科學(xué)

想去一趟宇宙邊際，最可行的辦法是？

文/遠(yuǎn) 鏡

宇宙太大，生命太短。

從第一顆人造衛(wèi)星升空算起，人類進(jìn)入太空時(shí)代已經(jīng)六十五年，現(xiàn)在已經(jīng)能把無(wú)人探測(cè)器送往太陽(yáng)系所有行星進(jìn)行近距離考察。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，人類的腳步勢(shì)必能踏遍太陽(yáng)系的每一個(gè)角落。然而，如果要飛出太陽(yáng)系，實(shí)現(xiàn)恒星際旅行，哪怕是前往最近的比鄰星，仍然遙遙無(wú)期。現(xiàn)有的化學(xué)火箭效率太低，絕無(wú)可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。要想飛往宇宙更深處，必然要走全新的技術(shù)路線——也許是可控核聚變、正反物質(zhì)湮滅、巴薩德前置集氣系統(tǒng)或者激光驅(qū)動(dòng)光帆……

但前方還有一只難以打敗的攔路虎。

光速，這一相對(duì)論畫出的不可逾越的絕對(duì)紅線1，夢(mèng)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(chuàng)世新論》中設(shè)想，光速屏障有可能是先發(fā)文明制定的物理法則，以阻止后來(lái)文明相互溝通而締結(jié)新的同盟，挑戰(zhàn)前者的地位——這是他對(duì)費(fèi)米悖論的解釋。

為了解決光速限制的難題，科幻創(chuàng)作者各顯神通，設(shè)計(jì)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(chóng)洞、《基地》中匪夷所思的超空間躍遷、《哆啦A夢(mèng)》中的任意門、超能力者的瞬間移動(dòng)技能等。后面幾種純屬奇幻和魔法構(gòu)想，只有曲率引擎和蟲(chóng)洞有一些數(shù)學(xué)模型作為依據(jù)，但在物理學(xué)上能否成立依然是未知數(shù)，現(xiàn)有的時(shí)空理論似乎并不真的允許兩者的存在。假如基礎(chǔ)物理學(xué)被三體人鎖死，科學(xué)家再也無(wú)法發(fā)現(xiàn)新物理，那么這些技術(shù)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(shí)空

如果沒(méi)有了超光速，是否意味著人類會(huì)永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里？

并非如此。因?yàn)橄鄬?duì)論以另一種方式開(kāi)啟了超遠(yuǎn)距離太空旅行的可能性。本文將介紹一種非常簡(jiǎn)單的太空旅行方式——持續(xù)保持1ɡ加速度的直線運(yùn)動(dòng)。我們將會(huì)看到，在相對(duì)論效應(yīng)的加持下，這種旅行方式會(huì)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(jìn)電梯轎廂，關(guān)上門，這時(shí)電梯開(kāi)始向上加速（通常會(huì)持續(xù)兩至三秒），然后加速階段結(jié)束，電梯速度保持恒定。在加速階段，你會(huì)感覺(jué)仿佛有一股力在把你往下壓，腳底承受的力比平時(shí)更重一些。如果這時(shí)你的腳下放著一臺(tái)秤，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的體重增加了，這就是超重。因?yàn)殡娞莸匕逶诩铀傧蛏线\(yùn)動(dòng)，只有你的腳底給你施加比平時(shí)大一點(diǎn)的支撐力，才能讓你跟電梯的運(yùn)動(dòng)保持同步。從電梯內(nèi)部的視角來(lái)看，這相當(dāng)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(nèi)保持平衡不動(dòng)。

類似的，如果太空中有一艘飛船加速向上，飛船內(nèi)的宇航員也會(huì)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(shí)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(gè)蘋果從樹(shù)上掉下來(lái)，在它擊中牛頓的腦袋之前，重力使它向下運(yùn)動(dòng)的加速度是9.8m/s２。對(duì)于地球表面上的任何物體，重力產(chǎn)生的加速度都是9.8m/s２，這個(gè)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(dāng)于在飛船的狹小空間里創(chuàng)造出人工重力。

