跨越光年，飞向开普勒-452b？

顾新书

开普勒-452b是至今为止人们发现的最接近地球的星球，有可能拥有大气层和流动的水，但送人类到那里的太空旅行，其难度远远“难于上青天”，特别是高昂的费用正阻碍着太空旅行的商业进程和科研进程，让人们望太空而兴叹。

除了经费问题外，新的载人航天器发射方式需要解决的另一个重要问题是：太空中虽然没有发射时的逃逸速度这样一个硬指标，但它的广阔对推进系统的要求更高。

传统的化学火箭可能需要用大约7万年的时间才能到达最近的恒星，比如，于1977年发射的两架“旅行者”号宇宙飞船就是在把物体送入深层太空方面创造了世界纪录。目前，它们已经飞出了170亿公里的距离，但这仅仅是到恒星距离的很小一部分。

为了增加星际飞船的速度，科学家殚精竭虑，提出了一些充满创意的设计方案和推进系统。

太阳帆的原理是：尽管光没有质量，但是它有动量，因此可以施加压力。来自太阳的光压非常小，小到用手都无法感觉到，但是，如果有足够大的帆，我们又有足够的时间等待，它就能驱动星际飞船。要知道，太空中的太阳光强度是地球上太阳光的8倍。

想象一个巨大的太阳帆，它由极薄的但有弹性的塑料制成，宽度达数公里，直接在外层空间修建。一旦组装起来，它会慢慢地围绕太阳旋转，获得越来越多的动量。绕太阳旋转几年之后，它就旋转脱离太阳系，到达下一个恒星系。科学家预测，这样一个太阳帆能使飞船的速度达到光速的0.1%（每秒300公里），在400年后就能到达最近的恒星。

为了缩短抵达恒星的必要时间，我们甚至可以给太阳帆增加推进器。一种可能性是在月球上放置一组大型激光装置。激光束射到帆上，在帆朝着恒星飞行时增加帆的动量。

由太阳帆驱动的宇宙飞船，面临的一个问题是很难停止和转向，因为光是从太阳向外运动的。一种可能性是使太阳帆的飞行方向倒过来，利用目标恒星的光压让飞船减速。另一种可能性是围绕远距离恒星飞行，利用该恒星的引力在返回途中产生弹弓效应。还有一种可能性是在卫星上降落，建造激光电池，然后背对恒星光和卫星激光束飞行。但无论哪一种，都会使它的控制显得笨拙而迟钝。

但这并不是一个空想。2010年，日本太空开发署成功发射了“伊卡洛斯”号太阳帆，这是利用太阳帆技术在星际空间发射的第一艘宇宙飞船，该帆呈正方形，对角线长约20米，利用太阳帆推进系统向金星飞行。日本人希望，最终能够利用太阳帆推进系统向木星发射另一艘飞船。

和许多科幻作品一样，科学家也考虑过用核能驱动星际飞船。只是在上世纪五六十年代的一系列试验中，有关核火箭的构思基本都以失败而告终，因为它们太不稳定，太复杂，以至于无法处理。而且，普通的聚变反应堆不能产生驱动星际飞船的能量。一座典型的核电厂的发电量约为10亿瓦，这样的能量不足以抵达恒星。

有科学家因此提议采用原子弹和氢弹而非反应堆为星际飞船提供动力。比如大名鼎鼎的“猎户座计划”提出的火箭是由原子弹爆炸所产生的一连串核冲击波推进的。星际飞船可以从其后面丢下许多原子弹，产生一系列强大的X射线冲击波，然后冲击波会推动星际飞船向前飞行。这是一个一举两得的计划，既可以帮助人类探索外太空，又可以借机消耗掉地球上那些危险的武器。有物理学家估计，一艘重达800万吨的飞船开展一次太阳系内的航行，大约需要1000颗氢弹提供动力，这是个相当划算的数字。

只是后来出台的《全面禁止核试验条约》扼杀了“猎户座计划”，该条约禁止实行核武器的地面实验。没有了实验，物理学家无法对项目的设计进行改进，于是只能黯然终止。

美国物理学家罗伯特·巴萨德提出了另一个核火箭建议，他把聚变发动机想象成类似普通的喷气式发动机，冲压喷气式发动机吸取前面的空气，然后与燃料进行内部混合。点燃空气和燃料混合物后，冲压喷气式发动机内产生化学爆炸，形成推力。他设想着把相同的基本原理应用于聚变发动机上。

冲压喷气式聚变发动机不吸取空气，而吸取星际空间到处可见的氢气。氢气被电场和磁场挤压、加热，直到氢气融合成氦，这个过程释放大量的能量，引发爆炸，然后产生推力。由于外太空在理论上存在取之不尽的氢气，因此，我们可以想象得到，冲压喷气式聚变发动机能够永久运行。

