建造星际飞船的秘籍

本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：加尔道雄

如果让任何孩子想象一艘星际飞船,他们都会说出一些像《星际迷航》中的企业号或《星球大战》的千年隼号的飞船——它们能以比光速还快的速度穿越星系，甚至能在时空隧道中穿梭，在超太空中快速移动。

现实地说，我们的第一艘星际飞船可能不是载人飞船，也可能不是电影中设想的那种巨大的流线型飞行器。事实上，它们可能不比一张邮票大。2016年，一个名为“突破摄星”的项目震惊了世界。该项目旨在开发纳米飞船，将复杂的芯片置于由地球上许多高能激光束驱动的帆上。

脸书的创始人马克·扎克伯格曾公开支持“突破摄星”，俄罗斯投资者、前物理学家尤里·米尔纳个人承诺投资1亿美元。现在看来，纳米飞船已经不仅仅是一个想法了。但是，在全面执行这个项目之前，有几个障碍是我们必须予以考虑的。

反物质飞船

第五次技术浪潮（包括反物质引擎、光帆、聚变发动机和纳米飞船）都可能为星际飞船的设计开辟令人振奋的新领域。就如《星际迷航》中描述的那样，反物质发动机可能会成为现实。它们将利用宇宙中最大的能量来源，即通过物质和反物质碰撞将物质直接转化为能量。

反物质是物质的对立面，这意味着它具有相反的带电量。反电子带正电，而反质子带负电。

当物质和反物质发生碰撞时，它们会被湮灭形成纯粹的能量，所以碰撞反应释放能量的效率是100%。相比之下，核武器的效率只有1%，而氢弹内部的大部分能量都被浪费了。

反物质火箭的设计相当简单。反物质被储存在安全的容器中，并被稳定地输入一个室腔。它会与室腔的普通物质混合并爆炸，发出伽马射线和X射线。然后，能量将通过室腔的排气孔排出，推力就产生了。

美国正在研究反物质太空船以正电子为燃料6周可达火星（图片来源：中国经济网）

正如詹姆斯·本福德对我说的，反物质火箭是科幻小说迷最喜欢的概念，但建造反物质火箭存在严重问题。

首先，反物质是自然产生的，但数量相对较少，因此我们必须制造大量反物质用于发动机。反氢原子中一个反电子围绕着一个反质子运动。第一个这样的原子在1995年诞生于瑞士日内瓦的CREN（欧洲核子研究组织）。

一束普通的质子被制造出来并打向一个由普通物质组成的靶子，这样的碰撞产生了一些反质子粒子。巨大的磁场通过让质子和反质子偏转到不同方向把它们区分开来——一个向右偏转，另一个向左偏转。随后，反质子减速并被储存在磁阱中，与反电子结合形成反氢原子。2016年，CERN的物理学家使用了反氢原子，并分析了环绕反质子的反电子壳层。正如预料中的，他们在反氢原子与普通氢的能级之间发现了精确的对应关系。

CERN的科学家宣布：“如果我们能把在CERN制造的所有反物质聚集起来，并将其与物质湮灭，就有足够的能量使一个灯泡点亮几分钟。”火箭需要更多反物质。

此外，反物质是世界上最昂贵的物质形式。按照今天的物价，1克反物质的价格约为70万亿美元。目前，它只能由粒子加速器（数量非常少）制造出来，而粒子加速器的制造和运行成本极高。欧洲核子研究组织的大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的粒子加速器，其造价超过100亿美元，但它只能产生一束非常细的反物质束。如果用对撞机为星际飞船积累足够燃料，那将会使美国破产。

如今，这种巨型原子撞击器被用于各种目的，但纯粹作为研究工具使用，在反物质的制造方面效用极低。针对一部分问题的解决方案可能是建立专门生产反物质的工厂。NASA的哈罗德·格里什认为，在这种情况下，反物质的成本能下降到每克50亿美元。

储存问题带来了另一个困难和巨额费用。如果把反物质装在瓶子里，它迟早会撞到瓶子的墙壁上，进而把容器湮灭。正确地储存它需要彭宁陷阱a。这些陷阱将利用磁场使反物质的原子处于悬浮状态，防止它们与容器接触。

在科幻小说中，成本和存储问题有时会因为发现了一颗天外救星而解决——这颗反小行星让我们能廉价地开采反物质。但这个假设提出了一个复杂的问题：反物质从哪儿来？

我们用仪器在外太空看到的任何地方都是物质，而不是反物质。我们知道这一点是因为电子与反电子的碰撞释放的最小能量为102万电子伏。这就是反物质碰撞的印迹。但是当我们研究宇宙的时候，几乎没有发现这种类型的辐射。我们看到周围的大部分宇宙都是由同样的普通物质组成的。

