科學

想去一趟宇宙邊際，最可行的辦法是？

文/遠 鏡

宇宙太大，生命太短。

從第一顆人造衛星升空算起，人類進入太空時代已經六十五年，現在已經能把無人探測器送往太陽系所有行星進行近距離考察。在可預見的未來，人類的腳步勢必能踏遍太陽系的每一個角落。然而，如果要飛出太陽系，實現恒星際旅行，哪怕是前往最近的比鄰星，仍然遙遙無期?，F有的化學火箭效率太低，絕無可能實現這一目標。要想飛往宇宙更深處，必然要走全新的技術路線——也許是可控核聚變、正反物質湮滅、巴薩德前置集氣系統或者激光驅動光帆……

但前方還有一只難以打敗的攔路虎。

光速，這一相對論畫出的不可逾越的絕對紅線1，夢想讓“征途是星辰大海”的渺小文明只能望“星辰大海”而興嘆。波蘭科幻作家萊姆甚至在《宇宙創世新論》中設想，光速屏障有可能是先發文明制定的物理法則，以阻止后來文明相互溝通而締結新的同盟，挑戰前者的地位——這是他對費米悖論的解釋。

為了解決光速限制的難題，科幻創作者各顯神通，設計出了多種超光速飛行方案：《星際迷航》系列以及《三體III》中的曲率引擎、《接觸》和《星際穿越》中可供穿行的蟲洞、《基地》中匪夷所思的超空間躍遷、《哆啦A夢》中的任意門、超能力者的瞬間移動技能等。后面幾種純屬奇幻和魔法構想，只有曲率引擎和蟲洞有一些數學模型作為依據，但在物理學上能否成立依然是未知數，現有的時空理論似乎并不真的允許兩者的存在。假如基礎物理學被三體人鎖死，科學家再也無法發現新物理，那么這些技術也成了妄想。

曲率引擎模型：在飛船面前制造曲率氣泡彎曲時空

如果沒有了超光速，是否意味著人類會永遠被束縛在搖籃里？

并非如此。因為相對論以另一種方式開啟了超遠距離太空旅行的可能性。本文將介紹一種非常簡單的太空旅行方式——持續保持1ɡ加速度的直線運動。我們將會看到，在相對論效應的加持下，這種旅行方式會取得怎樣意想不到的后果。

回想一下你坐電梯的情景。你走進電梯轎廂，關上門，這時電梯開始向上加速（通常會持續兩至三秒），然后加速階段結束，電梯速度保持恒定。在加速階段，你會感覺仿佛有一股力在把你往下壓，腳底承受的力比平時更重一些。如果這時你的腳下放著一臺秤，你會發現自己的體重增加了，這就是超重。因為電梯地板在加速向上運動，只有你的腳底給你施加比平時大一點的支撐力，才能讓你跟電梯的運動保持同步。從電梯內部的視角來看，這相當于你承受了額外的“重力”，腳底的支撐力也隨之增大，從而使你在轎廂內保持平衡不動。

類似的，如果太空中有一艘飛船加速向上，飛船內的宇航員也會感受到一股“重力”在把自己的身體往下壓。不同的是，宇航員在飛船靜止的時候是完全失重的，所以宇航員感受到的力完全由飛船的加速度決定。

假如有一個蘋果從樹上掉下來，在它擊中牛頓的腦袋之前，重力使它向下運動的加速度是9.8m/s２。對于地球表面上的任何物體，重力產生的加速度都是9.8m/s２，這個加速度值稱為1ɡ。而如果太空中的飛船以1ɡ的加速度向上飛行，宇航員感受到的“重力”將和地球表面完全一樣。這相當于在飛船的狹小空間里創造出人工重力。

根據廣義相對論基本原理之一的“等效原理”，1ɡ加速的飛船與地球表面的重力環境是完全等效的。設想我們把愛因斯坦關進一個封閉的房間，他看不到房間外面的狀況，只能用房間內的儀器儀表進行實驗測量，可憐的愛因斯坦無論用什么辦法都不可能區分他是在一間地面上靜止不動的房間里，還是在一艘1ɡ向上加速的飛船里。

