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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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三体航天考(三)   

2013-10-18 14:19:38|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:赵洋

三体航天考系列

在太阳系中,光压和太阳风无处不在,光帆飞船可以畅游无阻;在远离太阳的航天基地附近,核燃料可以适时补充,核动力飞船的巡航半径可以预期。要航行更远的距离,比如从“三体行星”到地球的4光年航程,途中既没有充足光照,也没有燃料补给站,上面两种推进方式就不再是合适的选择。满怀雄心、想要征服地球的三体舰队究竟采用了什么办法驱动庞大的太空船呢?

吞云吐雾遨游星际

大刘直接给出了答案。地球“三体组织”领袖叶文洁被捕后接受审讯时透露:“三体飞船推进的动力是正反物质的湮灭,飞船前方有一个巨大的磁力场,形成一个漏斗形的磁罩,用于收集太空中的反物质粒子,这种收集过程十分缓慢,经过相当长的时间,才能得到供飞船进行一段时间加速的反物质数量,因此舰队的加速是间断进行的,很长时间的收集后才能进行一次。”(《三体I》245页

叶文洁的“供述”对于21世纪的地球保卫者没有多少价值。因为早在“红岸基地”尚未立项的1960年,人类就参透了三体第一舰队的动力之谜。那一年,在美国洛斯阿拉莫斯实验室工作的物理学家罗伯特·巴萨德发表了一篇名为《星际物质与星际飞行》的论文,里面构想了一种全新的航天器推进方式——飞船前方漏斗状的收集器收集星际物质中的氢元素,氢元素可作为飞船核聚变发动机的燃料使用。飞船飞行速度越高,收集效率也越高,这就像是蓝鲸张开大口过滤海洋中的浮游生物一样。

这种航天发动机被后人命名为“巴萨德冲压发动机”。其理论基础是在恒星间并非完全的真空,通常都有一种稀薄的气体弥漫其间,这就是星际物质。虽然这种物质密度极低(每立方厘米约有100个氢原子),但聊胜于无。如果能采集无处不在的星际物质作为发动机燃料,则飞船的理论续航能力可以达到无限远。

工作原理

目前得到公认的巴萨德冲压发动机是一种冲压核聚变反应堆,它利用巨大的电磁场(直径从数公里至数千公里不等)作为“漏斗”来收集并压缩星际物质中的氢,飞船前方的漏斗吸入沿途的星际物质,极高的相对速度和磁场作用使反应物质在核反应腔中压缩,直到温度和密度足以发生核聚变。这样产生的巨大能量再通过另一个磁场导引至发动机的排气方向,并借反作用力原理推进飞船。如果该飞船能够保持10米/秒2的加速度(略大于地球表面的重力加速度),不到一年时间,速度即可达到光速的77%。在《三体》中,三体第一舰队正是使用了巴萨德冲压发动机,才能以十分之一光速飞行。

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 【巴萨德冲压发动机假想图 图片出处:joebergeron.com

1974年,参与“代达罗斯”核聚变火箭计划的阿兰·邦德提出了巴萨德冲压发动机的改进方案“RAIR”。该方案将收集到的氢作为反应物质而不是推进工质。进入发动机的质子流被减速到一兆电子伏,然后引导质子流轰击锂-6或硼-11。锂-质子聚变或硼-质子聚变不但更容易发生,而且释放的能量高于其他种类的核聚变。聚变产生的能量被导入前方漏斗吸入的物质中,被“加热”的物质高速喷出,驱动飞船前进。

“RAIR”另一种改型——“催化RAIR”发动机的效率更高。当进入收集器的物质流被压缩后,人为加入一小块反物质。与核聚变相比,这种湮灭反应的反应截面更小,所需温度也更低。据计算,要驱动一万吨重的飞船以1g加速度飞行,所需的反物质催化RAIR 发动机直径仅为3.5米!当然,乘这种“微型”发动机遨游宇宙,得自备足够的反物质供催化用。

重重障碍

巴萨德最初的设想是用机械方式收集氢。根据他的计算,为达到理想的1g加速度,质量一千吨的飞船前方需要有面积达一万平方公里的收集器。即便未来的材料科学取得巨大进步,这么大面积的收集器也将十分沉重——即使收集器采用10毫米厚的Mylar制作,质量也将达到二十五万吨。

而且巴萨德假设星际物质都是离子化的,本身带有电荷,容易被磁场捕获。实际上,恒星间的星际物质主要是中性的原子与分子,磁场对它们毫无作用。解决方案是先用大功率激光将飞船前方的氢原子离子化。离子化的氢失去电子成为单个质子(带正电荷),可以被收集器产生的磁场收集。如果采用这种电磁方式收集,那么收集器甚至不必做成纯固体形态(可以是网状的),收集器的实体面积也可以大大缩小,只要保证磁场范围很大就可以了。