物理学家认为，在大爆炸的瞬间，宇宙是完全对称的，物质和反物质的数量是相等的。如果是这样，这两者之间的湮灭将是完美和完整的，宇宙应该是由纯辐射构成的。然而，我们却由本不应该存在的物质构成。我们的存在恰恰否定了现代物理学。

（图片来源：veer）

我们还没有弄明白为什么宇宙中物质比反物质更多。在早期宇宙中，只有一百亿分之一的原始物质在那次爆炸中幸存下来，而我们就是其中的一部分。主流理论认为，在大爆炸过程中，物质和反物质的完美对称被打破了，但我们不知道它是什么。诺贝尔奖正等待着富有进取心的人来提示这个问题。

对于任何想建造星际飞船的人来说，反物质发动机是非常重要的。但是反物质的性质我们几乎完全不了解。例如，我们不知道它“落下”的方向是朝上还是朝下。现代物理学预测它会像普通物质一样向下坠落。如果是这样，那么反重力就不可能存在了。然而，这一点和其他很多问题一样，从未被验证过。基于成本和我们有限的理解，到22世纪，反物质火箭可能仍是一个梦想，除非我们恰巧找到一个在太空漂流的反小行星。

星际飞船的问题

需要强调的是，到目前为止提到的所有星际飞船都面临着以接近光速飞行带来的其他问题。

小行星碰撞会带来很大的风险，即使是很小的小行星也会穿透飞船船体。正如我们提到的，航天飞机因为宇宙碎片而伤痕累累，这些碎片很可能以绕地轨道的速度，也就是每小时1.8万英里的速度撞击航天飞机。然而，在接近光速的情况下，撞击的速度可能是那个速度的好多倍，会把飞船撞得粉碎。

在电影中，这种危险被强大的力场化解了，这个力场可以轻易地击退所有的微陨石。但不幸的是，这只存在于科幻作家的大脑中。在现实中，确实可以制造电场和磁场，但即使是不带电的家居物品，如塑料、木头和石膏，也可以很轻易地穿透它们。在外太空，由于微小的微陨石是不带电的，所以不能被电场和磁场偏转。引力场具有吸引力但非常微弱，所以它们不适合作为我们需要的斥力场。

制动是另一个挑战。如果你以接近光速的速度在太空快速穿梭，当到达目的地时该如何减速呢?太阳和激光帆利用太阳能或激光束来飞行，而这些光束不能被用来为星际飞船减速，所以它们可能主要用于飞掠任务。

也许制动核能火箭的最好办法是让它们调转180度，这样推力就会产生在相反的方向。然而，这种策略将消耗约一半的推力来达到目标速度，另一半推力则用来减慢火箭的速度。对于太阳帆来说，也许可以反转船帆，用目的地恒星发出的光来减慢宇宙飞船的速度。

（图片来源：pyjt.gov.cn）

另一个问题是，大多数能够搭载宇航员的星际飞船都很笨重，只能在外太空组装。为了将建筑材料送入轨道，需要进行几十次太空任务，并进行更多次任务来组装飞船。为了使费用不会过高，必须设计出一种更经济的方法完成太空发射任务。这就是太空电梯可能派上用场的地方。

太空电梯

太空电梯将是纳米技术的一种革命性应用。太空电梯是一条从地球延伸到外太空的长杆。你可以进入电梯，按下上升按钮，然后被迅速送入轨道。因此当助推器火箭从发射台发射时，你也不用忍受超重力的痛苦。相反，你的太空之旅就像乘坐电梯到百货公司的顶层一样轻松。就像杰克的豌豆一样，太空电梯似乎可以对抗重力，并提供一种轻松进入太空的方式。

俄罗斯物理学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基首次论证了太空电梯的可能性。19世纪80年代，他受到埃菲尔铁塔的启发。他问自己，如果工程师能够建造这样庞大的结构，为什么不继续往外太空延伸，再建一个呢？他能利用简单的物理原理证明，原则上，如果塔足够长，那么离心力就足以使塔保持直立而无须任何外力。就像绳子上的球因为旋转不会掉到地板上一样，地球自转的离心力也可以保证太空电梯不会倒塌。

火箭可能不是进入太空的唯一途径，这个想法是大胆激进而又令人兴奋的。但这马上就出现了障碍。太空电梯线缆上的张力可能会达到1000亿帕斯卡，这超过了钢的断裂点——20亿帕斯卡。因此钢缆会断裂，太空电梯会掉下来。

太空电梯的概念被搁置了近100年。阿瑟·克拉克等作家偶尔会提到它们。克拉克把它们写进了小说《天堂的喷泉》中。然而，当被问及太空电梯何时能实现时，他回答说：“大概在大家都停止取笑它之后的50年左右。”

