Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 我们会抵达恒星吗？（一）
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月01日17:36:44 星期天), 站内信件


“太空茫茫，横无际涯。你简直无法想象它多么 
　　辽阔，巨大，浩瀚。你会认为成为化学家要走过一段 
　　漫长的道路，与太空相比，这太微不足道了。” 
　　——道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams） 
　　 《搭车人银河系指南》 

　　宇宙茫茫，浩瀚无垠。事实上，我们绝大多数人根本无法去 
想象宇宙究竟有多大。许多人混淆了行星际距离、恒星之间的距 
离，他们无法想象星系之间难以想象的间距。 

　　评论员们经常把我们太阳系称做“外层空间”。这种说法实 
际上是荒谬的。顾名思义，我们的太阳系是当地的一个行星家族。 
它所有的行星都在不同的距离上环绕太阳转动。水星最靠近太阳， 
平均距离为4500万千米，冥王星离太阳最远，距离太阳大约d亿 
千米。①地球，还有水星、金星和火星被称做内层行星，而木星、 
土星、天王星、海王星和冥王星称为外层行星。 

　　现在，说起上亿千米令人咋舌。这种距离对我们今日而言确 
实相当惊人。其实，我们太阳系的大小与星际旅行的距离相比实 
在是微不足道。让我们作个比拟。设想一个气泡，比方说，直径 
3~ 4厘米。再想象这个气泡是一群微小生物的家，它们就生长死 
亡在这个气泡里。现在假想这个气泡随溪水流人河流再汇人大海， 
最后落在太平洋当中。这就好比我们太阳系的大小（气泡）在我 
们这个星系——银河系（整个太平洋）里的情况。现在再来想象 
那些小得难以置信的生物（它们的整个太阳系就在气泡里面）， 
正试图抵达大洋里某个地方的另一个气泡，比方说，距离它5千 
米以外。这就相当于我们旅行到距离最近的恒星那儿去，它距离 
我们地球大约4光年。 

　　这个类比旨在说明恒星之间的距离要比行星之间的距离大得 
多。星系之间，进而是星系家族（或者星系团）之间的间隔，乃 
至整个宇宙的规模，按比例而言更是巨大无比。 

　　星际旅行（我们极有希望有朝一日能够掌握这种技术）的主 
要问题在于距离、时间和能源。由于恒星之间的距离大得难以想 
象，星际旅行所需的时间相应地就很长久，任何可望克服这一限 
制的系统都需要对我们而言大得切实际的巨额能量。 

　　问题始于爱因斯坦的狭义相对论。它发表于1905年，当时爱 
因斯坦正在位于伯尔尼的瑞士专利局工作。狭义相对论引用了两 
个早已公认的科学原理，得出了另外一个原理。这个原理被许多 
科学家和不是科学家的人认为是整个科学世界里最不可思议的创 
见。 

　　这些原理的第一条来自牛顿的研究成果。牛顿在17世纪80年 
代证明，对任何相对于另一观测者作匀速运动的观测者来说，物 
理定律相同。因此，如果一辆汽车里的司机和乘客在另一辆车旁 
行驶（或者相对行驶），两辆车都以均匀的速度前行，那么两辆 
车里的司机和乘客所见的宇宙运动变化的方式便彼此相同。这看 
似浅显，却包含了重要的结果。 
第二个事实是在比较近的时间得出的：光在真空中的速度始 
终保持不变。这个速度用符号“c”来表示，等于每小时10亿千 
米有余。更为重要的是，它与观测者的速度无关。 

　　根据常识，如果飞船A以0．75c的速度朝一个方向运动，飞 
船B从对面方向飞来，速度也是0．75c，那么它们的相对速度应 
为1．5c。但实际上却不是这样。根据爱因斯坦的公式，两艘飞 
船上的人会看见对面的飞船，但速度不是光速的1. 5倍而是略小 
于1c（确切地说应为0．96c）。 