根據(jù)廣義相對(duì)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(huán)境是完全等效的。設(shè)想我們把愛(ài)因斯坦關(guān)進(jìn)一個(gè)封閉的房間，他看不到房間外面的狀況，只能用房間內(nèi)的儀器儀表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，可憐的愛(ài)因斯坦無(wú)論用什么辦法都不可能區(qū)分他是在一間地面上靜止不動(dòng)的房間里，還是在一艘1ɡ向上加速的飛船里。

對(duì)于太空旅行的游客而言，這簡(jiǎn)直是天賜良機(jī)：他們?cè)僖膊挥门碌妙^暈惡心、嘔吐昏睡的“太空失重病”，也不用擔(dān)心肌肉退化、骨鈣流失、心臟功能減退、視力模糊和內(nèi)分泌失調(diào)等長(zhǎng)期失重對(duì)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(xùn)練，一切將變得同家里一樣舒適和自然。

這是生物進(jìn)化的必然結(jié)果。從四十億年前的太古時(shí)期開(kāi)始，生命就一直在適應(yīng)著地球表面的重力環(huán)境，使人體的生理結(jié)構(gòu)最適合在1ɡ加速度下運(yùn)轉(zhuǎn)。

另一方面，這也限制了人類進(jìn)行太空旅行的最大加速度。當(dāng)飛船的加速度超過(guò)1ɡ時(shí)，宇航員將體驗(yàn)到比地表更重的重力。一旦加速度超過(guò)一定強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)大腦缺氧乃至內(nèi)臟出血。為了保證安全，過(guò)山車的最大加速度一般不會(huì)超過(guò)5ɡ，而且持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1秒。即使是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練的飛行員在10ɡ的加速度下，也僅十幾秒就會(huì)失去意識(shí)。如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，哪怕是1.5ɡ的加速度也可能產(chǎn)生致命危害，盡管這方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不太充分。在《三體Ⅱ》中，自然選擇號(hào)飛船在“前進(jìn)四”狀態(tài)下可以達(dá)到120ɡ的加速度，對(duì)于船員來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于把他們?nèi)舆M(jìn)一臺(tái)滾筒洗衣機(jī)里，按每分鐘八百轉(zhuǎn)進(jìn)行甩干所承受的向心加速度。因此劉慈欣在小說(shuō)中補(bǔ)充了“深海加速液”的設(shè)定，讓船員在進(jìn)入“前進(jìn)四”狀態(tài)前，全身器官都充滿這種神奇的液體，人就像深海魚(yú)類一樣直接在液體中呼吸。嚴(yán)格來(lái)講，深海加速液也很難解決問(wèn)題，因?yàn)槿梭w內(nèi)組織的密度不是均勻的。類似生物實(shí)驗(yàn)用的離心分離機(jī)，在液體中，密度高的部位還是會(huì)下沉，密度低的部位還是會(huì)上浮，時(shí)間長(zhǎng)了，就算不會(huì)細(xì)胞碎裂，也得骨肉分離。

也許有人會(huì)對(duì)此感到失望。不論未來(lái)人類掌握了多強(qiáng)大的推進(jìn)技術(shù)，只要是用于載人飛行，也無(wú)法比1ɡ的加速度大太多。但很快我們就會(huì)看到，只要有辦法讓飛船持續(xù)加速下去，哪怕是1ɡ的加速度，也能在人類壽命的期限之內(nèi)跨越驚人的距離。

