突破這些障礙 我們就能建造星際飛船了
2019年08月18日07:00

  來源:科學大院

  如果讓任何孩子想像一艘星際飛船,他們都會說出一些像《星際迷航》中的企業號或《星球大戰》的千年隼號的飛船——它們能以比光速還快的速度穿越星系,甚至能在時空隧道中穿梭,在超太空中快速移動。

SpaceX計劃在2021年進行第一次商業任務的“星際飛船”(圖片來源:CNMO)
SpaceX計劃在2021年進行第一次商業任務的“星際飛船”(圖片來源:CNMO)

  現實地說,我們的第一艘星際飛船可能不是載人飛船,也可能不是電影中設想的那種巨大的流線型飛行器。事實上,它們可能不比一張郵票大。2016年,一個名為“突破攝星”的項目震驚了世界。該項目旨在開發納米飛船,將複雜的芯片置於由地球上許多高能激光束驅動的帆上。

  臉書的創始人馬克·朱克伯格曾公開支援“突破攝星”,俄羅斯投資者、前物理學家尤里·米爾納個人承諾投資1億美元。現在看來,納米飛船已經不僅僅是一個想法了。但是,在全面執行這個項目之前,有幾個障礙是我們必須予以考慮的。

  反物質飛船

  第五次技術浪潮(包括反物質引擎、光帆、聚變發動機和納米飛船)都可能為星際飛船的設計開闢令人振奮的新領域。就如《星際迷航》中描述的那樣,反物質發動機可能會成為現實。它們將利用宇宙中最大的能量來源,即通過物質和反物質碰撞將物質直接轉化為能量。

  反物質是物質的對立面,這意味著它具有相反的帶電量。反電子帶正電,而反質子帶負電。

  當物質和反物質發生碰撞時,它們會被湮滅形成純粹的能量,所以碰撞反應釋放能量的效率是100%。相比之下,核武器的效率只有1%,而氫彈內部的大部分能量都被浪費了。

  反物質火箭的設計相當簡單。反物質被儲存在安全的容器中,並被穩定地輸入一個室腔。它會與室腔的普通物質混合併爆炸,發出伽馬射線和X射線。然後,能量將通過室腔的排氣孔排出,推力就產生了。

美國正在研究反物質太空船以正電子為燃料6周可達火星(圖片來源:中國經濟網)
美國正在研究反物質太空船以正電子為燃料6周可達火星(圖片來源:中國經濟網)

  正如詹姆斯·本福德對我說的,反物質火箭是科幻小說迷最喜歡的概念,但建造反物質火箭存在嚴重問題。首先,反物質是自然產生的,但數量相對較少,因此我們必須製造大量反物質用於發動機。反氫原子中一個反電子圍繞著一個反質子運動。第一個這樣的原子在1995年誕生於瑞士日內瓦的CREN(歐洲核子研究組織)。一束普通的質子被製造出來並打向一個由普通物質組成的靶子,這樣的碰撞產生了一些反質子粒子。巨大的磁場通過讓質子和反質子偏轉到不同方向把它們區分開來——一個向右偏轉,另一個向左偏轉。隨後,反質子減速並被儲存在磁阱中,與反電子結合形成反氫原子。2016年,CERN的物理學家使用了反氫原子,並分析了環繞反質子的反電子殼層。正如預料中的,他們在反氫原子與普通氫的能級之間發現了精確的對應關係。

  CERN的科學家宣佈:“如果我們能把在CERN製造的所有反物質聚集起來,並將其與物質湮滅,就有足夠的能量使一個燈泡點亮幾分鍾。”火箭需要更多反物質。此外,反物質是世界上最昂貴的物質形式。按照今天的物價,1克反物質的價格約為70萬億美元。目前,它只能由粒子加速器(數量非常少)製造出來,而粒子加速器的製造和運行成本極高。歐洲核子研究組織的大型強子對撞機(LHC)是世界上最強大的粒子加速器,其造價超過100億美元,但它只能產生一束非常細的反物質束。如果用對撞機為星際飛船積累足夠燃料,那將會使美國破產。

