建造星际飞船，需要突破哪些障碍？

如果任何一个孩子想象一艘星际飞船，他们会说类似《星际迷航》中的企业号或者《星球大战》中的猎鹰——他们可以以超过光速的速度穿越星系，甚至穿越时间隧道，在超空间中快速移动。

SpaceX是一艘“星际飞船”，计划在2021年进行第一次商业任务(照片来源:CNMO)

现实地说，我们的第一艘星际飞船可能不是载人飞船，也可能不是电影中设想的巨大流线型飞机。事实上，它们可能不会比邮票大。2016年，一个名为“突破星星”的项目震惊了全世界。该项目旨在开发纳米宇宙飞船，在地球上由许多高能激光束驱动的船帆上放置复杂的芯片。

脸书创始人马克·扎克伯格曾公开支持“突破明星”，俄罗斯投资者、前物理学家尤里·米尔纳个人承诺投资1亿美元。现在看来，纳米宇宙飞船不仅仅是一个想法。然而，在全面实施这个项目之前，我们必须考虑几个障碍。

反物质宇宙飞船

第五次技术浪潮(包括反物质引擎、轻帆、聚变引擎和纳米航天器)可能为星际航天器的设计开辟令人兴奋的新领域。正如《星际迷航》中所描述的，反物质引擎可能会成为现实。他们将使用宇宙中最大的能量来源，也就是说，物质和反物质之间的碰撞将物质直接转化为能量。

反物质与物质相反，这意味着它带有相反的电荷。反电子带正电荷，而反质子带负电荷。

当物质和反物质碰撞时，它们将被湮灭形成纯能量，所以碰撞反应释放能量的效率是100%。相比之下，核武器的效率只有1%，而氢弹内部的大部分能量都被浪费了。

反物质火箭的设计非常简单。反物质储存在一个安全的容器中，并稳定地输入到一个小室中。它会与室内的普通物质混合并爆炸，发出伽马射线和x光。然后，能量将通过燃烧室空腔的排气孔排出，并产生推力。

美国正在研究反物质宇宙飞船，将在6周内以正电子为燃料到达火星(图片来源:中国经济网)

正如詹姆斯·本福德告诉我的那样，反物质火箭是科幻迷们最喜欢的概念，但是在制*物质火箭方面存在严重的问题。首先，反物质是自然产生的，但数量相对较少，所以我们必须为发动机生产大量反物质。反氢原子中的反电子围绕反质子运动。第一个这样的原子于1995年在瑞士的CREN诞生。一束普通质子被制造出来，击中由普通物质组成的目标。这种碰撞会产生一些反质子粒子。巨大的磁场通过将质子和反质子向不同的方向偏转来分离它们——一个向右边，另一个向左边。随后，反质子减速并储存在磁阱中，磁阱与反质子结合形成反氢原子。2016年，欧洲核子研究中心的物理学家使用了反氢原子，并分析了反质子周围的反电子壳层。正如所料，他们发现了反氢原子和普通氢原子的能级之间的精确对应关系。

欧洲核子研究中心的科学家宣布:“如果我们能收集欧洲核子研究中心产生的所有反物质，并用物质将其消灭，将有足够的能量点亮一个灯泡几分钟。”火箭需要更多反物质。此外，反物质是世界上最昂贵的物质形式。按照今天的价格，一克反物质的价格大约是70万亿美元。目前只能由粒子加速器制造(数量非常少)，粒子加速器的制造和运行成本非常高。欧洲核研究组织的大型强子对撞机(LHC)是世界上最强大的粒子加速器，造价超过100亿美元，但它只能产生非常精细的反物质束。如果对撞机被用来为星际飞船积累足够的燃料，它将使美国破产。

今天，这种巨大的原子冲击器被用于各种目的，但它纯粹是作为一种研究工具，对反物质的生产几乎没有影响。一些问题的解决方案可能是建立专门生产反物质的工厂。根据美国宇航局的哈罗德·格里什的说法，在这种情况下，反物质的成本可能会下降到每克50亿美元。

存储问题带来了另一个困难和巨大的成本。如果瓶子里装着反物质，它迟早会撞到瓶子的壁上，并摧毁容器。正确储存它需要一个陷阱。这些陷阱将利用磁场悬浮反物质原子，防止它们接触容器。

在科幻小说中，成本和存储问题有时会通过发现外星救世主来解决，这是一个反小行星，让我们可以廉价开发反物质。但是这个假设提出了一个复杂的问题:反物质从哪里来？

我们在外太空用仪器看到的一切都是物质，而不是反物质。我们知道这一点是因为电子和反电子碰撞释放的最小能量是102万电子伏特。这是反物质碰撞的痕迹。但是当我们研究宇宙时，我们很难发现这种类型的辐射。我们看到我们周围的大部分宇宙都是由相同的普通物质组成的。

