去恒星要多久?

来源 :大自然探索 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luwei2431231
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  载人前往除太阳之外的另一颗恒星?现阶段还没有任何办法,但我们不妨纵情想象一番。
  很多天文迷都想过这样的问题:前往除太阳之外离我们最近的另一颗恒星,要花多长时间?在一个人的有生之年可不可以?像这样的旅行,好久才能成为常态?这样的问题有许多可能的答案,其中一些很简单,另一些则很科幻。要想得到一个全面的答案,意味着有许多方面需要考虑。
  最近的恒星
  距离太阳系最近的恒星是半人马座毗邻星,这让它成为我们前往系外行星时首选的目的地。作为一个三恒星系统——半人马座阿尔法星系统的一部分,毗邻星距离地球大约4.22光年。半人马座阿尔法星实际上是这3颗恒星中最亮的一颗,也与另一颗恒星构成相互近距离环绕的双星系统,该系统距离地球4.37光年。毗邻星是这3颗恒星中最暗的一颗。它是一颗红矮星,距离另外两颗恒星大约都是0.13光年。
  虽然关于星际旅行的许多设想都包含超光速的内容,其中从曲速引擎和虫洞到跳跃引擎及阿库别瑞引擎的都有,但这些设想要么具有浓厚的幻想色彩,要么纯属科幻。事实上,任何前往太阳系以外的任务都很可能要花好几代、好几十代甚至好几百代人的时间才能完成,而不可能只花几天就一蹴而就。让我们从最慢的太空旅行方式说起,用这种方式,前往毗邻星要花多久呢?
  现行技术
  说起到太空中某地要花多长时间这个话题,如果以现有技术和太阳系以内的天体为例,要好说得多。例如,使用为美国宇航局“新地平线号”任务提供动力的技术(有16部推进器,它们由肼单元推进剂提供燃料)前往月球,只需要8小时35分钟。另一方面,欧洲空间局的“聪灵-1”任务前往月球使用的是离子推进,花了1个月零两周才到达月球。后来,美国宇航局的“黎明”任务也运用了离子推进探索灶神星。
  1998年,美国宇航局“深空1号”任务采用了离子推进技术来前往波莱利彗星,这也是该技术的最早运用之一。“深空1号”飞行器采用的也是氙驱动离子引擎,消耗了81.5千克的推进剂。经过20个月的推进,飞行器在飞近彗星时的速度达到了每小时5.6万千米。离子推进比火箭技术省钱得多,因为前者每单位推进剂质量产生的推力(简称比冲量)要高许多。但要想把飞行器加速到很高的速度,所花时间也要长得多。离子推进能实现的最大速度取决于燃料供应,以及能产生多少电能。
  如果离子推进被用于前往毗邻星,推进器就需要巨大的能量源(核电)和巨量的推进剂(尽管比常规火箭还是要少些)。以81.5千克氙推进剂转化为每小时5.6万千米的最大速度来计算,并且不考虑其他任何推进方式(例如借助引力加速),那么“深空1号”要花8.1万年,即超过2700代人的时间,才能从地球旅行到毗邻星。当然,如果把离子引擎做得很大,能力也提得很高(即离子排气速度大大增加),并且有足够推进剂保持飞行器在途中持续加速,那么旅行时间可能会大大缩短,但也绝对缩短不到一个人有生之年这个范畴。
  借助引力
