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筛选星际文明,飞船借助黑洞引力加速回航

文章作者:Lily | 2016-06-22
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如果宇宙中存在星际文明,哪些科技是他们必须掌握的?

在科幻小说《三体》中,三体人为了防止人类掌握星际防御技术,采取锁死地球科技发展的措施。由于对物质深层结构的了解会引发物理学革命,是一切科技发展的基础,所以三体人主要限制了人类对物质深层结构的探索。“水滴”“中微子广播”“曲率引擎”等技术都依赖基础物理学的发展。一旦无法从高能物理实验中获得准确数据,物理学家就变成了盲人,永远无法证实新理论正确与否。

星际文明是能够进行太空旅行的种族,他们对向上和向下两个方向的自然规律必然有精深的理解。向上,需要理解天体运行规律,这样飞船才能在星体复杂的引力场中穿行;向下,需要掌握物质的微观结构,这样才能运用蕴含在亚原子粒子中的力量,推进飞船前进。

在人类科技史上,有一种材料同时承担了对物质世界向上和向下两个方向的探索功能,这就是玻璃:玻璃镜片制作的望远镜提高了天体测量的精度;玻璃制作的三棱镜分解了白光,揭示了物质深层结构的奥秘;显微镜加深了人对生命现象的了解;试管和量杯是化学研究不可缺少的工具……可以说,没有玻璃就不会有科学革命。

在其他星球上,玻璃或许可以被其他透明且耐腐蚀的材料代替。但有些技术,是没法轻易被替代的,比如高速推进技术、太空生命保障系统和星际通信。

◆ 化学燃料远远不够

星际文明一定具备恒星际航行的能力。在距离太阳15光年范围内,有32个恒星系统;100光年范围内大约有600个。迄今速度最快的载人航天器是“阿波罗10号”飞船,最高速度达到了每小时39895公里,但即使以这个速度飞行,到达距离地球最近的恒星系统——4.2光年远的半人马座α星——也需要12万年的时间。假设星际文明的个体寿命是人类的一倍,达到200年的量级,一次可接受的往返星际航行应该在100年内完成,否则,船员的教育和退休生活都要在飞船上进行。

要实现这样的速度,首先被排除的就是化学燃料推进。如果一架航天飞机大小的航天器用1000年时间飞到邻近的恒星系,并采用化学燃料火箭,那么,需要的推进剂比全世界所有燃料加起来还多得多。即使采用人类目前掌握得性能最好的离子发动机,排气速度比目前使用的化学火箭的排气速度高200倍,仍需要500多艘超级油轮(10万吨级)大小的推进剂储箱,才能使航天器耗费100年的时间飞到距离太阳最近的恒星。如果该航天器到达目的地之后要停下来,则另外还需要用500艘超级油船所容纳的推进剂来减速。要实现星际飞行,必须使用更高能量密度的燃料。

◆ 核聚变:勉强够用

核聚变是人类目前掌握的最大的能量来源,它可以使飞船实现0.1倍光速下的近距离恒星间百年往返。

1973至1978年,英国星际学会组织开展了一项名为“代达罗斯计划”的核聚变星际飞船研究,该计划设想用无人飞船对另一个恒星系统进行飞掠式的快速探测。这艘星际飞船长190米,由两级构成,竖起来有60层楼高。第一级发动机直径达100米,是半球状结构;发动机内壁排列着75支电子枪,用以发射电子轰击发动机中心的核燃料球;其每小时的聚变能量输出相当于100万吨TNT。

代达罗斯飞船的燃料球由氘和氦3构成,总质量达5万吨。这两种燃料都不容易获得。该计划中包含开采木星以获得氢的同位素。如何采集木星氦3呢?可以用一根“空心绳”在轨道上将木星大气中的氦3吸取上来,由于这根“空心绳”能切割木星磁感线,所以还可以用来发电。据测算,要在木星大气中用气球放置100套提取装置,花费20年才能分离出足够多的氦3。一、二级推进系统总共工作不到4年,可以将飞船加速到0.12倍光速,在接下来的46年里,代达罗斯飞船会处于无动力滑行状态。在发射的50年后,载有科研设备的500吨重飞船可抵达距太阳5.9光年的巴纳德星。