首先，1ɡ飛船將使得太陽(yáng)系內(nèi)的行星際旅行變得非常方便。

要是你想利用周末的時(shí)間去月球基地旅行一趟，周五晚上出發(fā)，如果你坐的是阿波羅號(hào)或者嫦娥號(hào)，最后必然趕不上周一早晨的領(lǐng)導(dǎo)講話。月球距離我們?nèi)巳f(wàn)千米，現(xiàn)有的火箭技術(shù)需要三天才能到達(dá)，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(gè)半小時(shí)就能到達(dá)——當(dāng)然，沒(méi)有人喜歡以每秒八十千米的速度迎面撞上月球制造一場(chǎng)沙塵暴和一座環(huán)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(diǎn)，從前往后調(diào)轉(zhuǎn)一百八十度，讓噴氣口朝向月球方向，飛船繼續(xù)飛向月球，但以1ɡ的加速度逐漸減速，直到速度減為零時(shí)，剛好降落在月球表面。對(duì)于旅客來(lái)說(shuō)可能有點(diǎn)小麻煩，因?yàn)樵谡{(diào)轉(zhuǎn)一百八十度的過(guò)程中會(huì)短時(shí)間失重，但是調(diào)轉(zhuǎn)完成之后一切恢復(fù)原樣，只不過(guò)窗外的宇宙正好上下顛倒了。這種加速—減速模式會(huì)使得平均速度有所減慢，但也只需三個(gè)半小時(shí)就能在月球表面著陸。

嫦娥1號(hào)變軌示意圖

如果你的度假目標(biāo)是火星，“天問(wèn)一號(hào)”等探測(cè)器采用的地—火轉(zhuǎn)移軌道是最節(jié)省燃料的旅行方式，但代價(jià)是非常慢。以最經(jīng)典的霍曼轉(zhuǎn)移軌道計(jì)算，往返一趟就要浪費(fèi)掉一年半的生命。但對(duì)于1ɡ飛船，采用加速—減速模式，能在兩天之內(nèi)抵達(dá)火星，如此“消費(fèi)升級(jí)”以后，完全可以塞進(jìn)十一黃金周的旅游計(jì)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(fā)射的新視野號(hào)探測(cè)器可是飛了十年才到冥王星，而且無(wú)法剎車停下，只能在飛掠而過(guò)時(shí)匆匆一瞥。有了1ɡ飛船，旅游公司就可以推出一年期的太陽(yáng)系行星全家桶優(yōu)惠套票，因?yàn)橛靡荒陼r(shí)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(wèn)一號(hào)探測(cè)器飛行軌道

那怎樣實(shí)現(xiàn)恒定的1ɡ加速度呢？

迄今為止，航天器加速的基本方式從來(lái)沒(méi)變過(guò)，那就是“向后扔?xùn)|西”即利用發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃料向后噴氣的反作用力，使飛船獲得向前的動(dòng)力。

設(shè)想一艘飛船剛從某個(gè)太空港口出發(fā)，加滿了正好足夠整個(gè)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(jié)束時(shí)，燃料接近耗盡，這時(shí)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(gè)飛行過(guò)程中逐漸地自動(dòng)降擋，這種變速控制原理上并不復(fù)雜。在《挽救計(jì)劃》中，萬(wàn)福瑪利亞號(hào)就采用了這種設(shè)計(jì)以維持恒定的加速度。

那又怎樣讓加速時(shí)間持續(xù)得更久，讓飛船飛得更快呢？

根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，飛船最終能達(dá)到的速度只與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：一是飛船加燃料的質(zhì)量與飛船本身的質(zhì)量之比，二是發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的氣流相對(duì)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(zhì)量（飛船加燃料），mf為飛船最終質(zhì)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(zhì)量越輕越好，這樣同等質(zhì)量的貨物能分得更多的動(dòng)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(diǎn)兒、這位天子再瘦小一點(diǎn)兒就更好了。

我們還希望發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度越快越好，這樣同等質(zhì)量的燃料能產(chǎn)生更多的動(dòng)能——這就好比天子駕車必定選用上等馬，體格健碩，肌肉發(fā)達(dá)，本身就跑得更快。

現(xiàn)有的火箭技術(shù)，由化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力，本質(zhì)上仍然是宋朝人以火藥制作火矢的大號(hào)版本。化學(xué)燃料的能量密度有限，這決定了噴氣速度的上限。目前，化學(xué)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(duì)于行星際1ɡ飛行，這個(gè)噴氣速度太低了，想要兩天之內(nèi)抵達(dá)火星，哪怕是用上整個(gè)宇宙3的物質(zhì)作為化學(xué)燃料也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huán)”核聚變實(shí)驗(yàn)裝置

化學(xué)反應(yīng)僅僅利用了原子之間化學(xué)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(chǔ)存著萬(wàn)倍、百萬(wàn)倍的能量，也就是核能。