  现有最快的太空航行手段是借助引力,即飞行器运用轨道运动(相对运动)和行星引力来改变飞行器的轨道和速度。借助引力是一种非常有用的太空飞行技术,尤其是借助太阳、地球或另一颗大质量行星(例如木星)来提高飞行器的速度。   美国宇航局“水手10号”飞行器率先使用了借助引力。1974年2月,它运用金星引力,把自己弹射到前往水星的轨道。20世纪80年代,美国宇航局“旅行者1号”探测器运用土星和木星的引力弹弓效应,把自己加速到每小时6万千米的速度,从而进入星际空间。
  1976年,美国宇航局发射“太阳神2号”探测器,目的是研究距离太阳0.3~1天文单位的行星际介质。引人瞩目的是,“太阳神2号”达到了迄今为止借助引力所实现的最高速度。当时,“太阳神2号”和1974年发射的“太阳神1号”成为距太阳最近的飞行器纪录保持者。“太阳神2号”是由美国宇航局常规运载火箭“大力神/半人马座”发射的,它被送入一个偏心率很高的椭圆轨道。在这个周期为190天的太阳轨道中的近日点,“太阳神2号”的最大速度超过每小时24万千米。这一轨道速度是仅凭太阳的引力作用达到的。“太阳神2号”依然保持迄今为止最快的人造物体纪录。
  如果“旅行者1号”以每小时6万千米的速度飞向毗邻星,那么要花7.6万年(超过2500代人)的时间才能到达。如果它的速度达到“太阳神2号”的每小时24万千米,那么它依然要花1.9万年(超过600代人)的时间才能到达毗邻星。
  根据美国宇航局对电磁驱动器雏形的研究结果,配备电磁驱动器的飞行器有可能在不到18个月的时间里从地球飞到冥王星。这仅为“新地平线号”这一行程所花时间的1/6。听起来很不错,但就算按照这个速度,配备电磁驱动器的飞行器也要花超过1.3万年才能从地球飞到毗邻星。
  热核推进和核电推进
  另一种实现行星际旅行的可能性,是使用配备核引擎的飞行器。美国宇航局探索这一理念已有几十年。在热核推进火箭中,铀或氘反应产生的能量被用来加热反应器内的液态氢,把它变成离子化的氢(等离子体)。等离子体被导引通过火箭喷嘴喷出产生推力。核电推进火箭涉及同样的基本反应,把热量和能量转化为电能,推动电引擎。在这两种情况下,火箭都依赖核裂变或核聚变(而非依赖化学推进剂)产生推力。而迄今为止,美国宇航局及其他航天机构主要依赖的还是化学火箭。
  与化学推进相比,不管是热核推进还是核电推进都有不少优势。首先和最明显的是,与火箭燃料相比,这两种推进提供的能量密度几乎无限。第二,核能引擎比冲量高,意味着需要的推进剂总量少,发射重量相对低,任务成本也低些。虽然热核或核电引擎至今尚未试飞过,但过去几十年来这方面的设计理念不断涌现和经过理论论证。这些理念中既包括传统的固体芯设计,也包括更先进、效率更高的液体芯和气体芯设计。
  核脉冲推进
  这是一种理论上可行的技术,由参与曼哈顿计划的美国数学家尤拉姆在1946年提出。1947年,尤拉姆等人对此理念进行了初步计算。实际的核脉冲项目是“猎户座”,它从1958年启动,一直持续到1963年。“猎户座”项目的牵头人是美国著名物理学家泰勒和戴森,他们希望运用脉冲核爆炸能量提供比冲量很高的巨大推力。简单地说,“猎户座”的原理就是:一艘大型飞船和源源不断的热核弹头供应;从飞船后部释放核弹;在飞船尾部挤压垫的帮助下,飞船驾乘爆震波前进。每次核爆炸后,爆发力都被挤压垫吸收,转化为向前的推力。