如果把“代达罗斯计划”放在2010年实施,成本估计为40万亿美元。这相当于全世界所有国家的年度GDP总和。能量消耗则占全球一年能源消耗的十分之一。这还只是一个飞掠恒星的不载人恒星际航天计划。对于载人飞船来说,还必须装备大量的防护设施,使乘员免遭聚变反应生成的α粒子和质子的伤害。多出的防护设施和生命维持系统的质量,需要以指数形式增加的额外燃料来推进。

◆ 冲压推进:难以独当一面

所有的火箭,包括核聚变动力火箭,为了获得更高的加速度,就必须携带更多的燃料,这会使火箭变得更重,反而又降低了加速度。因此,如果真想进行星际旅行,在燃料问题上就应该尽量就地取材。1960年,美国物理学家罗伯特·巴萨德提出的冲压式火箭发动机或许可以解决这一难题。它的原理跟核聚变动力火箭一样,但它并不需要携带核燃料。它首先是将飞船前进方向上的氢物质电离,然后利用强大的磁场吸收这些氢离子作为燃料。由于星际空间中氢物质很少,因此,它的磁场必须足够强,甚至要延伸数百乃至数千公里范围。

星际冲压推进飞船的速度并非科幻小说《宇宙过河卒》中描写的可以一直加速到接近光速。当高速飞行的时候,巨大的磁场将产生不可忽视的拖滞效应,使飞船根本无法达到接近光速的速度,最多只能达到光速的16%。另外,只有当火箭的速度达到光速的6%时,氢收集器才能收集到足够的氢作为燃料,让发动机开始工作;所以必须配备一台辅助推进器,使它的时速至少达到6480万公里,而如何达到这个速度也是一个不小的技术难题。如同氢弹必须由原子弹做“扳机”一样,星际冲压推进飞船也要以核聚变发动机作为“助推器”。

◆ 反物质:最高效,最稀缺

对于所有利用反作用力原理推进的火箭来说,反物质是能量密度最高的燃料。1克反粒子与对应的正粒子相遇后,所发生的湮灭反应将释放出相当于4万吨TNT爆炸的能量。42毫克反质子所具有的能量,与航天飞机外贮燃料箱中750吨燃料和氧化剂所含的能量相当。在《星际迷航》中,“企业号”可实现曲速飞行,以超光速抵达宇宙任意一处,都仰仗于它的反物质发动机。此外,反物质发动机的一个好处是反物质的湮灭可以自发产生,不必像核聚变发动机那样需要人为营造高温高压条件,所以反应堆体积可以缩小,飞船重量得以减轻。

反物质火箭发动机技术的关键点,是保证和提高磁场引导粒子流从引擎喷口逸出的效率。研究表明,一种以正、反物质的混合物作为推进器燃料的火箭,能够以光速的70%左右飞行。这意味着,借助反物质发射火箭,人类前往4.2光年之外的半人马座α星只需要6年时间。由于相对论效应,从地球到半人马座,地球上的时间会过去6年,而旅行者的时钟只过了不到4年半而已。

在太阳系里,反物质十分稀少,只能用人工方法制取。目前,通过粒子加速器需花费1000年才能制造出1微克反质子。在人类建造的加速器里,质子束正以每10年4个数量级的速度提高着。有粒子物理学家认为,到了21世纪中期,微克级的反质子产量可能出现指数式增长。而我们现在拥有的反质子数量微乎其微,其湮灭产生的能量连一根火柴都无法点燃。

工程师面临的另一个挑战是,如何在狭小的空间里储存足够多的反质子,因为反质子能湮灭普通物质。显然不能将它们存放在实体容器中,它们必须借助电场和磁场加以保存。

由于上述几种星际推进技术各有优劣和适用范围,真正的星际飞船可能采用光帆、核聚变发动机、反物质发动机混合推进:在距离恒星不远的地方张开光帆,节省燃料;接近巨行星时补充核聚变燃料;最宝贵的反物质发动机只有在关键时刻使用。

也许拥有得天独厚资源的外星文明可以更轻松地进行星际航行。2011年,约瑟夫·布里登博士提出了“无引擎星际飞船”的想法。他提出,在星体间混乱的引力场中,有时一些恒星将被高速抛出。他认为同样的原理可以应用在推动飞船航行上。首先,找一颗近距离接近太阳并以椭圆轨道运行的小行星,然后发射一艘围绕该小行星运转的星际飞船。如果该小行星能够在靠近太阳的新轨道上被捕获,那么该艘飞船将会被抛掷到星际轨迹中,它的速度很可能达到光速的十分之一。小行星以及飞船之间的混沌动力学,使得小行星的全部能量转移给飞船进而成为飞船的驱动力。这个“借力”原理有点类似电影《星际穿越》中,飞船借助黑洞引力加速回航。