相比于化學(xué)燃料，核聚變?nèi)剂系哪芰棵芏纫叱錾习偃f(wàn)倍，如果用作推進(jìn)劑，噴氣速度最高可達(dá)到光速的約十分之一。僅全球海水中就有二百七十萬(wàn)億噸的氘元素可以作為聚變?nèi)剂希渲刑N(yùn)含的能量幾乎用之不竭，而且人工核聚變反應(yīng)早已實(shí)現(xiàn)——也就是氫彈，但核聚變反應(yīng)需要高溫和高壓，難以控制。如果能實(shí)現(xiàn)可控核聚變推進(jìn)，行星際級(jí)別的1ɡ飛船可以設(shè)計(jì)得非常輕巧——幾十噸的聚變?nèi)剂献阋?a href="#dd" id="c">4，質(zhì)量?jī)H僅相當(dāng)于一臺(tái)轟炸機(jī)。

如果加速的時(shí)間能夠長(zhǎng)達(dá)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(tǒng)，這個(gè)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(dá)》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(dāng)于到冥王星距離的六千倍，以現(xiàn)有最快的飛船——旅行者1號(hào)的速度計(jì)算，也需要八萬(wàn)年的時(shí)間。但1ɡ飛船只需要六年時(shí)間就能到達(dá)比鄰星，往返就是十二年。

這個(gè)時(shí)候，相對(duì)論效應(yīng)開(kāi)始凸顯，高中物理的牛頓力學(xué)勻加速運(yùn)動(dòng)公式不再適用。比如求飛船達(dá)到的最高速度，如果只是做一個(gè)簡(jiǎn)單的乘法，用三年時(shí)間乘以加速度9.8m/s２，你會(huì)得到光速的三倍，但這是不可能的。

實(shí)際上，飛船上的人會(huì)繼續(xù)享受1ɡ重力的熟悉生活——按照相對(duì)論的術(shù)語(yǔ)，飛船的固有加速度等于1ɡ。假設(shè)有另一艘勻速直線運(yùn)動(dòng)的飛船與1ɡ飛船擦肩而過(guò)，如果在某一瞬間，兩艘飛船的速度相等，勻速飛船上的人會(huì)測(cè)得1ɡ飛船的加速度正好是1ɡ。但以地球?yàn)閰⒖枷担吹降木跋髮⑼耆煌弘S著飛船速度越來(lái)越接近光速，由于相對(duì)論效應(yīng)，加速度會(huì)逐漸降低，其結(jié)果是，飛船速度最高只達(dá)到了光速的95%。

相對(duì)論效應(yīng)的另一個(gè)重要后果是，我們的故事里開(kāi)始有不止一種時(shí)間了。對(duì)于接近光速運(yùn)動(dòng)的飛船，由于“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”，它需要跨越的距離會(huì)變短，因此飛船中人經(jīng)歷的時(shí)間也會(huì)變短。剛才所說(shuō)的往返十二年是對(duì)于靜止不動(dòng)的地球人而言的，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的飛船上的人來(lái)說(shuō)，在他們回到地球的那一刻，時(shí)間只過(guò)去了七年。相對(duì)于地球時(shí)間，飛船時(shí)間變慢了，這就是“時(shí)間膨脹效應(yīng)”。

然而，對(duì)于這種恒星際近光速飛行，核聚變驅(qū)動(dòng)也會(huì)變得難以為繼——需要消耗掉幾乎整個(gè)太陽(yáng)那么多的燃料才能夠?qū)崿F(xiàn)一次往返。

如果能利用更高效的能源，比如正反物質(zhì)湮滅，會(huì)讓可行性大大增加。按照這種技術(shù)，等量的正物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)發(fā)生湮滅，所有質(zhì)量轉(zhuǎn)化為高能伽馬射線光子的巨大動(dòng)能，向飛船正后方發(fā)射出去，給飛船提供動(dòng)力。核聚變僅把千分之一左右的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了可利用的能量，而正反物質(zhì)湮滅的能量轉(zhuǎn)化率是100%，產(chǎn)生的噴“氣”速度等于光速，可謂最高效的動(dòng)力源。

