2008年3月19日 星期三

人類該如何前往遙遠的類地行星

美國加利福尼亞大學的科學家日前稱,在距離地球4.37光年外的“半人馬座”,很可能存在著一顆適宜生命的類地行星。由於人類的壽命有限,如果他們想要前往這顆行星上生活,那麼他們通過什麼方式才能夠順利抵達這顆類地行星呢?

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科幻小說作家、美國宇航局物理學家傑弗裏-蘭迪斯稱,這顆新發現的類地行星距離地球約4.37光年,這一距離是地球到太陽距離的27.6萬倍,因此這一星際航行將異常艱難,依靠傳統火箭是絕對不行的,因為它們的最大速度只有約每小時28300公里。假如用傳統火箭攜帶太空飛船上天,那麼將需要約16.5萬年的時間才能抵達半人馬座阿爾法星。蘭迪斯說,傳統火箭的問題在於無法攜帶足夠的燃料。



利用反物質提供動力

或許反物質發動機可以被用來提供動力,其動力來自於反物質與物質相互湮滅時釋放出的巨大能量。然而,這種反物質發動機的問題在於如何在航行中產生足夠多的反物質並將其儲存下來。蘭迪斯說:“目前,所有製造反物質的方法都需要大型粒子加速器,並且產生的反物質還為數不多。此外,如果要儲存一克反物質的話,則需要一噸磁鐵。儲存大量反物質的想法聽上去非常輕鬆,但是實施起來卻不那麼輕鬆了。這個設想目前還未被推翻,一點反物質就可以幫我們一個大忙。”

英國著名物理學家施蒂芬-霍金此前曾表示,人類未來必將會離開太陽系尋找別的可生存行星,反物質能源將是星際旅行中飛船的主要動力。霍金說:“如果我們使用阿波羅任務中的化學燃料,飛抵最近的恒星需要5萬年。這一時間太長了,因此科幻小說中常常有時空穿越的描述。不過,這一想法違背科學定律,因為不可能有物體的運動速度超過光速。不過,我們仍可以在科學定律的限制下找到辦法,即利用物質/反物質對衝產生的能量,使飛船達到亞光速。這樣我們僅需六年就能夠飛抵最近的恒星,這一時間對於星際旅行者來說還可以接受。”

儘管從原理上來說,科學家可以冷凍反氫,從而回避磁鐵需求問題。但蘭迪斯表示,一旦有些微反氫漏出並碰到四壁,就可能產生大量熱量,結果加熱冷凍的反氫,導致災難性後果。然而,科學家們可能可以在星際太空船中利用反物質,引發核反應。反物質推進被看作是恒星際航行中極有前途的方式。根據著名的愛因斯坦相對論能量定律,物質和能量不僅是聯繫著的,而且品質和能量是不可分割的,品質可以全部轉化為動能。由此利用物質——反物質湮沒反應能把品質全部轉變成動能,因此最大限度地發揮了物質的潛能。

通過電磁場吸收純氫

物理學家羅伯特-布沙德提出的一個設想就使用電磁場,通過吸收氫來為核動力火箭提供燃料。科學家們把核燃料做成很多細小的顆粒--“微型氫彈”,然後通過鐳射或者粒子束加熱到極高溫度並引起微型氫彈爆炸,產生的衝擊波和粒子流將形成反作用推力。逐個點燃“微型氫彈”可獲得脈動式的持續推力。不幸的是,布沙德的這種噴氣引擎可能無法工作。蘭迪斯說:“星際媒介並不如布沙德想像的那麼密集。到目前為止,所有嘗試設計某種噴氣引擎的想法產生的都是後拖力而不是後推力。況且,我們並不真正了解如何利用星際中的純氫作為聚變燃料。實驗室中的聚變燃料使用的是氘-氚或帶氦3的氘,而對於聚變反應中的純氫,我們不得要領。這個主意雖然不錯,卻不現實。”

借助鐳射實現星際航行

光航行可能是另一種方法--依靠光束提供的輕微推力進行輕便的反射航行。美國西雅圖高級太空系統技術顧問約丁-卡爾解釋說:“這個方法的特點是不攜帶推進所需的能量,而是使用傳輸來的能量。”

光航行並不只是利用來自太陽的大量光能,它還利用了鐳射束提供額外推進力,尤其是在飛船航行到距離太陽較遠處時。借助鐳射進行星際航行的問題在於,需要在很長時間中使用大量的光,以在人的壽命期間迅速抵達人馬座阿爾法星,這意味著需要在整個航行過程中一直使用大量高能鐳射。然而,由於鐳射束在遠距離外會分散開來,因此科學家們想到了使用粒子束為航行提供能量。蘭迪斯解釋說:“這種粒子束必須帶中性電荷,這樣才不會隨時空而分散。這可能是一個可行的設想。”

與傳統的化學推進方式相比,鐳射推進最突出的優點是不需攜帶燃料。航太器在大氣層中飛行時,只需對空氣加熱,穿越大氣層後,只需少量工作物質即可工作,這樣就可以把運載工具的有效載荷提高到15%以上,發射費用降低到每千克數百美元左右。自20世紀60年代初期出現鐳射器以來,由於鐳射推進巨大的潛在優勢,美國、俄羅斯、德國等發達國家聯合攻關,在鐳射推進領域進行了不懈的努力。後來隨著小衛星技術和強鐳射技術的進一步發展,鐳射推進研究又掀起了熱潮。目前美、俄等國已經提出並製造出了鐳射光船,並把鐳射推進作為發展運載工具優先考慮的目標。據預測,如果新一代大功率鐳射器的研製能夠取得突破,到2015年前後,利用鐳射推進系統可將數百千克的小衛星送入軌道。

乘坐“爆炸”穿越太空

另一個星際航行的設想是乘坐爆炸穿過太空。這種“脈衝推進”要求在帶有防護板的飛船後扔下許多炸彈,爆炸會衝擊防護板,推動飛船前進。基於鐳射航行和脈衝推進,卡爾提出了一個綜合設想--“帆束”,他表示:“一束鐳射可以像子彈一樣推動飛船中許多的微型帆,這些微型帆一起又可以推動整個飛船。這樣就可以使飛船速度提高到光速的十分之一,那麼抵達半人馬座阿爾法星就只需60到70年了。”

雖然要找到一顆適合生命存在的類地行星並非易事(此前發現的絕大多數太陽系外行星均是與木星類似的高溫巨型行星),但美國天文學家們卻堅信,在半人馬座A和半人馬座B附近找到類地行星的幾率是非常高的。最近10年以來,天文學家們已經在太陽系外發現了200多顆行星,不過,它們中的大部分都屬於木星這樣的巨型氣態行星,根本不具備孕育生命的條件。其中有6顆結構類似于我們的地球。在這6顆類地行星中,有2顆非常寒冷,剩下的其他4顆由於距離其恒星太近而幾乎沒有存在生命的可能性。

新華網

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