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恆恆星際旅行有多難?為什麼旅行者1號40年才飛了1/450光年?


- 2018年9月25日21時53分
- 科學文摘 / 氪眼看世界

氪眼看世界

上世紀70年代,NASA太空人在月球表面首次留下人類的足跡。2050年左右,載人登陸火星有望成真。目前,人類共有5個深空探測器正在向太陽系邊緣挺進,飛的最遠的旅行者1號已經距離地球212億公里。

茫茫星海似乎就在人類觸手可及之處,但星際旅行真的如此簡單嗎?人類離星際文明時代還有多遠?下面讓我們解讀一下!

令人生畏的距離


太陽系內行星之間的距離通常用天文單位(A.U.)來表示,1個A.U.取太陽和地球的平均距離,即1.5億千米。離地球最近的金星只有0.28 A.U.,離太陽最遠的海王星有29.8 A.U.,而旅行者1號目前距離我們已有141.5 A.U.。

恆星之間的距離往往長達數十萬個A.U.。離我們最近的恆星——半人馬座比鄰星相隔26.8萬個A.U.(4.243光年)。如果將太陽和地球的間距縮小至1米,按比例計算,比鄰星遠在276公里之外!

人類最快的探測器旅行者1號的速度僅有光速的1/18,000,用40年的時間飛過了1光年的1/450,照這個速度還要3萬年才能穿過奧爾特雲,抵達半人馬座比鄰星估計要花8萬年。

恆恆星際旅行有多難?為什麼旅行者1號40年才飛了1/450光年?圖片

難以想像的能耗

影響人類深空探索的另一個因素是星際旅行的能源消耗極其巨大。物體的動能可以用動能方程來表示,即Ek=mv²/2,其中m為物體質量,v為物體運動速度。如果抵達目的地後只能靠推進器減速,所需的動能還得翻倍。


要想在短短几十年之內到達半人馬座比鄰星,飛船的速度需要比現在快幾千倍,根據動能方程,所需的能量比現在多數百萬倍!將1噸的物體加速到光速的1/10需要4.5X10^17焦耳的能量,即125兆瓦時。相比之下,2008年全世界的總能耗才14萬兆瓦時。這還沒有考慮推進器的燃燒效率。

危機重重的旅行

就算解決了能源問題,實現恆星際旅行還面臨重重挑戰。首先,無處不在的星際氣體和塵埃有可能對高速運行的飛船造成致命傷害。這些星際介質在太空中並非均勻分布,如何規劃飛船航向也是一個棘手的問題。

另外,長時間的太空旅行對太空人來說更是嚴峻的考驗。可再生的生命維持系統,與世隔絕的密閉空間,致命的宇宙輻射,微重力環境下的人體肌肉、骨骼、免疫系統的病變——這些難關還需要科學家一一攻克。

不畏艱險的嘗試

基於目前掌握的航天推進技術,科學家正在嘗試使用無人飛行器進行深空探索,除了「旅行者」項目之外,還有「代達羅斯」,「伊卡洛斯」,「突破攝星」等若干雄心勃勃的計劃。使用納米粒子推進劑和微晶片技術的新一代納米飛船重量極小,未來研究人員希望能同時將上百萬艘「微型飛船」以接近光速送入太空。

針對載人星際航行,科學家提出了「世代飛船」,「太空冬眠」,「冷凍胚胎」等諸多概念,這些方案無非是探討如何使人類脆弱的身體平安度過漫長的恆星際旅程。由於人類生理和壽命的局限,也許未來和人工智慧深度融合的仿生人是唯一可行的選擇。


形形色色的推進技術

傳統的化學火箭雖然推力大,但比沖低,噴氣速度大約為5千米/秒。離子發動機推力較小,但噴氣速度可以達到15千米-35千米/秒。核裂變發動機雖然可以達到15%光速,但加速時間需幾百年。核脈衝發動機能使飛船速度達到光速的50-80%,反物質推進技術的理論速度能達到光速的90%以上!

除了攜帶燃料的推進技術外,科學家還提出星際衝壓發動機,甚至曲率引擎或蟲洞旅行等超光速旅行的概念。當然,這些設想在理論和實踐上還遠遠稱不上完善。

神奇的時間膨脹

您可能認為,即使人類以接近光速飛行,在20歲至60歲的40年間,也無法抵達距離地球40光年之外的地方。實際上,由於時間膨脹效應,飛船上的時間流逝比地球要慢得多。假設有人駕駛宇宙飛船飛往32光年外的某星球,先用1.32年持續加速(1.03G重力加速度),然後關閉發動機勻速航行17.3年,再花1.32年減速。抵達目的地並短暫訪問後,再返回地球。這時候飛船上的時鐘過了40年,地球已經是76年之後了!

飛船速度越接近光速,時間流逝就越慢(對太空人來說沒有任何區別)。因此遨遊整個銀河系的旅行都能在人類有生之年完成,往返距離太陽3萬光年的銀河系中心巨型黑洞也只需40年。只不過當太空人返回地球時,6萬年已經過去了!

自從原始人第一次抬起頭,向茫茫星海投去好奇的一瞥時,在恆星間遨遊就成為深植人類內心深處的夢想。也許人類還要數百年上千年才能掌握星際旅行的奧秘,但科學家的研究正在使這個夢想一步步成為現實。


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