但是没有人再笑了。突然之间，太空电梯似乎不再那么遥不可及了。

1999年，NASA的一项初步研究评估了一架配有3英尺宽、30英里长的线缆的电梯，预计其可以载重15吨。2013年，国际宇航科学院发布了一份长达350页的报告，认为如果有足够的资金和研究，到2035年就有可能建成一个有效载荷为20吨的若干倍的太空电梯。估计其价格通常在100亿到500亿美元之间，这只是飞往国际空间站的花费——1500亿美元的一小部分。与此同时，太空电梯将有效载荷送入太空的成本降低了5%。

太空电梯设想

问题不再出现在基础物理学上，而是出现在工程学上。现在科学家正在进行认真的计算，以确定是否可以由纯碳纳米管制造太空电梯线缆，因为这些碳纳米管强度非常大，不会断裂。但是，我们能否制造出足够长的纳米管，一直延伸到数千英里外的太空中呢？从目前看，答案是否定的。制造长度超过1厘米的纯碳纳米管难度极大。你可能听说过已经可以制造出长达几英尺的纳米管，但它们实际由复合材料制成。它们由压缩成纤维的纯碳纳米管的细丝组成，失去了纯纳米管的奇妙性质。

为了激发人们对太空电梯等项目的兴趣，NASA推出了“百年挑战计划”，激励那些为太空项目发明先进技术的宇航员业余人士。

它曾举办过一场竞赛，要求参赛者提交一款微型电梯雏形的部件。在我主持的一个电视特别节目中，我跟随一群年轻的工程师参加了这项比赛。他们相信太空电梯将使普通人也能升入天堂。我看着他们用激光束把一个小胶囊沿着一根长长的电缆向上移动。我们的电视特别节目试图展现新一代工程师的热情，他们渴望建设未来。

太空电梯将彻底改变我们进入外太空的方式。外太空将不再是宇航员和军事飞行员的专属领地，而会成为儿童和家庭的乐园。它们将为太空旅行和工业提供一种有效的新方法，并使在地外组装包括星际飞船在内的复杂机器成为可能，包括那些能像光一样快的飞船。

但现实地说，考虑到我们面临的巨大工程问题，太空电梯可能要到21世纪末才能实现。

曲速引擎

一天，一个男孩读了一本儿童读物，改变了世界历史。那是1895年，城市刚开始通电。为了理解这个奇怪的新现象，男孩拿起了阿龙·伯恩斯坦所著的《自然科学通俗读本》。在这本书中，作者让读者想象自己在一根有电流的电线旁骑行。男孩想知道，如果用一束光代替电流会有什么后果。他能超过光速吗?他推断，既然光是一种波，光束就会看起来静止不动，被时间冻结。但即使在16岁时，他也意识到从来没有人见过静止的光波。在接下来的十年里，他一直在苦苦思索这个问题。

1905年，他终于找到了答案。他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦，他的理论被称为狭义相对论。他发现人们无法超越光速，因为光速是宇宙中的终极速度。速度一旦接近光速，就会发生奇怪的事情。你的火箭会变得更重，火箭里面的时间会变慢。如果你以某种方式达到光速，你会变得无限沉重，时间也会停止。这样看，这两个条件都是不可能实现的，这意味着你不能打破光的屏障。爱因斯坦好似成了宇宙街区的警察，设定了宇宙的终极速度极限。从那以后，这种障碍一直困扰着一代又一代的火箭科学家。

（图片来源：5156edu.com）

但是爱因斯坦并不满意。虽然相对论可以解释许多光的奥秘，但他还想把他的理论应用到引力上。1915年，他提出了一个惊人的解释。他认为曾经被视作惯性和静态的空间和时间，实际上是动态的，就像可以弯曲、拉伸或弯曲的光滑床单。根据他的假设，地球不是因为受到太阳引力的吸引而围绕太阳运动，而是因为太阳使其周围的空间弯曲而使地球围绕其转动。时空结构推动地球围绕太阳以弯曲的路径运动。简单地说，运动不是因为引力的拉动。相反，是因为空间的推动。

莎士比亚曾经说过，世界是一个舞台，我们是在舞台上出入的演员。把时空也想象成一个舞台。它曾经被认为是静态、扁平和绝对的，时钟在时空表面以均匀的速率运转。但在爱因斯坦的宇宙中，这个舞台是可以弯曲的。时钟以不同的速率运转。演员不可能在舞台上走过而不跌倒。他们也许会认为是一种不可见的“力量”把他们拉向不同的方向，而实际上却是弯曲的舞台推着他们。

