索恩教你星际穿越,看不懂就对了

来源:南都周刊 | 发布: | 发布时间:2014-11-19,星期三 | 阅读:844

《星际穿越》正在热映,烧脑的同时也激发了网友对太空的畅想。在未来,我们能实现星际穿越吗?怎样才能实现?电影《星际穿越》的科学顾问、美国理论物理学家基普·索恩(Kip Thorne),在他的新书《星际穿越的科学》中给出了答案。

文_Kip Thorne 编译:丁理惠

一张图看懂星际穿越的物理知识

科学家和工程师都在致力于研究让飞船实现以近光速飞行的未来科技,这些在网上随处可见的理论和想法,若想实现的话,需要几个世纪的努力。但正是这些理论,让我坚信超前的文明可以实现在星体间以十分之一光速或更快的速度飞行。

下面三个关于近光速推进的理论让我深受启发。

热核聚变 Thermonuclear Fusion

热核聚变是三个理论当中最传统的一个。在地球上建立受控聚变核电厂的研究始于20世纪50年代,取得全面成功需要到21世纪50年代。整整一个世纪的研究,这就是我们能看得到的重重困难。

2050年的聚变核电厂对于太空飞船的聚变推进又意味着什么呢?最现实的设计可以达到100公里/秒的速度,到本世纪末将达到300公里/秒。想要接近光速,还需要一种全新的获取聚变能量的方式。

我们简单计算一下聚变的潜能:当两个氚原子(即重氢)聚合成氦原子,1%的静质量将转换成能量。如果它都能转化成氦原子的动能,氦原子就能以1/10的光速运行。这意味着如果将所有氚原子聚变的能量都转化为供太空飞船使用的动能,飞船的飞行速度就能达到光速的1/10甚至更快。

1968年,一位我很敬重的杰出物理学家—弗里曼戴森阐述并分析了,在文明程度足够的情况下,初级的推进系统可以达到这样的水平。

按照戴森最乐观的预估,氢弹爆炸释放的能量可以使飞船的速度可以达到光速的1/30。设计优化能让速度更快一些。他预计这样的飞船助推系统得到22世纪末才能变为现实,现在看来,这种说法还是太乐观了。

激光与光帆

1962年另外一位我很敬仰的物理学家罗伯特富沃德在一本畅销杂志上登载了一篇短文,描述了由远距离聚焦激光提供动力的激光帆飞船。1984年,他将这个概念做了更详细精确的描述。

太空中或月球上的一束太阳能激光可以7.2兆兆瓦的能量(相当于美国今年所有能源消耗的两倍)。这束激光通过直径1000公里的菲涅尔透镜聚焦。激光聚焦到直径100公里、重达1000吨的远距离帆板上,重量较轻的宇宙飞船与帆板相连。激光束照射方向必须精确到百万分之一孤秒。激光束产生的压力推动帆板和飞船在太空中畅游,速度在前往比邻星的前20年时间可以达到1/5光速(去往比邻星总共需要40年),后半段飞行中飞船速度减慢,以完成与星球的汇合。(你知道怎样完成减速的吗?)

戴森认为到22世纪就可以实现他的设想,在了解了技术上的挑战后,我认为还需要更长的时间。

双黑洞的重力弹弓效应

第三个理论是我在戴森的基础上的一个非常异想天开的想法。

假设你想要在活着的时候花几年时间以近光速遨游大半个太空(不仅仅包括星体间,还包括星系间),你可以借助互相绕转的双黑洞来实现。黑洞必须在曲度足够的椭圆形轨道上,也必须足够大,这样潮汐力才不会毁坏你的飞船。

利用化学或核能燃料,驾驶你的飞船进入接近其中一个黑洞的轨道。飞船接近黑洞,绕转几次,当这个黑洞直接朝相邻黑洞靠近时,飞船会脱离并跨越到另一个黑洞,滑入它的漩涡轨道。如果黑洞双星依旧相互靠近,那你会在短时间内快速回到第一个黑洞。如果两个黑洞彼此继续靠近,飞船会回归第一个黑洞。如果两个黑洞相互远离,你就得停留在第二个黑洞周围的轨道上,直到两个黑洞再度靠近。只有在两个黑洞相互靠近彼此时,你的飞船才能够逐步加速,越来越接近你想要的光速。

你仅仅需要少量燃油来保证飞船在每个黑洞附近徘徊的时间,关键在于怎么进入黑洞的临界轨道上。这个临界轨道非常不稳定,就像是在光滑的火山口边缘骑车。平衡得好,你就可以在火山口一直绕转。等你想离开,前轮稍有偏离,你就会跌落。当你想离开临界轨道,轻微的火箭喷射就会带来足够的离心力,让飞船驶向另一个黑洞。

一旦飞船的速度接近于光速,就可以离开临界轨道,驶向遥远太空中的目标星系。驶向其他星系的旅程是漫长的,大约一百亿光年的距离。但如果以近光速飞行,你的时间会大大慢于地球上的时间。如果能达到光速,不到几年时间你就可以抵达目标星系,然后借助另一双黑洞的椭圆轨道减速下来。

你可以用同样的方法回到地球,但是归程未必愉快。地球上已经过去了几十亿年,你不过才年老了几岁,想想那样的光景吧。

这种弹弓效应在广阔星系间不失为一种传播文明的方法。首要障碍就是寻找到或者制造一个这样的双黑洞体系,这也许是不可能完成的困难。文明程度足够高的情况下,进入这样的黑洞是没有问题的,如果要减慢运行呢?那就另当别论了。

这三个让人激动人心的未来推进系统看上去遥不可及,就现在21世纪的科技来说,我们离到达其他星体还差了好几千年。对于星际旅行来说,唯一的希望是《星际穿越》中的虫洞或者其他极端形式的时空扭曲。

本文节选自 《The Science of Interstellar》,作者为美国理论物理学家Kip Thorne


 

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