星际旅行有可能吗?以目前技术,我们需多长时间才能到达比邻星?

原标题:星际旅行有可能吗?以目前技术,我们需多长时间才能到达比邻星?

在许多科幻作品中,星际间的距离不再是人类踏足其他星球的障碍,人类早已掌握了虫洞、超光速曲速引擎等技术,我们的宇航员睡在休眠舱里,几周或几周后醒来就抵达了目的地。

当然,我们目前也没有那种技术可供我们使用(也许也实现不了)。但它仍然提出了关于前往遥远世界的前景有多现实的问题,例如,最近的恒星是否离我们如此之远以至于我们一生都无法到达那里?使用目前可用的方法需要多长时间,未来有哪些星际旅行方法可能更快?

下面让我们看看一些现有的和理论上的太空旅行方法来寻找答案。作为参考,我们将讨论到达比邻星( Proxima Centauri)需要多长时间,它是离我们太阳系最近的恒星,距离我们 4.24 光年,其中一光年约为 9 万亿公里:大约是地球与太阳距离的 60000 倍。

首先我们要明确一点,基于当前的技术,我们现使用的是通过化学火箭燃料进行推进。火箭燃料最大的缺点是效率低下:一公斤燃料只能产生几毫克的能量,需要更大的动力就必须携带更多的燃料。但是我们也清楚,第一次星际任务应该不会载人,所以宇宙飞船可能更小、更简单,更像是一个小型太空探测器。

1.最大的火箭发射最小的飞船!

在人类半个多世纪的航天史里,没有比“新视野号”(New Horizons)更快。考虑到现有技术,很难想象未来几年会有什么比它更快。

“新视野号”(0.478 吨,仅0.03吨属于科学仪器)于2006年由美国宇宙神-V551型(Altas-V551,569 吨)火箭发射,仍然是有史以来从地球发射的最快的人造物体。发射速度约为 16 公里/秒,现以每秒14公里(相对太阳)的速度运行。如果新视野号是朝比邻星方向发射的,则需要90000多年才能到达那里。

2.可变比冲磁等离子体火箭!

可变比冲磁等离子体火箭(Vasimr)火箭被设计为使用核反应堆将等离子体加热到 200 万度。然后,热气通过磁场从发动机后部排出,理论上可获得高达 197950 公里/小时(54 公里/秒)的速度,比现有任意火箭快4倍。但是,前往我们最近的恒星仍然需要20000 多年的时间。

PS:美国的 Ad Astra 火箭公司曾在2021年宣布,它已经完成了创纪录的 88 小时的 80 千瓦 Vasimr VX-200SS 等离子火箭的高功率耐力测试。

3.可控核聚变火箭!

利用核聚变反应推动火箭和宇宙飞船的想法并不是什么新鲜事,基于能量方面,理论上其速度能达到光速的10%。比如由美国宇航局(NASA)格伦研究中心的一个火箭科学家团队研发的 Discovery II 聚变动力航天器,其速度可超过 300 公里/秒。尽管如此,前往比邻星需要上千年的时间。

不过这里有个问题,这种类型的航天器中需要克服的障碍之一是需要在外层空间开采燃料“氦-3”,因为它在地球上不容易找到。

4.物质-反物质引擎!

当反物质与正常物质接触时,这些相等但相反的粒子碰撞产生爆炸,释放出纯辐射,以光速从爆炸点传播出去,造成爆炸的两个粒子都被完全湮灭,留下了其他亚原子粒子。当反物质和物质相互作用时发生的爆炸将两个物体的全部质量转化为能量。科学家们认为,这种能量比其他推进方法产生的任何能量都要强大,因此,物质-反物质引擎有可能以更少的燃料让我们走得更远。

物质-反物质引擎理论上可以达到光速的百分之几十,但更高的速度是值得怀疑的,因为需要大量的反物质。NASA科学家曾发表一个“小型反物质星际探测器计划”的论文,这个探测器只需要 17 克反氢就可以在40 年的范围内完成抵达比邻星。

但在地球上,大多数反物质必须在费米实验室或欧洲核子研究中心等实验室的粒子物理加速器中产生,而且不易储存。而迄今为止,实验室生成的反物质只有20 纳克,相当于1克的反物质约6万亿美元

5.狂野概念——螺旋引擎!

“螺旋引擎”(Helical Engine)是NASA马歇尔太空飞行中心(MSFC)工程师伯恩斯(David Burns)设计,利用了已知在近光速下发生的质量改变效应。

根据伯恩斯的构想,如果把引擎视为一个表面无摩擦的盒子,其中有一条线,套上一个圆环,弹簧推动圆环前后运动。基于牛顿的第三运动定律,盒子只能随着圆环运动而前后移动。但如果用粒子加速器代替“圆环”,沿着线前进时加速到相对论速度,后退时减速,只要有足够时间就能达到非比寻常的速度—— 99% 的光速。

只不过要完成构想中的效果,这个引擎的长度会高达200米、直径12米。而且这个概念是违反物理定律——所有惯性推进系统都不能在无摩擦环境中运行。

另外令科幻迷非常熟悉的“曲速引擎”,实际上这个概念不符合量子力学理论以及违反因果关系。

还有一点,如果载人的话,时间也是相对的。任何远离地球加速的东西似乎都会减速,而任何向地球加速的东西似乎都更快。

例如:如果你以 99% 的光速飞向比邻星,那么从地球上可以看到你穿越 4 光年到达半人马座阿尔法星所需的时间:4 光年/0.99光年/年 = 4.040404…年。然后光(信号)传回来,又需4年。所以在地球上的人看到你抵达比邻星是8年多。

然而,相对论导致的时间膨胀,在飞船上的你会看到自己以超过 7 倍的光速飞出太阳系,大约不到7个月就抵达比邻星。此时你从比邻星收到地球传来的信息却是你离开地球2周年纪念。

如果抵达比邻星后又返回地球,也需大约7个月时间,回到地球也只是时隔1年多一点。但当你回到地球时,你会看到过去8年的信息在你的屏幕上高速播放。同时通过地球的望远镜,科学家会看到你的飞船从比邻星高速飞回地球,整个旅途仅2周多一点。

所以星际或太空旅行还要考虑到相对时间差。

最后我们必须承认的是,除非我们在核聚变、反物质等领域取得重大突破,否则我们也许永远都离不开太阳系。返回搜狐,查看更多

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