　　这一令人吃惊的结果是：如果c是常数，那么时间和空间必 
须是相对的。换言之，如果飞船A和飞船B上的乘客看见光以恒速 
从对面传来，不管他们自己的飞船速度快慢如何，他们必须用不 
同的方法来测量时间——因此，当他们飞行速度加快时，时间减 
缓了。此外，由于距离、时间和速度全是互相关联的，所以如果 
时间减慢，那么距离的特性对飞行速度不同的观测者来说不可能 
相同。换言之，在此情况下，如果我们改变时间，那么按照逻辑 
推理，测量结果也必然会改变。旅行速度越快，距离就变得越短 
——1米的长度将根据观测者的速度而变化。观测者运动的速度 
越快，距离就越短。最后，观测者运动的速度越快，他的质量就 
变得越大。 

　　所有这些的最终结果是：如果观测者能够以光速旅行，他们 
就会经历三件事——时间变慢到停滞，他们缩小到没有了，而他 
们的质量却变得无穷大！ 

　　这决不是疯狂的理论或者没有丝毫根据的伪妄之说。爱因斯 
坦的狭义相对论自1905年以来，已经被成千上万次实验所证实。 
你也许会问，为什么以前没有人想到这个呢？为什么牛顿没有认 
识到爱因斯坦推论出来的原理呢？也许，更重要的是，当我们在 
高速路上行进时，爷爷怎么没有突然变得像大象那么重，当人们 
站在路旁或以不同的速度运动时，大家的手表怎么始终显示同样 
的时间呢？ 

　　这些问题的答案在于它们与速度的大小有关。我们之所以在 
日常生活中没有注意到这种现象，是因为运动的速度还不够快。 
如果牛顿想到以接近光速的速度旅行的话，他也许在17世纪就推 
论出相对论了。但是，当时连光速的大小也不知道，所以我认为 
牛顿是可以原谅的。 

　　最近在一艘飞船上进行的一项实验说明了狭义相对论的结果， 
显示当速度较慢时这种效应多么微小。即使以每秒钟5英里（约8 
千米）这样不算很慢的速度在轨道上旅行，飞船上钟摆的节律也 
仅比地球上的钟慢不到千万分之一秒。 

　　我们目前能够达到最接近光速的速度，不是用像宇宙飞船这 
样庞大的物体得到的，而是用单个基本粒子获得的。在日内瓦附 
近的欧洲核子研究中心和芝加哥的费米实验室的巨大粒子加速器 
里，将亚原子粒子加速到接近光速，结果发现它们的质量增加恰 
如爱因斯坦的计算推测的那么大。 

　　所以，爱因斯坦的这条定律，即没有任何物体能以光速旅行 
乃是无可辩驳的法则——它是我们宇宙中的活生生的事实。因此， 
我们有朝一日有望飞越星际距离的方法，要么是以与爱因斯坦的 
理论不相冲突的速度旅行，要么发明某种绕过相对论而又不破坏 
其法则的巧妙旅行方法——人类在过去已证明自己擅长于此。 

　　首先，我们考虑一下我们有朝一日能够以亚光速在恒星之间 
旅行。 

　　在一个世纪的大部分时间里，这种可能性一直是科幻小说的 
主题之一。最近几十年来，越来越多的科学家在考虑这种可能性。 
对于大多数航天工程师和空间科学家来说，这是我们或宇宙中可 
能存在的任何其他文明能够跨越星际距离的唯一切实可行的方法。 

　　所有常规的空间推进系统（这里我指的是不利用空间本身的 
某些奇异特性——诸如卷曲或蛀洞——的发动机），必须符合牛 
顿的第三运动定律。这条定律是：“所有的作用力都存在一个大 
小相等、方向相反的反作用力。”在这方面，飞船与喷气式飞机 
或气垫船没什么两样。喷气机尾部喷射燃气，推动飞机往前进— 
—原理很简单。对星际探索者来说，困难不在于这一系统本身， 
而是一个量值问题。要在一个人的有生之年抵达最近的恒星，飞 
船必须由一个强大的装置提供必要的加速度。 

　　迄今为止，我们研究出来的空间交通工具全都采用化学推进 
——把燃料混合在一起反应产生能量，喷射注入发动机一端的很 
小的小孔，推动飞船向前进。这与喷气机的推进原理大同小异。 

