想實(shí)現(xiàn)光速旅行，這些方法都沒(méi)戲

付毅飛

去別的星球看一看、玩一玩，甚至干脆住下來(lái)，是許多科幻迷的夢(mèng)想?？茖W(xué)家們也在未雨綢繆，為人類(lèi)尋找“第二家園”。從火星、半人馬座到開(kāi)普勒452b，他們的目光越投越遠(yuǎn)。

然而現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是，就算找到一顆合適的類(lèi)地行星，我們也沒(méi)辦法搬過(guò)去。面臨考驗(yàn)的不僅是航天技術(shù)，恐怕還有人類(lèi)的壽命。以電影《阿凡達(dá)》中在半人馬座虛構(gòu)的“潘多拉”星球?yàn)槔巴@顆距我們4.4光年的星球，即使按“太陽(yáng)神2號(hào)”創(chuàng)造的人類(lèi)飛行器速度紀(jì)錄（約每小時(shí)25萬(wàn)千米）來(lái)計(jì)算，也需要差不多2萬(wàn)年。

為了實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想，科學(xué)家一直在尋找更為高效的太空旅行方式，甚至大開(kāi)腦洞，構(gòu)思出種種光速旅行的設(shè)想。但中國(guó)航天科工集團(tuán)二院研究員楊宇光認(rèn)為：“以目前可以預(yù)見(jiàn)的技術(shù)手段，人類(lèi)不可能實(shí)現(xiàn)光速旅行，也不可能實(shí)現(xiàn)恒星際航行，除非人類(lèi)在基礎(chǔ)物理學(xué)認(rèn)知上出現(xiàn)質(zhì)的飛躍?！?/p>

光速旅行設(shè)想缺乏物理學(xué)支撐

前不久，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）工程師大衛(wèi)·伯恩斯提出了一種近光速粒子加速相對(duì)性螺旋引擎概念，他聲稱(chēng)這種引擎能讓飛船的速度達(dá)到光速的99%。這一概念已發(fā)表在NASA的技術(shù)報(bào)告服務(wù)器上。

不過(guò)有專(zhuān)家認(rèn)為，該設(shè)想可能得不到物理定律的支撐。

伯恩斯的發(fā)動(dòng)機(jī)原理并不復(fù)雜。一個(gè)盒子一根桿，桿上套上一個(gè)圓環(huán)，盒子里的彈簧推圓環(huán)，滑到頭之后彈回來(lái)形成振蕩，這樣的效應(yīng)會(huì)讓盒子來(lái)回?cái)[動(dòng)。伯恩斯認(rèn)為，如果讓圓環(huán)滑動(dòng)時(shí)質(zhì)量增大，盒子的一端就會(huì)比另一端重，從而加速前進(jìn)。要怎樣才能實(shí)現(xiàn)這種加速呢？伯恩斯認(rèn)為，狹義相對(duì)論已經(jīng)提出了解決辦法，那就是讓物質(zhì)以近光速運(yùn)動(dòng)，這樣質(zhì)量就會(huì)增加。他設(shè)想用粒子加速器代替圓環(huán)，粒子在一個(gè)沖程中迅速加速到相對(duì)論速度，而在接下來(lái)的沖程中則迅速減速。在這樣的情況下，實(shí)際上可以不要盒子和桿，而將粒子加速器設(shè)計(jì)成螺旋形進(jìn)行橫向和圓周運(yùn)動(dòng)，就可以達(dá)成加速的目的。只要堅(jiān)持不懈，終將使引擎速度接近光速。

然而這樣的加速方法效率極低，用165兆瓦功率產(chǎn)生的力，僅僅跟我們敲鍵盤(pán)的力道差不多。更尷尬的是，這種引擎需要在完全沒(méi)有摩擦力的環(huán)境下運(yùn)行，稍有一點(diǎn)摩擦力，就足以將微弱的推力抵消，但所有慣性系統(tǒng)都不可能得到完全無(wú)摩擦的工作環(huán)境。

人類(lèi)對(duì)光速飛行的追求由來(lái)已久。1953年，奧地利科學(xué)家尤金·桑格爾就提出了光子火箭的設(shè)想。

根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，火箭速度與發(fā)動(dòng)機(jī)噴流速度成正比。那么，如果能讓噴流速度達(dá)到光速，火箭不就能以光速飛行了嗎？