  如今,這種巨型原子撞擊器被用於各種目的,但純粹作為研究工具使用,在反物質的製造方面效用極低。針對一部分問題的解決方案可能是建立專門生產反物質的工廠。NASA的哈囉德·格里什認為,在這種情況下,反物質的成本能下降到每克50億美元。

  儲存問題帶來了另一個困難和巨額費用。如果把反物質裝在瓶子裡,它遲早會撞到瓶子的牆壁上,進而把容器湮滅。正確地儲存它需要彭寧陷阱a。這些陷阱將利用磁場使反物質的原子處於懸浮狀態,防止它們與容器接觸。

  在科幻小說中,成本和存儲問題有時會因為發現了一顆天外救星而解決——這顆反小行星讓我們能廉價地開採反物質。但這個假設提出了一個複雜的問題:反物質從哪兒來?

  我們用儀器在外太空看到的任何地方都是物質,而不是反物質。我們知道這一點是因為電子與反電子的碰撞釋放的最小能量為102萬電子伏。這就是反物質碰撞的印跡。但是當我們研究宇宙的時候,幾乎沒有發現這種類型的輻射。我們看到周圍的大部分宇宙都是由同樣的普通物質組成的。

  物理學家認為,在大爆炸的瞬間,宇宙是完全對稱的,物質和反物質的數量是相等的。如果是這樣,這兩者之間的湮滅將是完美和完整的,宇宙應該是由純輻射構成的。然而,我們卻由本不應該存在的物質構成。我們的存在恰恰否定了現代物理學。

(圖片來源:veer)
(圖片來源:veer)

  我們還沒有弄明白為什麼宇宙中物質比反物質更多。在早期宇宙中,只有一百億分之一的原始物質在那次爆炸中倖存下來,而我們就是其中的一部分。主流理論認為,在大爆炸過程中,物質和反物質的完美對稱被打破了,但我們不知道它是什麼。諾貝爾獎正等待著富有進取心的人來提示這個問題。

  對於任何想建造星際飛船的人來說,反物質發動機是非常重要的。但是反物質的性質我們幾乎完全不瞭解。例如,我們不知道它“落下”的方向是朝上還是朝下。現代物理學預測它會像普通物質一樣向下墜落。如果是這樣,那麼反重力就不可能存在了。然而,這一點和其他很多問題一樣,從未被驗證過。基於成本和我們有限的理解,到22世紀,反物質火箭可能仍是一個夢想,除非我們恰巧找到一個在太空漂流的反小行星。

  星際飛船的問題

  需要強調的是,到目前為止提到的所有星際飛船都面臨著以接近光速飛行帶來的其他問題。小行星碰撞會帶來很大的風險,即使是很小的小行星也會穿透飛船船體。正如我們提到的,航天飛機因為宇宙碎片而傷痕纍纍,這些碎片很可能以繞地軌道的速度,也就是每小時1.8萬英里的速度撞擊航天飛機。然而,在接近光速的情況下,撞擊的速度可能是那個速度的好多倍,會把飛船撞得粉碎。

  在電影中,這種危險被強大的力場化解了,這個力場可以輕易地擊退所有的微隕石。但不幸的是,這隻存在於科幻作家的大腦中。在現實中,確實可以製造電場和磁場,但即使是不帶電的家居物品,如塑料、木頭和石膏,也可以很輕易地穿透它們。在外太空,由於微小的微隕石是不帶電的,所以不能被電場和磁場偏轉。引力場具有吸引力但非常微弱,所以它們不適合作為我們需要的斥力場。

  製動是另一個挑戰。如果你以接近光速的速度在太空快速穿梭,當到達目的地時該如何減速呢?太陽和激光帆利用太陽能或激光束來飛行,而這些光束不能被用來為星際飛船減速,所以它們可能主要用於飛掠任務。

  也許製動核能火箭的最好辦法是讓它們調轉180度,這樣推力就會產生在相反的方向。然而,這種策略將消耗約一半的推力來達到目標速度,另一半推力則用來減慢火箭的速度。對於太陽帆來說,也許可以反轉船帆,用目的地恒星發出的光來減慢宇宙飛船的速度。