  从现代标准看,“猎户座”理念可以说很糟糕。但它的一大优点是能达到很高的比冲量,因而节约成本。此外,该理念在理论上能达到很高的速度,甚至达到光速的5%。然而,这一设计的缺点也很突出。首先,如此规模的飞船建造成本很高。根据戴森在1968年的估计,一艘采用氢弹产生推进力的“猎户座”飞船重达40万~400万吨,其中至少1/3的重量是氫弹,每一枚弹头重量大约为1吨。
  与依赖核反应堆的火箭相似,这一设计的优势包括燃料效率和比冲量高。据估计,高能等离子体喷出的速度高达每秒1.06万千米,远远高于常规火箭的速度。此外,该理念在过去几十年里得到了广泛研究,科学家在这方面提出了诸多设想。例如,1973和1978年,英国“行星际学会”研究了“代达罗斯计划”(在希腊神话中,代达罗斯是建筑师和雕刻家,曾为克里特国王建造迷宫)。依赖对核聚变技术的现有知识和现行办法,该研究呼吁建造一艘两级不载人科考探测器,把它发射到距离地球5.1光年的巴纳德星,行程历时在一个正常人的寿命范围内。其中第一级是两级中较大的一级,它将工作2.05年,把飞船加速到光速的7.1%。这一级随后被丢弃,此刻第二级引擎点火,在1.8年的时间里把飞船加速至光速的12%。这时,第二级引擎关闭,飞船进入为期46年的巡航阶段。
  据代达罗斯项目团队估计,这艘无人飞船要花50年才能到达巴纳德星。如果把目的地改为毗邻星,那么要花36年。当然,这个计划也有许多鸿沟难以逾越。例如,氦3在地球上很稀缺,因此需要从月球或其他天体上采掘。第二,推动飞船的核反应所要求的能量释放力度很大,目前的技术根本达不到这个要求。第三,建造这种飞船的成本太高太高。满载燃料的飞船重量达6万兆吨(1兆吨为100万吨)。就算真的能发射如此沉重的飞船(实际上根本不可能),其发射成本也是根本无法负担的。
  然而,聚变喷气推进的缺点也不少。例如,阻力是一个大问题。聚变喷气飞船依赖速度增加来积累燃料,但随着飞船与越来越多的星际氢碰撞,飞船可能会减速,这在星系中的稠密区域尤其可能发生。第二,氘和氚(地球上的聚变反应堆用的就是它们)在太空中很罕见,而聚变在宇宙中很丰富的常规氢,则不在目前掌握的技术范畴内。
  聚变喷气推进理念在科幻作品中被大肆渲染。这方面最有名的例子可能要算是美国科幻连续剧《星球旅行》中的“柏萨德采集器”——曲速引擎上的发光舱。而在现实中,人类对聚变反应的认识还需要大大扩展,才有可能造出聚变喷气飞船。当然,还得想出对抗阻力效应的法子。这显然也不是近期能实现的。
  激光帆
  在探索太阳系方面,太阳帆一直被认为是一种节约成本的方式。除了相对便宜和容易建造之外,太阳帆还无需任何燃料。太阳帆及广义的太空帆不需要火箭推进剂,只需要恒星的辐射压力,就能把超薄的镜面式太空帆推进到高速。但对于星际飞行来说,需要聚焦能量束(激光或微波)来推动太空帆达到光速的几分之一。这一理念最早是由美国物理学家佛华德在1984年提出的,当时他任职于美国休斯飞机研究室。
  这一理念保留了太阳帆的好处,即无需机载燃料,但它也利用了这样一个事实:不像太阳辐射那样,激光能量几乎不随距离的增加而耗散。因此,不仅激光帆假以时日能达到所需的速度,而且其速度仅仅受光速本身限制。根据美国宇航局喷气推进实验室先进推进概念研究部主任弗里斯比2000年的一项研究,只需不到10年时间,就能把激光帆加速到光速的一半。他还算出,直径320千米的激光帆只需12年就能从地球飞到毗邻星。如果激光帆直径达到965千米,那么这一时间会减少至9年以内。
