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载《新发现》杂志2010年第9期
科学外史(51)

星际航行:一堂令人沮丧的算术课


江晓原

一万年太久,只争朝夕
  霍金最近心血来潮,就地外文明、外星人等话题发表了意见,引发了媒体对此类话题的很大兴趣。话题之一,就是关于人类进行星际航行的可能性。
  与地外文明话题联系在一起的“星际航行”,当然不包括在我们自己太阳系中进行的行星际航行——这种航行人类已经能够进行,尽管目前还只能在离地球不太远的地方(比如火星)稍转一转。由于到目前为止从未发现我们太阳系之内有别的文明,所以与地外文明联系在一起的“星际航行”总是指在恒星之间的航行。
  要讨论这样的星际航行,我们可以先从非常简单的算术开始思考。
  通常人们都愿意从离太阳系最近的一颗恒星——半人马座的比邻星——开始思考,比邻星距离我们太阳系4.3光年,也就是说,以光速从地球到比邻星要运行4.3年。
  目前人类实际能够达到的最高星际航行速度是多少呢?
  从地球上飞出太阳系所需要的“第三宇宙速度”,人类已经能够实际达到,因为我们相信已经有航天器能够飞出太阳系(到底有没有飞出,其实很难确证),这个速度是16.7公里/秒。注意这个速度连光速(300000公里/秒)的万分之一都不到。当然,按照常理,在此基础上再努力一下,增加一倍左右,达到30公里/秒,应该说还是不太离谱的。
  如果我们以30公里/秒(光速的万分之一)的速度飞向比邻星,至少需要43000年。
  如果我们能够达到3000公里/秒(光速的百分之一),飞到比邻星至少需要430年(这里完全忽略了飞船出发后加速、到达前减速之类的过程所需要的附加时间)。但这个速度对人类目前的科技能力来说已经是遥不可及了。
  其实在不少问题上, 430年和43000年是一样的。比如,这都大大超出了人类的正常寿命,也大大超出了机器的工作寿命(至少到现在为止,人类还没有机会实际考察任何现代机器设备能否安然工作400年,更不用说宇宙飞船这样极度复杂的系统了)。
  我个人觉得还有一个更大的问题,那就是,任何在地球上的人们有生之年看不到结果的实验、考察、探险等活动,虽然在理论上可以进行,但实际上人们总会意识到它对自己已经毫无意义,所以很难设想这样的活动会得到实施。
  也许正是考虑到了这一点,英国皇家宇航学会在20世纪70年代进行的星际航行模拟研究“Daedalus工程”(希腊神话中Daedalus造了翅膀逃出迷宫),设想的飞行速度是30000公里/秒(光速的十分之一),这在此后许多关于星际航行的假想中被视为一个重要“门槛”。之所以考虑采用这个“门槛”,也许和上面提到的心理有关——如果花43年飞到比邻星,再等4.3年让无线电报告传回地球,这样在我们有生之年(半个世纪内)还可以得到探险结果。

上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见
  星际航行是一个美丽的梦想,它既可以在当代科学主义纲领下不顾一切地被追求(现今人类的许多航天活动就是这样),也可以从古代纯粹的人文情怀中得到共鸣——《长恨歌》中那个道士还“排空御气奔如电,升天入地求之遍”呢。所以,尽管人类目前实际能够达到的航行速度只有光速的万分之一量级,但这并不妨碍科学家对星际航行展开丰富、系统而且大胆的想象。
  这种想象已经提出了多种方案,大体可以分为两条路径。
  一条路径是接受目前只能“慢速航行”的现实,考虑千百万年的长期航行。这样的航行必将面临一系列难以克服的困难。
  首先是燃料从何处提供?目前人类都是采用固体、液体或气体燃料来驱动飞船,但是飞船出发时不可能携带43000年的燃料,目前也没有任何在中途添加燃料的能力。想象中的核动力也难以维持如此之长的年代。其次是机器设备的工作寿命,迄今为止还没有一架航天器持续工作过50年,43000年谁敢指望?
  这还只是考虑无人航天器,如果载人,则宇航员要么“冬眠”,那飞船上的支持系统能工作千万年而不出差错吗?电影《2001太空漫游》中冬眠宇航员因生命维持系统遭电脑切断而被“谋杀”的命运如何避免?要么在飞船上传宗接代,那这飞船就要被建设成一个小型的地球,这就更没谱了。况且还有近亲繁殖问题。
  另一条路径当然是从加快航行速度上来着手,只要速度足够快,就可以消解上一条路径中的大部分困难。这时“Daedalus工程”中的十分之一光速“门槛”就经常会被用到。已设想的至少有如下几种重要方案:
  核聚变发动机。这正是“Daedalus工程”本身所设想的方案,它用的是氢的同位素氘(D)和氦-3(3He)聚变,这样可以不需用水来冷却发动机,但是方案所需的数千顿氦-3,则只能到木星上去提取。所以这只是史诗般的假想,用来拍科幻电影可以,要实施的话目前人类根本没有这样的能力和财力。
  反物质发动机。欲将物质转换成为能量,目前所知最有效者,莫过于物质与“反物质”的相遇湮灭,能够释放出巨大能量。如果想把1顿重的设备,在50年内送到比邻星,初步的计算表明,需要1.2公斤反物质。但是目前人类的技术能力,在这方面还差得太远。关于反物质发动机在技术上离我们有多远,只要提到一个事实就够了:反物质不能存放在任何有形容器中(因为任何有形容器都是物质,两者一相遇就要湮灭爆炸),它只能被悬空拘束在一个真空磁场中。在丹·布朗的小说《天使与魔鬼》中,他只敢想象1克的反物质。而事实上,以人类现有的科技能力,哪怕只生产1毫克(1克的千分之一)反物质,就需要耗尽全世界的能源。
  光帆飞船。它很容易在公众心目中唤起诗意的联想,但是真要实施的话,技术上的困难是骇人听闻的。飞船的光帆将大到数十平方公里,厚度则只有16纳米(1毫米的十万分之一多一点)。这样的帆怎样张开?更别说还要操纵它了。还需要在土星和天王星之间的的某个位置建造巨大的太阳能—激光转换器,设想中该转换器直径竟达1公里,据说射出的激光束可以远至40光年也不发散……。不过,这个宏伟的方案真要实施的话,它的能量消耗将是现今整个地球生产能力的几万倍。

何以解忧,唯有虫洞?
  上面这些史诗般的狂想方案中,基本上都没有考虑人。人类向外太空的探险行动,最先派出无人飞船当然可以,但最终总要派人去到彼处才行。而一旦考虑了人的因素,立刻出现两方面的困难。
  首先是生理上的问题。在“Daedalus工程”类型的方案中,要求飞船的巡航速度达到光速的十分之一,即每秒30000公里,这必然有一个现今难以想象的加速过程,人体瞬间能够承受多大的加速度?对某种加速度又能够持续承受多长时间?在民航客机起飞和降落时,这么一点点加速度就会使某些乘客不适甚至发病。宇宙飞船如果急剧加速,说不定刚起飞不久宇航员就七窍流血而死了。
  其次是心理上的问题。如果奉派飞往比邻星,以光速的十分之一巡航,这对宇航员来说意味着什么?43年如一日在船舱里,到了比邻星后,即使能够顺利返回地球,那至少也得86年以后了——这其实就是终身监禁啊!世间有几人能够承受?
  人类星际航行的真正出路,恐怕只能是目前谁也没见过的虫洞了。

20100911日加入