即便如此,依然存在困难。生成激光和磁场都需要巨大能量,这个能量得事先预备。磁漏斗也不像听起来那么简单。因为磁力线汇聚于漏斗进口处,它们会把进来的带电粒子弹开,而不是将其拽入漏斗。结果就是,磁收集器就像一个磁瓶,收集了飞船前方圆锥区域的粒子,却阻碍其进入反应堆。解决方案之一是制造脉动磁场,模拟“张嘴”和“吞咽”的过程,但操作起来并不容易。还有个问题是,大部分收集进来的都是氢离子,它不像氘和氚那么容易发生核聚变。最后,巴萨德发动机只能在飞船达到一定速度时使用,只有做高速飞行时,收集器才能收集足够多的燃料供冲压发动机启动。因此,需预先启动一个助推发动机使飞船达到巴萨德发动机点火的临界速度——约为光速的6%——然后更具效率的冲压发动机才能正常运转。

星际间的尘埃颗粒对高速飞行的飞船船体是一个巨大威胁,除此之外,星际物质中的带电粒子也会给船员的健康和电子设备带来致命的损伤。具体来说,以光速30%运动的一千克物体蕴含的动能相当于百万吨TNT炸药的能量;以亚光速飞行的飞船,撞上静止的尘埃颗粒也会因巨大的相对速度而被击毁。而没能被磁漏斗阻挡的带电粒子则会形成高能粒子雨,损伤船员的DNA和精密电子设备。

正是由于这个原因,三体第一舰队在穿越星际尘埃云时才会露出颓势——“队形变得稀稀拉拉,溃不成军,有一大半战舰早就停止了加速,穿过尘埃时又减速了不少”(《三体II》280页)——这些舰只都在尘埃颗粒及高能粒子雨点般的轰击下垮掉了。

科幻情有独钟

尽管巴萨德冲压发动机面临诸多现实困难,但因其完全使用已知技术就可以达到亚光速,所以深得硬科幻作家的喜爱。科幻迷广为知晓“巴萨德冲压发动机”这个概念要拜美国科幻大师拉里·尼文所赐,他在系列科幻小说《已知宇宙》中使用了这种发动机。在尼文笔下的文明世界,星际殖民的早期阶段派出了装备巴萨德冲压发动机的自动探测器,随着时间的推移,富人们也可以采购这种发动机,举家搬离拥挤的地球。在他的另一部名著《环形世界》中,尼文则使用这种发动机做航程推进和位置维持用。

在《星际迷航》(Star Trek)系列影片中,一种名为“巴萨德氢收集器”的装置作为“正反物质推进系统”的一部分出现在星舰上,它可以使星舰加速到超光速。这种收集器装在曲速引擎的前方,当星舰中储存的氘减少时,收集器就会采集星际物质中的氢,并将其转化为氘和反氘,供曲速引擎使用。在影片中,巴萨德氢收集器的低收集率和星际物质拖曳问题都因为超光速飞行迎刃而解。

关于巴萨德冲压发动机最瑰丽的幻想,则来自于波尔·安德森的小说《宇宙过河卒》(《Tau Zero》)。在这部作品中,安德森讲到冲压飞船“利奥诺拉-克里斯廷”号遭遇星际尘埃云后失去减速装置,进入了无法停止的无休止加速状态。在逐渐趋近光速的航程里,由于相对论的时间膨胀效应,船员们发现他们已经飞入了“未来”,并亲眼见证了宇宙的瓦解和消亡。这个小说的影响力非常之大,以至于美国国家航空航天局“突破推进物理项目”主管马克·米利斯离开航天局创立了一个组织“τ0基金会”(Tau Zero Foundation)专门研究超光速飞行。

终极发动机:曲率驱动

在《三体》小说引述的“红岸工程”文件中,把科学基础理论研究成果转化为实用技术分为两种模式:渐进型和突变型。其中,宇航技术的发展与突破属于渐进性,核武器的出现属于突变型。(《三体I》121页)这份文件载于20世纪60年代的《内部参考》,受时代局限,科学家并未预料到宇航技术也可能迎来“基础理论成果被迅速转化为实用技术”的突变。曲率驱动就是这样一种突变。

来势汹汹的三体第二舰队之所以能够后发先至,就是因为三体文明出现了技术突变,将曲率驱动技术实用化。地球人“对三体第二舰队的观测表明,曲率驱动的宇宙飞行器加速到光速几乎不需要时间,光速飞船有可能在几十分钟的时间里从地球航行到木星。”(《三体III》330页