  然而,为了避免熔化,激光帆必须由先进的复合材料制作。考虑到激光帆的大小,其制作成本高得难以估量。建设与之匹配的激光站的费用,更是高达天文数字,全球各国财政收入加起来也不见得够。根据弗里斯比的研究,驱动上述超大型激光帆所需的激光强度高达1.7万太(1太=1万亿)瓦,相当于全球每天的激光总强度,况且激光帆所需的激光必须持续提供很长一段时间,才能把激光帆加速到光速的一半。总之,无论是从技术水平还是从建造成本来说,超大型激光帆的建造在今后很长一段时间内都不可行,更不要說用激光帆飞船载人到太阳系以外。   反物质引擎
  科幻迷肯定都听说过反物质。但如果你并不知道什么是反物质,那这里简单介绍一下:反物质基本上是由反粒子组成的物质;反粒子与基本粒子质量相同,但电荷相反。反物质引擎是这样一种推进形式:它利用物质和反物质之间的相互作用发电,或者说创造推力。简言之,反物质引擎涉及氢和反氢粒子的相互猛烈撞击(湮灭)。这种反应释放的能量与氢弹相当,另外还要释放大量亚原子(介子和μ介子)粒子,这些粒子的穿行速度达到光速的1/3,因此可被磁喷嘴引导来产生推力。
  反物质火箭的优势在于,物质/反物质混合体的大部分静止质量都可能被转化为能量,这让反物质火箭比其他任何类型的火箭都有高得多的能量密度和比冲量。不仅如此,控制好这种反应,就能把火箭和飞船的速度提高到光速的一半。反物质飞船将是最快和最省燃料的飞船。常规火箭需要几吨化学燃料才能把飞船送到目的地,而反物质引擎做同样的事只需几毫克燃料。事实上,225克氢和反氢粒子的相互湮灭所释放的能量,比一枚百万吨级的氢弹释放的能量还多。
  正是因为这个理由,美国宇航局先进概念研究院一直在研究让反物质推进成为未来载人火星任务主要推进手段的可能性。不幸的是,如果要考虑通过反物质推进技术去往其他恒星系统,燃料需求量就会猛涨,其成本会高达天文数字,因而完全行不通。
  根据弗里斯比等人的估计,如果要前往毗邻星,一枚两级反物质火箭需要90万吨燃料,就能在不到40年的时间里把飞船送到目的地。听起来真不错。问题是,虽然仅仅1克反物质就能产生多得令人难以置信的能量,但生产仅仅1克反物质就需要差不多2.5億千瓦的能量,成本超过1万亿美元。目前,全球生产的反物质总量也才不到20纳克(1纳克等于十亿分之一克)。
  就算能相对便宜地生产反物质,也需要巨大的飞船来装载所需的燃料。根据测算,配备反物质引擎的飞船飞行速度能达到光速的50%,因此能只用略微超过8年的时间就从地球飞到毗邻星。然而,飞船自身重量就会超过4亿吨,还需要1.7亿吨的反物质。有一种可能的途径,就是让飞船创制反物质,把它作为燃料使用。这一被称为“真空反物质火箭星际探索者系统”的理念,是由“伊卡洛斯星际”组织的科学家提出的。根据该设想,反物质飞船可依赖大型激光(由巨型太阳能电池阵列供电),在真空中发射激光就能产生反物质粒子。
  与聚变喷气推进构想一样,这一设想解决了让飞船携带燃料的难题,即通过在太空中制造燃料。但同样,反物质飞船的建造成本以现有技术来说完全无法想象。另外,科学家目前也毫无办法大量制造反物质。当然也还有辐射问题,因为物质-反物质湮灭会产生高能伽玛射线。这不仅会威胁飞船上的人(除非有有效防护设施,而防护设施会增加飞船重量、制造成本和建造难度),而且要求对引擎的防护,否则引擎会因为暴露在强辐射面前而发生原子退化。总而言之,虽然反物质火箭说起来很美,但以现有技术和预算来说根本就不切实际,属于空想范畴。
