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曲速飞行器——星际航行的关键性研究

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:11

    曲速飞行器——星际航行的关键性研究

    (TM) & 2014 CBS Studios Inc. 《星际迷航》及有关标志和商标来自美国哥伦比亚广播公司工作室。

    任何一个《星际迷航》的狂热粉丝都会告诉你,物理怪人季弗兰·寇克瑞恩( Zefram Cochrane)在2063年发明了曲速引擎飞行器。制作这个飞行器着实不易,因为罪恶的时光旅行外星人想要阻止超光速推进系统的建立,而寇克瑞恩必须阻止他们(参见1996年《星际迷航之第一次亲密接触》)。但是,他最终取得了成功,他的曲速飞行器在随后的几个世纪推动了银河战舰的星际旅行的实现。

    《星际迷航》的粉丝们或许不知道,在现实生活中就有这样一位物理学家,他来自位于休斯顿的美国航空航天局(NASA)的约翰逊航天中心(Johnson Space Center),正在对制造真正的曲速引擎飞行器的可行性进行调研。哈罗德·怀特(Harold “Sonny” White)是这个航天中心的先进驱动项目的领头人,他设计了桌面实验,并在宇宙中具有可塑性的时空中创造出了微小的扭曲。如果这个实验成功,将最终引领一个系统的发展,这个系统能够在宇宙飞船的周围产生一连串的时空扭曲。与增加飞船速度的方式不同,曲速飞行器能够沿着它的飞行轨道将时空变形,并规避了物理学上关于禁止超光速旅行的原则。这种宇宙飞船能够在仅仅数周之内跨越星体之间广阔的距离。

    曲速飞行器——星际航行的关键性研究

    哈罗德·怀特

    摄影:罗伯特·马克维茨(Robert Markowitz),NASA

    无论其他物理学家如何嘲笑怀特的想法,盛气凌人地指出这种改变时空的方式可望而不可及,对于科幻小说的读者和作家来说,这都是一个特别的消息。即使NASA为曲速飞行器的研究项目仅提供了区区5万美金,只占航天局180亿美金预算里微不足道的一部分。怀特的项目之所以如此令人为之一振,在于其巨大的挑战性。在这个财政紧缩的时代,联邦政府愿意为星际旅行这个巨大的梦想下一笔小小的赌注,这是十分鼓舞人心的。

    坚信这个梦想的科学家、工程师和业余的太空爱好者不计其数。他们在学术会议上分享自己的期望和遐想。他们建立了自己的组织——百年星航项目( 100 Year Starship project)、Tau Zero基金会(Tau Zero Foundation)、伊卡洛斯星际航行协会( Icarus Interstellar)——来为将在本世纪末启动的无人星际航行计划奠定一定的基础。天文学家们最近几年发现了大量的类地行星,它们各自所属的恒星距离我们的太阳都相对较近,因此这些坚定这个梦想的人们的热情也随之高涨。这些行星中,有数十个都位于其所属恒星的宜居带,即它们的温度不太高也不太低,适宜孕育出生命。如果通过更加深入的研究,证实了在银河系的某个角落存在一个适宜居住的,如田园一般的星球,我们如何能抵挡发射一个星际探测器,来探索这个神奇的新世界的诱惑?

    问题在于何时发射这个宇宙飞船。无论你相信与否,NASA已经拥有了能够在星体间穿梭的探测器:旅行者一号(Voyager 1)。这艘重达一千六百英镑的“无畏的”飞船于1977年被人们发射到太空,对木星、土星及其卫星进行探测。在完成了主要任务之后,这个探测器快速飞过外行星,2012年离开了太阳系并进入了宇宙空间。自发射之日起,旅行者一号已经飞行了一百二十亿英里,现在它正以每小时三万八千六百一十英里的速度离我们远去。但是,尽管有着如此快的速度,航行者也需要至少七万年才能抵达下一个可能拥有宜居行星的星系。研究者们需要在航天器推进方面取得一些重大的突破,这样探测器才能更快到达目的地。