(圖片來源:pyjt.gov.cn)
(圖片來源:pyjt.gov.cn)

  另一個問題是,大多數能夠搭載宇航員的星際飛船都很笨重,只能在外太空組裝。為了將建築材料送入軌道,需要進行幾十次太空任務,並進行更多次任務來組裝飛船。為了使費用不會過高,必須設計出一種更經濟的方法完成太空發射任務。這就是太空電梯可能派上用場的地方。

  太空電梯

  太空電梯將是納米技術的一種革命性應用。太空電梯是一條從地球延伸到外太空的長杆。你可以進入電梯,按下上升按鈕,然後被迅速送入軌道。因此當助推器火箭從發射台發射時,你也不用忍受超重力的痛苦。相反,你的太空之旅就像乘坐電梯到百貨公司的頂層一樣輕鬆。就像傑克的豌豆一樣,太空電梯似乎可以對抗重力,並提供一種輕鬆進入太空的方式。

  俄羅斯物理學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基首次論證了太空電梯的可能性。19世紀80年代,他受到埃菲爾鐵塔的啟發。他問自己,如果工程師能夠建造這樣龐大的結構,為什麼不繼續往外太空延伸,再建一個呢?他能利用簡單的物理原理證明,原則上,如果塔足夠長,那麼離心力就足以使塔保持直立而無須任何外力。就像繩子上的球因為旋轉不會掉到地板上一樣,地球自轉的離心力也可以保證太空電梯不會倒塌。

  火箭可能不是進入太空的唯一途徑,這個想法是大膽激進而又令人興奮的。但這馬上就出現了障礙。太空電梯線纜上的張力可能會達到1000億帕斯卡,這超過了鋼的斷裂點——20億帕斯卡。因此鋼纜會斷裂,太空電梯會掉下來。

  太空電梯的概念被擱置了近100年。阿瑟·克拉克等作家偶爾會提到它們。克拉克把它們寫進了小說《天堂的噴泉》中。然而,當被問及太空電梯何時能實現時,他回答說:“大概在大家都停止取笑它之後的50年左右。”

  但是沒有人再笑了。突然之間,太空電梯似乎不再那麼遙不可及了。1999年,NASA的一項初步研究評估了一架配有3英呎寬、30英里長的線纜的電梯,預計其可以載重15噸。2013年,國際宇航科學院發佈了一份長達350頁的報告,認為如果有足夠的資金和研究,到2035年就有可能建成一個有效載荷為20噸的若干倍的太空電梯。估計其價格通常在100億到500億美元之間,這隻是飛往國際空間站的花費——1500億美元的一小部分。與此同時,太空電梯將有效載荷送入太空的成本降低了5%。

太空電梯設想(圖片來源:https://cn.bing.com/images/search?view=detailV2&ccid=DfAYx17d&id=0D03559225777359483CCE3B237305191C9C5DFF&thid==0)
太空電梯設想(圖片來源:https://cn.bing.com/images/search?view=detailV2&ccid=DfAYx17d&id=0D03559225777359483CCE3B237305191C9C5DFF&thid==0)

  問題不再出現在基礎物理學上,而是出現在工程學上。現在科學家正在進行認真的計算,以確定是否可以由純碳納米管製造太空電梯線纜,因為這些碳納米管強度非常大,不會斷裂。但是,我們能否製造出足夠長的納米管,一直延伸到數千英裡外的太空中呢?從目前看,答案是否定的。製造長度超過1釐米的純碳納米管難度極大。你可能聽說過已經可以製造出長達幾英呎的納米管,但它們實際由復合材料製成。它們由壓縮成纖維的純碳納米管的細絲組成,失去了純納米管的奇妙性質。

  為了激發人們對太空電梯等項目的興趣,NASA推出了“百年挑戰計劃”,激勵那些為太空項目發明先進技術的宇航員業餘人士。它曾舉辦過一場競賽,要求參賽者提交一款微型電梯雛形的部件。在我主持的一個電視特別節目中,我跟隨一群年輕的工程師參加了這項比賽。他們相信太空電梯將使普通人也能升入天堂。我看著他們用激光束把一個小膠囊沿著一根長長的電纜向上移動。我們的電視特別節目試圖展現新一代工程師的熱情,他們渴望建設未來。