爱因斯坦还意识到他的广义相对论有一个漏洞。恒星越大，围绕它的时空扭曲就越大。如果一颗恒星足够重，它就会变成一个黑洞。时空结构实际上可能会被撕裂，形成一个虫洞，这是穿越太空的一个通道或捷径。这个概念最早由爱因斯坦和他的学生内森·罗森在1935年提出，今天被称为爱因斯坦—罗森桥。

虫洞

爱因斯坦—罗森桥最简单的例子就是《爱丽丝梦游仙境》中的镜子。在镜子的一边是英国牛津的乡村，另一边是仙境的奇幻世界。爱丽丝只要一把手指从镜子中伸进去，就立刻会被传送到那里。

虫洞是电影中最受欢迎的题材。韩·索罗通过虫洞推动千年隼号穿越超太空。西格妮·韦弗在《捉鬼敢死队》中饰演的角色打开的冰箱就是一个虫洞，她通过这个虫洞观察整个宇宙。在C.S.刘易斯的《狮子、女巫和魔衣橱》中，魔衣橱是连接英国乡村和纳尼亚的虫洞。

虫洞是在对黑洞进行数学分析时发现的。黑洞是一颗坍缩的巨星，它的引力非常强，强到连光都无法逃脱。它们的逃逸速度是光速。在过去，黑洞被认为是静止的，并且有无限大的引力，被称为奇点。但是太空中所有被记录的黑洞都在快速旋转。

1963年，物理学家罗伊·克尔发现当一个黑洞旋转的速度足够快时，它就不一定会坍缩成一个点而是一个的旋转环。因为离心力阻止它继续坍缩，所以这个环是稳定的。那么所有落入黑洞的东西都到哪里去了呢？物理学家还不知道。但有一种可能性是，物质可以通过所谓的白洞从另一边出现。科学家一直在寻找能释放物质而不是吞噬物质的白洞，但迄今为止还没有发现。

如果靠近黑洞的旋转环，你会看到空间和时间发生了难以置信的扭曲。你可能会看到数十亿年前虫洞引力捕获的光束，甚至还可能看到自己的副本。你体内的原子可能会在一种“意大利面条化”的令人不安的致命过程中被潮汐力拉伸。

如果进入旋转环本身，你可能会从另一端平行宇宙的白洞中被驱逐出来。想象一下，把两张纸彼此平行地放在一起，然后用铅笔在纸上钻一个洞，把它们连在一起。沿着铅笔行走，你会经过两个平行宇宙。然而，如果你第二次穿过这个环，就又会进入另一个平行宇宙。每次进入环，你都会进入一个不同的宇宙，就像进入电梯可以在公寓楼的不同楼层间移动一样。只不过在这种情况下，你永远都回不到同一楼层。

（图片来源：作者提供）

当你进入环时，其引力是有限的，所以你不一定会被碾碎。然而，如果环的旋转速度不够快，它会在你身上坍塌并杀死你。但是通过加入一些名为负物质或负能量的东西来人为地稳定环是可能实现的。因此，一个稳定的虫洞是一种平衡，其关键是保持正能量和负能量的恰当比例。你需要大量的正能量来自然地创造宇宙间的通道，就像黑洞一样。但你也需要人为地制造负物质或能量，以保持其大门敞开，防止其坍塌。

负物质与反物质很不相同，它从未在自然界中被发现过。负物质具有奇异的反引力性质，这意味着它会向上而不是向下坠落。（相比之下，反物质理论上会向下而不是向上坠落。）如果在几十亿年前它就存在于地球上，那么它会被地球上的物质排斥，并飘浮到外太空。也许这就是我们没有找到它的原因。

尽管物理学家没有发现任何负物质存在的证据，但负能量实际上已经在实验室被创造出来。这让科幻小说迷的希望依然存在，他们梦想着有一天能穿越虫洞飞向遥远的星球。然而，在实验室里产生的负能量是微不足道的，远不能驱动一艘星际飞船。要想产生足够的负能量来稳定虫洞，需要一项非常先进的技术。所以在可预见的未来，虫洞超级驱动星际飞船超出了我们的能力范围。

总而言之，负能量确实存在。如果能以某种方式收集到足够的负能量，我们原则上可以造出虫洞机器或曲速引擎，实现科幻小说中一些最疯狂的幻想，但是这些技术还有很长的路要走。

与此同时，我们将利用21世纪末可能会在太空中快速移动的光帆，为大家提供围绕其他恒星运行的系外行星的第一张特写照片。到了22世纪，我们也许可以在核聚变火箭上观察这些行星。如果能解决摆在面前的复杂工程问题，我们甚至可能使反物质发动机、冲压喷气聚变发动机和太空电梯成为现实。