    虽然怀特和其他一些科学家正为制造曲速飞行器的可行性而倍感抓狂,大多数星际爱好者已经将他们的注意力转向那些没有提出什么假设的技术上。伊卡洛斯星际航行协会就是一个例子,它正在整理一个用核聚变所产生的能源来推动宇宙飞船前行的提案。核聚变是一种通过原子核撞击产生能量的物理过程,这个过程能促成氢弹的爆炸,如果这些能量可以被合理地控制和利用,将大大提升探测器的速度,使其以快于旅行者一号几千倍的速度航行。但是在过去的50年里,研究者们一直在尝试着建造核聚变发电厂,但一直步履维艰。这项技术还没有在地球上发挥出自己的作用,当然也不会被安装在航天器上。

    曲速飞行器——星际航行的关键性研究

    哈罗德·怀特在使用怀特-朱迪(White-Juday)曲速干涉仪,这是一个能够观测时空扭曲的装置。

    摄影:NASA

    另一个大问题是太空中的粉尘。尽管太空深处的尘埃极其微小,但探测器若是以每小时上百万的速度迎面飞进这些尘埃,将引起大面积的损坏。因此,宇宙飞船必须装配上厚厚的保护层,这也就增加了飞船加速所需的燃料。此外,在宇宙飞船达到目的地之前还必须进行减速,如果科学家们像地球周围的一颗恒星发射出一艘宇宙飞船后,它却与该恒星身边宜居的行星擦肩而过,那么让宇宙飞船进行这场百年旅行是毫无意义的。在旅行的后期,探测器必须调转引擎的方向,并向相反的方向发动,来使自己的速度慢下来。但是之后,宇宙飞船需要负担更重的燃料。

    这些问题似乎像太空那样无穷无尽。星际飞行的重大困难或许能够帮助我们解释物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)在1950年提出的著名悖论:如果智能生命在宇宙中普遍存在,那么他们都在哪呢?或许外星人从未到访过地球,仅仅是因为想要来到这里实在是太困难了。

    尽管如此,星际航行的梦想依然执着地存在着。去年九月,也就是伊卡洛斯星际航行协会举办研讨会后的仅仅一个月,百年星际飞船项目就这一主题举办了座谈会。每次在NASA想方设法的为该项目的“头等大事”(为宇航员们建立一个新的发射系统或是像火星发射新的探测器)投资时,计划要来一场星际旅行都显得无可救药的幼稚。吉尔·塔特(Jill Tarter)是捕捉来自外星文明的无线电信号的先驱者,像她这样的太空计划的倡导者们主张,探索其它的恒星系统对人类文明的长远发展来说是必不可少的。人类一旦被禁锢在地球上,就有可能面临着核战争、瘟疫、小行星撞击等带来的灭顶之灾。太阳系中,唯有火星相对而言可能适宜人类居住,但是也需要上百年的气候改造,才能将这个红色星球变成人类宜居的行星。

    因此,我们人类的最终命运或许是在宇宙中寻找另一个角落生活。也许在一千年甚至更久之后,我们的文明能够像《星际迷航》中的星际联邦一样。不过,为了达到这个目标,我们需要奉行进取号星舰的座右铭,我们必须“大胆地走前人没有走过的路”。(翻译:邵楠 审校:侯政坤)

    关于作者:马克·阿尔珀特(Mark Alpert)是托马斯·邓恩( Thomas Dunne Books)/圣·马丁出版社(St. Martin’s Press)出版的新的科幻惊悚小说——《复仇女神》的作者。他的早期惊悚小说——《终极理论》(Final Theory)、《欧米伽理论》(The Omega Theory )和《灭绝》(Extinction),已经被翻译成23种语言。

    原文链接:

    https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/2014/04/23/warp-drive-research-key-to-interstellar-travel/

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