對于太空旅行的游客而言，這簡直是天賜良機：他們再也不用怕得頭暈惡心、嘔吐昏睡的“太空失重病”，也不用擔心肌肉退化、骨鈣流失、心臟功能減退、視力模糊和內分泌失調等長期失重對人體造成的損害，更不用在上天之前參加艱苦的失重模擬訓練，一切將變得同家里一樣舒適和自然。

這是生物進化的必然結果。從四十億年前的太古時期開始，生命就一直在適應著地球表面的重力環境，使人體的生理結構最適合在1ɡ加速度下運轉。

另一方面，這也限制了人類進行太空旅行的最大加速度。當飛船的加速度超過1ɡ時，宇航員將體驗到比地表更重的重力。一旦加速度超過一定強度和持續時間，就會出現大腦缺氧乃至內臟出血。為了保證安全，過山車的最大加速度一般不會超過5ɡ，而且持續時間遠遠不到1秒。即使是經過嚴格訓練的飛行員在10ɡ的加速度下，也僅十幾秒就會失去意識。如果時間足夠長，哪怕是1.5ɡ的加速度也可能產生致命危害，盡管這方面的實驗數據還不太充分。在《三體Ⅱ》中，自然選擇號飛船在“前進四”狀態下可以達到120ɡ的加速度，對于船員來說，相當于把他們扔進一臺滾筒洗衣機里，按每分鐘八百轉進行甩干所承受的向心加速度。因此劉慈欣在小說中補充了“深海加速液”的設定，讓船員在進入“前進四”狀態前，全身器官都充滿這種神奇的液體，人就像深海魚類一樣直接在液體中呼吸。嚴格來講，深海加速液也很難解決問題，因為人體內組織的密度不是均勻的。類似生物實驗用的離心分離機，在液體中，密度高的部位還是會下沉，密度低的部位還是會上浮，時間長了，就算不會細胞碎裂，也得骨肉分離。

也許有人會對此感到失望。不論未來人類掌握了多強大的推進技術，只要是用于載人飛行，也無法比1ɡ的加速度大太多。但很快我們就會看到，只要有辦法讓飛船持續加速下去，哪怕是1ɡ的加速度，也能在人類壽命的期限之內跨越驚人的距離。

首先，1ɡ飛船將使得太陽系內的行星際旅行變得非常方便。

要是你想利用周末的時間去月球基地旅行一趟，周五晚上出發，如果你坐的是阿波羅號或者嫦娥號，最后必然趕不上周一早晨的領導講話。月球距離我們三十八萬千米，現有的火箭技術需要三天才能到達，返程又需要三天。但如果以1ɡ加速度直線飛向月球，只需兩個半小時就能到達——當然，沒有人喜歡以每秒八十千米的速度迎面撞上月球制造一場沙塵暴和一座環形山，所以更合理的方式是，飛船先以1ɡ加速飛向月球，然后在旅程中點，從前往后調轉一百八十度，讓噴氣口朝向月球方向，飛船繼續飛向月球，但以1ɡ的加速度逐漸減速，直到速度減為零時，剛好降落在月球表面。對于旅客來說可能有點小麻煩，因為在調轉一百八十度的過程中會短時間失重，但是調轉完成之后一切恢復原樣，只不過窗外的宇宙正好上下顛倒了。這種加速—減速模式會使得平均速度有所減慢，但也只需三個半小時就能在月球表面著陸。

嫦娥1號變軌示意圖

如果你的度假目標是火星，“天問一號”等探測器采用的地—火轉移軌道是最節省燃料的旅行方式，但代價是非常慢。以最經典的霍曼轉移軌道計算，往返一趟就要浪費掉一年半的生命。但對于1ɡ飛船，采用加速—減速模式，能在兩天之內抵達火星，如此“消費升級”以后，完全可以塞進十一黃金周的旅游計劃。以這種方式就算去冥王星也只需要十五天，相比之下，2005年發射的新視野號探測器可是飛了十年才到冥王星，而且無法剎車停下，只能在飛掠而過時匆匆一瞥。有了1ɡ飛船，旅游公司就可以推出一年期的太陽系行星全家桶優惠套票，因為用一年時間把八大行星外加上五顆矮行星全玩一遍也綽綽有余。