　　我们制造的空间交通工具的最大能量需求是逃离地球引力所 
需的能量——要达到所谓的逃逸速度（从地球逃逸的速度大约为 
11千米／秒）。这是“土星5号”火箭运送有效负载进人地球轨 
道，顺利实现抵达月球的第一步所需的能量，或者说是将航天飞 
机或“阿利亚娜号”火箭以及它们的有效负载送人轨道所需要的 
能量。一旦进人太空，那里几乎呈真空状态，引力也弱得多，事 
情就好办多了，例如飞往月球的阿波罗飞船一旦进人轨道，就只 
需要相对较小的发动机和推进器从它们的排气口排出热气，调节 
航线就行了。不然的话，飞船将完全任凭地球大气层外的引力摆 
布。 

　　这种形式的推进代表我们今天的水平。一些无人驾驶的飞船 
利用太阳能或小型核反应器产生能量发动飞船上的机器，但化学 
能目前仍然是推进系统的主要能源形式。尽管如此，下一步更精 
湛的技术水平——很可能就在不远的将来——将是某种形式的人 
工操纵的裂变动力装置宇宙飞船发动机。 

　　核裂变是地面核反应堆和核潜艇的动力源，是最早的原子弹 
爆炸释放巨大能量的罪魁祸首。当大量不稳定的原子核衰变时， 
我们就说它们经历了核裂变，结果是释放出能量。这一能量的大 
小取决于发生裂变的材料的质量大小。这可以用堪称历史上最著 
名的公式计算出来（也是爱因斯坦导出的）：E＝mc2，其中m等 
于物质的质量，而c为光速。 

　　核裂变是我们今天掌握的、能够控制的最强大的能源。它在 
生产供家庭、办公室和工厂用电的能源中所占的百分比日益增加。 
虽然它有一定的危险性，特别是其废料（主要是钚239，它的半 
衰期为 24 000年）。②尽管发生灾难事件的风险始终伴随着核 
裂变，它却是一种非常适用的有潜力的能源。由于核裂变永远无 
法满足在恒星之间实际旅行所需的巨大能量，因此在关于空间飞 
行能源需求的探讨中，核裂变只能在其起步阶段——行星之间旅 
行时起重要作用。 

　　让我们回到气泡的比拟上来。核裂变可以帮助生活在气泡中 
的微小生物抵达气泡里面的任何地方，但是，如果它们想要越过 
海洋抵达另一个气泡，核裂变的价值就很有限了。如果它们漂浮 
在什么地方（比方说斐济附近），却要抵达美国，那么核裂变就 
彻底地无济于事了。 

　　即使在我们太阳系以内旅行，采用核裂变也决不是一蹴而就 
的事。发动飞船所需的燃料量非常之大，使飞船几乎没有可载人 
或装货的地方。此外，一旦发生事故，就像前苏联的切尔诺贝利 
核电站（1986年8月6日出事爆炸，后果严重）事件那样，核能的 
潜在致命射线更增加了空间旅行的危险。不妨想象一下，运气不 
佳的航天飞机“挑战者号”把核原料运到轨道上，作为一架正在 
建造的飞往火星的大飞船的能源。尽管可以研究出比较安全地运 
输到轨道的技术，但多数人肯定会对这种计划感到不舒服。 

　　一种更加强大的核能形式来自所谓的核聚变过程。早在1989 
年，两位科学家，弗莱施曼（Martin Fleischamnn）和庞斯 
（Stanley Pons）宣布他们发明了一种称作“冷聚变”的技术。 
它只需一对电极和一些装在罐里的普通化学试剂就行了。消息传 
来，人们为之兴奋不已。不幸的是，他们的实验证明是不可重复 
的，人们的注意力再度回到研究核聚变的常规努力上来。 

　　聚变机制是太阳或任何恒星的动力源。在实验室里，聚变过 
程把像氘和氚（它们是氢的重同位素）这种小的原子核聚合在一 
起，产生巨额的能量。③ 
在几乎长达50年的时间里，科学家一直致力于研究核聚变— 
—至今只取得了很有限的成功。核聚变有许多工作要做。它是一 
种相对说来比较洁净的能源，因为它不使用像铀238这样危险的 
放射性元素。铀238在现代快中子增殖反应堆里转变成钚239，它 
具有产生远比核裂变的能量大得多的潜力。这些是该系统的优点， 
不利之处是如何控制和效率的问题。 

