星际航行论述

在正式开始这篇文章之前，我先列出来一些数据，供读者参考
地球到月球的距离是38万公里，地球到太阳的距离是147500000公里（别数了，一亿四千七百五十万公里），太阳到冥王星的距离是11800000000公里（118亿），到最近的恒星半人马座α星的距离是41300000000000公里（413万亿）。太阳到冥王星的距离就是太阳系可见半径的距离，光速是299792.5km/s，也就是说光要穿过太阳系需要10.93小时。

1961年11月，在西弗吉尼亚州绿岸的国家射电天文台，11位权威举行了一次秘密会议，当时会议的主题是有没有地外智慧生命。与会者提出了所谓“绿岸公式”。绿岸公式的每一个项都将所有有关因素考虑进去了，很严谨，很逻辑。：N=R+fp*ne*fl*fi*fc*L 其中：R+代表了每年新生的类似太阳的恒星；fp为有可能存在生命的恒星系；ne为运转轨道在恒星的生物域内，从人类标准来看已经具有生命发展条件的行星的平均数；fl为条件优越，生命已经出现的行星数；fi为在所属恒星的生命周期内住有智慧生物的行星；fc为已经居住着存在先进技术文明的行星；L为文明延续时间，因为考虑到宇宙的广度，只有持续了很长的文明社会才可能互相接触。如果我们对这个公式中的所有项都取最小值，那么最后的N为40。但是要是我们全取最大值，则N=50000000。换而言之，在最不利的情况下，绿岸公式告诉我们在银河系里至少也有40个智慧种群正在跟其他智慧生物寻求接触。最夸张的可能，则是有多达五千万个未知的智慧种族正在等待宇宙间的信息。美国天体生物学家卡尔·萨根博士向我们保证，根据统计学的计算，地外文明至少曾经访问过地球一次。这些考虑和假设很可能有想入非非和一厢情愿的成分，但是绿岸公式可是数学公式，它是没有一点猜测的水分的。
所以我坚信外星人是存在的。而且有可能是比我们先进得多的文明。在这种情况下，进行星际航行势而必行，本文就此问题展开论述。
我们知道，以人类现在的科技还无法进行星际航行，我们的足迹最远也只不过到过月球。星际航行分为行星际航行和恒星际航行。在我们人类发展出恒星际航行的技术之前，我们必须对人类的技术文明与能够实现星际航行的技术文明之间的差距有个清醒的认识。这种差距不是大小和多少的问题，而是文明级别上的差距。
当我们能够进行星际航行时，必然是掌握了可控核聚变技术或是反物质技术。在这里我简单介绍一下，核聚变是太阳能量产生的根本原因，也是氢弹爆炸的原理。它和原子弹爆炸的原理正好相反，原子弹爆炸是利用重原子核裂变成两个或几个较轻的原子核释放的能量，氢弹则是利用轻原子核聚变为重原子核释放的能量。虽然我们在20世纪中叶就已经能够精确的掌握和控制核裂变的全过程，并建造出核电站、核动力发动机等，但是要想控制核聚变的反应进程就难得多。没错，我们是可以利用核聚变制造出氢弹这种超级炸弹，不过那是瞬间产生能量，可控核聚变难就难在“可控”二字上。关键原因在于温度，进行核聚变时会产生高达上亿的温度，没有任何物质能承受得住这么高的温度，要知道太阳内部温度也不过是2000万摄氏度。现在理论上我们有两个办法来把温度约束在一定范围内，那就是惯性约束和磁约束。惯性约束要利用反作用力，反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以叫惯性约束。磁约束是在空间加上强磁场，利用洛伦兹力将粒子约束在一定范围。不过实现这两种方法也很难很难，据乐观派估计，我们至少还需500年才能完全掌握可控核聚变这门技术，那时候人类将彻底摆脱能源危机，能源将成为这个星球上最廉价的商品。反物质这个概念是由20世纪著名的科学家狄拉克提出来的，他预言每种基本粒子都会有与它相反的粒子，这种物质就称为反物质。比如我们知道电子带负电，质子带正电，那么带正电的电子和带负电的质子就是反物质。这个伟大的预言一直到60多年后才被欧洲大型强子对撞机证实。当反物质与正物质接触的瞬间，二者会同时湮灭，质量完全转化为纯能量。这是目前人类所知的能量转换效率最高的方法，并且这一过程严格遵守爱因斯坦的质能方程E=mc2。
