想實現光速旅行，這些方法都沒戲

付毅飛

去別的星球看一看、玩一玩，甚至干脆住下來，是許多科幻迷的夢想。科學家們也在未雨綢繆，為人類尋找“第二家園”。從火星、半人馬座到開普勒452b，他們的目光越投越遠。

然而現實問題是，就算找到一顆合適的類地行星，我們也沒辦法搬過去。面臨考驗的不僅是航天技術，恐怕還有人類的壽命。以電影《阿凡達》中在半人馬座虛構的“潘多拉”星球為例，要前往這顆距我們4.4光年的星球，即使按“太陽神2號”創造的人類飛行器速度紀錄（約每小時25萬千米）來計算，也需要差不多2萬年。

為了實現夢想，科學家一直在尋找更為高效的太空旅行方式，甚至大開腦洞，構思出種種光速旅行的設想。但中國航天科工集團二院研究員楊宇光認為：“以目前可以預見的技術手段，人類不可能實現光速旅行，也不可能實現恒星際航行，除非人類在基礎物理學認知上出現質的飛躍。”

光速旅行設想缺乏物理學支撐

前不久，美國國家航空航天局（NASA）工程師大衛·伯恩斯提出了一種近光速粒子加速相對性螺旋引擎概念，他聲稱這種引擎能讓飛船的速度達到光速的99%。這一概念已發表在NASA的技術報告服務器上。

不過有專家認為，該設想可能得不到物理定律的支撐。

伯恩斯的發動機原理并不復雜。一個盒子一根桿，桿上套上一個圓環，盒子里的彈簧推圓環，滑到頭之后彈回來形成振蕩，這樣的效應會讓盒子來回擺動。伯恩斯認為，如果讓圓環滑動時質量增大，盒子的一端就會比另一端重，從而加速前進。要怎樣才能實現這種加速呢？伯恩斯認為，狹義相對論已經提出了解決辦法，那就是讓物質以近光速運動，這樣質量就會增加。他設想用粒子加速器代替圓環，粒子在一個沖程中迅速加速到相對論速度，而在接下來的沖程中則迅速減速。在這樣的情況下，實際上可以不要盒子和桿，而將粒子加速器設計成螺旋形進行橫向和圓周運動，就可以達成加速的目的。只要堅持不懈，終將使引擎速度接近光速。

然而這樣的加速方法效率極低，用165兆瓦功率產生的力，僅僅跟我們敲鍵盤的力道差不多。更尷尬的是，這種引擎需要在完全沒有摩擦力的環境下運行，稍有一點摩擦力，就足以將微弱的推力抵消，但所有慣性系統都不可能得到完全無摩擦的工作環境。

人類對光速飛行的追求由來已久。1953年，奧地利科學家尤金·桑格爾就提出了光子火箭的設想。

根據齊奧爾科夫斯基公式，火箭速度與發動機噴流速度成正比。那么，如果能讓噴流速度達到光速，火箭不就能以光速飛行了嗎？

但直到今天，光子火箭仍處于探索階段。除了制造大量反質子所消耗的能量、用于保障光子源獲得足夠光壓的高溫等問題無法解決，其物理原理也遭遇了瓶頸。楊宇光說，齊奧爾科夫斯基公式本是一個自然對數形式，但當噴流速度接近光速時，則變成雙曲正切函數形式。簡單來說，即使噴流速度能達到光速，火箭的加速效率還是很低，要加速到光速極其困難。

還有人提出過更天馬行空的設想，例如通過曲率驅動引擎，令前方空間收縮而后方空間膨脹，使飛船速度打破光速限制。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩對此評價：“科幻。”

近年來，有些科學家發現曲率引擎似乎沒有想象中那么難，開始嘗試將科幻變為現實。但楊宇光表示，曲率引擎的原理是對空間進行折疊，需要的能量達到了黑洞量級。“人類產生文明以來，收集到的所有能量都不足以支持一艘飛船產生改變空間的能力，而且是差很多個數量級。”他說，“在目前看來，這一設想在工程上不可能實現。”五花八門的高速飛行方案仍在探索中

既然光速旅行的夢想遙不可及，有些科學家便退而求其次，希望找到更具操作性的高速飛行方式。例如，2017年，斯蒂芬·霍金提出了基于激光推進原理的“突破攝星”計劃。

該計劃以距離地球4.2光年的比鄰星為目標。霍金提出，研制1000個幾厘米大小、功能完備的探測器，在地球上建立激光器列陣，用超強光束讓它們加速到光速的1/5，這樣可以在20年后到達比鄰星并傳回相關信息。