　　要产生核聚变，温度必须达到1000万摄氏度左右（相当于太 
阳核心的温度），这样才能迫使带正电荷的原子核克服它们之间 
的静电排斥力。这种聚变物质以过热等离子体的形式存在。它无 
法保存在任何形式的物理容器里。此外，迄今引起聚变所需要的 
能量比由此获得的能量还要远远大得多，这就意味着目前它的效 
率是负的。 

　　尽管有这一条公认的严重缺点，核物理学家还是希望能在不 
远的将来解决这个问题。核聚变被视作最有希望解决日渐严峻的 
地球资源危机的方法。可惜，即便是这一能源对于从地球出发的 
恒星际旅行者来说用途也很有限。即使要达到光速的某个很小的 
百分比，所需的聚变材料数量也大得惊人，根本无法实现。 

　　据计算，要使一艘飞船加速到光速的5％所需的燃料几乎是 
其质量的8倍。这还只是加速一次。如果飞船要停靠在目的地， 
它将需要使用更多的燃料——整个质量再增大4倍。如果我们假 
设往外飞行使用了一半燃料（质量为飞船生活舱和货舱质量的4 
倍），另外还需要4倍于飞船质量的燃料。那么一次起飞和停泊 
就需要[8×4×飞船主体质量（不包括燃料）]——或者说生活 
舱加货舱质量32倍的燃料。 
绕过这个问题的一种可能的方法是采用聚变冲压式喷气发动 
机。虽然我们把太空视为完全真空的，但实际上它含有氢原子， 
它们稀疏地分布在恒星和行星之间。因此从理论上说，可以建造 
一艘宇宙飞船，其一端附有很大的扇斗，收集氢原子作为燃料。 

　　乍一看这个设计似乎根本不切实际。因为氢的分布非常稀薄 
——太空中的物质太少，不能产生足够的动力。但是，假如飞船 
运动得非常快，它就会像人在小雨中奔跑那样，淋得湿透，因为 
他们一面奔跑一边迎着雨滴。或者说，像大海鲸一样一边游泳一 
边吞食浮游生物。这样的交通工具看上去很笨拙，却能够为自己 
提供动力，并以对行星际旅行来说相当可观的速度飞行。 

　　因此，核聚变被视为我们有朝一日在太阳系的行星之间定期 
旅行时最有可能采取的方法——假如控制和能源效率的 
问题能够解决的话。它是一种适合在行星之间旅行时（要求 
速度在每小时几十万千米）使用的燃料，使我们能够在几星期内 
到达火星。但是，正如我们前面所述，行星之间的距离（在气泡 
里旅行）与恒星之间的距离（在大海中旅行）是不可同日而语的。 
利用聚变动力达到的速度，比方说，250 000千米／小时，我们 
可以在2年左右的时间里到达我们太阳系的外缘。而要到离我们 
最近的恒星则需要1000代人的时间才能完成单程旅行。即使这一 
相对说来很平常的速度要维持这么长的时间，单是燃料需求就使 
它绝无可能了。 

　　除了比较常规的关于使用原子能的想法——核裂变和核聚变 
都算在内，在近几十年里还有过几次试图发明不同寻常的系统， 
以利用核技术（归根结底，核技术是我们掌握的最先进的能源） 
来产生高速度的尝试。其中之一是想利用核爆炸的能量来推动飞 
船向前进。 

　　有人设计一种从理论上考虑的称做“奥利安”（Orion）的 
飞船，它利用一组热核弹头，分别以每3秒钟一次的频率从飞船 
的后面推动。爆炸将产生一种热离子，它冲击所谓的“推进板”， 
推动飞船向前进。虽然这种方案还是在我们太阳系的范围内进行 
核爆炸（假设确有办法使这种装置非常安全的话），估计这一系 
统的效果最多可望达到光速的3％（2500万千米／小时）。要获 
得这一速度，几乎需要300000枚一吨级的炸弹，这就使它几乎完 
全不切实际了。 

　　这些尝试中比较有希望的，可能是利用所谓反物质的奇特材 
料。 

　　宇宙中所有的物质都是由原子组成的。这些原子又由被称作 
亚原子粒子的物质——中子和质子构成，它们全都存在于原子核 
中，而电子则包围着原子核。这在20世纪初就已广为人知。这应 
归功于诸如卢瑟福（Ernest Rutherfold）、查德威克（James 
Chadwich）、普朗克（Max Plank）和其他先驱者的研究。20世 
纪另外一位有影响的富有创新精神的物理学家狄拉克（Paul 
Dirac），在1929年预言所有已知的亚原子粒子都有特性相反的 
对应物。④它们被称为反粒子。 

