三方案加速太空旅行
我们对于速度的追求带来了前所未有的挑战。有可能威胁“阿波罗10号”最快速度霸主地位的新型飞船,仍然会采用久经考验的基于化学推进的发动机系统,自从人类第一次太空飞行以来,就一直在采用这样的系统。然而这样的设计方案在速度方面存在着严重的限制,因为其燃料效率非常低下。
因此,为了让人类前往火星甚至更遥远太空的飞行速度更快,科学家们意识到,他们需要另辟蹊径,采用新的方案。布瑞说:“今天的飞行系统足以将我们送到那里,但我们仍然希望看到推进系统出现一场变革。”
埃里克·戴维斯是总部位于美国德州奥斯丁的“高等研究所”的一名资深物理学家,参与了NASA在1996年到2002年间进行的“突破性物理学推进技术方案”的研究计划。这项计划提出了三种最具有潜力的推进方案,这些方案基于传统的物理学理论,一旦成功将可以让宇航员实现星际航行。简而言之,这三种方案分别基于核裂变、核聚变以及反物质湮灭。
第一种方案是核裂变,也就是分裂原子,就像在商业核电站中发生的那样。第二种方案则是核聚变,在核聚变反应中,核子被迫进行聚合从而产生巨大的能量——给太阳提供能量的正是这一反应。尽管我们心急如焚,但人类目前还未能完全掌控这项技术。
英国《新科学家》网站在2009年12月的报道中表示,他们认为这种技术,有可能在数十年之后实现。一旦科学家掌握了受控核聚变,那么他们将控制反应中产生的带电粒子,并让它们从喷口喷射而出。从核聚变反应堆喷出的粒子能使二级火箭的速度达到光速的12%。
戴维斯则认为:“核聚变技术将在50年后变成现实。核聚变和核裂变这样的技术非常先进,但仍然是基于传统的物理学法则,并且从原子时代问世以来就已被提出,现在也已获得了广泛的证实。从乐观的角度来看,基于核裂变和核聚变技术的推进系统理论上或能将飞船的速度推到光速的10%左右,也就是约1亿公里/小时。”
当然,最强大的推进方案是第三种,也就是利用反物质的湮灭实现推进。1928年英国物理学家保罗·狄拉克首先从理论上提出了存在反物质的假说,认为存在和构成普通物质的基本粒子质量相等但电荷相反的基本粒子,并有由这样的基本粒子构成的反物质。仅仅4年后,这个假说就得到验证。
物理学原理已经阐明,当普通物质与反物质相遇时,将会彼此湮灭,正反物质的质量将全部转化为能量,按照爱因斯坦的质能公式E=mc2释放巨大的能量。就目前所知道的所有物理反应而言,这是效率最高的,这种湮灭释放的能量巨大,是氢氧化学反应的100亿倍、太阳核心热核反应的300倍。一片阿司匹林那么大的反物质同物质湮灭产生的能量足以让一艘飞船巡弋数百光年。据科学家测算,以反物质为动力,飞行器在宇宙空间中可以光速的70%飞行。而且,反物质发动机的好处是反物质的湮灭可以自发产生,不需要像核发动机中的核反应那样需要许多条件,所以就不需要很大的反应堆,从而减轻飞船的重量。