反物質(zhì)聽(tīng)上去像“暗物質(zhì)”“暗能量”一樣神秘莫測(cè)，其實(shí)離我們沒(méi)有那么遙遠(yuǎn)，粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)就能產(chǎn)生反物質(zhì)粒子。物理學(xué)家早已認(rèn)識(shí)到，每一種基本粒子都有它的反粒子，就像一對(duì)鏡像，質(zhì)量完全相等，電荷正好相反。早在1928年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克就在理論上預(yù)言了正電子的存在，1932年就在實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一種反物質(zhì)粒子。困難在于，反物質(zhì)不能像核聚變?nèi)剂夏菢樱梢灾苯訌拇笞匀恢写罅揩@取，只能通過(guò)消耗其他能量來(lái)制造，是一種二次能源。反物質(zhì)的儲(chǔ)存也很困難，需要特殊的磁場(chǎng)把它們與普通物質(zhì)隔開(kāi)。全球的粒子對(duì)撞機(jī)每年只能生產(chǎn)十億分之一克的反物質(zhì)，而生產(chǎn)這些反物質(zhì)的費(fèi)用高達(dá)幾億美元。一艘往返比鄰星的1ɡ飛船，需要一萬(wàn)噸左右的反物質(zhì)燃料，相當(dāng)于一艘航空母艦的質(zhì)量，但其中蘊(yùn)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(yù)言正電子的存在。

不過(guò)，接下來(lái)才是1ɡ飛船真正施展魔法的時(shí)刻。如果加速永不停息，最終結(jié)局會(huì)怎樣？

以飛船時(shí)間計(jì)，跨越的距離將會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)。

假設(shè)有一名嬰兒在出生時(shí)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(wàn)六千光年外的銀河系中心，此時(shí)他已長(zhǎng)成二十歲的青年，可以一睹超大質(zhì)量黑洞人馬座A*的芳容。這里是動(dòng)畫《飛躍巔峰》中宇宙怪獸的老巢。如果飛船沒(méi)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(shí)，他僅僅四十歲。而在這期間，地球時(shí)間已經(jīng)度過(guò)了五萬(wàn)兩千年。五萬(wàn)年是什么概念？到那時(shí)，地球氣候已走出溫和的間冰期，進(jìn)入冰河時(shí)期，人類也許正面臨糧食危機(jī)。

飛船不但實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的空間跨越，還一起實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)未來(lái)的時(shí)間旅行。

如果這位乘客要前往二百五十萬(wàn)光年外的仙女座星系M31，返回地球時(shí)，他也僅僅五十七歲，地球時(shí)間則已經(jīng)度過(guò)了五百萬(wàn)年。自然選擇在這個(gè)時(shí)間尺度上會(huì)變得來(lái)勢(shì)洶洶，到那時(shí)，現(xiàn)有的大部分物種都會(huì)滅絕，被新型的物種替代。

太陽(yáng)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(gè)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(huì)被宇宙膨脹的速度甩開(kāi)，永遠(yuǎn)不能回到起點(diǎn)。當(dāng)終于返回時(shí)，他正好一百歲，地球時(shí)間則度過(guò)了百億年——仙女座星系已經(jīng)和銀河系融為一“系”，太陽(yáng)已經(jīng)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(yáng)膨脹為紅巨星的階段被吞沒(méi)了。

而實(shí)現(xiàn)如此夢(mèng)幻般的太空旅行——在有生之年跨越整個(gè)宇宙——并不需要穿越蟲(chóng)洞、曲率驅(qū)動(dòng)、時(shí)空折疊、超空間引擎之類的奇異科技，那些技術(shù)都依賴于尚未證實(shí)的科學(xué)狂想，前途尚且晦暗不明。現(xiàn)有的已通過(guò)最嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的物理學(xué)理論，已經(jīng)為我們指出了一條陽(yáng)關(guān)大道：一艘簡(jiǎn)單的1ɡ加速飛船。