但直到今天，光子火箭仍處于探索階段。除了制造大量反質(zhì)子所消耗的能量、用于保障光子源獲得足夠光壓的高溫等問(wèn)題無(wú)法解決，其物理原理也遭遇了瓶頸。楊宇光說(shuō)，齊奧爾科夫斯基公式本是一個(gè)自然對(duì)數(shù)形式，但當(dāng)噴流速度接近光速時(shí)，則變成雙曲正切函數(shù)形式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即使噴流速度能達(dá)到光速，火箭的加速效率還是很低，要加速到光速極其困難。

還有人提出過(guò)更天馬行空的設(shè)想，例如通過(guò)曲率驅(qū)動(dòng)引擎，令前方空間收縮而后方空間膨脹，使飛船速度打破光速限制。全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專(zhuān)家龐之浩對(duì)此評(píng)價(jià)：“科幻?！?/p>

近年來(lái)，有些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)曲率引擎似乎沒(méi)有想象中那么難，開(kāi)始嘗試將科幻變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。但楊宇光表示，曲率引擎的原理是對(duì)空間進(jìn)行折疊，需要的能量達(dá)到了黑洞量級(jí)?！叭祟?lèi)產(chǎn)生文明以來(lái)，收集到的所有能量都不足以支持一艘飛船產(chǎn)生改變空間的能力，而且是差很多個(gè)數(shù)量級(jí)?！彼f(shuō)，“在目前看來(lái)，這一設(shè)想在工程上不可能實(shí)現(xiàn)?！蔽寤ò碎T(mén)的高速飛行方案仍在探索中

既然光速旅行的夢(mèng)想遙不可及，有些科學(xué)家便退而求其次，希望找到更具操作性的高速飛行方式。例如，2017年，斯蒂芬·霍金提出了基于激光推進(jìn)原理的“突破攝星”計(jì)劃。

該計(jì)劃以距離地球4.2光年的比鄰星為目標(biāo)。霍金提出，研制1000個(gè)幾厘米大小、功能完備的探測(cè)器，在地球上建立激光器列陣，用超強(qiáng)光束讓它們加速到光速的1/5，這樣可以在20年后到達(dá)比鄰星并傳回相關(guān)信息。

這項(xiàng)計(jì)劃也不被看好。行星科學(xué)專(zhuān)家、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員鄭永春認(rèn)為，激光推進(jìn)需要在地面建設(shè)強(qiáng)大激光源，不斷跟蹤、照射飛行器，但這么遙遠(yuǎn)的距離，怎樣保證激光源能一直瞄準(zhǔn)這么小的飛行器？另外，光的能量與距離的平方成反比，隨著飛行器離地球越來(lái)越遠(yuǎn)，激光所能提供的動(dòng)能也會(huì)迅速衰減。這都是難題。

楊宇光認(rèn)為“突破攝星”計(jì)劃在工程上根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。他說(shuō)，要將幾克量級(jí)的飛行器加速到每秒6萬(wàn)千米，所需能量相當(dāng)于400噸左右TNT炸藥的當(dāng)量。同時(shí)需要考慮到，激光器作用距離有限，能達(dá)到100萬(wàn)千米就不錯(cuò)了，這要求加速過(guò)程要在極短時(shí)間內(nèi)完成，而這是目前任何材料都無(wú)法承受的。同時(shí)，該計(jì)劃還面臨軌道測(cè)量、信號(hào)傳輸?shù)入y題。

除了使用地球上的能源之外，科學(xué)家還將目光轉(zhuǎn)向了宇宙“外援”——太陽(yáng)正成為科學(xué)家寄予希望的宇航動(dòng)力之一。俄羅斯薩馬拉大學(xué)近日發(fā)布消息稱(chēng)，該校專(zhuān)家正在研究能借助太陽(yáng)光壓快速移動(dòng)的太陽(yáng)帆飛船，其速度能達(dá)到目前人類(lèi)最快探測(cè)器速度的10倍以上。據(jù)了解，美國(guó)太空組織“行星學(xué)會(huì)”此前已經(jīng)發(fā)射“光帆2號(hào)”飛船對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，我國(guó)也在開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究。

