迄今為止，地球仍是我們所知宇宙間唯一有智能生物存在的星球。但是，自地球上出現(xiàn)人類以來，世界人口已經(jīng)超過60億。人類人口的迅速增長，促使人類向地球索取更大的資源。但是，地球的資源并不是取之不盡，用之不竭的。為了保護地球的生態(tài)環(huán)境，幾代科學家都在設想開發(fā)其他星球，并去那里旅行甚至向那里移民。

但是，這些設想可行嗎?這樣的設想在將來的某一天會成為現(xiàn)實嗎?物理法則怎樣才能準許我們橫跨恒星之間巨大的距離呢?

在這篇文章中，一位科學家將描述一些新奇的有關推進器的概念，利用它們可以在恒星之間用相對較短的時間進行星際旅行。現(xiàn)在，就讓我們簡單地考慮一下為什么我們可能到其他恒星旅行?

物理學上的問題

最近的幾年中，天文學家在我們的銀河系中發(fā)現(xiàn)了200余顆圍繞恒星運行的行星。在那些地方是不是有智能生物存在呢?然而，要證明圍繞其他恒星旋轉(zhuǎn)的．行星上是否有生命存在談何容易，更不用說了解它們的生物學和演化史的詳細內(nèi)容，除非我們能夠拜訪那些行星，直接觀察它們。的確，人類的整個行星探索歷史告訴我們，我們需要宇宙飛船來研究行星，這對于其他行星體系也同樣適用。

但是，我們能利用可預知的技術飛向遙遠的恒星嗎?或許能?，F(xiàn)在我們來闡述利用核聚變能量和物質(zhì)與反物質(zhì)相互湮滅時發(fā)生的質(zhì)能轉(zhuǎn)換來推動的火箭推進器到達恒星的可行性。

星際飛船

到目前為止，世界上已經(jīng)有四艘人造宇宙飛船在駛向恒星的途中，它們是：“先鋒1”號、“先鋒2”號、“旅行者1”號和“旅行者2”號。然而，除了太陽外，距我們最近的恒星半人馬座a星，距我們4.2光年，以這些飛行器現(xiàn)在的速度(大約每秒10千米)，它們到達該恒星至少得花120000年時間。

如果我們想要在幾十年的時間里到達離我們最近的恒星，就要以至少10％或20％的光速行進，這需要一種比“先鋒”號和“旅行者”號的化學燃料推進器力量大得多的推進系統(tǒng)。

核燃料火箭

目前，最新星際飛船的設計研究就采用了核燃料。20世紀70年代晚期英國星際學會進行“代達羅斯”計劃就是利用這種技術來設計一艘自動飛船，能夠?qū)o人駕駛的450噸的科學載荷加速到光速的12％。若以這種速度行進的話，到達半人馬座a星只需花36年時間。

在該項設計中，推進器是以氫的兩種同位素之間的聚變反應為基礎的。將含有氘和氚的球丸灌入火箭發(fā)動機，并將它們加熱、壓縮到出現(xiàn)聚變反應所需的高溫和密度。這時產(chǎn)生的離子氣體云由磁場導向，用來產(chǎn)生推力。這一設計分為兩級，每一級將燃燒2年，之后450噸的載重將以12％的光速自由飛行。

然而，為了獲得上述速度。需要50000噸的氫同位素。要全部裝上這些燃料，我們的飛行器至少得200米長才行。

“代達羅斯”計劃想象中的飛行器將在太空中建造。如此做法有兩個原因：第一，該飛行器過于龐大，在地球的引力范圍內(nèi)難以發(fā)射；第二，氮3是一種稀有的同位素，它必須從木星富含氦3的大氣層中獲得。

另一個與核能火箭相關的主要問題是：它們能否在其目的地停下來。如果利用50000噸的燃料將速度增加到12％的光速，那么就需要同樣大的能量才能使它停下來。這就是說，要使450噸的科學載荷完成這樣的任務，必須得有100000噸的有效載荷才能達到。似乎，這是一條完全不切合實際的道路。