物理学家认为，在大爆炸的那一刻，宇宙是完全对称的，物质和反物质的数量是相等的。如果是这样，两者之间的湮灭将是完美而完整的，宇宙应该由纯辐射构成。然而，我们是由不应该存在的物质组成的。我们的存在只是否定了现代物理学。

我们还不明白为什么宇宙中的物质比反物质多。在早期宇宙中，只有十分之一的原始物质在爆炸中幸存下来，而我们是其中的一部分。主流理论认为物质和反物质之间的完美对称在大爆炸中被打破了，但是我们不知道它是什么。诺贝尔奖正在等待有进取心的人来提出这个问题。

对于任何想建造星际飞船的人来说，反物质引擎非常重要。但是反物质的性质我们几乎完全不知道。例如，我们不知道它是向上还是向下“下降”。现代物理学预言它会像普通物质一样倒下。如果是这样，那么反重力就不可能存在。然而，这和许多其他问题一样，从未得到证实。基于成本和我们有限的理解，反物质火箭可能在22世纪仍然是一个梦想，除非我们碰巧发现一个反小行星在太空中漂移。

星际飞船的问题

应该强调的是，到目前为止提到的所有星际飞船都面临着以接近光速飞行带来的其他问题。小行星碰撞会带来很大的风险，甚至小行星也会穿透船体。正如我们所提到的，航天飞机上布满了空间碎片，这些碎片可能会以绕地球运行的速度，即18000英里/小时的速度撞击航天飞机。然而，在接近光速的情况下，撞击速度可能是光速的许多倍，这将击碎宇宙飞船。

在电影中，这种危险被一个强大的力场消除了，这个力场可以轻易地击退所有的微陨石。不幸的是，这只存在于科幻作家的头脑中。事实上，电场和磁场的确是可以制造的，但即使是不带电的家用物品，如塑料、木头和石膏，也能轻易地穿透它们。在外层空间，因为微小的微陨石不带电荷，它不能被电场和磁场偏转。引力场是有吸引力的，但是非常弱，所以它们不适合作为我们需要的排斥力场。

刹车是另一个挑战。如果你以接近光速的速度穿越太空，当你到达目的地时，你如何减速？太阳和激光帆利用太阳能或激光束飞行，这些光束不能用来减慢星际航天器，所以它们可能主要用于飞越任务。

也许阻止核火箭的最好方法是将它们旋转180度，这样推力就会产生在相反的方向。然而，这种策略将消耗大约一半的推力来达到目标速度，而另一半将用于降低火箭速度。对于太阳帆来说，它可能会反转船帆，利用来自目的地恒星的光来减缓宇宙飞船的速度。

另一个问题是，大多数能够搭载宇航员的宇宙飞船都很重，只能在外太空组装。为了将建筑材料送入轨道，需要几十次太空任务和更多的任务来组装航天器。为了使成本不太高，我们必须设计一种更经济的方式来完成太空发射任务。这是太空电梯可能派上用场的地方。

liftport组

太空电梯将是纳米技术的革命性应用。太空电梯是一根从地球延伸到外太空的长杆。你可以进入电梯，按向上按钮，然后迅速进入轨道。所以当助推火箭从发射台发射时，你不必忍受超重力的痛苦。相反，你的太空之旅就像乘电梯到百货公司的顶层一样简单。像杰克的豌豆一样，太空电梯似乎能够抵抗重力，并提供一条进入太空的便捷途径。

俄罗斯物理学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基首次证明了太空电梯的可能性。19世纪80年代，他受到埃菲尔铁塔的启发。他问自己，如果工程师能建造如此巨大的结构，为什么不继续向太空延伸，建造另一个呢？他可以用简单的物理原理来证明，原则上来说，如果塔足够长，离心力足以使塔保持直立而没有任何外力。就像绳子上的球不会因为旋转而掉到地板上一样，地球旋转的离心力也能确保太空电梯不会倒塌。

火箭可能不是进入太空的唯一途径。这个想法大胆、激进且令人兴奋。但是有一个直接的障碍。太空电梯缆绳上的张力可能达到1000亿帕斯卡，这超过了钢的断裂点——20亿帕斯卡。因此，电缆会断裂，太空电梯会坠落。

太空电梯的概念已经被搁置了近100年。阿瑟·克拉克等作家偶尔会提到它们。克拉克把它们写进了小说《天堂之泉》。然而，当被问及太空电梯何时实现时，他回答道:“大约50年后，每个人都不再取笑它了。”