  太空電梯將徹底改變我們進入外太空的方式。外太空將不再是宇航員和軍事飛行員的專屬領地,而會成為兒童和家庭的樂園。它們將為太空旅行和工業提供一種有效的新方法,並使在地外組裝包括星際飛船在內的複雜機器成為可能,包括那些能像光一樣快的飛船。

  但現實地說,考慮到我們面臨的巨大工程問題,太空電梯可能要到21世紀末才能實現。

  曲速引擎

  一天,一個男孩讀了一本兒童讀物,改變了世界歷史。那是1895年,城市剛開始通電。為了理解這個奇怪的新現象,男孩拿起了阿龍·伯恩斯坦所著的《自然科學通俗讀本》。在這本書中,作者讓讀者想像自己在一根有電流的電線旁騎行。男孩想知道,如果用一束光代替電流會有什麼後果。他能超過光速嗎?他推斷,既然光是一種波,光束就會看起來靜止不動,被時間凍結。但即使在16歲時,他也意識到從來沒有人見過靜止的光波。在接下來的十年里,他一直在苦苦思索這個問題。

  1905年,他終於找到了答案。他的名字叫阿爾伯特·愛因斯坦,他的理論被稱為狹義相對論。他發現人們無法超越光速,因為光速是宇宙中的終極速度。速度一旦接近光速,就會發生奇怪的事情。你的火箭會變得更重,火箭裡面的時間會變慢。如果你以某種方式達到光速,你會變得無限沉重,時間也會停止。這樣看,這兩個條件都是不可能實現的,這意味著你不能打破光的屏障。愛因斯坦好似成了宇宙街區的警察,設定了宇宙的終極速度極限。從那以後,這種障礙一直困擾著一代又一代的火箭科學家。

(圖片來源:5156edu.com)
(圖片來源:5156edu.com)

  但是愛因斯坦並不滿意。雖然相對論可以解釋許多光的奧秘,但他還想把他的理論應用到引力上。1915年,他提出了一個驚人的解釋。他認為曾經被視作慣性和靜態的空間和時間,實際上是動態的,就像可以彎曲、拉伸或彎曲的光滑床單。根據他的假設,地球不是因為受到太陽引力的吸引而圍繞太陽運動,而是因為太陽使其周圍的空間彎曲而使地球圍繞其轉動。時空結構推動地球圍繞太陽以彎曲的路徑運動。簡單地說,運動不是因為引力的拉動。相反,是因為空間的推動。

  莎士比亞曾經說過,世界是一個舞台,我們是在舞台上出入的演員。把時空也想像成一個舞台。它曾經被認為是靜態、扁平和絕對的,時鍾在時空表面以均勻的速率運轉。但在愛因斯坦的宇宙中,這個舞台是可以彎曲的。時鍾以不同的速率運轉。演員不可能在舞台上走過而不跌倒。他們也許會認為是一種不可見的“力量”把他們拉向不同的方向,而實際上卻是彎曲的舞台推著他們。

  愛因斯坦還意識到他的廣義相對論有一個漏洞。恒星越大,圍繞它的時空扭曲就越大。如果一顆恒星足夠重,它就會變成一個黑洞。時空結構實際上可能會被撕裂,形成一個蟲洞,這是穿越太空的一個通道或捷徑。這個概念最早由愛因斯坦和他的學生內森·羅森在1935年提出,今天被稱為愛因斯坦—羅森橋。

  蟲洞

  愛因斯坦—羅森橋最簡單的例子就是《愛麗絲夢遊仙境》中的鏡子。在鏡子的一邊是英國牛津的鄉村,另一邊是仙境的奇幻世界。愛麗絲只要一把手指從鏡子中伸進去,就立刻會被傳送到那裡。

  蟲洞是電影中最受歡迎的題材。韓·索羅通過蟲洞推動千年隼號穿越超太空。西格妮·韋弗在《捉鬼敢死隊》中飾演的角色打開的冰箱就是一個蟲洞,她通過這個蟲洞觀察整個宇宙。在C.S。劉易斯的《獅子、女巫和魔衣櫥》中,魔衣櫥是連接英國鄉村和納尼亞的蟲洞。

