資料來源：科學時報

2003年9月1日

天文學家們相信，人類終能在地球鄰近的星系中找到一個新的“地 球”。如果有一天，這個目標實現了，人類又怎么能在有限的生命 里，飛到距地球光年距離以外的目的地呢？美國《發現》雜志最近 撰文介紹了科學家在星際旅行方面的最新研究進展。 在過去的數十年中，天文學家在太陽系外的其它星系中發現了各種 不同的新大陸，然而，或許是由于觀測工具還不夠有效，人們至今 還沒有發現一個與地球類似的行星。 這樣的窘況可能會有所改變，因為美國宇航局計划１０年后發射一 個天文望遠鏡，名為“地球行星探測器”（ＴＰＦ），目的是在太 陽系外為人類尋找一個新大陸。預測認為，觀察大約１５０個鄰近 星系就可能會找到一個類似地球的小型行星──新的“地球”。 接下來的問題是如何到達新“地球”，因為其難度的確要比到火星 大得多。人們在黑夜中能看到的最亮的，也是離地球最近的半人馬 座阿爾法恆星，其中可能存在類似地球的行星，但它離地球有４． ４光年之遙，比目前任何太空探測器所飛行的最長距離還要多３０ ００倍。巨蟹５５恆星中有３顆行星，它們組成了一個與太陽系類 似的系統，但離地球卻達到了４１光年之遠，比前者的距離還要多 １０倍。因此，要飛到一個能讓人類居住的新“地球”，需要超快 的航天器，它要比今天所有的航天器都要先進得多。可是，制造這 樣的航天器又談何容易！ 但美國宇航局噴氣推進實驗室的羅伯特﹒弗里斯比認為，這樣的航 天器從理論上說是可以制造的。弗里斯比的工作以及他一生的夢想 ，就是在孜孜不倦地尋求實現星際旅行的方法。目前，他正在研究 ５種可能使宇航員飛到半人馬座阿爾法恆星，而只需要花費不到５ ０年時間的推進技朮。“我們正在談論的不是幻想，”他對《發現 》雜志說。 原子火箭 １９０３年，俄羅斯物理學家齊奧爾科夫斯基發現，星際旅行最大 的障礙是火箭的最大速率一般只有其發動機的噴氣速率的兩倍左右 ，發動機的噴氣速率只能達到４．４公里／秒，因此單級火箭能達 到的最大速率不到９公里／秒。以此速率，到達半人馬座阿爾法恆 星將需要１２萬年。如果讓一個宇航員花４０年抵達目的地，火箭 速率需要提高３０００倍。如何才能達到這么快的速率呢？弗里斯 比建議，使用核裂變、核聚變和反物質作為推進劑。 核裂變火箭。科學家已經與核裂變打了６０多年交道，并制造出了 原子彈和核反應堆。當原子裂變時，所產生的“分裂碎片”速率達 到光速的３％，即約每秒９千公里。美國勞倫斯﹒利弗莫爾國家實 驗室的喬治﹒哈普林等人設計了一種概念型的“分裂碎片”反應堆 ，可以控制這些高速粒子。該反應堆類似于圍繞一圓柱形塔旋轉的 一疊“唱片”，每張“唱片”主要由石墨構成，石墨上覆蓋著 或 等放射性燃料。當這些燃料旋轉進入圓柱形塔時，與塔中的放射性 物質產生可控鏈式裂變反應。而施加于反應堆上的強大磁場將“分 裂碎片”束縛在一起向一個方向噴射，使火箭的速率能提高到約每 秒１．８萬公里，也就是光速的６％。 核聚變火箭。與核裂變相反，核聚變是把原子結合在一起，從而獲 得能量。聚變反應堆能減少不必要的一些輻射，燃料氘和氚也容易 獲得，因為氘和氚在月球的表面和木星的大氣中大量存在。在到另 一個恆星的星際旅行之前，核聚變火箭完全可在太陽系內找一個地 方補充燃料。