这似乎与星际航行有点不沾边了，但是我们必须考虑能量的问题。为什么现在我们还不能进行星际航行？ 其中很大一个原因就是无法解决能的问题。有些朋友可能说，现在人类不是已经能控制核裂变了吗，我们可以利用核裂变来给飞船提供能量。这个想法不错，但仅仅是不错。首先，就我们所知的核聚变它的能量转换效率也是很低的，只有4%而已，那么核裂变就更低了。不过如果我们掌握了可控核聚变技术，进行星际航行似乎不再是个梦。至于反物质，我们现在也只是知道有这个东西，还没有一套完整的理论来支持我们进行反物质的研究。我们可以想象，如果我们利用核聚变来发动飞船，4%的转化效率使我们不得不携带更多的燃料，这也必须把飞船建造的更大，更大的飞船意味着消耗更多的能，而且速度也不会很快，光速的百分之一已经是极限。这样的话随便进行一次星际航行都需要几十上百年，显然我们不会浪费这么多时间去航行一次。但如果我们是利用反物质问题就变得简单得多，我们的飞船不用建造得那么大，燃料也不用携带的那么多，这将大大减轻飞船的质量，而速度也可以提升到光速的十分之一，甚至更高。不过保守来算的话，完全掌握反物质的技术也需要万年。能得问题是怎么也规避不了的。
现在我们再来看一下速度的问题。正如爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论，任何有质量的物体，它的速度都不会超过光速。而这与我们的常识是违背的（事实上直到现在也有很多人反对相对论），然而这个理论是正确的，它已经被多次的实验和观测所证实，我们没有理由否定这个理论。根据牛顿第二定律，如果你给静止的物体一个推力，这个物体将向你推的方向走，这没问题，F=ma阐释的就是这个道理。事实上，你第二次推这个物体的时候用同样大的力却不会产生同样的加速度。在低速时我们观察不到这个现象，没错，常识统治一切。但是在物体高速运动时牛顿定律就显得不那么适用了。你给物体的推力有一部分用来使它的速度增加，但也有一部分增加了它的质量， 所以相比与第一次这个物体的速度增加的就少了。随着速度的增大，越来越多的力被用来增加它的质量，增加速度的却越来越少，当这个物体被加速到接近光速时，几乎所有的推力都被用来增加它的质量，最后你给这个物体无穷大的力，它也只能到达光速，而质量却是无穷大。这就是光速极限理论。但就算我们把飞船的速度加到光速，我们从地球到最近的恒星半人马座α星也要4.4光年，也就是说我们要在飞船中度过4.4年，再加上到星球上探索的一年时间，没有10年我们是不会回到地球的。而且还有一个更加棘手的问题，飞船以光速前进的过程中，要规避行星、小行星以及各种天体。但是我们是用电磁波来进行信息的传递，没有比这个更快的速度了。当飞船以光速前进时它的速度与信号传递速度相等，也就是说，撞击警报刚响起，撞击便发生了。在这种情况下，我们就不得不寻找新的信息传递方式。有些人寄希望于1935年发现的量子纠缠（爱波罗悖论，由爱因斯坦及其两个助手以悖论的方式提出）现象，此现象解释为空间存在两个或几个粒子，其中一个发生变化时，其余粒子在同时发生相应的变化，不需要时间。我们的信息传递若是能依赖于量子纠缠，那么理论上上述问题可解。不过请注意，是理论上，现实中我们还没有制造出以量子纠缠为原理的信息传递工具。而且这方面的研究也相当有限，受实验条件限制和不可避免的环境噪声的影响，如今制备出来的纠缠态并非都是最大纠缠态。如果没有高于光速的信息传递方式，我们就必须保证飞船穿越宇宙空间时经得起尘埃、碎石等的打击。