天問一號探測器飛行軌道

那怎樣實現恒定的1ɡ加速度呢？

迄今為止，航天器加速的基本方式從來沒變過，那就是“向后扔東西”即利用發動機消耗燃料向后噴氣的反作用力，使飛船獲得向前的動力。

設想一艘飛船剛從某個太空港口出發，加滿了正好足夠整個航程所需的燃料。最初裝滿了燃料的飛船最重，需要的推力最大，因此燃料消耗得最快。航程結束時，燃料接近耗盡，這時候飛船最輕，只需要消耗較少的燃料就能維持同樣的加速度。因此，為了保持1ɡ加速度不變，飛船的引擎需要能精確控制燃料消耗率，在整個飛行過程中逐漸地自動降擋，這種變速控制原理上并不復雜。在《挽救計劃》中，萬?，斃麃喬柧筒捎昧诉@種設計以維持恒定的加速度。

那又怎樣讓加速時間持續得更久，讓飛船飛得更快呢？

根據齊奧爾科夫斯基公式，飛船最終能達到的速度只與兩個參數有關：一是飛船加燃料的質量與飛船本身的質量之比，二是發動機噴出的氣流相對于飛船的速度。

齊奧爾科夫斯基公式：△V為速度增量，Vex為排氣速度，mi為飛船初始質量（飛船加燃料），mf為飛船最終質量（飛船本身）

這并不難理解。首先我們希望飛船能搭載更多的燃料，而飛船本身包括載荷的質量越輕越好，這樣同等質量的貨物能分得更多的動能——這就好比“天子駕六”，六匹馬拉的車，比一匹馬拉的車更快，如果車駕輕一點兒、這位天子再瘦小一點兒就更好了。

我們還希望發動機的噴氣速度越快越好，這樣同等質量的燃料能產生更多的動能——這就好比天子駕車必定選用上等馬，體格健碩，肌肉發達，本身就跑得更快。

現有的火箭技術，由化學反應提供動力，本質上仍然是宋朝人以火藥制作火矢的大號版本?；瘜W燃料的能量密度有限，這決定了噴氣速度的上限。目前，化學火箭的噴氣速度最快也僅有每秒五千米，由此推算，只能維持1ɡ加速十至二十分鐘2。對于行星際1ɡ飛行，這個噴氣速度太低了，想要兩天之內抵達火星，哪怕是用上整個宇宙3的物質作為化學燃料也遠遠不夠。我們需要能量密度更高的燃料，以獲得更高的噴氣速度。

“東方超環”核聚變實驗裝置

化學反應僅僅利用了原子之間化學鍵的鍵能，而越珍貴的寶藏總是隱藏在越深處：在原子的中心，儲存著萬倍、百萬倍的能量，也就是核能。

相比于化學燃料，核聚變燃料的能量密度要高出上百萬倍，如果用作推進劑，噴氣速度最高可達到光速的約十分之一。僅全球海水中就有二百七十萬億噸的氘元素可以作為聚變燃料，其中蘊含的能量幾乎用之不竭，而且人工核聚變反應早已實現——也就是氫彈，但核聚變反應需要高溫和高壓，難以控制。如果能實現可控核聚變推進，行星際級別的1ɡ飛船可以設計得非常輕巧——幾十噸的聚變燃料足矣4，質量僅僅相當于一臺轟炸機。

如果加速的時間能夠長達幾年，1ɡ飛船將使恒星際旅行變得完全可行。

比鄰星屬于半人馬座α三合星系統，這個寶地非常值得科幻迷去“圣地巡禮”。除了“三體文明”以外，《變形金剛》中的塞伯坦星球、《阿凡達》中的潘多拉星球以及《流浪地球》兩千五百年后的目的地都在這里。它距離地球4.3光年，相當于到冥王星距離的六千倍，以現有最快的飛船——旅行者1號的速度計算，也需要八萬年的時間。但1ɡ飛船只需要六年時間就能到達比鄰星，往返就是十二年。

這個時候，相對論效應開始凸顯，高中物理的牛頓力學勻加速運動公式不再適用。比如求飛船達到的最高速度，如果只是做一個簡單的乘法，用三年時間乘以加速度9.8m/s２，你會得到光速的三倍，但這是不可能的。