這項計劃也不被看好。行星科學專家、中科院國家天文臺研究員鄭永春認為，激光推進需要在地面建設強大激光源，不斷跟蹤、照射飛行器，但這么遙遠的距離，怎樣保證激光源能一直瞄準這么小的飛行器？另外，光的能量與距離的平方成反比，隨著飛行器離地球越來越遠，激光所能提供的動能也會迅速衰減。這都是難題。

楊宇光認為“突破攝星”計劃在工程上根本無法實現。他說，要將幾克量級的飛行器加速到每秒6萬千米，所需能量相當于400噸左右TNT炸藥的當量。同時需要考慮到，激光器作用距離有限，能達到100萬千米就不錯了，這要求加速過程要在極短時間內完成，而這是目前任何材料都無法承受的。同時，該計劃還面臨軌道測量、信號傳輸等難題。

除了使用地球上的能源之外，科學家還將目光轉向了宇宙“外援”——太陽正成為科學家寄予希望的宇航動力之一。俄羅斯薩馬拉大學近日發布消息稱，該校專家正在研究能借助太陽光壓快速移動的太陽帆飛船，其速度能達到目前人類最快探測器速度的10倍以上。據了解，美國太空組織“行星學會”此前已經發射“光帆2號”飛船對該技術進行了驗證，我國也在開展相關技術研究。

楊宇光介紹，該技術利用巨大的光帆，可以將特別輕微的航天器加速到每秒數百千米量級，但對于載人飛船或是大型探測器卻無能為力。同時，探測器離太陽越遠，獲得的動力就越弱。因此，太陽帆飛船只能用于太陽系附近的無人探測任務。

在五花八門的未來航天技術設想中，太空電梯常被人津津樂道。太空電梯有幾種形式，比較實用的，是從赤道附近架設“電梯”通往地球靜止軌道空間站，以實現快速便捷的天地往返。

龐之浩表示，目前人類航天活動中最費力的，就是從地面發射進入太空軌道的階段，要付出高昂的成本，消耗大量燃料。而太空電梯可以幫助人類跳過這一階段，從更高的起點出發。

不過，太空電梯畢竟只能解決“起跑”問題，剩下的“馬拉松”要想更快完成，還得依賴其他宇航動力技術，而且這也不是很快就能實現的。龐之浩說，太空電梯所用“纜繩”要有數十倍于鋼材的強度、超輕的質量，以及可以接受的成本。目前唯一符合條件的材料是碳納米管，許多國家在開展攻關，但離工程應用還很遙遠。業內預測，太空電梯相關技術有望在21世紀內取得突破。

核動力火箭無法完成恒星際航行

既然上述種種設想短期內都無法實現，我們暫時還是把目光收回到當前的主流航天動力形式一火箭上吧。

龐之浩表示，常規的化學動力火箭在推力、速度等方面基本已達到瓶頸，很難再有較大突破。不過，科學家正在對多種新型動力火箭開展研究，包括核動力、電推進、電磁驅動等。

龐之浩介紹，美國前華裔宇航員張福林創辦的公司正在設計一款“可變比沖磁等離子體火箭”。這種核電火箭據說僅需1個多月就能飛到火星，但相關技術還處于研究階段。

美國與俄羅斯正在聯合研制核動力火箭，與傳統火箭每小時2萬千米的速度相比，其時速可達到8萬千米，能將火星旅行時間縮短到2個月。不過該方案也面臨許多技術難題，還存在一個嚴重的副作用——核動力產生的輻射，相當于讓宇航員每天拍8次X光片。與核動力相匹配的防輻射措施，目前尚待攻克。

在動力學中，“比沖”是體現發動機工作性能和推進劑能量特性的主要技術指標，以牛-秒，千克或秒為單位。楊宇光說，目前常溫化學燃料火箭發動機的比沖通常是300多秒，氫氧發動機為450秒左右，電推進火箭發動機最高可達1萬秒。如果人類能掌握受控核聚變技術，可以讓火箭發動機獲得功率極高的能量來源，則有望將比沖提升10倍。“如果達到這個程度，人類將能夠在太陽系內自由航行。”他說，“但對于恒星際航行，仍然差了好幾個數量級，還是做不到。”

文章來源：《科技日報》

（責任編輯：嵇刊）