在太空中,人类探测器比乌龟还慢:前往火星要6个月,去比邻星要7万年,什么能源能助人类突破太阳系

自从人类看到天空的那一天起,就在幻想飞上去看看那是一个怎样的世界。尤其在现代天文学乃至航天学建立之后,在具备了太空探索的基本能力后,更加对其他星球充满了向往。可是,当我们实实在在展开太空探索时,才发现自己的能力有么有限。

目前人类发射的所有探测器中,飞出最远的就是旅行者1号,目前距离我们也只有223亿公里。这个数字看似非常惊人,但它距离比邻星仍然非常遥远,需要7-10万年才能到达。在太空中,人类探测器比乌龟还慢。

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(图片说明:1997年卡西尼号探测器升空画面,目前人类的火箭发射仍然完全依赖于化学燃料)

我们也不必过于失望,虽然现在的探测器还非常慢,但我们目前已经掌握了4种可以达到更加惊人速度的方法。只不过,这些方法目前仍然不成熟。一旦其中一个能够实现突破,那么我们飞出太阳系的那一天也指日可待了。

核动力火箭

虽然人类的探测器已经开始尝试利用核裂变的方式发电了,但想利用核能给整个火箭供电,仍然还只是个概念。目前来说,火箭燃料还是以液氢较为常见,另外如甲烷、偏二甲肼等也都有使用。总之,我们仍然是依靠化学反应来给火箭提供动力。

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(图片说明:美国国家点火设施,专门研究人造太阳,即可控核聚变)

我们知道,这样的反应所提供的能量非常有限,因为其能量来源不过是化学键重新组合所产生的能量差。而一个原子99.95%的能量都集中在原子核中,如果我们能利用这些能量,那么将会大大提升火箭的速度。没错,这就是核反应。

根据爱因斯坦的质能方程,1公斤化学物质反应释放的能量大约相当于1毫克的质量,而如果是利用中子轰击铀使其裂变的话,则可以获得相当于955毫克质量的能量,几乎是化学燃料的1000倍。想一想TNT炸药和原子弹威力的区别,就更容易理解二者之间的巨大差距了。

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这还只是核裂变。如果我们能够利用核聚变来提供能量,那么火箭能够获得的动力就更加可观了。想一想,核聚变可是氢弹的基本原理!如果是1公斤的氢聚变为氦,那么我们获得的能量将相当于7.5克的质量,非常惊人!如果我们能够利用核聚变的原理来给火箭加速,那么它能获得的加速时长将远远超过现在的一切燃料,这可以让我们用几百年甚至几十年就抵达比邻星。

不过,目前我们的核聚变还没有发展成熟,无法实现可控的核聚变反应,这也是全世界各个国家正在全力攻克的难题。前不久,媒体刚刚报道了人类第一座核聚变反应堆展开建设,预计在2025年建成。不过,如此巨大的反应堆肯定不能用在火箭上,至于火箭什么时候能够用上小型的核聚变反应堆,目前也不得而知,有人认为要等到2100年。

反物质

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同样是利用质能方程的原理,反物质比核聚变的能量转化率高得多。或者我们可以夸张地说:对于反物质来说,无所谓什么能量转化率,因为它的原理就是把所有的物质转化为能量,转化率100%。

反物质的原理非常简单,一对相反的物质在一起会发生湮灭现象,完全变为能量。仅仅1克反物质与等量物质完全湮灭,就会产生1.8×10^14焦耳的能量,相当于3颗广岛原子弹,可见其威力有多么巨大。如果我们能够将这样的能量利用在火箭上,产生的推力将相当惊人。

但是,我们对于反物质的了解还比较有限,目前也无法真的在实践中利用反物质,其主要难点集中在三个方面:

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(图片说明:欧洲核子研究中心反物质工厂)

  • 如何创造稳定的、中性的反物质;
  • 怎样将反物质与正常物质分开开来,实现对其的精确和长时间控制;
  • 对反物质的批量生产,使其能够在实践中被人类利用。

目前来说,前两个问题已经在一定程度上得到了解决。

在欧洲核子研究中心的反物质工厂,科学家们已经尝试将反质子与正电子结合,成功制造了反原子,实现了历史性的突破。同时,他们能够利用磁场和电场,将这些制备出来的反物质禁锢在远离普通物质的位置,使其稳定存在了约1个小时。