實際上，飛船上的人會繼續享受1ɡ重力的熟悉生活——按照相對論的術語，飛船的固有加速度等于1ɡ。假設有另一艘勻速直線運動的飛船與1ɡ飛船擦肩而過，如果在某一瞬間，兩艘飛船的速度相等，勻速飛船上的人會測得1ɡ飛船的加速度正好是1ɡ。但以地球為參考系，看到的景象將完全不同：隨著飛船速度越來越接近光速，由于相對論效應，加速度會逐漸降低，其結果是，飛船速度最高只達到了光速的95%。

相對論效應的另一個重要后果是，我們的故事里開始有不止一種時間了。對于接近光速運動的飛船，由于“長度收縮效應”，它需要跨越的距離會變短，因此飛船中人經歷的時間也會變短。剛才所說的往返十二年是對于靜止不動的地球人而言的，對于運動的飛船上的人來說，在他們回到地球的那一刻，時間只過去了七年。相對于地球時間，飛船時間變慢了，這就是“時間膨脹效應”。

然而，對于這種恒星際近光速飛行，核聚變驅動也會變得難以為繼——需要消耗掉幾乎整個太陽那么多的燃料才能夠實現一次往返。

如果能利用更高效的能源，比如正反物質湮滅，會讓可行性大大增加。按照這種技術，等量的正物質與反物質相遇時會發生湮滅，所有質量轉化為高能伽馬射線光子的巨大動能，向飛船正后方發射出去，給飛船提供動力。核聚變僅把千分之一左右的質量轉化成了可利用的能量，而正反物質湮滅的能量轉化率是100%，產生的噴“氣”速度等于光速，可謂最高效的動力源。

反物質聽上去像“暗物質”“暗能量”一樣神秘莫測，其實離我們沒有那么遙遠，粒子對撞實驗就能產生反物質粒子。物理學家早已認識到，每一種基本粒子都有它的反粒子，就像一對鏡像，質量完全相等，電荷正好相反。早在1928年，英國物理學家狄拉克就在理論上預言了正電子的存在，1932年就在實驗中得到了證實，這是人類發現的第一種反物質粒子。困難在于，反物質不能像核聚變燃料那樣，可以直接從大自然中大量獲取，只能通過消耗其他能量來制造，是一種二次能源。反物質的儲存也很困難，需要特殊的磁場把它們與普通物質隔開。全球的粒子對撞機每年只能生產十億分之一克的反物質，而生產這些反物質的費用高達幾億美元。一艘往返比鄰星的1ɡ飛船，需要一萬噸左右的反物質燃料，相當于一艘航空母艦的質量，但其中蘊含的能量足夠全人類以目前的能耗速率使用上千年。

狄拉克預言正電子的存在。

不過，接下來才是1ɡ飛船真正施展魔法的時刻。如果加速永不停息，最終結局會怎樣？

以飛船時間計，跨越的距離將會呈指數增長。

假設有一名嬰兒在出生時登上了1ɡ飛船，飛船馬上啟航，采用加速—減速模式，一直飛到兩萬六千光年外的銀河系中心，此時他已長成二十歲的青年，可以一睹超大質量黑洞人馬座A*的芳容。這里是動畫《飛躍巔峰》中宇宙怪獸的老巢。如果飛船沒有像兩位女主那樣不慎離黑洞太近，而是直接原路折返，回到地球時，他僅僅四十歲。而在這期間，地球時間已經度過了五萬兩千年。五萬年是什么概念？到那時，地球氣候已走出溫和的間冰期，進入冰河時期，人類也許正面臨糧食危機。

飛船不但實現了遠距離的空間跨越，還一起實現了遠未來的時間旅行。

如果這位乘客要前往二百五十萬光年外的仙女座星系M31，返回地球時，他也僅僅五十七歲，地球時間則已經度過了五百萬年。自然選擇在這個時間尺度上會變得來勢洶洶，到那時，現有的大部分物種都會滅絕，被新型的物種替代。

太陽膨脹為紅巨星

他還可以穿越百億光年距離，去接近我們這個宇宙的邊緣，看一眼宇宙之外的宇宙。但他必須小心翼翼，不能越紅線一步，否則飛船會被宇宙膨脹的速度甩開，永遠不能回到起點。當終于返回時，他正好一百歲，地球時間則度過了百億年——仙女座星系已經和銀河系融為一“系”，太陽已經死去，中心留下一顆小小的白矮星，被一簇靚麗的行星狀星云包裹著，而地球早已在太陽膨脹為紅巨星的階段被吞沒了。