利用时空特性进行光速乃至超光速飞行,绝非崭新的概念。在20世纪60年代的科幻系列剧《星际迷航》中,超光速飞船的推进装置叫做“曲速引擎”。影片中,只见星舰舰长一声令下,机器运转,飞船前方的星星都被拉成细线。片刻之后,星舰出现在遥远的目的地,速度比光速还快……

要理解空间曲率(或曲速)驱动的原理,不妨设想这样一幅场景:你和一只猫坐在一张地毯的两端,猫以速度c(这也是它在地毯上奔跑能达到的最高速度)向你跑来,这时你以速度z猛然拽动地毯,把地毯和在地毯上跑动的猫一并拽到跟前。在拽地毯时,猫相对于你的速度是c+z——超过了c,但猫与猫脚下的地毯是一并移动的,它并没有超过自己在那块区域的速度极限。现在,把猫替换成飞船,把地毯替换成宇宙空间,把拽地毯的动作替换成曲率驱动,把c设为光速,你就得到了曲率驱动的基本图景。

曲速引擎的原理是将空间拉伸,这与虫洞折叠空间正相反。有趣的是,近年来科学家发现,科幻片中的曲速引擎竟然并不违反物理法则。

1994年,物理学家米基尔·阿库别瑞提出可用波动方式拉伸空间,使飞船前方的空间收缩而后方的空间扩张,飞船在太空里“乘”着空间的“波浪”前进。这个“波浪”区间叫做“曲速泡”,里面是一块平坦时空。飞船在泡内并非真的在移动,而是被泡带着走,并不违反物理学中的“光速最快”限制。目前还不知道怎样引发这样的波动,或是一旦引发了,飞船该怎么离开它。因此,阿库别瑞发动机仍属于理论概念范畴。对此,美国国家航空航天局突破推进物理项目的前主管马克·米利斯指出,在宇宙大爆炸后早期的快速膨胀期间内,时空以远高于光速的速度向往膨胀,“如果大爆炸能做到,为什么我们的飞船做不到?”答案在于能量。宇宙大爆炸具有开天辟地的能量,如果人类也能掌握这种能量,拉伸空间就不是难事。

在《星际迷航》中,飞船首先使用曲速线圈产生“子空间场”,当其呈现不对称蠕动形式并达到一定场强之后,会成为“曲速场”。此时飞船就处在曲速泡中,从而完成超光速的星际旅行。至于其中的具体技术细节,只有天知道。

细细推敲起来,《三体》中的曲率驱动与在《星际迷航》里出现、又经阿库别瑞阐发的曲速驱动并不完全一样。大刘写道:“一艘处于太空中的飞船,如果能够用某种方式把它后面的一部分空间熨平,减小其曲率,那么飞船就会被前方曲率更大的空间拉过去,这就是曲率驱动。曲率驱动不可能像空间折叠那样瞬间到达目的地,但却有可能使飞船以无限接近光速的速度航行。”(《三体III》301页)可见,《三体》里只承认“无限接近光速”的扭曲空间飞行,没有涉及超光速的曲速飞行。

2008年7月,美国贝勒大学的两名物理学家宣布,人类可以借助巨大的能量控制更高的维度,并最终开发出速度可以超过光速的曲率驱动飞船。其中一位物理学家格罗德·克里夫认为,可以根据广义相对论和弦理论研制出这种曲率驱动飞船。宇宙大爆炸发生后的很短时间内,空间构造的运行速度比光速要快,航天工程师所要做的只是在飞船四周重建这个宇宙膨胀期而已。尽管这个提法在理论上没有破绽,但接下来的问题是如何扩充飞船后面的空间和缩小飞船前面的空间。克里夫和他的合作者理查德·奥伯斯认为,通过操控11维空间就可以构造出这种能否拉伸的空间。11维空间是M理论(弦理论的后继理论)中的一个特殊构想。如果飞船背后的11维空间能缩小,那么就可以构造出包含暗物质的气泡,这些暗物质能随着时间的推移而使宇宙加速运动。与此同时,在飞船前面扩充11维空间能够降低光的速度。这两个步骤需要独立进行,但是如何对11维进行扩充和缩小,目前还不得而知。

克里夫表示:“这些计算是基于一些相当超前和令人感到陌生的技术。使用这些技术并借助巨大的能量,我们就可以操控更高的维度。”科学家们目前需要测算所需能量的大小,在技术允许的情况下,改变维度需要1045焦耳能量。根据公式E= mc2,这些能量需要将整个木星的质量都化成纯能量才能获取,远远超出了当前人类能够掌控能量级别。