然而，科學家們至今仍沒有建造出一個可工作的核聚 變反應堆。人們已經知道如何利用核聚變反應制造氫彈，但卻沒有 掌握該反應產生的能量控制技朮。在飛行速率上，核聚變火箭與核 裂變火箭差不多，沒有進一步挖掘的潛力。到最近的恆星，它也需 要大約２００噸燃料，但所需的輻射防護材料就比核裂變火箭少多 了。 反物質火箭。愛因斯坦著名的能量方程Ｅ＝ｍｃ２表明，質量是能 量的一種集中形式。裂變和聚變反應只將質量的１％轉變為能量。 然而，有一種方法可以以近１００％的效率將物質轉化為能量，也 就是把物質與其鏡像反物質相結合。物理學家已經制造了少量的反 物質，比如歐洲核子研究中心最近就制造出了１百萬個反氫原子。 對星系旅行火箭來說，反物質將是重要的燃料，然而，想要獲得星 際旅行火箭所需要的大量反物質也是極其困難的事。 原子火箭外的新技朮 包括使用反物質作為燃料在內的多種火箭技朮弱點很明顯，那就是 燃料多，火箭動力大量耗費在運載燃料本身上。這樣的方式在發射 人造衛星和登月尚可采用，而在星際旅行中則不可行。專家說，星 際旅行需要更輕、更靈活和更快捷（接近光速）的推進系統。目前 ，這樣的概念型系統有兩種。 一種是激光帆船。它最早由美國物理學家羅伯特﹒福沃德提出，弗 里斯比說，這是人類星際旅行最可行的技朮。這一技朮的理論是， 正如帆船依靠風力漂洋過海，大功率激光束也能推動有著巨大“帆 ”的航天器在太空中遨游。 弗里斯比計算說，激光帆船能在１０年內使其飛行速率達到光速的 一半。而如果采用直徑為２００英里的激光帆，人類則可以用１２ 年半的時間抵達半人馬座阿爾法恆星﹔采用６００英里寬的激光帆 ，飛到巨蟹５５恆星也只需８６年。 另一種是聚變沖壓式噴氣發動機航天器。理想的航天器應該同時具 有激光帆和原子火箭的優點，這樣，宇航員能操縱它隨意飛行，同 時它還不需要燃料。 但弗里斯比同時表示這一技朮遠未成熟，而且，利用該技朮的航天 器在飛行速率不到光速的４％時，運行情況與聚變火箭相似。超過 這個速率，航天器的磁漏斗才能收集足夠的氫提供給反應堆。弗里 斯比大略推斷了一下，這種航天器飛到半人馬座阿爾法恆星需要２ ５年，飛到巨蟹５５恆星需要９０年。 人的問題 人的問題與技朮問題一樣麻煩。盡管人們已經知道如何讓宇航員在 太空站中保持健康，然而宇航員每次執行任務的時間一般只有几個 月，并且有宇宙飛船從地球定期給他們送生活用品。而星際旅行常 常花費數十年的時間，中間根本沒有地方補充食物等生活必需品。 地球以有限的大氣、水和耕地養活了６０億人。然而，人實際上只 使用了大氣、水和耕地這個系統的一個很小的部分。在航天器里， 就可以模擬制造出這樣的系統，也就是說，用適量的水、氧氣和食 物供人生存。但是，這些水、氧氣和食物都必須以近１００％的回 收率一次又一次地循環，科學家把它稱為封閉的循環。如此，人在 太空中生存的條件就具備了。 但要真正實現起來，卻要復雜得多，其中食物補給、氧氣供應、水 的循環利用、引力問題、輻射屏蔽問題、垃圾處理問題、心理學因 素等都是要解決的關鍵問題。 星際旅行的艱險和困難可想而知。但正如埃及人建造金字塔、哥倫 布發現新大陸，這樣的“奇跡”總會實現。弗里斯比說：“只要想 得到，人類就能做出讓人驚奇的事。” (欒 海)