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星际旅行并非梦想 多种方法可实现

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发表于 2014-12-17 15:37:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

星际旅行是人类永恒的梦想。然而,即使距地球最近的恒星——半人马座比邻星,距离地球也有4,2光年——这超过了地球和太阳之间距离的20万倍,或者相当于人类乘坐太空船往返月球5000万次的距离。假如乘坐人类迄今为止最快的星际探测器——美国的“旅行者1”号探测器——以每秒17千米的速度离开太阳系,人类将在7.4万年后才能到达比邻星。



星际旅行并非梦想 多种方法可实现45 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:18962,51721



如此看来,星际旅行对于人类来说无疑是痴人说梦。人类如何才能在有生之年光顾那些距离以光年计的遥远星球?

美国堪萨斯州立大学的数学家路易斯·克兰提出了他的星际飞船设计方案——用“人造黑洞”作为星际飞船的动力120世纪70年代,英国理论物理学家斯蒂芬·霍金就论证出了黑洞并非全黑,当其中的物质转化为亚原子粒子团时,黑洞便会“蒸发”,从而出现霍金辐射。霍金辐射包含所有种类的亚原子粒子,但最主要的是伽马射线光子。克兰相信,霍金辐射将可以成为星际飞船遨游银河系的主要动力源。


根据克兰的方案,创造“人造黑洞”需要将庞大的能量聚集到很小的范围内。他建议用一个宽达250千米的太阳能板为一个巨大的伽马射线激光器充电,这个庞大的太阳能板运行在距太阳数百万千米远的轨道上,它需要花1年时间来吸收能量,最终在激光的焦点位置会形成一个黑洞。由此产生的“人造黑洞”将重达数百万吨,但体积却只有一个原子核大小。科学家接下来要做的事,就是设法将这个“人造黑洞”置入星际飞船后部一个抛物面镜的焦距内。霍金辐射产生的伽马射线光子经镜面反射而成的平行光束,将会成为推动飞船前行的不竭动力。

根据科学家的理论,小型黑洞散发出的霍金辐射要远远超过恒星质量的大型黑洞。克兰根据黑洞公式推算出,一个重约100万吨的黑洞将会成为星际飞船完美的能源:它既小到可以产生足够的霍金辐射来推动太空船,同时它的质量也足以确保其不会在100年内消耗殆尽。100万吨的“人造黑洞”将是一艘黑洞飞船所需动力的最佳平衡点。

根据克兰的推算,100万吨的“人造黑洞”可以使星际飞船的航行速度在几十年时间内接近光速。如果你还嫌这个速度太慢,那么使用更小的“人造黑洞”可以产生更多的霍金辐射。对于星际旅行者来说,如果你乘坐“人造黑洞”飞船以接近光速的速度飞行,那么时间将会变慢,你的衰老速度也将远远小于你在地球上的家人和朋友。克兰说:“乘坐这种星际飞船,你完全有可能在有生之年抵达距离地球250万光年远的仙女座星系。”


不过,即使用于星际旅行的交通工具问题解决了,人类进行星际旅行仍将面临许多其他的切身问题,譬如“星际飞行宇航员”能否在孤独漫长的太空旅行中健康活上数十年时间?宇航员又如何克服食物、空气、水、重力缺乏、太空辐射、太空垃圾,甚至心理孤独等一系列严重问题?


据研究了20余年生命支持科学的美国航空航天局研究专家唐纳德·汉宁格称,地球包含了数十亿立方千米的大气层、数亿立方千米的水、数十亿公顷的农田以及60亿人类,所有这些形成了可供人类生存的完整循环系统,而星际飞船上必须建有自己的循环系统,让食物、水和氧气都能百分之百地循环利用。汉宁格和他的同事一直在进行食物方面的实验,而氧气循环更加不成问题,一种新的高科技设备已经能将二氧化碳从周围空气中分离出来,并对其进行化学处理,从而分解出氧气。星际飞船上水的再生循环也将不成问题,太空中的失重问题则可以通过重力模拟器来解决。


星际旅行并非梦想 多种方法可实现34 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:18962,51721




伊卡洛斯星际航行工程是一个雄心勃勃的科研项目,正致力于星际飞行的研究,目标便是研制出能够到达太阳系附近恒星的航天器。

航天器的推进技术是星际航行任务的关键问题。对于伊卡洛斯工程中的飞船,人们很早就决定使用核聚变发动机。如果伊卡洛斯工程中的飞船,其体积和质量与代达罗斯工程中的飞船相类似的话,那么这种发动机能够使飞船的最高速度达到光速的1/10。


除了解决伊卡洛斯飞船主推进发动机的问题外,伊卡洛斯工程还有许多科学任务,包括星际航行过程中的探测活动和对目标恒星系统的详细研究。为了实现这些目标,需要一系列先进的二级推进系统,这些推进器有可能从现有的或将来的推进技术中衍生出来。

