用甚至低於激光推進系統的發射費用。然而，用這種方式發射宇航人員就太危險了，想想那可怕的瞬間加速度吧，只有能夠承受強烈加速度的固體有效荷載才能採用這種形式發射。

第3個實驗設計是「大型離心機」，我們可以想像一個吊在繩子上的球，揮動手臂，使它沿圓圈旋轉，然後手一松，把它拋向空中。關於這個，科學家曾建造了一個雛形。這個桌面模型可以在幾秒內以每秒1000米的速度把物體拋向空中。這個離心機由一個直徑為約為1米的甜甜圈形狀的管子構成。管子包含一個小鋼珠。當鋼珠圍繞管子滾動時，小發動機把鋼珠推起，速度越來越快，當它達到足夠快時，管子打開，鋼珠一飛衝天。

能把負荷拋進外層空間的真正的大型離心機必須特別大，直徑或許要達到上百甚至數百米，這樣才可以為負荷輸送能量，直到負荷達到逃逸地球的速度。眼下，還有許多技術問題需要解決，比如鋼珠與管子之間的摩擦力，要想辦法讓摩擦力減到最小。

如果有足夠的資金投入研究，那麼上述三種設計或許可以在未來數十年的時間內得到完善。否則，這些模型只能永遠停留在設計階段。

所以啊，還是錢的問題。

終會到來的星際飛船

讓我們暫時離開眼前這些庸俗的經濟問題，把目光放得更長遠一些。探索是人類的天性，因此不管航天探索的成本多高，技術障礙有多大，我們終會迎來向外太空探索的那一天。科學家們大多相信，儘管最近的載人航天任務遇到資金問題，但是航天技術終會向前發展，我們會找到可以接受的大規模發射載人航天器的方式。這樣，或許到本世紀末，我們將有可能在火星上，或者在小行星帶中建立前哨站。以便於我們下一步瞄準具體的星球，向其進發。

太空中雖然沒有發射時的逃逸速度這樣一個硬指標，但它的廣闊對推進系統的要求更高。傳統的化學火箭可能需要用大約70000年的時間才能到達最近的恆星。比如，於1977年發射的兩架「旅行者」號宇宙飛船就是在把物體送入深層太空方面創造了世界紀錄。目前，它們已經飛出了170億公里的距離，但這僅僅是到恆星距離的很小一部分。

為了增加星際飛船的速度，科學家殫精竭慮，提出了幾種設計方案和推進系統：

1. 太陽帆

太陽帆是個聽起來有點玄妙的推進系統。它利用了這一事實：儘管光沒有質量，但是它有動量，因此可以施加壓力。來自太陽的光壓非常小，小到用手都無法感覺到，但是，如果有足夠大的帆，我們又有足夠的時間等待，它就能夠驅動星際飛船。要知道，太空中的太陽光強度是地球上太陽光的8倍。

想像一個巨大的太陽帆，它由極薄的但有彈性的塑料製成，寬度達到數公里，直接在外層空間修建。一旦組裝起來，它會慢慢地圍繞太陽旋轉，獲得越來越多的動量。繞太陽旋轉幾年之後，它就旋轉脫離太陽系，到達下一個恆星系。科學家預測，這樣一個太陽帆能夠使飛船的速度達到光速的0.1%（每秒300公里），在400年後就能到達最近的恆星。

為了縮短抵達恆星的必要時間，我們甚至可以給太陽帆增加推進器。一種可能性是在月球上放置一組大型激光裝置。激光束射到帆上，在帆朝著恆星飛行時增加帆的動量。

由太陽帆驅動的宇宙飛船面臨的一個問題是很難停止和轉向，因為光是從太陽向外運動的。一種可能性是使太陽帆的飛行方向倒過來，利用目標恆星的光壓讓飛船減速。另一種可能性是圍繞遠距離恆星飛行，利用該恆星的引力在返回途中產生彈弓效應。還有一種可能性是在衛星上降落，建造激光電池，然後背對恆星光和衛星激光束飛行。但無論哪一種，都會使它的控制顯得笨拙而遲鈍。

這並不止是一個空想。2010年，日本太空開發署成功地發射了「伊卡洛斯」號太陽帆。這是利用太陽帆技術在星際空間發射的第一艘宇宙飛船。該帆呈正方形，對角線長約20米，利用太陽帆推進系統向金星飛行。日本人希望，最終能夠利用太陽帆推進系統向木星發射另一艘飛船。