如果这艘飞船没有很好的防御的话，那么不久这艘飞船就变得千疮百孔了。怎么给飞船加上防护呢？强磁场就是很好的防护罩。现在人类制造出破坏力最大的武器就是核弹，这艘飞船要能够承受住核弹的反复轰炸而不受一点伤害。因为核弹的破坏力主要来自三个方面：冲击波、高温和强辐射。但是，如果核弹是在太空中爆炸的话，那么所有能量几乎全部以辐射的方式释放，这是因为冲击波的产生必须依靠空气，而太空中绝对零度的低温也使得高温能维持的时间非常短暂。我们的核弹爆炸所产生的辐射量还远不及飞船达到亚光速时所承受的巨大宇宙辐射。对于一个以光速飞行的飞船，宇宙中所有粒子和宇宙尘埃都相当是高能粒子。粒子相对飞船运行的速度和它产生的辐射强度呈正相关。如果我们观测到星际飞船的速度越高，则表明它的防御力也越强。所以我们的强磁场必须能够经受住核弹的轰炸（这是最最最基本不过了）。当然，我们可以避免与大型天体（例如恒星）相撞的危险，而宇宙中那些基本粒子也可以被强磁场阻滞在外面，但是一些小型天体就不是只靠强磁场就能躲过去的了。1994年，苏梅克·列维9号彗星装上了木星，这是自从人类发明望远镜之后的首次也是唯一一次目击这种天文奇观。这颗长达5000米的彗星虽然被木星的潮汐力扯成了21块，但是给木星造成的疤痕比地球的直径还长，撞击释放出的能量相当于全球所有核武器加起来的750倍（相当恐怖）。所以飞船在前进的时候需要不停的调整方向避免发生撞击，而这也需要电磁波来传递信号，所以在这种情况下飞船的速度是不能大于光速的，否则我们将接收不到讯号，也看不见天体发出的光，发生撞击的危险就大大的提升了。那么我们让飞船接近光速但不会达到光速，是不是就能解决问题了呢？这看起来好像可行，但是还有一个问题，就是时间膨胀效应。爱因斯坦提出，当物体运动的速度越快，则对它而言时间将会变慢（就好像你在火车里，感觉火车并没有动，但是四周的景象却在往后退一样）。因为我们本体和飞船一起被加速，所以感觉不到时间膨胀效应。飞船上的人认为从地球到半人马α星所需要的时间不是4.4年而是一个星期，但是地球上的人却不会同时经历时间膨胀效应，在他们看来，这艘飞船确实飞行了4.4年，而这段时间对飞船上的人来说可能仅仅是一个星期。如果航行的距离比这更远，所需的时间就越长，那么时间膨胀效应也就越明显，当这艘飞船飞行了1000年的时候，飞船内部的人认为只过去了一个月的时间甚至更短。等到他们凯旋的时候会发现地球和原来相比完全不同，这些宇航员也要进行一次深刻的“未来休克”。自然，我们是不愿意用这种方法去进行星际航行的。
然而，如果爱因斯坦的质能方程成立的话，就应该有数学家们称为虚数质量的物体存在。这种粒子被叫做快子，它与基本粒子的特性正好相反，快子永远以高于光速的速度行进。它的能越大，速度越小。如果你给一个快子一个推力，它的能会被加大，但是速度却会慢下来，最后你给它一个无穷大的力，速度也只会减小到光速。如果你给它一个阻力，或是让它通过一个阻滞介质，它的能会被减小，但是速度会增加，当你给它一个无穷大的阻力时，它的能会被减小到最小，但是却会以相对于静止宇宙来说无穷大的速度飞行。如果我们利用快子的这一特性使飞船的速度增加，那么这艘飞船可以在一瞬间将速度增加到无穷大，到达目的地时再减小到光速并继续减速，最终达到速度为零的状态。这看似是个可行的办法，不过直到今天我们也没有发现过快子，虽然它遵守质能方程，但也有可能在另外一个我们目前还不知道的式子中被否定。比如，有些科学家认为，如果有快子存在的话，因果关系定律（在时间上因必须先于果）就将不成立了。我们有理由相信快子的存在，不过没有发现就没有利用，而且就算有，我也不知道该如何将普通亚原子粒子变成快子，或怎样使这个过程还原。在快子运行中，光子运行的所有困难都会激增，因为在转变时发生任何一个差错都不仅会将所有的东西扩散到几千百万公里以外，而且甚至可能是几千百万光年以外。所以这个理论也不成熟。
