劉一手

太空是浩瀚而空洞的——各大行星、恒星相距甚遠(yuǎn)，星體間的空氣中空無(wú)一物，近乎真空。而且太空中引力較弱，物體都是呈漂浮狀。貌似只要輕輕一推，物體就能很容易地飛跑起來(lái)，再加上沒(méi)有空氣阻力，在太空中高速運(yùn)動(dòng)似乎并不難。但現(xiàn)實(shí)并不是如此，于是有人提出了疑問(wèn)：人類的飛行器為什么不能輕易地在太空中加速，實(shí)現(xiàn)光速飛行？本文將從幾個(gè)方面去解釋這個(gè)問(wèn)題。

傳統(tǒng)火箭推進(jìn)完全做不到！

我們所想象的“輕輕一推”就能將太空中的物體推飛其實(shí)是一個(gè)錯(cuò)誤的印象。根據(jù)牛頓第二定律F=ma，一個(gè)一定質(zhì)量的物體，要使其獲得很高的加速度，必須給這個(gè)物體很大的外力，在太空中這個(gè)定律也成立。這就說(shuō)明，雖然物體在太空上是懸浮的，但是要想使它快速地運(yùn)動(dòng)起來(lái)，也沒(méi)有那么容易，因?yàn)榫薮蟮耐屏σ膊皇请S隨便便就能獲得的。

目前唯一能幫助人類突破地球引力的束縛而進(jìn)入太空的工具是火箭。飛行器之所以能飛行，其原理是尾部火箭燃燒噴出氣體，從而使自身獲得反沖力。要想獲得持續(xù)的加速度，必須要有足夠的火箭燃料。但靠增加燃料載荷來(lái)提升最終速度的話，燃料質(zhì)量的增速遠(yuǎn)大于最終飛行器速度的增速。因?yàn)榛鸺欠旨?jí)推進(jìn)的，很多燃料被用于火箭自身的加速了。舉個(gè)例子，假設(shè)飛行器后面安裝了100根火箭。最后一根火箭用于前面所有火箭（此時(shí)是99根）和飛行器本身的加速。最后一根火箭脫落后，倒數(shù)第二根火箭面臨同樣的問(wèn)題，以此類推。所以，火箭本身的質(zhì)量是非常沉重的負(fù)擔(dān)。

所以，增大火箭質(zhì)量的效果不佳。舉個(gè)例子便可說(shuō)明這一點(diǎn)——假設(shè)飛行器的質(zhì)量為m飛，燃料的質(zhì)量（即所有火箭的總質(zhì)量）為m燃，以尾氣噴出速度2600米/秒的典型化學(xué)火箭為例：當(dāng)m燃/m飛=1時(shí)，即燃料和飛行器的質(zhì)量一樣重，最終能將飛行器加速到1802米/秒;但當(dāng)m燃/m飛=100，即燃料的質(zhì)量為飛行器的100倍，飛行器最終能被加速到12000米/秒?？梢?jiàn)，即使火箭的質(zhì)量增大了100倍，往往只能帶來(lái)幾倍的速度提升，這個(gè)性價(jià)比是非常低的。

有專家通過(guò)計(jì)算表明：假設(shè)飛行器的速度僅1克，要將這1克的飛行器加速到光速的0.2倍，所需要的化學(xué)燃料的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前所能觀測(cè)到的宇宙的質(zhì)量。而且，即使人類可以造出特別巨大的火箭，建造可供火箭發(fā)射的基礎(chǔ)設(shè)施的工程量也相當(dāng)大。

“代達(dá)羅斯”計(jì)劃

傳統(tǒng)燃料不可行，那么使用核燃料呢？核反應(yīng)分為核裂變和核聚變。一些像鈾、釷和钚等質(zhì)量非常大的原子，它們的原子核在吸收一個(gè)中子以后分裂成兩個(gè)或幾個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出2～3個(gè)中子和巨大能量，這就是核裂變。核聚變則是輕原子核（例如氘和氚）結(jié)合成較重原子核（例如氦）且放出巨大能量的過(guò)程。

核反應(yīng)的威力可比傳統(tǒng)化學(xué)燃料燃燒大多了，可以為飛行器提供巨大的反沖力。那么，使用哪一種核反應(yīng)方式好呢？從材料來(lái)源上看，鈾、釷和钚在自然界的含量很少，而氘和氚的含量很多，達(dá)到10萬(wàn)億噸。從環(huán)保上看，核裂變會(huì)產(chǎn)生很多核廢料，造成很大的環(huán)境污染。而通過(guò)很好的控制，可以使得核聚變做到基本無(wú)輻射。