例如,当伊卡洛斯飞船到达目的地后,它应该能够释放探测器来探测目标恒星系统。这些探测器应该可以进入各自探测目标的轨道,这个过程需要使用不同的推进系统。其中一些探测器可能会使用太阳帆,使得探测器能缓慢地飞行,过程中可能会拍一些照片或者测定恒星系统中行星和卫星的大气成分。另一些探测器则需要飞得更快,可能会使用核动力火箭,用于以着陆探测为目标的飞行中。


太阳帆飞行器的成功发射和展开,已经显示了一种不用任何发动机就可使航天器在太空中徘徊的关键方法。这项科学技术对伊卡洛斯工程具有非常重要的意义,如果没有这项技术,飞船就得为它的探测器携带大量燃料。

最近几年,在离子发动机和电磁推进器方面取得的进步,似乎为新型推进技术的发展指出了一条新的、令人兴奋的途径。这类新技术有些可能直接用在伊卡洛斯星际飞船上,有的将可能用于辅助系统。


代达罗斯飞船的重量约5万吨,大部分都是它携带的燃料——氦同位素氦3。伊卡洛斯飞船还没有最终确定它的燃料类型,但几乎可以肯定的是,也将需要携带大量的燃料。

即使燃料能够在地球上提炼,但仍然需要把它送到轨道上。因此需要一种成本低廉且可靠的近地轨道飞船,它应该具有能够频繁进行太空飞行的能力。像英国科学家正在研发的一种全新的可循环使用的单级轨道飞行器——“云霄塔”号太空飞机,就是一个理想的解决方案。

化学燃料动力火箭能够提供克服地球引力所需要的强大推进力。近50年来,科学家对化学燃料火箭的重大投入,使得这种火箭在未来几十年中,仍然是使航天器脱离地球进入太空的最佳选择。


未来,我们有希望找到许多可以在星际航行中发挥重要作用的可行方案。在新型飞行系统上使用磁力帆就是一个很好的方案。这个方案与太阳帆类似,只是将太阳辐射产生的推动力,换成了太阳风中的磁性粒子产生的推动力。一个巨大的金属网将用于捕获磁性粒子,并用来推动飞船飞行。

光束推进器则是另一个有趣的概念。根据这个方案,在轨道上运行的太阳能收集器或核反应器将用于供给制造强光束或带电粒子所需的能量,而强光束或带电粒子流将直接推动飞船飞行。


将这两种方案结合起来,有可能制造出一种先进的太空拖船,负责将装备有磁力帆的飞船运送到轨道。也许在伊卡洛斯工程中,光束推进器就可以用来推进它的行星探测器进行太空飞行。另外,伊卡洛斯飞船可以在到达目标恒星系统时使用一张非常大的磁力网,借助当地的太阳风或磁场来辅助减速。

伊卡洛斯工程的科学家团队正在努力将各种系统和概念进行最佳的组合,来创建一个利用现代技术和未来技术进行星际旅行的实例。


星际旅行并非梦想 多种方法可实现54 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:18962,51721




实现星际旅行梦想的理念
在这篇文章中,我简要描述一下近几年关于星际旅行的一些基于现有科学观念:



    1.虫洞传送
    2.阿尔库比埃尔的“曲速引擎”
    3.负质量推进
    4.米利斯的“太空驱动器”假说
    5.虫洞传送【最可靠的星际旅行方法】
    正当你觉得迷惑不解的时候,物理学家就想出了虫洞,其理论依据如下:


    尽管狭义相对论认为,在时空内任何物体的速度都小于光速,但是据我们所知,时空本身可以被扭曲。虽然这种扭曲需要耗费巨大的物质或能量,但在理论上是可行的。我们来做一个类比:一支铅笔在纸上的移动速度是有限的,但是如果能够移动或改变纸张,则会有不同的结果。就虫洞理论而言,使空间扭曲(将约张折叠)使原本分离的两点连接起来,这样就会产生捷径。这个新理论还未被接纳,而且尚未证实其可行性。当然,虫洞理论会促使人们再次探讨有关时间旅行悖论的旧问题。




    怎样完成虫洞传送?下面是方法之一:
    首先,收集一大堆高密度物质,例如中子星物质。需要收集多少?只要足够形成一个环就可以,这个环的周长与围绕太阳运行的地球轨道等长。然后,再组成另一个环到虫洞的另的端。接着,利用极高压充电,使它们以接近光速旋转。


    就这样吗?如果你能全部做到这些,我相信你可以想到更为巧妙的旅行方法。不要指望虫洞工程来得那么快,还有其他的办法,比如说“利用负能量创造并保持虫洞敞开”的想法。



    阿尔库比埃尔的“曲速引擎”可以进行星际旅行吗


    以下是阿尔库-比埃尔“曲速引擎”的前提条件。尽管狭义相对论认为,在时空内任何物体的速度都小于光速,但时空本身的运行速度是个未知数。让我们做一个类比:假设你在航空港的一条移动的人行道上,阿尔库-比埃尔“曲速引擎”就如同这一条移动的人行道,尽管我们的步行速度是有限的(类似于光速限制),但是如果你在移动速度比自己步行速度更快的陆地上会怎样(类似于时空模块移动)?至于阿尔库-比埃尔的“曲速引擎”的时空及压缩飞船前面(类似于人行道在此处回到地底)的时空以使时空模块移动。其实,扩充时空的思路已不再新颖。例如,根据暴张宇宙的观点,人们认为,在大爆炸初期时空扩充的速度比光速更快。因此,如果大爆炸时时空扩充的速度比光速快,为什么不用于“曲速引擎”?只是这些理论太新鲜,既没有人接受,也没有人证实其可行性。
    还要面临其他棘手的问题吗?