  阿库别瑞曲速引擎
  科幻迷肯定对阿库别瑞曲速引擎(以下简称曲速引擎)也不陌生。这一假想由墨西哥物理学家阿库别瑞在1994年提出,其核心是狂想快于光速的旅行。简言之,这一理念涉及拉伸波中的时空结构,理论上能造成一个天体前方的空间收缩,后部空间扩张。这个波内的物体(即飞船)能驾乘这个波——“曲速泡”,从而超光速。因为飞船并未在曲速泡内移动,而是被曲速泡牵着走,时空和相对性的制约就不复存在。这里所说的快于光速,只是说飞船能比曲速泡外的光束更快到达目的地。如果一艘飞船能装备曲速引擎系统,它就能在不到4年时间内从地球飞到毗邻星。从纯理论上说,这是目前最快和最有希望的星际旅行办法。
  很自然地,这些年来科学界对这一构想也是褒贬不一。主要的反对观点是,曲速引擎没有考虑量子力学,回圈量子重力理论完全有可能推翻曲速引擎理论。对其中涉及的能量的计算也表明,要使曲速引擎起作用所需要的能量也高得离谱。其他不确定性包括曲速引擎的安全性、对目的地时空的影响以及对因果定律的违背。
  不过,美国宇航局科学家怀特等人2012年宣布,他们已经开始研究曲速引擎的可行性。怀特声称,他们构建的一台干涉仪能探查曲速引擎造成的时空胀缩所引起的空间扭曲。2013年,美国宇航局喷气推进实验室发表了在真空条件下进行曲速场(次元护盾)研究的结果——“不具有确定性”。随着时间的推移,或许我们会发现曲速引擎的确违背一项或多项自然定律。就算曲速引擎不违背自然规律,也无法保证它会被用于或能够被用于快于光速的旅行。
  总而言之,如果你希望在有生之年去太阳系以外旅行,那多半没指望。但如果人类真的感觉有必要建造“星际方舟”,让飞船上的人生活自给自足,并且真的投巨资、下苦功研发这方面所需的技术,那么再过100年或200年的确有可能成功。而如果没有建造“星际方舟”的必要,恐怕就不要着这个急,毕竟,相对现实的载人星际旅行思路目前都只是或基本上是属于科幻范畴。
其他文献
2018年比利时科学家在卫星数据的帮助下,建立了全球氨地图,揭示了全球各地氨排放的热点地区。据2018年最新研究,全球空氣可吸入颗粒(霾)中绝大部分组成部分是硝酸铵,而其中的氨主要来自化肥和动物粪便,同时工业排放和汽车尾气也是部分来源。  氨是一种无色、有刺激气味的气体,氨一旦进入大气很容易与其他化合物发生反应,产生硝酸铵等二次污染物。由于这些硝酸铵颗粒非常小,往往不到2.5微米,因此它们在空气中
满天的雾霭,灰白色的雾霭,时而遮天蔽日,令人压抑,时而不安地翻卷,露出隐隐的天际。迷雾之中有多少真相被遮蔽在历史的深处?  一座铁路桥上,逃难的波兰人拥挤着匆匆赶路,德国人的炮弹追逼着他们。不料桥的另一端也出现了逃难者,“苏联人打过来了”,“华沙不存在了”。这些惊慌失措、恐惧万分的老人、妇女和孩子必须要逃却又无路可逃。波兰历史影片《卡廷惨案》以极富象征意义的开头,预示了第二次世界大战中多灾多难的波
岛田雅彦被誉為与村上春树齐名的“日本后现代主义文学旗手”,是日本纯文学界有名的“儿童派”作家,也是颇受争议的“另类”作家,因為长相俊朗,风度儒雅,有着“文坛王子”的美誉。  1961年岛田雅彦出生于东京,父亲是共产党系的机关报记者。1965年举家移居神奈川县川崎市,他自幼兴趣广泛,曾经迷恋绘画,后来改迷写小说的快感。大学时正逢美苏冷战,岛田雅彦就表现出了与众不同,同龄人对美国马首是瞻疯狂学英语,而