而實現如此夢幻般的太空旅行——在有生之年跨越整個宇宙——并不需要穿越蟲洞、曲率驅動、時空折疊、超空間引擎之類的奇異科技，那些技術都依賴于尚未證實的科學狂想，前途尚且晦暗不明。現有的已通過最嚴格實驗檢驗的物理學理論，已經為我們指出了一條陽關大道：一艘簡單的1ɡ加速飛船。

當然，要維持這么久的1ɡ加速度并不簡單。與指數增長的空間距離相對應的，是指數增長的能量消耗量。即使采用最高效的正反物質湮滅驅動，也需要幾百個“反銀河系”的燃料才能完成一次全宇宙往返。如果我們把要求降低一點，買一張不回頭的單程票，按飛船時間只需五十年即可抵達宇宙邊緣，仍然需要一個“反地球”的燃料。如果要求再降低一點兒，中途不剎車，而是一直單向加速沖過終點，時間可以縮短到二十五年，大約1011噸的反物質就夠了，一個鄱陽湖就可以裝得下。這對于現階段的人類文明當然還是遙不可及，但樂觀地看，如果人類有幸制造出了戴森球，能百分之百地利用太陽輻射出的所有能量，用不了一天就可以生產出這么多的反物質。

在波爾·安德森的科幻小說《宇宙過河卒》中，一艘飛船由于減速裝置出現故障，只能不斷加速飛行，船員們用三個月就抵達了宇宙的末日。小說中，飛船的動力引擎采用了一種非常聰明的設計——巴薩德前置集氣系統，可以在航行過程中持續搜集星際氣體作為核聚變燃料，從而實現不斷加速，而不需要像本文中所假設的那樣，在航行一開始就載滿整個旅途所需的燃料。但這種設計也有相當多的困難，比如星際物質的密度過低、需要過大的集氣裝置、集氣裝置造成的阻力等。

帶有巴薩德前置集氣系統的飛船

太空旅行不僅是人類古老的夢想，更決定著人類未來的命運。總有一天，太陽會老化、膨脹，近地小行星虎視眈眈。宇宙并不總是太平盛世，所有這些都威脅著人類的安全，地球不過是宇宙中的一粒浮塵。所以，探索各種太空旅行的方法，算得上未雨綢繆。

航天技術積累至今，人類已能登陸月球，建立永久性空間站。下一個偉大的宇航目標——把人送上火星——已經納入多國未來十到二十年的太空規劃中，其中也包括計劃在2033年出發的中國載人火星任務。而目標更遙遠的宇航研究、討論、提案、暢想一直在進行著。火星之后還有下一顆行星，太陽系之外還有新的太陽。

要想實現這些宏偉的理想，不僅有無數技術難關需要突破，還需要政治和經濟層面的鼎力支持。人類在宇宙中的步伐，不單單受限于工程技術水平，還取決于全社會愿意投入多少資源到這些燒錢無止境的浩大工程中。

幸運的是，自然界的物理法則從未阻撓我們前行。我們已經看到，如果人類敢于不斷向深空進發，不斷挑戰速度極限，不斷接近光速，相對論將會成為絕佳的合作伙伴。本文介紹的持續1ɡ加速飛行，不僅能利用相對論效應，而且非常適合人類生理條件，很可能在未來某一天成為載人星際旅行的首選。

宇宙在等我們光臨。

【責任編輯：竹子】

1按狹義相對論，任何有靜止質量的物體，不僅無法超光速，甚至無法達到光速，只能無限接近光速。

2取飛船燃料和飛船本身的質量比為二十進行計算所得。

3根據現代宇宙學，宇宙可能是無限大的，但由于宇宙在不斷膨脹，人類所能觀測到的宇宙存在一個不可逾越的視界，這個視界范圍內的宇宙是有限大的，具體的大小取決于視界定義的方式，但數量級都在百億光年。本文以及一般科普文章中出現的“宇宙的大小”就是指這個范圍的大小。

4假設飛船本身包括載荷的質量為十噸，下文同。