2. 核火箭

和許多科幻作品一樣，科學家也考慮過用核能驅動星際飛船。只是在上世紀五六十年代的一系列試驗中，有關核火箭的構思基本都以失敗而告終，因為它們太不穩定，太複雜，以至於無法處理。而且我們還在試驗中發現，普通的聚變反應堆不能產生驅動星際飛船的能量。一座典型的核電廠的發電量約為10億瓦，這樣的能量不足以抵達恆星。

有科學家因此提議採用原子彈和氫彈而非反應堆為星際飛船提供動力。比如大名鼎鼎的「獵戶座計劃」提出的火箭是由原子彈爆炸所產生的一連串核衝擊波推進的。星際飛船可以從其後面丟下許多原子彈，產生一系列強大的X射線衝擊波，然後衝擊波會推動星際飛船向前飛行。這是一個一舉兩得的計劃，既可以幫助人類探索外太空，又可以藉機消耗掉地球上那些危險的武器。有物理學家估計，一艘重達800萬噸的飛船開展一次太陽系內的航行，大約需要1000顆氫彈提供動力，這是個相當划算的數字。

只是後來出台的《全面禁止核試驗條約》扼殺了「獵戶座計劃」，該條約禁止實行核武器的地面實驗。沒有了實驗，物理學家無法對項目的設計進行改進，於是只能黯然終止。

3. 衝壓噴氣聚變

有科學家提出了另一個核火箭建議，他把聚變發動機想像成類似普通的噴氣式發動機。衝壓噴氣式發動機吸取前面的空氣，然後與燃料進行內部混合。點燃空氣和燃料混合物後，產生化學爆炸，形成推力。他設想著把相同的基本原理應用於聚變發動機上。衝壓噴氣聚變不吸取空氣，而吸取星際空間到處可見的氫氣。氫氣被電場和磁場擠壓、加熱，直到氫氣融合成氦，這個過程釋放大量的能量，引發爆炸，然後產生推力。由於在外太空在理論上存在著取之不盡的氫氣，因此，我們可以想像得到，衝壓噴氣聚變發動機能夠永久運行。

只是，衝壓噴氣式發動機還面臨著一些問題。比如，由於質子主要存在於星際太空中，所以聚變發動機必須燃燒純氫氣，產生的能量也會隨之削弱不少。要知道，融合氫氣的方法很多。在地球上，最好的方法是融合可以產生大量能量的氘和氚。可是科學家發現外太空中的氫是單個質子，因此，沖壓噴氣式發動機只能用質子融合質子，其產生的能量不如融合氘和氚所產生的能量多。

而更重要的問題是制動和轉向。當衝壓噴氣式發動機一路加速時，它必須受到足夠強大的拖曳力，以防其加速至接近光速。這個拖曳力是星際飛船在經過氫原子場時所遇到的阻力形成的。目前，在我們更好地掌握聚變過程以及太空離子的牽制效應之前，衝壓噴氣式聚變發動機仍然沒有定論。不過，如果能夠解決這些工程設計問題，或許它的問世指日可待。

4. 反物質火箭

另一個可能性是利用宇宙中最強大的能源——反物質，為飛船提供動力。反物質，即物質的對立面，帶有反電荷；比如一個電子帶有負電荷，而反物質的電子（正電子）則帶有正電荷。反物質與普通物質接觸後就會毀滅。科學家計算，一茶匙反物質所具有的能量足以摧毀整個紐約市區。

原則上，反物質可以用作星際飛船火箭的理想燃料。科學家估計，4毫克反物質可以把人類送上火星，100克反物質或許就足夠把人類送上最近的恆星。在相同重量條件下，反物質釋放的能量是火箭燃料的10億倍。這樣一看，反物質發動機似乎很簡單：我們只要把一些反物質粒子穩穩噹噹地放入火箭燃燒室，反物質與普通物質結合，就會發生巨大的爆炸。然後，爆炸氣體從燃燒室一端噴出，形成推力。

但實際上，我們的夢想還很遙遠。到目前為止，物理學家已經能夠製造反電子、反質子和反氫原子，其反電子圍繞反質子旋轉。可是，資金問題再次站到了我們面前。已知唯一的生產大量穩定反物質的方法是利用類似於粒子加速器的原子擊破器，這些設備極其昂貴，而且只能生產小量的反物質。比如，2004年，歐洲核子研究組織的原子擊破器以2000萬美元的代價僅生產出了幾萬億分之一克的反物質。按照這樣的速度，要生產出為星際飛船提供動力的反物質。可能要耗盡地球的全部資金。也許反物質發動機並非一個不著邊際的想法，而是符合物理定律的。但是，在近期看來，建造一台反物質發動機的成本令人望而生畏。