有时，人们曾设想，有一天，我们可以将飞船上的所有带质量的粒子，包括船员和乘客身上的带质量粒子全部变成各种类型的不同光子。那么，这些光子就可以以光的速度运动，不需任何加速，也不需消耗一般加速时所需要的能量 。在一般情况下，这些光子会以光的速度向四面八方散开。但是，我们不妨设想，在有激光光束产生的情况下，可能发生一种变化：激光将向同一方向前进，比如朝半人马座α星前进。一旦这些光子到了半人马座α星，它们又转变成原来的粒子——不需要减速、不需要平常情况下这种减速所需的能。但是这也有缺陷，首先，我们只是以光速前进，去随便哪个星系都需要几百上千光年，甚至更远，那么我们就要走几百上千年，显然这是不现实的。另外，我一点也不敢断言，像我这样随意将能和速度分开是否妥当。我很怀疑，即便我们能将粒子转变成光子并以光速前进，到最后发现转变时所需的能和加速减速时所需的能一样多，我们得用同样多的能来使物体减速到光速以下。因此，“光子运行”也许并不能节省时间，也节省不了能。而且，我们也不知道该如何把物质转变成光子并还原（设想一下自己的大脑被打乱成光子再被还原的情景吧！）。有些人认为这完全可以想象，但是就连他们自己也找不出任何一个可行的办法。
如果不能转变成光子，考虑到时间膨胀效应以及信息传递问题，我们就必须看看低速下的情况了。如果一艘飞船的速度是3000km/s，这个速度通常讲起来很快了，因为这是，飞船从地球到月球只需要两分钟，但这还只是光速的百分之一，时间膨胀效应也微不足道。然而问题是加速和减速时间太长。我们拿加速举个例子，日常生活中我们乘坐汽车，一般十秒钟左右就可以达到汽车的最高时速（或是限速）。如果这辆汽车最高时速3000km/s呢？十秒钟加速到这个速度是什么概念？牛顿第一定律（也称惯性定律）告诉我们，任何有质量的物体都存在惯性，即保持原来的运行状态。如果这辆汽车以恒定的加速度加速，想想你坐在车里，每秒钟提速300km/s的情形吧，你和这辆汽车绝对会成为一堆再也分辨不出来的粉末。没错，这个加速度太大了，我们人体或是器械都承受不了。如果我们把加速度限制在人体能够承受的范围内呢？飞船以一个重力加速度（9.8m/s2）的状态加速飞行，这样经过一年就可以达到光速。同样的，减速也需要一年，那么这两年你都需要固定在什么地方，因为这时你会感觉船尾往下沉，船头向上翘起，如果你随意的站在某个地方，那么你就像是从地球的高楼上往下跳一样，结果我就不说了。试问有谁能承受住两年的束缚？我不行，你也不行。显然这个方法也是不现实的。
1930年，爱因斯坦和纳森·罗森在研究引力场方程时提出了“虫洞”（爱因斯坦—罗森桥）这个概念。。简单地说，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的敞开。虫洞可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道，所以也叫"灰道"。对虫洞的理论研究，其中有一点就是我们驱动太空船进入虫洞后，经过相对宇宙航行极其短暂的时间就可以从另一个出口出来，到达宇宙的另一端。这个办法对我们来说很快了，但是一些物理学家认为，理论上也许可以使用虫洞，但虫洞引力过大，会毁灭所有进入的东西，因此不可能用在宇宙航行上。即使虫洞存在并且是稳定的，穿过它们也是十分不愉快的。贯穿虫洞的辐射（来自附近的恒星，宇宙的微波背景等等）将蓝移到非常高的频率。当你试着穿越虫洞时，你将被这些X射线和伽马射线烤焦。虫洞的出现，几乎可以说是和黑洞同时的。而且直到今年，其存在性也尚未定论。
总之，还是那句话，以人类现有的科技，进行星际航行是不现实的。至于“百年星舰”计划，本人对其成功性表示怀疑。毕竟我们在很多方面还只是“童子军”。