只是，冲压喷气式聚变发动机还面临着一些问题。比如，由于质子主要存在于星际太空中，所以聚变发动机必须燃烧纯氢气，产生的能量也会随之削弱不少。要知道，融合氢气的方法很多。在地球上，最好的方法是融合可以产生大量能量的氘和氚。可是科学家发现外太空中的氢是单个质子，因此，冲压喷气式聚变发动机只能用质子融合质子，其产生的能量不如融合氘和氚所产生的能量多。

而更重要的问题是制动和转向。当冲压喷气式聚变发动机一路加速时，它必须受到足够强大的拖曳力，以防其加速至接近光速。这个拖曳力是由星际飞船在经过氢原子场时所遇到的阻力形成的。目前，在我们更好地掌握聚变过程以及太空离子的牵制效应之前，冲压喷气式聚变发动机仍然没有定论。不过，如果能解决这些工程设计问题，或许它的问世指日可待。

另一个可能性是利用宇宙中最强大的能源——反物质为飞船提供动力。反物质即物质的对立面，带有反电荷。反物质与普通物质接触后就会毁灭，据测算，一茶匙反物质所具有的能量足以摧毁整个纽约市区。

原则上，反物质可以用作星际飞船火箭的理想燃料。科学家估计，4毫克反物质可以把人类送上火星，100克反物质或许就足够把人类送上最近的恒星。在相同重量条件下，反物质释放的能量是火箭燃料的10亿倍。这样一看，反物质发动机似乎很简单：我们只要把一些反物质粒子稳稳当当地放入火箭燃烧室，反物质与普通物质结合，就会发生巨大的爆炸；然后，爆炸气体从燃烧室一端喷出，形成推力。

但实际上，我们的梦想还很遥远。到目前为止，物理学家已经能够制造反电子、反质子和反氢原子，其中反电子围绕反质子旋转。可是，资金问题再次站到了我们面前。已知唯一的生产大量稳定反物质的方法是利用类似于粒子加速器的原子击破器，这些设备极其昂贵，而且只能生产小量的反物质。比如，2004年，欧洲核子研究组织的原子击破器以2000万美元的代价仅生产出了几万亿分之一克的反物质。按照这样的速度，要生产出为星际飞船提供动力的反物质。可能要耗尽地球的全部资金。

另一种可能性是在外层太空中寻找一颗反物质陨星，从而为星际飞船提供足够的能量。如果能在太空找到大量反物质，那么我们就能设想采用大型电磁网收集反物质，用来做我们探索更远地区的燃料。

提起星际飞船，我们会直观地想到一个充满了最新高科技的、巨大的、酷炫的飞行器形象。可是在科幻小说《三体》中，维德的那句“只送大脑”却为我们指出了另外一条道路：也许，我们并不需要在飞船上搭载那么多东西，自然也不需要做出那么大的飞船。

一种可能性是利用纳米技术制造一艘小型星际飞船，它也许不比一个针头大，甚至更小。理论上，星际飞船的基本功能是有可能被纳米技术小型化的，这样，我们就可以把数以百万计的微型纳米飞船送上附近的行星，不过只有其中的一小部分能真正抵达恒星。—旦它们到达附近的恒星，它们就会建造一个工厂，无限制地自我复制。

有科学家认为，在探索方面，小型纳米飞船并不比专业宇航员逊色。小而强大的纳米级设备运输简便，很容易被送到与我们相邻的恒星和卫星大气层的表面或表面之下，以至进入大气层……我们甚至可以推断出进行星际探索的可能性。

纳米飞船的另一个优势是，只要非常少的燃料就能把它们送入太空。以令人难以置信的速度把微型物体送入太空相对容易，不需要使用大型助推火箭就能达到足够的逃逸速度。实际上，利用普通的电场就能很容易地以接近光速的速度发射亚原子粒子。

100年后，可能我们已经把宇航员送上火星和小行星带，也完成了对木星卫星的探测，开始把探测器送到其他恒星系中。距离真正意义上的恒星级星际航行，又大大迈进了一步。但不管是你还是我，在那时或许都已经不存在了，至于离开地球，太空移民，那更是遥遥无期。

我们现在谈论星际探索，似乎只是谈论着一个梦，一个让我们跳出现实生活，看得更远的梦，但就像NASA发言人在回答记者提问时所说的：“在发现了地球的孪生星球后，我们想到的第一步总是找到答案，看看我们是否孤单。虽然我们也许不可能去这些行星旅行，但我们的后代子孙会去。”

所以，也许好奇与期待，才是科学赋予我们的最美好的人生意义！（来源：蝌蚪五线谱 责任编辑/余风）