楊宇光介紹，該技術(shù)利用巨大的光帆，可以將特別輕微的航天器加速到每秒數(shù)百千米量級(jí)，但對(duì)于載人飛船或是大型探測(cè)器卻無(wú)能為力。同時(shí)，探測(cè)器離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，獲得的動(dòng)力就越弱。因此，太陽(yáng)帆飛船只能用于太陽(yáng)系附近的無(wú)人探測(cè)任務(wù)。

在五花八門(mén)的未來(lái)航天技術(shù)設(shè)想中，太空電梯常被人津津樂(lè)道。太空電梯有幾種形式，比較實(shí)用的，是從赤道附近架設(shè)“電梯”通往地球靜止軌道空間站，以實(shí)現(xiàn)快速便捷的天地往返。

龐之浩表示，目前人類(lèi)航天活動(dòng)中最費(fèi)力的，就是從地面發(fā)射進(jìn)入太空軌道的階段，要付出高昂的成本，消耗大量燃料。而太空電梯可以幫助人類(lèi)跳過(guò)這一階段，從更高的起點(diǎn)出發(fā)。

不過(guò)，太空電梯畢竟只能解決“起跑”問(wèn)題，剩下的“馬拉松”要想更快完成，還得依賴(lài)其他宇航動(dòng)力技術(shù)，而且這也不是很快就能實(shí)現(xiàn)的。龐之浩說(shuō)，太空電梯所用“纜繩”要有數(shù)十倍于鋼材的強(qiáng)度、超輕的質(zhì)量，以及可以接受的成本。目前唯一符合條件的材料是碳納米管，許多國(guó)家在開(kāi)展攻關(guān)，但離工程應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。業(yè)內(nèi)預(yù)測(cè)，太空電梯相關(guān)技術(shù)有望在21世紀(jì)內(nèi)取得突破。

核動(dòng)力火箭無(wú)法完成恒星際航行

既然上述種種設(shè)想短期內(nèi)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，我們暫時(shí)還是把目光收回到當(dāng)前的主流航天動(dòng)力形式一火箭上吧。

龐之浩表示，常規(guī)的化學(xué)動(dòng)力火箭在推力、速度等方面基本已達(dá)到瓶頸，很難再有較大突破。不過(guò)，科學(xué)家正在對(duì)多種新型動(dòng)力火箭開(kāi)展研究，包括核動(dòng)力、電推進(jìn)、電磁驅(qū)動(dòng)等。

龐之浩介紹，美國(guó)前華裔宇航員張福林創(chuàng)辦的公司正在設(shè)計(jì)一款“可變比沖磁等離子體火箭”。這種核電火箭據(jù)說(shuō)僅需1個(gè)多月就能飛到火星，但相關(guān)技術(shù)還處于研究階段。

美國(guó)與俄羅斯正在聯(lián)合研制核動(dòng)力火箭，與傳統(tǒng)火箭每小時(shí)2萬(wàn)千米的速度相比，其時(shí)速可達(dá)到8萬(wàn)千米，能將火星旅行時(shí)間縮短到2個(gè)月。不過(guò)該方案也面臨許多技術(shù)難題，還存在一個(gè)嚴(yán)重的副作用——核動(dòng)力產(chǎn)生的輻射，相當(dāng)于讓宇航員每天拍8次X光片。與核動(dòng)力相匹配的防輻射措施，目前尚待攻克。

在動(dòng)力學(xué)中，“比沖”是體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能和推進(jìn)劑能量特性的主要技術(shù)指標(biāo)，以牛-秒，千克或秒為單位。楊宇光說(shuō)，目前常溫化學(xué)燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖通常是300多秒，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)為450秒左右，電推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最高可達(dá)1萬(wàn)秒。如果人類(lèi)能掌握受控核聚變技術(shù)，可以讓火箭發(fā)動(dòng)機(jī)獲得功率極高的能量來(lái)源，則有望將比沖提升10倍?！叭绻_(dá)到這個(gè)程度，人類(lèi)將能夠在太陽(yáng)系內(nèi)自由航行?！彼f(shuō)，“但對(duì)于恒星際航行，仍然差了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，還是做不到?！?/p>

文章來(lái)源：《科技日?qǐng)?bào)》

（責(zé)任編輯：嵇刊）