但是没有人再笑了。突然间，太空电梯似乎不再那么遥远了。1999年，美国宇航局的一项初步研究评估了一台装有3英尺宽、30英里长的电缆的电梯，该电梯预计可承载15吨。2013年，国际宇航科学院发布了一份350页的报告，认为有了足够的资金和研究，到2035年有可能建造一部有效载荷为20吨的太空电梯。据估计，价格通常在100亿至500亿美元之间，这只是飞往国际空间站的1500亿美元的一小部分。与此同时，将有效载荷送入太空的太空电梯的成本降低了5%。

这个问题不再出现在基础物理学中，而是出现在工程学中。现在，科学家们正在进行认真的计算，以确定太空电梯电缆是否可以由纯碳纳米管制成，因为碳纳米管非常坚固，不会断裂。但是我们能让纳米管长到足以延伸数千英里进入太空吗？目前，答案是否定的。制造长度超过1厘米的纯碳纳米管是极其困难的。你可能听说过可以制造几英尺长的纳米管，但它们实际上是由复合材料制成的。它们是由压缩成纤维的纯碳纳米管的细丝组成的，这些细丝已经失去了纯纳米管的奇妙特性。

为了激发人们对太空电梯和其他项目的兴趣，美国宇航局启动了“百年挑战计划”，鼓励业余宇航员为太空项目发明先进技术。它曾经举办过一次竞赛，要求参与者提交一个微型电梯的原型。在我主持的一个特别电视节目中，我和一群年轻的工程师参加了比赛。他们相信太空电梯将使普通人升天。我看着他们用激光束将一个小胶囊沿着一条长电缆向上移动。我们的特别电视节目试图展示渴望建设未来的新一代工程师的热情。

太空电梯将彻底改变我们进入外层空间的方式。太空将不再是宇航员和军事飞行员的专属领域，而是儿童和家庭的天堂。它们将为太空旅行和工业提供一种有效的新方法，并使在地球以外组装复杂的机器成为可能，包括星际宇宙飞船，包括那些能像光速一样快的飞船。

但实际上，考虑到我们面临的巨大工程问题，太空电梯可能要到21世纪末才能实现。

曲速驱动

一天，一个男孩读了一本改变了世界历史的儿童书。那是1895年，这座城市刚刚开始电气化。为了理解这个奇怪的新现象，这个男孩拿起了亚伦·伯恩斯坦的《自然科学通俗读物》。在这本书里，作者让读者想象自己骑在一根有电流的电线旁边。男孩想知道如果用光束代替电流会发生什么。他能超过光速吗？他推断，由于光是一种波，光束看起来会静止不动，并被时间冻结。但是即使在16岁的时候，他意识到没有人见过静态光波。在接下来的十年里，他一直在努力思考这个问题。

1905年，他终于找到了答案。他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦，他的理论叫做狭义相对论。他发现人不能超过光速，因为光速是宇宙中的终极速度。一旦速度接近光速，奇怪的事情就会发生。你的火箭会变得更重，火箭里的时间也会变慢。如果你以某种方式达到光速，你会变得无限沉重，时间会停止。这样，这两个条件都不可能，这意味着你不能打破光的屏障。爱因斯坦似乎成了宇宙中的一名警察，设定了宇宙的终极速度极限。从那以后，这个障碍困扰了几代火箭科学家。

但是爱因斯坦并不满意。虽然相对论可以解释许多光的奥秘，但他仍然想把他的理论应用到重力上。1915年，他提出了一个惊人的解释。他认为空间和时间，一度被认为是惯性和静态的，实际上是动态的，就像光滑的床单可以弯曲、拉伸或弯曲一样。根据他的假设，地球绕着太阳转不是因为它被太阳的引力吸引，而是因为太阳弯曲了它周围的空间，并使地球绕着它旋转。时空结构推动地球以弯曲的路径围绕太阳运行。简而言之，这种运动不是由于重力的作用。相反，这是因为空间。

莎士比亚曾经说过，世界是一个舞台，我们是在舞台上来来去去的演员。把时间和空间想象成一个舞台。它曾经被认为是静止的、平坦的和绝对的，时钟在时间和空间的表面上以统一的速率运行。但是在爱因斯坦的宇宙中，这个阶段是可以弯曲的。时钟以不同的速度运行。演员在舞台上行走时不能不摔倒。他们可能认为一种无形的“力量”将他们拉向不同的方向，但事实上是弯曲的舞台推动着他们。