　　电子带负电荷，反电子（或正电子）具有相同的质量但是带 
正电荷。一个反质子是带负电的。像质子一样，它存在于可被设 
想为反原子的原子核里。但是对未来星际发动机工程师和设计师 
来说，最重要的是当物质和反物质互相接触时，它们立即互相湮 
灭同时产生能量。 

　　在狄拉克时代，反物质只不过是一个理论概念，是他把量子 
力学、电磁学和相对论的数学公式组合在一起时突然冒出来的。 
因为它与物质一接触立即就湮灭了，所以在我们的宇宙中没有发 
现自然状态的反物质；也一直无法通过实验来捕获它，直到最近 
才有突破。今天，我们可以在粒子加速器里制造小批量的反物质 
了。 

　　要制造一个反质子，要把“正常的”质子送人粒子加速器环 
里旋转。在加速器里，它们在强磁场中被加速，直到速度达到光 
速的50％。然后，让它们与金属原子核相碰撞。这一过程产生粒 
子和反粒子对（以及X射线和各种其他形式的能量）。然后，在 
反质子和质子互相作用并彼此湮灭之前，将反质子与质子分离开 
来。 

　　然而，如此难于驾驭的稀有物质，怎么样才能用作推进剂呢？ 
显然，要利用这种资源，我们必须要能控制粒子和反粒子的互相 
湮灭，并且利用这一过程产生的能量作为飞船的能源。实际上， 
这样一个系统的简单装备早已在设计之中。其想法是将微量反物 
质射人一个注满氢的中空的钨砖块里。粒子立即湮灭，释放的能 
量使钨块加热。然后冷氢被挤压至该装置的中心，在那里被迅速 
地加热到3000K，从发动机喷射出去，推动飞船前进。 

　　反物质驱动的最大优点是只需很少的燃料即可产生有效的加 
速度。最大的欠缺在于生产足够使用的反物质所遇到的困难。目 
前在全球的粒子加速器里用以产生反物质的能量只有十万分之六 
以获得粒子而告终。所以，它的制造效率低得可怜，它目前的市 
场价值约为每一克 10 000 000 000 000 000美元（每克1亿亿美 
元）。 

　　要利用反粒子，我们还会遇到防护容器的问题。就像核聚变 
产生的超热等离子体一样，必须发明特殊的磁防护容器系统防止 
反物质在使用之前就与物质发生相互反应。 

　　这些困难都不足以阻止高级的文明——我们未来的文明，或 
银河系内外的其他高级文明使用反物质。我们只要回顾一下我们 
自己的技术发展就会明白没有什么技术问题是不可逾越的。第一 
次世界大战后不久，卢瑟福发现某些原子的核可以通过轰击而分 
解。在稍多于四分之一个世纪的时间里，这项研究成果导致广岛 
和长崎的原子弹爆炸。再想一想牛顿时代，自然哲学家们要想象 
控制“土星Ⅴ号”火箭的威力，或者设计一架喷气式发动机有多 
困难就行了。 

　　就目前的技术水平而言，反物质实在太昂贵，无法生产。但 
是，这些技术问题在未来二三十年里肯定可以解决。如果我们视 
野开阔些——相对于文明延续的时间以及高级文明在其他星球上 
可能经历的年代而言，二三十年的时间实在算不了什么。回顾人 
类千年来的历史，从第一颗原子弹到掌握反物质发动机之间只不 
过是弹指一瞬间。对其他文明来说，情况可能也一样。 

　　选择反物质推进系统为行星际旅行提供了希望。然而，即使 
我们充分认识到这种技术的潜能，我们仍然不能绕过宇宙的自然 
法则，仍将受到光速的限制，停留在亚光速上。这就意味着星际 
旅行者要么接受以接近光速的速度旅行（对访问许多星球和在那 
儿实行殖民的目的来说这一速度还是很慢的），要么以更慢的速 
度，因而花费更长的时间到达太阳系以外的地方。 

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