當(dāng)然，要維持這么久的1ɡ加速度并不簡(jiǎn)單。與指數(shù)增長(zhǎng)的空間距離相對(duì)應(yīng)的，是指數(shù)增長(zhǎng)的能量消耗量。即使采用最高效的正反物質(zhì)湮滅驅(qū)動(dòng)，也需要幾百個(gè)“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(diǎn)，買一張不回頭的單程票，按飛船時(shí)間只需五十年即可抵達(dá)宇宙邊緣，仍然需要一個(gè)“反地球”的燃料。如果要求再降低一點(diǎn)兒，中途不剎車，而是一直單向加速?zèng)_過(guò)終點(diǎn)，時(shí)間可以縮短到二十五年，大約1011噸的反物質(zhì)就夠了，一個(gè)鄱陽(yáng)湖就可以裝得下。這對(duì)于現(xiàn)階段的人類文明當(dāng)然還是遙不可及，但樂(lè)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(yáng)輻射出的所有能量，用不了一天就可以生產(chǎn)出這么多的反物質(zhì)。

在波爾·安德森的科幻小說(shuō)《宇宙過(guò)河卒》中，一艘飛船由于減速裝置出現(xiàn)故障，只能不斷加速飛行，船員們用三個(gè)月就抵達(dá)了宇宙的末日。小說(shuō)中，飛船的動(dòng)力引擎采用了一種非常聰明的設(shè)計(jì)——巴薩德前置集氣系統(tǒng)，可以在航行過(guò)程中持續(xù)搜集星際氣體作為核聚變?nèi)剂希瑥亩鴮?shí)現(xiàn)不斷加速，而不需要像本文中所假設(shè)的那樣，在航行一開(kāi)始就載滿整個(gè)旅途所需的燃料。但這種設(shè)計(jì)也有相當(dāng)多的困難，比如星際物質(zhì)的密度過(guò)低、需要過(guò)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(tǒng)的飛船

太空旅行不僅是人類古老的夢(mèng)想，更決定著人類未來(lái)的命運(yùn)。總有一天，太陽(yáng)會(huì)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(guò)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(shù)積累至今，人類已能登陸月球，建立永久性空間站。下一個(gè)偉大的宇航目標(biāo)——把人送上火星——已經(jīng)納入多國(guó)未來(lái)十到二十年的太空規(guī)劃中，其中也包括計(jì)劃在2033年出發(fā)的中國(guó)載人火星任務(wù)。而目標(biāo)更遙遠(yuǎn)的宇航研究、討論、提案、暢想一直在進(jìn)行著。火星之后還有下一顆行星，太陽(yáng)系之外還有新的太陽(yáng)。

要想實(shí)現(xiàn)這些宏偉的理想，不僅有無(wú)數(shù)技術(shù)難關(guān)需要突破，還需要政治和經(jīng)濟(jì)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(shù)水平，還取決于全社會(huì)愿意投入多少資源到這些燒錢無(wú)止境的浩大工程中。

幸運(yùn)的是，自然界的物理法則從未阻撓我們前行。我們已經(jīng)看到，如果人類敢于不斷向深空進(jìn)發(fā)，不斷挑戰(zhàn)速度極限，不斷接近光速，相對(duì)論將會(huì)成為絕佳的合作伙伴。本文介紹的持續(xù)1ɡ加速飛行，不僅能利用相對(duì)論效應(yīng)，而且非常適合人類生理?xiàng)l件，很可能在未來(lái)某一天成為載人星際旅行的首選。

宇宙在等我們光臨。

【責(zé)任編輯：竹子】

1按狹義相對(duì)論，任何有靜止質(zhì)量的物體，不僅無(wú)法超光速，甚至無(wú)法達(dá)到光速，只能無(wú)限接近光速。

2取飛船燃料和飛船本身的質(zhì)量比為二十進(jìn)行計(jì)算所得。

3根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)，宇宙可能是無(wú)限大的，但由于宇宙在不斷膨脹，人類所能觀測(cè)到的宇宙存在一個(gè)不可逾越的視界，這個(gè)視界范圍內(nèi)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(shù)量級(jí)都在百億光年。本文以及一般科普文章中出現(xiàn)的“宇宙的大小”就是指這個(gè)范圍的大小。

4假設(shè)飛船本身包括載荷的質(zhì)量為十噸，下文同。