  蟲洞是在對黑洞進行數學分析時發現的。黑洞是一顆坍縮的巨星,它的引力非常強,強到連光都無法逃脫。它們的逃逸速度是光速。在過去,黑洞被認為是靜止的,並且有無限大的引力,被稱為奇點。但是太空中所有被記錄的黑洞都在快速旋轉。1963年,物理學家羅伊·克爾發現當一個黑洞旋轉的速度足夠快時,它就不一定會坍縮成一個點而是一個的旋轉環。因為離心力阻止它繼續坍縮,所以這個環是穩定的。那麼所有落入黑洞的東西都到哪裡去了呢?物理學家還不知道。但有一種可能性是,物質可以通過所謂的白洞從另一邊出現。科學家一直在尋找能釋放物質而不是吞噬物質的白洞,但迄今為止還沒有發現。

  如果靠近黑洞的旋轉環,你會看到空間和時間發生了難以置信的扭曲。你可能會看到數十億年前蟲洞引力捕獲的光束,甚至還可能看到自己的副本。你體內的原子可能會在一種“意大利麵條化”的令人不安的致命過程中被潮汐力拉伸。

  如果進入旋轉環本身,你可能會從另一端平行宇宙的白洞中被驅逐出來。想像一下,把兩張紙彼此平行地放在一起,然後用鉛筆在紙上鑽一個洞,把它們連在一起。沿著鉛筆行走,你會經過兩個平行宇宙。然而,如果你第二次穿過這個環,就又會進入另一個平行宇宙。每次進入環,你都會進入一個不同的宇宙,就像進入電梯可以在公寓樓的不同樓層間移動一樣。只不過在這種情況下,你永遠都回不到同一樓層。

(圖片來源:作者提供)
(圖片來源:作者提供)

  當你進入環時,其引力是有限的,所以你不一定會被碾碎。然而,如果環的旋轉速度不夠快,它會在你身上坍塌並殺死你。但是通過加入一些名為負物質或負能量的東西來人為地穩定環是可能實現的。因此,一個穩定的蟲洞是一種平衡,其關鍵是保持正能量和負能量的恰當比例。你需要大量的正能量來自然地創造宇宙間的通道,就像黑洞一樣。但你也需要人為地製造負物質或能量,以保持其大門敞開,防止其坍塌。

  負物質與反物質很不相同,它從未在自然界中被發現過。負物質具有奇異的反引力性質,這意味著它會向上而不是向下墜落。(相比之下,反物質理論上會向下而不是向上墜落。)如果在幾十億年前它就存在於地球上,那麼它會被地球上的物質排斥,並飄浮到外太空。也許這就是我們沒有找到它的原因。

  儘管物理學家沒有發現任何負物質存在的證據,但負能量實際上已經在實驗室被創造出來。這讓科幻小說迷的希望依然存在,他們夢想著有一天能穿越蟲洞飛向遙遠的星球。然而,在實驗室里產生的負能量是微不足道的,遠不能驅動一艘星際飛船。要想產生足夠的負能量來穩定蟲洞,需要一項非常先進的技術。所以在可預見的未來,蟲洞超級驅動星際飛船超出了我們的能力範圍。

  總而言之,負能量確實存在。如果能以某種方式收集到足夠的負能量,我們原則上可以造出蟲洞機器或曲速引擎,實現科幻小說中一些最瘋狂的幻想,但是這些技術還有很長的路要走。與此同時,我們將利用21世紀末可能會在太空中快速移動的光帆,為大家提供圍繞其他恒星運行的系外行星的第一張特寫照片。到了22世紀,我們也許可以在核聚變火箭上觀察這些行星。如果能解決擺在面前的複雜工程問題,我們甚至可能使反物質發動機、衝壓噴氣聚變發動機和太空電梯成為現實。

  科學大院是中科院官方科普微平台,由中科院科學傳播局主辦、中國科普博覽團隊運營,致力於最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學發聲。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