于是，2 0世紀(jì)70年代中期，英國(guó)科學(xué)家提出了“代達(dá)羅斯”計(jì)劃——以核聚變火箭為推進(jìn)方式，將飛行器加速到近光速，幾十年就可以探測(cè)到鄰近恒星。該計(jì)劃預(yù)備建造一艘長(zhǎng)達(dá)190米的宇宙飛船，飛船的總質(zhì)量為5. 4萬(wàn)噸，其中火箭的重量是5萬(wàn)噸，有效負(fù)載質(zhì)量為450噸。該火箭為二級(jí)火箭，故加速過(guò)程被分為了兩個(gè)階段。第一階段將持續(xù)2. 2年，由第一級(jí)火箭負(fù)責(zé)加速，使航天器達(dá)到光速的7.1%。第二階段將持續(xù)1.8年，由第二級(jí)火箭負(fù)責(zé)加速，最終使航天器達(dá)到光速的12%。然后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行4 6年的巡航?？偣?0年后，飛行器就可以到達(dá)離我們最近的恒星之一——距離地球約6光年的巴納德星。

且不說(shuō)5萬(wàn)噸的核燃料如何取得，5萬(wàn)噸的核動(dòng)力火箭本身制造難度就相當(dāng)大了。人類目前制造的最重的火箭是“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭，也不過(guò)才2900噸?，F(xiàn)在談“代達(dá)羅斯”計(jì)劃，無(wú)異于“ 紙上談兵”，還不具備可行性。

當(dāng)然，人類可不會(huì)停止想象，更新穎的光帆和引力彈弓的加速方式被提了出來(lái)。

光帆和引力彈弓

風(fēng)帆承受風(fēng)吹，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)帆船前進(jìn)。所以對(duì)于風(fēng)帆來(lái)說(shuō)，風(fēng)是帆的動(dòng)力。顧名思義，光帆則是一種以光為動(dòng)力的帆。為什么光能當(dāng)作動(dòng)力呢？光由光子構(gòu)成，光子雖然沒(méi)有靜態(tài)質(zhì)量，但是光子有動(dòng)量，它們以光速快速飛行。當(dāng)光子撞擊到光滑的平面上時(shí)，可以像從墻上反彈回來(lái)的乒乓球一樣改變運(yùn)動(dòng)方向，并給撞擊物體以相應(yīng)的作用力。

專家表示，使用光帆技術(shù)，將1克的物體加速到光速的20%，也需要相當(dāng)于400多噸TNT炸藥的能量。這也就意味著，二戰(zhàn)時(shí)美軍向日本長(zhǎng)崎投下的“胖子”原子彈，其能量最多也就只能將50克的物體加速到光速的20%?？梢?jiàn)，耗能是光帆技術(shù)的問(wèn)題之一。光帆技術(shù)還面臨另一個(gè)問(wèn)題——人類是利用在地球上發(fā)射的激光給光帆提供光子，所以光帆的面積必須足夠的大，才能有效地接收到光子。此外，光帆的質(zhì)量也要盡可能的小，這意味著光帆要做得很薄。有人經(jīng)過(guò)計(jì)算，認(rèn)為光帆的厚度最好低至幾十納米才能極大地節(jié)省能源。如何保證光帆在如此薄的情況下不被燒毀，也是一個(gè)問(wèn)題。

除了利用光帆，還有人建議利用引力彈弓給飛行器加速。引力彈弓利用了天體（行星、恒星或者黑洞）的引力。飛行器飛向迎面而來(lái)的天體并進(jìn)入天體的特定軌道，就能實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)，朝與初始速度差不多相反的方向以更大的速度飛出。這個(gè)方式的相關(guān)理論還在驗(yàn)證，飛向一個(gè)遙遠(yuǎn)的大天體是一項(xiàng)耗能巨大的項(xiàng)目，然而更大的難度還在于飛行器難以進(jìn)入天體的特定軌道。

物體真的能夠以光速飛行嗎？

目前，最強(qiáng)大的粒子加速器，也只能將帶電粒子加速到光速的99%。這是什么情況呢？這是相對(duì)論所限制的。在經(jīng)典物理學(xué)中，物體的質(zhì)量是不變的，但在相對(duì)論中，物體的質(zhì)量是隨著速度的改變而改變的。假設(shè)一個(gè)物體靜止時(shí)的質(zhì)量為m0，運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量為m，當(dāng)速度為v時(shí)，m=m0/（1-v2/c2）1/2。根據(jù)這個(gè)公式，如果v接近于光速，則1-v2/c2接近于0，m就會(huì)變得無(wú)限大。一個(gè)質(zhì)量無(wú)限大的粒子，加速器是無(wú)法將其加速的。

即使飛行器能被加速到光速，根據(jù)上文，我們也很容易知道，窮極整個(gè)宇宙的能量，也不一定能達(dá)到加速到光速所需要的最低能量。而且，以光速運(yùn)動(dòng)的物體，即使一個(gè)原子，都能對(duì)其產(chǎn)生非常大的撞擊，這個(gè)物體早晚會(huì)撞碎成小的不能再被其他粒子撞擊的納米微粒了。

目前，能夠以光速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)只有電磁波，光波就是電磁波的一種。電磁波由不能頻率運(yùn)動(dòng)的光子組成，而光子的靜止質(zhì)量為0。換句話說(shuō)，目前只有沒(méi)有質(zhì)量的物體能夠達(dá)到光速，有質(zhì)量的物體是無(wú)法加速到光速的。