梦想一定要有,万一实现了呢?
当我们要逃离地球的时候,火箭需要达到一个速度11.2km/s,这是第二宇宙速度,也是地球的逃逸速度。速度是摆脱引力的关键,光是宇宙的极限速度,然而即使是光也无法逃离黑洞,所以黑洞是宇宙最强的天体。
如果我们想走出银河系,我们需要摆脱银河系的引力,就需要达到银河系逃逸速度,即第四宇宙速度120km/s,对于人类来说遥遥无望。
假设人类可以无限接近于宇宙极限速度。即使是这样还有一个更严重的问题限制着我们,那就是时间。银河系半径约为13~20万光年,这意味着,即使我们能无限接近光速也需要13~20万年。好消息是爱因斯坦说速度会使时间发生膨胀。
人类能接近光速吗?
你幻想的场景可能是这样的,一艘宇宙飞船以近光速前进,大量恒星,星系如流光般从你身边快速流过。然而真实的情况是你只能看到一个光球笼罩着你,这个光球是宇宙微波背景辐射(CMB)。
图:CMB
CMB我们平常肉眼是无法看到的,因为它在我们的可见光波谱之外,就像我们看不见红外线、紫外线、无线电波是一个道理。
但是当我们近光速飞行时,恒星、星系光线会发生严重的蓝移,波长缩短,移出可见光波谱之外,变成不可见的x射线。与此同时,CMB会被蓝移到可见光波谱中,所以我们只能看到一个朦朦胧胧的光球。
基于光速不变原理,爱因斯坦推导出了,一切有静质量的物体无法达到光速,因此无论是飞船,还是飞船上的人和物都无法被加速到光速,理论上我们可以无限接近于光速,但实际上我们并不具备获取整个宇宙中有限的能量为己用。
当我们不断加速时,质量也会不断上升,时间也会逐渐慢来下(在地球上的人看来)。根据质能等价公式E=mc^2,加速需要能量,随着质量上升越加速消耗的能量越多。这意味燃料将呈现的收益递减定律,大量的燃料消耗只能获得极小的加速收益。
狭义相对论描述:时间的流逝受物体相对于其周围物体运动速度的影响。一个观察者在空间中旅行得越快,他对时间的感知就会改变得越多。这叫做时间膨胀。
为了便于理解,假设我们以99.5%的光速C的速度起飞,前往4.37光年之外的半人马座阿尔法星,再从那里返回地球需要大约8.5年的时间,回来时地球为2029年。而对于宇航员和飞船来说它只飞行了一年,或者说宇航员只衰老了1岁。
跳出幻想
现在我们跳出以上的幻想,我们看看现实如何。火箭是目前人类脱离地球引力的唯一交通工具。
它受控于高度挥发性的燃料,当燃料被点燃推动火箭达到逃逸速度,从而不受地心引力的影响。利用它我们已经到达了轨道、月球,甚至发射了探测器已经到达了太阳风吹不到的地方。
图:土星五号
1969年5月26日,阿波罗10号第一次登月试运行,它创下了载人飞行器速度的记录,时速接近4万km/h。在土星五号火箭的大力推动下,它登上了月球,这是20世纪最强大的火箭。它保持着最大发射速度的记录,超过了5.8万km/h。
图:旅行者1号与2号
1977年旅行者1号发现,探索了木星和土星,并利用这两颗气态巨星的引力将自己“甩”向下一个目的地。在引力弹弓的加速下旅行者1号的最高速度达到了6.2万km/h。
1976年,太阳神2号在太阳周围盘旋了无数次,不断加速。最终达到了25万km/h。这是迄今为止“人造物”能达到的最高速度。2018年,帕克太阳探测器发射,它将成会最接近太阳的“人造物”,在比太阳神2号轨道近7倍的轨道上运行。太阳的引力将使它达到至少75万km/h。
这些数字看着似乎都挺大,然而却不及光速(约10.8亿km/h)的千分之一,所以一开始了假设都是白日做梦。
继续做梦
人类的最高速度即使到达最近的星际邻居比邻星(4.25光年)也需要6000多年。不过,人类并非没有方向。
图:黎明号
2007年发射的黎明号太空船,利用了离子推进器。在离子推力器中,中性电荷的原子被电子撞击,导致原子脱离自己的电子,变成带正电荷的离子。这些粒子被集中的光束激发出来产生推力。虽然加速能力很弱,但燃料可以持续很长时间,可以加速可以不断堆积。科学家预计它最终导致超过32万km/s,如果再加上太阳的引力弹弓,可能会达到100万km/h。
图:巨大的飞船
除此之外,还有无人核聚变动力宇宙飞船,理论可以达到2300万公里/小时(光速的2.3% ),以这个速度到达最近的比邻星(b)大约需要186年。目前还有很多障碍,燃料(氘、氦3和氚),需要上土星和木星开采。
图:这或许是世界第一个受控热核聚变实验反应堆(坐标海南)
物理学家还没有能力在实验室中进行持续的聚变反应。而且聚变飞船体积是国际空间站的数十倍,无法从地球发射,需要在轨道上组装和发射。此外,飞船的大部分重量将由燃料本身构成,这对于任何形式的旅行都是相当低效的,你可以想象一下一辆汽车驮着一只蚂蚁航行。
2010年日本JAXA选择了另一个方向,理想中的飞船不需要燃料,而是依靠太阳帆来推进。太阳帆很像离子推进,但低功率不能运输大质量物体,即使1公斤的有效载荷和1平方公里的太阳帆也需要100年才能到达比邻星。
除了速度,我们还需要解决另外一个问题。假设我们能无限接近于光速,宇宙辐射和太空颗粒也会成倍增加。目前设想的防护方法为:把飞船建造在小行星或彗星内部建造,或把飞船至于5米深的“水壳”中。还有研发电磁屏蔽重定向辐射,就像磁场保护地球一样。
总结
综上所述,困难重重,即使未来我们可以达到高速航行,我们也无法携带大量物质,甚至是物种。电影中外太空漂浮着大量宇宙战舰的场景几乎不可能实现。
人类最终能否穿越群星之间巨大鸿沟可能取决于我们是否可以通过物理定律,开发出的另一种飞行模式,例如《三体》中的曲率飞船航行,压缩空间前行(缩地成寸),当然这是科幻,但梦想总要有的,物理学梦想家一直在努力寻找开启我们未来的钥匙。