记忆有温度吗?过去未曾想过。但当我读过蓬生同志的这本《泰晤士河上那座蓝桥》的《自序:远游无处不消魂》中的这段话:“走向远方的景致,不是简单世俗地用眼睛看看而已,最好要用身心去感受与触摸,这样,积淀在你灵魂深处的是鲜活生动、带着温度的记忆。”和读了这本书之后,始信记忆确实有温度,这本书正是一本“带着温度的记忆”的书。  蓬生,本名苗鹏生,江苏沭阳人,由于家乡老宅前有一条名叫六塘的河,故亦用过六塘人的
苏格兰首府爱丁堡位于苏格兰东海岸入海口,雄踞于绵延的火山灰和岩石峭壁上,依山傍水、绿树成荫,拥有优越的地理位置和秀丽的自然风景。它是苏格兰的政治和文化中心,也是苏格兰和英格兰的交流枢纽。然而,爱丁堡留给人们最深刻的印象,还是它的古老和沧桑。这座城市见证了太多英格兰和苏格兰之间的铁血过去和恩怨故事,在两者征战、联姻的漫长历史中,爱丁堡总是扮演一个中心角色,爱丁堡人威武不屈的精神,象征了整个苏格兰追求
我和你一见钟情,  一见钟情,  那一天,  永远铭记心中。  像语言  钟情于双唇。  像水  钟情于焦渴的喉咙。我们一见钟情,  像鸟儿钟情于天空。像大地,  与久盼的瑞雪  一见钟情  在初冬,  我和你  就这样一见钟情。我们一见钟情,  当我们对于善恶  还一无所知,  懵懵懂懂……  日历上的这个时刻,永远和我们  一见钟情。  译 谷羽  罗伯特·伊万诺维奇·罗日杰斯特文斯基(193
毕达哥拉斯定理,是几何学中一颗光彩夺目的明珠,被称为“几何学的基石”,在现今的高等数学和其他学科中有着极为广泛的应用。已经发掘出土的实物资料证明,璀璨的古巴比伦文明早在3000-4000年前,就已经提出了这一问题的解答。除此之外,世界上其它几大文明古国,诸如古埃及、中国和古希腊均各自发现并提出了毕达哥拉斯定理的理论原型。  中国是发现和研究这一定理最古老的国家之一。在中国,我国古代数学家称直角三角
1961年11月18日,全球最大金融帝国之一的继承人迈克尔·洛克菲勒在新几内亚的沿岸一带失踪。有关他的失踪之谜至今还没有解开。不久前刚从那个地区探险回来的一支俄罗斯探险队的人员得出了一个令人吃惊的结论:当地的土著人为了得到具有魔力的战利品,猎取了迈克尔的头颅。  在1961年11月18日以前,还很少有人知道世界上有阿斯马特人——一个生活在新几内亚南部海岸的不大的部落。但就是在那一天,在该地区发生了
1976年,来自世界16个国家的社会科学家、自然科学家、人文学者齐聚威尔士的卡迪夫,“幽默与笑研究”国际会议在这里举行。大会最后一项议程:讨论是否可以确定统一的幽默概念定义。经激烈讨论,与会代表给出了一致的否定答案。  何谓幽默?幽默就是笑吗?搔痒引起笑算不算幽默?幽默一定要笑吗?为什么有的幽默让人哭呢?幽默的家族谱系是怎样的?幽默和反讽有什么不同?言语幽默和形体幽默各自特点如何?笑话和漫画的各自
亲爱的孩子:  最近一直都没有收到你的来信,所以,我猜测你现在的日子很好另外,就像我常告诉你的,比起你生活得好不好,我更关心你事情做得好不好。所以在你未写信时,我会猜测,你是不是正在忙于什么有意义的事情。  对于你的头脑,你绝对不可以疏忽,现在,它正需要你投入充足、持久的关爱,甚至是一定剂量的药品。你用脑的每一刻,不管正确与否,都会对你产生深远的影响。你还需要大量的锻炼,才可以保持头脑健康清醒。