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(图片说明:反物质火箭假想图)

目前,我们唯一无法攻克的就是批量生产反物质。人们一直调侃,反物质是世界上最贵的物质,生产一克就需要至少几千亿美元。如果有一天我们实现了批量生产反物质,届时我们对反物质的保存也将更加游刃有余。那么,反物质火箭想必也不会太远,它将通过令人震惊的强大推力,帮助我们探索这个宇宙。

暗物质

和反物质相比,暗物质就更加神秘了,目前没有人知道暗物质到底是什么,只知道它占了全宇宙质量的85%左右。

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(图片说明:虽然目前还不了解本质,但我们知道暗物质在银河系内广泛分布,甚至也出现在了太阳系)

有些人认为,暗物质的本质也是一种玻色子,而且有一点非常特别:它就是自己的反物质。他们相信,虽然概率并不高,但是在很少的情况下,它们会自己之间发生湮灭现象,从而提供大量的能量,为火箭提供动力。

在宇宙中,很多遥远的星系中心都有着惊人的伽马射线暴。不同的科学家对这些伽马射线的来源给出了不同的见解,其中一些就按照刚才我们提到的理论来分析,认为这股强大的能量就来自于暗物质之间的湮灭。如果我们将它利用在火箭上,那么同样可以实现速度的飞跃。同时,由于暗物质在银河系随处可见,我们不需要补充能量,完全可以就地取材,持续加速。

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而且,如果真的可以不携带燃料,那么人类的太空探索将实现更多的“不可能”。火箭可以在不超过光速的条件下无限加速,极大地扩展我们的探索范围。

不过,这个想法目前仍然只是个想法,它首先依赖于暗物质的特性,必须要满足上面我们提到的这个猜想。如果暗物质被证明并不具备这个特性,那么前面说的一切都没有意义。即使我们有一天证明了暗物质有这样的性质,也仍然需要解决其他一些问题,如:

如何促进反物质之间的湮灭;

如何引导能量的释放方向,确保火箭按照我们需要的方向前进;

怎样有效地控制反应的速率和规模,让火箭能够按照我们的要求运行。

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太阳帆

太阳帆的概念早在几百年前就被提起,著名天体物理学家开普勒在看到彗星后,发现太阳有一种让彗星的彗尾甩向某侧的力量,认为这可以帮助人类的工具穿越空间。

到了前几年,著名物理学家霍金曾经鼎力支持的突破摄星计划,也是以太阳帆为基础,希望能够通过这种方式实现在20年内抵达比邻星的惊人速度。据介绍,它甚至可以使探测器达到20%的光速甚至更快。

现在我们知道,太阳帆的动力源来自于一种叫做光压的力量。由于太阳光不会断,所以太阳帆也可以持续飞行。而为了获得更大的推力,太阳帆必须足够大,甚至达到几百米甚至几千米的直径。好在宇宙中天体的距离都非常遥远,所以完全不必担心太阳帆会撞到什么天体。

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(图片说明:目前最有望接近光速的动力模式——太阳帆)

目前来说,世界各国也都在尝试研发太阳帆,比如今年年初,我国的天帆一号就成功实现了展开,但距离真正的使用还有着非常遥远的距离。另外,美国行星协会的光帆2号在去年6月份发射升空,目前也在进行着相关实验。

太阳帆的难点在于如何制造如此巨大的帆,以及如何通过有效的折叠和展开手段实现它的运行。它目前还无法载人,因为强大的加速度会让人体崩溃。另外,加速到接近光速后,太阳帆如何减速也是一个问题。与此同时,我们还必须要有更加先进的材料,让它变得更薄,才能获得更轻的质量以实现更大的速度。

目前来说,石墨烯是最好的选择。不过,人类何时能够广泛、批量地生产石墨烯并加以灵活应用,仍然是个未知数。

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(图片说明:太阳帆概念图)

总结

人类的梦想,是星辰和大海。我们希望能够冲出太阳系,看一看外面的宇宙。对于现在的人类来说,前往火星这么近的距离尚且要半年之久。但我相信,随着人类科技的不断突破,我们真的可以到比邻星去看一看。

目前来看,核聚变动力和太阳帆看起来还是比较有可能最先实现的。至于未来是否会有更加创新的技术出现,那就不得而知了。如果人类真的可以冲出太阳系,你最希望先去拜访的是哪颗天体呢?

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