曲率驱动的极限

曲率驱动堪称“终极”航天推进方式。但完美之物并不存在,它也有发明者未曾预料的局限性,其中,航迹暴露便是大刘设想出的一个主要弊端。

防范三体人来袭的人类观察者发现,三体舰队显然能够在极短的时间内达到或脱离光速,但它们却不敢在三体星系或太阳系附近这么做。舰队起航后,用了整整一年时以常规速度航行,直到与三体星系相距六千个天文单位时才进人光速;在距太阳系同样距离处脱离光速降至常规推进速度.这段距离光速航行只需一个月,舰队却不惜再花一年的时间用常规推进航行。这样,第二舰队的航行时间比完全光速航行整整多出了两年。《三体III》147页

能想到的解释只有一个:这是为了避免四百一十五艘飞船进入光速时对两个世界产生影响。……一个显而易见的事实:曲率驱动飞船在进人光速的加速段会留下航迹。三体第二舰队用了一年时间进行常规航行,在距母星系远达六千个天文单位时才启动曲率引擎进人光速,是为了避免因曲率驱动航迹暴露母星文明。第二舰队在距太阳系六千个天文单位的远方就匆匆脱离光速也是这个原因。《三体III》335页

时空扭曲会使光线“弯曲”,透过曲率驱动航迹观察后方天体,会产生哈哈镜一样的扭曲效果。这种扭曲将暴露曲率驱动飞船的航迹。

更可怕的是,“在曲率驱动的航迹上,空间的结构也被改变了,如果把同样的第二艘曲率驱动飞船放在第一艘飞船的航迹范围里,它将寸步难行。”(《三体III》450页)这将使宇宙的空间结构变得支离破碎,大大限制了曲率驱动的大规模应用。

除了会在科幻小说的时空中留下雪泥鸿爪外,现实世界的科学家也发现这种曲率驱动技术存在着不易克服的内在矛盾。

2002年,有研究表明,对于进入曲率飞行状态的飞船而言,无法向“曲速泡“的前方发送信号,这就意味着宇航员将无法操控飞船。

这还不是最糟糕的。最新的研究显示,曲率驱动飞船很可能无法安全脱离超光速状态。2012年初,悉尼大学物理学院的几位教授对阿库别瑞曲率驱动发动机进行计算机模拟时发现,扭曲时空是有风险的。在超光速飞行时,与“曲速泡“所含能量相反的粒子将在泡前方堆积,有些粒子甚至会进入到曲速泡中,形成累积效应,曲速泡飞行的距离越长,前方堆积的粒子就会越多。

当飞船最终到达目的地开始减速时,一路上积累的大量能量会在瞬间全部释放,足以毁灭任何与其接触的物体。一直隐藏在曲速泡中的粒子也会对飞船本身造成威胁。比如,飞船在路过尘埃云时意外脱离了曲速泡,灾难性的碰撞就会发生;如果飞船在距离目标行星过近的地方减速,意外释放的能量会在瞬间把这颗行星从星图上抹去。

尽管如此,能够达到甚至超越光速的曲率驱动堪称航天推进皇冠上的宝石,足以诱惑一切有实力的技术文明去探索。何况,它还是主动逃脱“黑暗森林“打击的最有效方式。其实,星际飞船的速度越高,生存概率越高。《三体III》中有记载为证:亚光速的三体第一舰队最终“。建立了殖民地,就在距这里一百光年的范围内”还有,“金牛座附近爆发了一场大规模战役,很惨烈,残骸形成了一片新的尘埃云。我们可以肯定其中的一方就是三体第二舰队,不知道另一方是谁,战役的结果也不清楚。”

从这只言片语的描述可知,配备巴萨德冲压发动机的三体第一舰队尽管在尘埃云中损失惨重,但总算找到了生息之所;掌握曲率驱动技术的三体第二舰队虽然航迹暴露,至少也获得了面对敌人拼死一搏的机会。若如小说中的地球人一样,固步自封、压制技术发展,只能连逃生的机会都葬送掉。

至此,《三体》三部曲里陆续登场的关键航天技术已基本“考证“完毕。地球人与三体人从分子间作用(化学火箭)起步,进入原子核(核火箭)以及核子范畴(巴萨德冲压火箭),最终达到物理学的基本层面——对时空本性的利用(曲率驱动)。随着他们对物理原理的利用越来越高超,航天器的速度也越来越高,直至超越光速。从现实向科幻一路走来,涉及的科技原理愈发天马行空,有些在工程上或许永无实现的可能。但穷尽科技的种种可能性,探讨人在其中的命运,恰是以《三体》为代表的科幻作品魅力之所在。

【下期预告:不可或缺的太空辅助技术;遗珠无憾。】

关于本文

本文选自太空松鼠赵洋的新书《太空将来时》。本书已在当当网销售

QQ20130620-1

【封面设计by陈卫卫】

 

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