星际旅行有可能吗?还需要做出哪些努力?

回想一下历史到今天的科技发展速度,星际遨游是有希望的。在很久以前,古人遥望遥远的恒星时,只能猜想它们周围是否有行星,是不是每一个星球上都有不同人类的存在。

图:古人夜观星象图

在过去的30年里,天文学井喷式的增长,我们发现了数千颗已知的、已被确认的行星,其中包括许多可能适合人类居住的类地行星。但我们真的能遨游宇宙去往那些行星吗?

说到星际旅行,我认为这是可能的,取决于人类的发展速度,虽然今天看起来像天方夜谭,就像古人夜观星象时也不知道人类竟然有可能登上月球,只不过那里没有嫦娥。

传统的技术

图:航天飞机主引擎点火。

如果我们使用现有的技术,理论上,我们可以到达另一个星球。通过建造一艘足够大的飞船,我们可以拥有一个可持续的小型文明,可以把飞船的速度提高到每秒几十公里甚至每秒几百公里的。同时在飞船中种植我们自己的食物和循环过滤利用水。另一种选择是开发低温冷冻和解冻技术,在这种技术中,人类、植物和其他生物可以以假死状态运输,定上时间,到达目的地后自动复活。

图:《迷失太空》中所描述的低温冷冻技术。

很多人可能会担心无人驾驶的飞船会与宇宙中的物质相撞,如小行星或行星,实际上这点科学家一点都不担心。宇宙中华天体虽然数量多,但密度非常低,即使是在百万年的时间尺度上,只要我们设计好路线,我们很难碰上陨石的威胁。

不过即使是到达最近的恒星系统也需要几十万年。并且这只是单程旅行,根本不是一个完美的解决方案。

基于已知物理学的未来技术

图:小型聚变反应堆

随着未来科技的发展,我们可以做得更好,或许我们能做到一下几点:

燃料改进:我们可以使用核燃料(效率约为1%),甚至是反物质燃料(效率为100%),而不是化学燃料,因为它有个很大的弊端,即只能将自身质量的0.001%转化为能用于推进的能量。

推力改进:如果我们可以在飞船上运输更多的物质和反物质作为燃料,我们就可以继续加速前进。由于人类可以承受(更喜欢)类似地球引力的推力,我们可以让飞船朝向我们的目的地,让推进器以地球引力加速度g(9.8m/s^2)加速前进,当我们到达中点时,再让推进器以引力加速g反向减速,最终我们可以低速降落到目的地。

时间的改善:因为这将使我们在仅仅几年的加速之后就接近光速,我们可以在不超过20-40年的旅行中到达几乎任何我们选择的恒星。

如果我们能在星际空间中以非常快的速度飞行,我们就不需要一艘飞船上延续几代人才能到完成旅行。不过我们需要一个足够强大的磁场,防止宇宙射线击穿我们,或者需要一张实时的宇宙信息地图,可以提前预判宇宙中的威胁,但是这点很难,因为宇宙中存在大量无限接近于光速,甚至达到光速的威胁。如果我们能掌握冷冻技术,我们甚至不需要带种子和鸡蛋以外的资源来播种和孵化。

需要解决和研究的问题

图:Bussard星际冲压发动机。激光电离了星际间的氢,这些氢可以被收集起来(作为燃料)或根据动力需要进行偏转。

然而我们还存在大量的问题,从旅途中的人的角度来看,如果我们访问的是一颗离我们数百或数千光年远的恒星,由于相对论时间膨胀效应,单程旅行可能只需要几十年。

图:狭义相对论速度时间膨胀

但是地球上则会经过数百或数千年的时间。当我们踏上这段旅程,我们将无法与原来的亲戚朋友再次见面交谈,最多就是他们遥远的后代(假设在遥远的未来地球上还有人)感慨历史的变迁。旅程不一定是单向的,但对于那些留在地球上的人来说,他们无法知道结果如何,也没有机会与这些如今已远离他们的旅行者分享知识。但是,如果我们想要扩大人类活动范围,类似《星际迷航》的体验,那该怎么办呢?

传送技术

图:在博米亚力学中的双狭缝轨迹。这一原理可用于通过虫洞实现亚空间通信。

我们能造一台运输机吗?可以用曲速引擎吗?那么次空间通信呢?在这一点上,这些都是“梦想的技术”,可能基于现代理论物理学,但这些对我们宇宙的可能性尚未确定。

图:曲率飞船挤压时空

理论上,只要系统的波函数在任意一个位置的概率是有限的,那么传输器技术就可以利用量子纠缠的特性,使任何量子系统瞬间从一个位置移动到另一个位置。但是是否有可能使一个宏观系统在相当大的距离内具有这种性质这就没人知道。

曲率飞船和瞬时通信都需要依赖于时空曲率,以及通过扭曲的空间稳定地发送信号或物质的能力。原则上,在这种情况下,在广义相对论中构造一个解是可能的。然而,我们仍然不清楚的是人是否可以在我们的宇宙中实现这一点,而不发生以下这些情况:

需要能量的大小,是否大于整个太阳中所蕴含的能量,

扭曲空间中巨大的潮汐力是否会摧毁任何因为需要传送,从而进入扭曲空间的物质,

到底有没有可能是将时空中两个截然不同的位置连接起来。

图:广义相对论史瓦西求得的虫洞解,数学还原图

最后

虽然双向旅程很美好,但我们最好的选择是专注于单向的旅程。不过,请保持开放的心态,因为那些今天科学的新发现,科技的新发展,正是引领我们实现星际梦想的基石。就目前而言,伟大的宇宙之旅还要再等等。