爱因斯坦也意识到他的广义相对论有一个缺陷。恒星越大，它周围的时空扭曲就越大。如果一颗恒星足够重，它就会变成一个黑洞。时空结构实际上可能会被撕裂，形成一个虫洞，这是穿越空间的通道或捷径。这个概念是由爱因斯坦和他的学生内森·罗森在1935年首次提出的，今天被称为爱因斯坦-罗森桥。

虫孔

爱因斯坦-罗森桥最简单的例子是《爱丽丝梦游仙境》中的镜子。镜子的一边是英国牛津的村庄，另一边是仙境般的梦幻世界。只要爱丽丝把手指放在镜子里，它就会立刻被送到那里。

虫洞是电影中最受欢迎的主题。韩·索洛通过虫洞推动千年隼穿越超时空。西格妮·韦弗在《捉鬼敢死队》中扮演的角色打开的冰箱是一个虫洞，她通过它观察整个宇宙。在刘易斯的《狮子、女巫和衣橱》中，衣橱是一个连接英国乡村和纳尼亚的虫洞。

这个虫洞是在对黑洞进行数学分析后发现的。黑洞是一颗坍缩的巨星。它的引力如此之大，以至于光都无法逃脱。它们的逃逸速度是光速。过去，黑洞被认为是静止的，具有无限的重力，这被称为奇点。但是所有记录在太空中的黑洞都在快速旋转。1963年，物理学家罗伊·克尔发现，当黑洞旋转足够快时，它不一定会坍缩成一个点，而是一个旋转的环。这个环是稳定的，因为离心力防止它坍塌。那么，所有东西都落入黑洞的地方是哪里？物理学家还不知道。但是物质有可能通过所谓的白洞从另一边出现。科学家们一直在寻找能够释放物质而不是吞噬它们的白洞，但是到目前为止他们还没有找到。

如果你在黑洞的旋转环附近，你将会看到难以置信的时空扭曲。你可能会看到几十亿年前被虫洞引力捕获的光束，甚至你可能会看到你自己的副本。你体内的原子可能会在一个令人不安的致命过程中被潮汐力拉伸成“意大利面条”。

如果你进入旋转环本身，你可能会被从平行宇宙另一端的白洞驱逐出去。想象一下，把两张纸平行放在一起，然后用铅笔在纸上钻一个洞把它们连接起来。沿着铅笔走，你将穿过两个平行的宇宙。然而，如果你第二次穿过这个环，你将进入另一个平行宇宙。每次你进入拳击台，你都会进入一个不同的世界，就像电梯可以在公寓大楼的不同楼层之间移动一样。只有在这种情况下，你永远不会回到同一个楼层。

(照片来源:作者提供)

当你进入戒指时，它的重力是有限的，所以你不必被压碎。然而，如果戒指旋转的不够快，它会在你身上崩溃并杀死你。但是通过添加一种叫做负物质或负能量的东西来人为稳定环是可能的。因此，一个稳定的虫洞是一种平衡，关键是要保持正能量和负能量的适当比例。你需要大量的正能量来自然地在宇宙中创造通道，就像黑洞一样。但你也需要人为地创造负面的物质或能量来保持它的大门敞开，防止它倒塌。

负物质与反物质非常不同。它从未在自然界被发现过。负物质具有奇怪的反重力特性，这意味着它会向上而不是向下下落。(相比之下，反物质理论上是下降而不是上升。如果它在数十亿年前就存在于地球上，它会被地球的物质排斥并漂浮到外层空间。也许这就是为什么我们没有找到它。

虽然物理学家没有发现任何负物质存在的证据，但负能量实际上是在实验室中产生的。这使得科幻迷的希望依然存在。他们梦想有一天能通过虫洞飞到遥远的星球。然而，实验室产生的负能量可以忽略不计，也远不能驱动星际飞船。要产生足够的负能量来稳定虫洞需要非常先进的技术。所以在可预见的未来，虫洞超级飞船超出了我们的能力。

简而言之，负面能量确实存在。如果能以某种方式收集到足够的负面能量，原则上我们可以建造虫洞机器或曲速驱动器来实现科幻小说中最疯狂的幻想，但是这些技术还有很长的路要走。与此同时，我们将利用21世纪末可能在太空中快速移动的光帆，提供第一张围绕其他恒星运行的系外行星的特写照片。在22世纪，我们也许可以用核聚变火箭来观察这些行星。如果我们能解决我们面前的复杂工程问题，我们甚至可能使反物质发动机、冲压喷气发动机和太空电梯成为现实。

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最初的标题是“突破这些障碍，我们可以建造一艘星际飞船。”