因此，“代達羅斯”計劃將只會是一次不能減速的在目標恒星系統(tǒng)邊緣飛行的計劃，而且就這樣的相遇也只有幾個小時。為了擴大在這一時間內(nèi)所要收集的信息數(shù)量，“代達羅斯”計劃將配置許多附屬探測器，盡可能多地接近各個行星。然而，盡管這種相遇能進行饒有趣味的觀測，但還是不能對星球進行詳細、全面的觀測。要進行這樣一種觀測，就必須在其他恒星的行星上著陸，這就需要比核聚變更強大的能源。

反物質(zhì)火箭

核聚變能將少量的聚變核的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量。然而，原則上，需要一個能將質(zhì)量100％地轉(zhuǎn)化為能的物理過程，這就是通常所說的物質(zhì)與反物質(zhì)的相互湮滅原理。所有亞原子粒子都有其對應的粒子，當它們相撞時，就會轉(zhuǎn)化成能量?，F(xiàn)在，大多數(shù)反物質(zhì)火箭發(fā)動機的設計假設，少量反物質(zhì)將會與更多的正常物質(zhì)混合，它能通過火箭噴嘴釋放和膨脹的能量產(chǎn)生推進力。

需用多少燃料

現(xiàn)在，我們來考慮一下這個過程需要多少反物質(zhì)。我們把飛船所需的動能與反物質(zhì)湮滅時釋放出來的能量等同起來，假設飛船的速度與光速不是很近，根據(jù)相對論，理論上我們就能估計出推動每1000千克的重量所需反物質(zhì)的質(zhì)量應該是2.5千克。然而事實并不這么簡單，還要考慮到飛船完成任務必須攜帶的各項工具，反物質(zhì)發(fā)動機的工作效率及發(fā)動機本身的質(zhì)量。

我們必須承認這個事實，截至目前還沒有人知道反物質(zhì)發(fā)動機到底會有多大!因此，要想獲得10％的光速，所需的反物質(zhì)有可能是理論值的幾倍甚至幾十倍。

獲得燃料

然而，反物質(zhì)燃料的獲得有兩大問題。首先反物質(zhì)很難儲存，盡管從理論上講，磁場中可能包含有它，但如何避免它在火箭發(fā)動機中需要之前與普通物質(zhì)接觸是個棘手的問題。其次，任何反物質(zhì)在自然界中一旦出現(xiàn)就會馬上和物質(zhì)對滅。因此如果我們要利用反物質(zhì)，首先就要制造它。

一般說來，反物質(zhì)可以在核物理實驗室中產(chǎn)生出來，但這只是少量。反物質(zhì)的生產(chǎn)效率極低——生產(chǎn)所需的能量要比我們從反物質(zhì)的最終湮滅中獲得的能量大1000萬倍。這就需要我們建立一個專用的反物質(zhì)工廠。

然而。假定我們需要制造10千克的反物質(zhì)，那么所要消耗掉的能量是多少呢?9×10²J。這一巨大的能量相當于目前全世界發(fā)電總?cè)萘康?00倍。因而，唯一一種可能產(chǎn)生這么大能量的能源就是太陽，所以我們必須正視未來在太空中建立反物質(zhì)工廠的可能性。但即使是這樣也有很大難度，因為這需要在地球與太陽之間建造500平方千米的太陽能板才能產(chǎn)生足夠的能量。

展望未來

盡管生產(chǎn)反物質(zhì)既耗資巨大又技術難度大，但是，反物質(zhì)作為一種火箭燃料的長處，就在于它的能源密度，而且只需要相對低的燃料重量。這是一個特別需要考慮的問題，要知道，“代達羅斯”計劃就是因為燃料重量過于龐大而無法實現(xiàn)著陸的。然而，從理論上講，有了反物質(zhì)就有了把幾噸重的科學儀器加速到10％的光速，從而行進到目標恒星系統(tǒng)并將這些儀器釋放下來的可能性。其需要的總?cè)剂现亓坎坏?000噸，其中2噸是反物質(zhì)。

很顯然，從科學探索的觀點來考慮，這樣的做法是很有利的。現(xiàn)在，把反物質(zhì)作為燃料的巨大技術難點催生的許多替代推進器已經(jīng)有了長足的發(fā)展，讓我們期待其中的一些推進器在不久的將來得以應用。