可放眼未來，這一切有可能發生變化。反物質之所以如此昂貴的原因之一，是生產反物質的原子擊破器非常昂貴。然而，這些原子擊破器都是多用途設備，其設計目的是生產奇異的亞原子粒子，不是用於生產被大家熟知的反物質粒子。它們只是研究工具，不是商業設備。可以想像，如果我們能設計出可以生產大量反物質的新型原子擊破器，那麼其成本就會大幅度下降。因此，大量製造這些設備，就有可能製造出大量的反物質。有專家認為，反物質的成本可能最終降到每毫克5000美元，這已經是一個相當誘人的價格了。

另一種可能性是在外層太空中尋找一顆反物質隕星。如果能找到這樣一顆隕星，我們就可以為星際飛船提供足夠的能量。如果能在太空找到大量反物質，那麼我們就能設想採用大型電磁網收集反物質，用來做我們探索更遠地區的燃料。

儘管我們可以肯定反物質星際火箭符合物理定律，但是，也許要到本世紀末才可以降低其成本。如果可以做到這一點，那麼，我們大家就有望看到用於推動星際飛船的反物質火箭誕生的那一天。

5. 納米飛船

說起星際飛船，我們會直觀地想到一個充滿了最新高科技的、巨大的、未來的形象。可是在科幻小說《三體》中，維德的那句「只送大腦」卻為我們指出了另外一條道路：也許，我們並不需要在飛船上搭載那麼多東西，自然也不需要做出那麼大的飛船。

一種可能性是利用納米技術製造一艘小型星際飛船，它也許不比一個針頭大，甚至更小。理論上，星際飛船的基本功能是有可能被納米技術小型化的，這樣，我們就可以把數以百萬計的微型納米飛船送上附近的行星，不過只有其中的一小部分能真正抵達恆星。—旦它們到達附近的恆星，它們就會建造一個工廠，無限制地自我複製。

有科學家認為，在探索方面，小型納米飛船並不比專業宇航員遜色。小而強大的納米級設備運輸簡便。很容易被送到與我們相鄰的恆星和衛星大氣層的表面或表面之下，以至進入大氣層……我們甚至可以推斷出進行星際探索的可能性。

在自然界，我們也可以找到類似的案例。晡乳動物僅生育少許後代，並確保它們大多成活。昆蟲能夠生育大量後代，僅極少部分可以成活。兩種不同的方法都能夠讓這兩個物種生存數百萬年之久。同樣的道理，我們不向恆星發送單一的、昂貴的星際飛船，而是發送數百萬艘小型星際飛船，每艘花費不多而且不消耗太多的火箭燃料。

科學家把成群動物稱為「超個體」，即似乎具有自己的智慧的群集動物，不受任何單個個體能力的影響。他們希望借鑒自然界中的這些經驗，設計成群的機器人，有朝一日讓它們完成通向其他行星和恆星之旅。

納米飛船的另一個優勢是，只要非常少的燃料就能把它們送入太空。以令人難以置信的速度把微型物體送入太空相對容易，不需要使用大型助推火箭就能達到足夠的逃逸速度。實際上，利用普通的電場就能很容易地以接近光速的速度發射亞原子粒子。納米粒子攜帶較小電荷，用電場很容易加速。這樣一來，我們無須使用大量能源就把一個探測器送上另一顆衛星或行星，單個探測器也許能夠進行自我複製，建造整個工廠甚至衛星基地。然後，這些自我複製的探測器點火起飛，對其他世界進行探測。這也許並沒有直接解決人類如何向外太空探索的問題，但這樣建立起來的衛星基地卻能為我們的探索提供難以想像的幫助。

星際旅行，太空移民？

100年後，可能我們巳經把宇航員送上火星和小行星帶，也完成了對木星衛星的探測，開始把探測器送到其他恆星系中。距離真正意義上的恆星級星際航行，又大大邁進了一步。但不管是你還是我，在那時候或許都已經不存在了。至於離開地球，太空移民，那更是遙遙無期。

其實不難想像，也許在我們將來去世後的很長時間都不可能建造出真正的恆星間移動的星際飛船。我們現在談論星際探索，只是談論著一個夢，一個讓我們跳出現實生活，看得更遠的夢。就像NASA發言人在回答記者提問時所說的：「在發現了地球的孿生星球後，我們想到的第一步總是找到答案，看看我們是否孤單。雖然我們也許不可能去這些行星旅行，但我們的後代子孫會去」。

我們現在的所有發現和想像都是為了未來，相信未來總有一天會到達。好奇與期待，這正是科學賦予我們的最美好的人生意義！

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