人類現如今最快速度達到了多少?距離光速還有多遠?
人類能達到的最大速度是美國的帕克探測器,該探測器在近日點的速度最高達到192km/s,只有光速的千分之一,不過也是目前所知速度的極限。該探測器只是在太陽引力的加速作用下產生的飛行速度,就算用該速度在宇宙中航行,到達距離我們4.3光年外的比鄰星需要1500年。對現有的航天技術來說,光年仍是一個遙不可及的單位。
科學家在這個基礎上提出了兩個概念,反物質推進器和曲速引擎。
什麼是反物質推進器?那我們先要從反物質說起。
1928年註定是不平凡的一年,英國物理學家狄拉克首先從理論上提出了存在反物質的假說,認為存在和構成普通物質的基本粒子質量相等但電荷相反的基本粒子,並有由這樣的基本粒子構成的反物質。
僅僅4年後,這個假說就得到驗證,加州理工的安德森發現了正電子。由於反物質和物質如果相遇,將會湮滅,而這個過程能量會百分百發生轉換。此外,反物質發動機的一個好處是反物質的湮滅可以自發產生,不需要象核發動機中的核反應那樣需要許多條件,所以就不需要很大的反應堆,可以減輕飛船重量。
1955年,在美國的實驗室中反質子被找到了。後來,又發現了反中子。60年代,基本粒子中的反粒子差不多全被人們找到了。一個反物質的世界漸漸被科學家描述出來。
我們可以計算一下,1kg星際飛船發動機的燃料,可以帶來的效果。根據愛因斯坦的質能公式E=mc^2,理想的化學反應可以產生1×10^7焦耳的能量,核裂變產生8×10^13焦耳,核聚變產生3×10^14焦耳,而反物質的湮滅能產生9×10^16焦耳,是氫氧化學反應的1百億倍,熱核反應的300倍。指甲那麼大的反物質同物質湮滅產生的能量足以讓一艘飛船巡航數百光年,而太空梭那麼巨大的燃料箱和推進器中的燃料完全可以用100毫克的反物質代替。
不過,理論與現實還是有很大的差距,還有許多困難要克服。首先是製造成本特別高,因為我們目前還沒有其他製造反物質的辦法,現在全球每年才能製造出1百億分之一克的反物質,這點反物質湮滅產生的能量還不夠加熱一杯咖啡。
其次一個障礙是儲存,反物質只要遇到正物質立刻就會湮滅爆炸,所以我們無法使用任何正物質製作的容器來存放它,現在都是通過磁場來保存這些反物質基本粒子。
目前為止反物質發動機的設計方案主要有四種:
1) 固體核心:湮滅在一個固體核心的熱交換裝置內進行,產生的熱量將氫推進劑加到高熱,然後從噴口噴出,效率和推力都比較高,但由於原材料的原因,比衝量最多只能達到1,000秒;
2) 氣體核心:讓反物質同氫推進劑直接反應湮滅,產生的帶電介子以磁場控制並將氫推進劑加到高熱,但這樣會產生一些無法控制的γ射線,比衝量能達到2,500秒;
3) 離子漿核心:以比較多的反物質注入氫推進劑並湮滅產生高熱的離子漿,並以磁場來容納它們,然後將離子漿噴出產生推力,這樣同樣會產生一些無法控制的γ射線,但這種方式不受原材料的限制,比衝量可以很高,大約在5,000秒到10萬秒之間;
4) 粒子束核心(Beam Core):直接一對一地湮滅,然後以磁場控制帶電介子並把它們直接從噴口噴射出去,由於這些介子的運動速度接近光速,發動機比衝量可能要超過1千萬秒。因為湮滅產生的帶電介子在衰變後變成半衰期更長的帶電μ介子,所以這個辦法完全可行。而且這個方式只需要反物質燃料,不需要推進劑,可以極大地減少飛船的負載。
什麼是曲速引擎?
是一種超光速推進系統,和跳躍引擎、超光速引擎、星際傳送器等設備都是科幻作品中相似但理論不同的常見技術。曲速引擎的理論在設定上並不允許在兩點間進行瞬時旅行。曲速技術設想通過在宇宙飛船周圍出了一種正常時空的人工"氣泡",使得飛船可以安全的以快於光速的幾個數量級的速度航行,同時又迴避了時間膨脹的相對論性的問題。
運用空間翹曲作為引擎來推進已成為一些物理學家所研究,例如米給爾·阿庫別瑞的阿庫別瑞引擎。目前尚未有堅實的技術方法被提出,也不知道阿庫別瑞所提的效應理論上要怎麼引發。
20世紀50年代,德國物理學家海姆開始探索"超時空動力"的概念,他提出:"曲速航行"就是利用時空扭曲和時空跳躍實現超光速飛行。他認為強力磁場就可以製造引力場,以高速推動宇宙飛船。如果磁場足夠強大,宇宙飛船就可以進入一個比我們所在的時空更高的二度次空間,以超光速航行。當磁場一消失,宇宙飛船就會重返現在的時空。
2005年德國薩爾茨吉特應用科學大學的物理學家豪澤與同事德勒舍爾共同撰寫了一篇,以海姆理論為基礎的實驗論文,探究"超時空發動機"製作的可行性,被美國航空航天學會授予2005年度"核能和未來航空"項目大獎。
2014年6月,美國太空總署(NASA)機械工程師、物理學家懷特正在研究開發可作星際旅行的宇宙飛船"IXS企業號"。他和3D藝術家拉德梅克合作,製作出宇宙飛船的概念圖,一旦飛船面世,只需兩周便可到達距離太陽4光年遠的地方。
2015年5月,美國宇航局的科學家已經開展了對曲速引擎的研究工作,並對這種科幻級的動力系統進行了測試。這一消息公布後引發了多方關注,支持者認為曲速引擎的研發能夠讓我們不帶笨重的燃料前往宇宙深處,甚至能夠比光速運行得還快。
現在所用的推進器主要是利用化學燃料產生推力,而化學燃料推進的極限速度為25km/m,要想實現星際航行,必須要使用新的能源,新的推動器,否則星際航行永遠都只是夢想。
無論是反物質推進器還是曲速引擎,又或者是現如今最有希望的離子推進技術,都是科學的執著追求與嚮往……