    是的。首先,为了创造这种效应,飞船周围必须要有一颗负能量,需要的量也很大。但是,对于负能量是否存在,物理学界仍在争论中。经典物理学倾向于否定负能量的存在,而量子物理学则倾向认为两可或肯定。其次,你需要一个控制这种效应的方法,当扭曲效应相对飞船独立的时候,这将变得尤为棘手。第三,所有的这些推断都建立在“扭曲”的移动速度大于光速的基础上,而这一点目前尚未证实。第四,如果前面这几个问题都还不够棘手的话,我们又会面临这样的问题:这些设想都会引起和虫洞理论一样的难题——时间旅行悖论。


    负质量推进进行星际旅行


    研究显示,可以通过正负质量来创造持续推进效应,这在理论上是可行的,这种方案不违反动量或能量守恒定律。关系到该设想成立的一个重要假设是,负质量具有负惯性。正物质和负物质相互作用的结果是二者在同一方向上持续加速。这种概念至少可以追溯到1957年邦迪关于负质量特性的分析,20世纪80年代,温特·伯格和弗沃德在推进的环境中又一次进行了探讨。
    关于负质量物理学、负质量是否真实存在或者负质量在理论上是否能站住脚,都是一个未知数。但是,已经有人提出了在寻找虫洞的天文证据中搜寻负质量的方法。



    米利斯“太空驱动”来进行星际旅行

    “太空驱动”可以定义为一种理想化的推进形式,利用质量和时空的基本特性在太空的任何位置创造推进力,无须携带或排出反应物质。这样一来就绕过了对推进剂的需求,这对空间旅行来说意味着一场革命。米利斯模拟并分析了各种太空驱动假设以发现并解决其中具体的问题,使这些方案能够合理可行。

    下面,我对这些方案进行简要介绍。要注意的是,这些概念都是纯粹的假设构想,旨在阐明我们目前所面临的问题。我们必须找到一种方法:由某种运载工具创造并控制作用于自身的非对称外力且无须排出反作用质量,并且在此过程中该方法必须满足守恒定律。只有这样,这些太空驱动的设想才能变成现实。

    差动帆假说:类似于一个理想的辐射器传感片,从反射面到吸收面存在辐射压力净差。在这一构想中,需要假设太空有某种形式的各向同性介质背景(如真空飘移或宇宙背景辐射)持续不断地冲击帆的各个面。


    二极管帆假说:类似于二极管或单向镜,空间辐射穿过一个方向,从另一个方向反射回来,产生辐射压力净差。
    感应帆假说:类似于液体中的压力梯度,帆后侧的太空冲击辐射密度高,而前侧的冲击辐射密度低,因而在帆周围形成辐射压力净差。
    径向驱动假说:此概念考虑通过并置穿越飞行器径向对置的场源创造太空背景无向性的现场梯度(如重力势)的可能性,完全类似于负质量推进。径向驱动也可被看做类似于在空间介质中创造压力源,就如同感应帆所设想的那样。

    间距驱动假说:此概念考虑标量势中的某种局部倾斜感应穿越飞行器,并对飞行器产生作用力的可能性。相对于前述的径向驱动,这种倾斜被认为在没有一对点源的情况下也可以形成。目前尚不知道是否能够制造这样的效果以及如何制造这样的效果。


    偏置驱动假说:此概念利用运载工具改变空间本身特性的可能性,例如改变引力常数以产生局部推动力梯度。修改引力常数得到局部非对称性偏向力,类似于间距驱动假说中产生的局部梯度。
    分离驱动假说:此概念考虑一个场源及其反应场源之间分离的可能性。通过空间移位,反应剂被转移到场源斜坡点,因此对场源和反应剂产生反应力。尽管相关资料明确表明,场源、反应剂和惯性质量属性不可分离,但未来任何与之相反的证据都将会对推动力应用带来革命性的意义。
以上的星际旅行的方法你最希望那种被实现?

发表于 2014-12-17 15:44:01 | 显示全部楼层
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发表于 2014-12-17 15:44:41 | 显示全部楼层
星际旅行并非梦想 多种方法可实现20 / 作者:女王大人 / 帖子ID:18962,51723为什么总是二楼,一楼给你吃了吗
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