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三七 星際航行:一堂令人沮喪的算術課

一萬年太久,只爭朝夕

霍金最近心血來潮,就地外文明、外星人等話題發表了意見,引發了媒體對此類話題的很大興趣。話題之一,就是關於人類進行星際航行的可能性。

與地外文明話題聯繫在一起的「星際航行」,當然不包括在我們自己太陽系中進行的行星際航行——這種航行人類已經能夠進行,儘管目前還只能在離地球不太遠的地方(比如火星)稍轉一轉。由於到目前為止從未發現我們太陽系之內有別的文明,所以與地外文明聯繫在一起的「星際航行」總是指在恆星之間的航行。

要討論這樣的星際航行,我們可以先從非常簡單的算術開始思考。

通常人們都願意從離太陽系最近的一顆恆星——半人馬座的比鄰星——開始思考,比鄰星距離我們太陽系4.3光年,也就是說,以光速從地球到比鄰星要運行4.3年。

目前人類實際能夠達到的最高星際航行速度是多少呢?

從地球上飛出太陽系所需要的「第三宇宙速度」,人類已經能夠實際達到,因為我們相信已經有航天器能夠飛出太陽系(到底有沒有飛出,其實很難確證),這個速度是16.7公里/秒。注意這個速度連光速(300000公里/秒)的萬分之一都不到。當然,按照常理,在此基礎上再努力一下,增加一倍左右,達到30公里/秒,應該說還是不太離譜的。

如果我們以30公里/秒(光速的萬分之一)的速度飛向比鄰星,至少需要43000年。

如果我們能夠達到3000公里/秒(光速的百分之一),飛到比鄰星至少需要430年(這裡完全忽略了飛船出發後加速、到達前減速之類的過程所需要的附加時間)。但這個速度對人類目前的科技能力來說已經是遙不可及了。

其實在不少問題上,430年和43000年是一樣的。比如,這都大大超出了人類的正常壽命,也大大超出了機器的工作壽命(至少到現在為止,人類還沒有機會實際考察任何現代機器設備能否安然工作400年,更不用說宇宙飛船這樣極度複雜的系統了)。

我個人覺得還有一個更大的問題,那就是,任何在地球上的人們有生之年看不到結果的實驗、考察、探險等活動,雖然在理論上可以進行,但實際上人們總會意識到它對自己已經毫無意義,所以很難設想這樣的活動會得到實施。

也許正是考慮到了這一點,英國皇家宇航學會在20世紀70年代進行的星際航行模擬研究「Daedalus工程」(希臘神話中Daedalus造了翅膀逃出迷宮),設想的飛行速度是30000公里/秒(光速的十分之一),這在此後許多關於星際航行的假想中被視為一個重要「門檻」。之所以考慮採用這個「門檻」,也許和上面提到的心理有關——如果花43年飛到比鄰星,再等4.3年讓無線電報告傳回地球,這樣在我們有生之年(半個世紀內)還可以得到探險結果。

上窮碧落下黃泉,兩處茫茫皆不見

星際航行是一個美麗的夢想,它既可以在當代科學主義綱領下不顧一切地被追求(現今人類的許多航天活動就是這樣),也可以從古代純粹的人文情懷中得到共鳴——《長恨歌》中那個道士還「排空御氣奔如電,升天入地求之遍」呢。所以,儘管人類目前實際能夠達到的航行速度只有光速的萬分之一量級,但這並不妨礙科學家對星際航行展開豐富、系統而且大膽的想像。

這種想像已經提出了多種方案,大體可以分為兩條路徑。

一條路徑是接受目前只能「慢速航行」的現實,考慮千百萬年的長期航行。這樣的航行必將面臨一系列難以克服的困難。

首先是燃料從何處提供?目前人類都是採用固體、液體或氣體燃料來驅動飛船,但是飛船出發時不可能攜帶43000年的燃料,目前也沒有任何在中途添加燃料的能力。想像中的核動力也難以維持如此之長的年代。其次是機器設備的工作壽命,迄今為止還沒有一架航天器持續工作過50年,43000年誰敢指望?

這還只是考慮無人航天器,如果載人,則宇航員要麼「冬眠」,那飛船上的支持系統能工作千萬年而不出差錯嗎?電影《2001太空漫遊》中冬眠宇航員因生命維持系統遭電腦切斷而被「謀殺」的命運如何避免?要麼在飛船上傳宗接代,那這飛船就要被建設成一個小型的地球,這就更沒譜了。況且還有近親繁殖問題。

另一條路徑當然是從加快航行速度上來著手,只要速度足夠快,就可以消解上一條路徑中的大部分困難。這時「Daedalus工程」中的十分之一光速「門檻」就經常會被用到。已設想的至少有如下幾種重要方案:

核聚變發動機。這正是「Daedalus工程」本身所設想的方案,它用的是氫的同位素氘(D)和氦-3(3He)聚變,這樣可以不需用水來冷卻發動機,但是方案所需的數千噸氦-3,則只能到木星上去提取。所以這只是史詩般的假想,用來拍科幻電影可以,要實施的話目前人類根本沒有這樣的能力和財力。

反物質發動機。欲將物質轉換成為能量,目前所知最有效者,莫過於物質與「反物質」的相遇湮滅,能夠釋放出巨大能量。如果想把一噸重的設備,在50年內送到比鄰星,初步的計算表明,需要1.2公斤反物質。但是目前人類的技術能力,在這方面還差得太遠。關於反物質發動機在技術上離我們有多遠,只要提到一個事實就夠了:反物質不能存放在任何有形容器中(因為任何有形容器都是物質,兩者一相遇就要湮滅爆炸),它只能被懸空拘束在一個真空磁場中。在丹·布朗的小說《天使與魔鬼》中,他只敢想像一克的反物質。而事實上,以人類現有的科技能力,哪怕只生產一毫克(一克的千分之一)反物質,就需要耗盡全世界的能源。

光帆飛船。它很容易在公眾心目中喚起詩意的聯想,但是真要實施的話,技術上的困難是駭人聽聞的。飛船的光帆將大到數十平方公里,厚度則只有16納米(一毫米的十萬分之一多一點)。這樣的帆怎樣張開?更別說還要操縱它了。還需要在土星和天王星之間的某個位置建造巨大的太陽能-激光轉換器,設想中該轉換器直徑竟達一公里,據說射出的激光束可以遠至40光年也不發散……不過,這個宏偉的方案真要實施的話,它的能量消耗將是現今整個地球生產能力的幾萬倍。

何以解憂,唯有蟲洞?

上面這些史詩般的狂想方案中,基本上都沒有考慮人。人類向外太空的探險行動,最先派出無人飛船當然可以,但最終總要派人去到彼處才行。而一旦考慮了人的因素,立刻出現兩方面的困難。

首先是生理上的問題。在「Daedalus工程」類型的方案中,要求飛船的巡航速度達到光速的十分之一,即每秒30000公里,這必然有一個現今難以想像的加速過程,人體瞬間能夠承受多大的加速度?對某種加速度又能夠持續承受多長時間?在民航客機起飛和降落時,這麼一點點加速度就會使某些乘客不適甚至發病。宇宙飛船如果急劇加速,說不定剛起飛不久宇航員就七竅流血而死了。

其次是心理上的問題。如果奉派飛往比鄰星,以光速的十分之一巡航,這對宇航員來說意味著什麼?43年如一日在船艙裡,到了比鄰星後,即使能夠順利返回地球,那至少也得86年以後了——這其實就是終身監禁啊!世間有幾人能夠承受?

人類星際航行的真正出路,恐怕只能是目前誰也沒見過的蟲洞了。