◆ 太空生命保障系统

有没有天生就适合星际航行的生物呢?比如像“异形”那样,不怕真空和辐射;或是一种借助光压力飞行于恒星之间的智能微粒。如果没有这样的生物,星际文明的个体在进行长途太空飞行时,就得老老实实地把母星的环境带在身边。这个环境则包括饮食、空气(气压)和重力。

以地球人为例,一个容纳1万居民的太空居住地,在大家都吃素的情况下,每年也要消耗1万吨食物。当前,每运送1千克食物到国际空间站,要花费近1.4万英镑(约合13万元人民币)。这么多食物不可能全从地球运过去,必须自给自足。自给自足的最好方法莫过于种植,就像《火星救援》那样。如果太空居住地使用太阳光照明,且光照强度与地面一样,那么,每位太空居民至少需要占地1000平方米的植物来供给口粮,另外还需要50平方米的植被生成氧气供呼吸用。使用人工光照可以减少植物的占地面积,但需要额外的电能。产生人工重力的旋转舱可防止骨钙流失、肌肉萎缩,但对火箭来说是“死重”,得耗费额外的燃料推进。如果船员可以被冷冻起来,到了目的地再唤醒,则可节省大量的生命维持设备,人工重力也不需要了。所以,冬眠技术是一项非常值得开发的太空技术。

◆ 星际通信

考虑到太空旅行需要跨越的空间距离和时间距离,一旦开启星际移民,人类就会四分五裂。首先分裂的是语言和文化。相隔万亿公里、无线电通信延迟数年的外星球定居点,将产生自己的方言俚语,拥有自己的文化。接下来,就会出现政治和经济的分裂。描写月球、火星殖民的独立战争的科幻小说数不胜数。星际文明时代,与母星距离更遥远的殖民星球独立的可能性更大。历史上,庞大的蒙古帝国之所以迅速瓦解,一个原因就是在通信落后的时代无法对所辖地区进行有效治理。

只有超光速通信才能维系统一的星际文明。在《安德的游戏》中,人类靠安塞波保持指挥部和星际舰队的联系,击败了遥远的外星敌人。在科幻作品中,常见的超光速通信有两种:一是超空间通信,先用曲速、超空间、跃迁发生器等手段产生一个空间,将电磁波发送进这个空间,电磁波在该空间中的传递速度超越光速。《星际迷航》中就是这样做的;二是量子通信:利用量子纠缠原理,将光子对拆散,一个留在原地,一个放在目标航天器上,当对一个光子进行干涉时,另一个光子就会做出相应的反应。《三体》中,智子之间就这样实现了实时通信。

◆ 人类距下一个筛子还有多远?

文明的第一次“长大”,是发现自己的世界不是世界的中心,对人类而言,这次成长发生在哥白尼时代。原文地址:http://www.enteach.net/article/201606/1161.html

文明的第二次“长大”,是发现星际文明“大过滤器”的存在。对人类而言,这件事发生在近几十年间。

文明的第三次“长大”,是明知面临“大过滤器”可能会无能为力,但还是会尽力争取。对人类而言,还不知道哪一层筛子会难以穿过,所以,我们仍在尝试。

可控核聚变尚未打破“永远的50年后”魔咒,但终会成功。难的是有能力为使用技术付出代价。拥有技术和能够自如地使用技术是两码事。20世纪80年代末,美国已经掌握载人火星探测的基本技术,但由于成本高昂,三十年后的今天仍未成行。星际扩张的驱动力也难以预估。也许脑机接口的诞生会使所有人安于虚拟世界,不再关心星空。虽然大规模核战争导致自毁的可能性降低了,但强人工智能实现后,人类是否能继续存在还是未知数。

如果“大过滤器”在宇宙中发挥作用,那些极难通过的死亡之筛是在人类的后面还是前面?也许,只有我们成为星际文明,或者与真正的星际文明实现了接触,这个问题才有答案。

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