空间科学-怎样飞向半人马座？

　　不僅如此，為了用10年時間到達半人馬座??星，必須維持0．5倍以上的光速，然而隨著接近光速，等在前面的一個難關便出現了，這就是“愛因斯坦狹義相對論”指出的速度越快質量越大的規律。當速度達到光速的0．75倍左右時，質量將變成1．5倍。由於質量增大推進力即使加大也無法加速，所以穿梭機必須造得盡可能輕些。

　　在恒星際宇宙飛行的情況下，需要的能量與今天的一般飛行相比簡直是天壤之比。如果要讓載人宇宙飛船以三分之一的光速飛行，就需要相當於讓全世界發電廠工作幾年的能量。如果採用原子反應堆，單位質量燃料的推進力將增大1000萬倍。理論上說，可以期待的辦法是用鐳射束照射核燃料在燃燒室內發生核聚變反應。但是為此就得建造相當複雜的反應堆，技術上是十分困難的。基於上述理由，根本不能考慮使用化學燃料火箭去實現恒星際宇宙飛行。

　　對反物質的期待與現實

　　傑拉德·史密斯認為，反物質能夠帶來解決問題的辦法。反質子和正電子一類反物質，就存在於物理學家的身邊。在各種各樣的粒子中，存在著一類除電性相反而具有共同性質的反粒子，各種成對的粒子與反粒子一旦相遇，在釋放出??射線和??中間子及極大能量的同時將同歸於盡。傑拉德·史密斯注意到成對的粒子與反粒子消失時釋放的極大能量，理論上說，粒子與反粒子消失時產生的能量是核裂變和核聚變的100倍。要把一般質量為1000千克的宇宙飛船加速到0．1倍光速，g計算只需9千克的反物質燃料就夠了。不過情況並不這么樂觀。

　　問題之一是，怎樣才能把反物質富集起來。傑拉德·史密斯在其中從事研究的位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心，在那裏的巨型加速器中，10分鐘裏產生10億個反質子。然而反質子以0．1倍光速（不可思議的高速）飛迸，要捕捉住它們談何容易。史密斯在反質子的前方設置全金屬箔和氣體，以降低反質子的速度，力圖將反質子封閉在一個用磁場構成的容器內。如果他成功了，10分鐘裏就能富集到100萬個左右的反質子。遺憾的是，100萬個反質子作為火箭燃料實在是杯水車薪微不足道，而且這項工作得不斷反復進行，即便如此仍存在兩個難題。

　　首先，反物質是帶電性的粒子，彼此會產生排斥力，反物質的密度越高，用來約束反物質的磁場強度就越大，這就需要能讓磁場強度之大超乎想像的超導材料，於是傑拉德·史密斯想到，讓反質子與質子結合“製造”反氫原子，由於反氫原子不帶電荷，就不需要形成超強磁場的超導材料了。

　　1996年1月，德國、義大利、瑞士等國科學家組成的國際研究小組宣佈，他們利用歐洲核子研究中心的加速器，成功地製造出反氫原子。他們讓反質子以高速運動，與氙氣碰撞產生電子和正電子，在正電子與反質子速度相當的情況下，就能組成反氫原子。在他們的實驗中，反氫原子約存在了40納秒（1納秒為十億分之一秒）。

　　其次是數量的問題。即使建造高效率、規模巨大的反物質生產廠，要生產1克反物質就需要長得異乎尋常的時間。前面提到的國際研究小組在歐洲核子研究中心製造反氫原子，在三個星期的實驗中只製造出9個，即使有了傑拉德·史密斯提出的10年內或許能問世的設施，每年也只能生產出1微克反物質，要把9千克反物質火箭燃料弄到手，必須得90億年。

　　90億年後，人類打算前往的目的地恒星還存在與否都不好說了。看來只利用反物質讓火箭飛行的念頭得放棄了。傑拉德·史密斯又提出，能否把反物質利用於核裂變和核聚變反應呢？如果利用反物質就能實現裝置的小型化，讓火箭便於搭載。利用反物質連續幾天引發每秒鐘一次相當150噸TNT當量的小-，三年時間就可以把載人宇宙飛船送上冥王星。

　　用太陽帆不可能實現太陽系外飛行

　　傑拉德·史密斯的設想說到底，都是依靠使用燃料的火箭實現恒星際宇宙飛行。對他的設想提出質疑的人們中有一個人便是波普·佛沃德。波普·佛沃德受美國航空航太局的委託，進行利用反物質可行性的研究。反物質火箭必須使搭載的反物質發生反應，將超高溫能量向火箭後方噴出。波普·佛沃德的結論是，對反物質火箭來說，火箭的質量和發動機的耐熱性是根本問題所在。

　　1960年，佛沃德第一次提出了撐開巨大的鋁箔製成的帆，利用太陽風推進飛行──“乘坐”從太陽不斷噴發出的帶電粒子流，也就是“坐蹭車”的“太陽帆”的構想。但是利用太陽帆在恒星際間飛行存在重大的缺陷。離開太陽系後，帶電粒子流便變得稀薄，宇宙飛船在“無風”的狀態下會停駛，利用太陽帆前往其他恒星顯然是不可能的。

　　對鐳射束寄以厚望

　　稍後，佛沃德了解到利用紅寶石產生的鐳射比太陽光更明亮，於是他又產生了一個新念頭：用鐳射束鼓起宇宙飛船的光帆由此獲得推進力。由於鐳射束幾乎不會發散，鐳射束可以從太陽系中射出，所以能夠實行必要的操縱和管理，設備的更新也有了可能。更重要的是，宇宙飛船再沒有搭載燃料的必要了，宇宙飛船便能造得更輕。在加速到亞光速的情況下，宇宙飛船的質量不大是一個非常大的優勢。

　　為了把宇宙飛船送至半人馬座??星，得用鐳射束加速約一年，使宇宙飛船的速度達到光速的三分之一左右，此後切斷鐳射束，宇宙飛船轉入慣性飛行。在接近半人馬座??星時，光帆的外圈逐次斷開，形成同心圓狀的三部分，把光帆的最外側移至宇宙飛船的前部，同時再次發射強大的鐳射束，於是宇宙飛船後部的光帆便被罩在強光之中，宇宙飛船便獲得了制動力。當然，來自宇宙飛船身後的鐳射束仍照射在光帆上構成推進力。但是宇宙飛船外側的光帆面積是內側兩個光帆面積的9倍，制動力比推進力起到更大的作用。對半人馬座??星的探測結束準備踏上歸途，處在中間的環狀光帆被取下，此時光帆仍在反射鐳射束，並使宇宙飛船獲得與來路相反的推進力得以飛返地球。

　　巨大光帆的設想現實嗎？

　　美中不足的是，雖然具有無須搭載燃料的優點，但是宇宙飛船依靠鐳射束獲得的推進力實在小得無濟於事，於是優點便被這缺陷抵消了。要利用鐳射束來實現恒星際飛行，就必須有更強有力的鐳射束，光帆也必須大得超出想像。

　　佛沃德認為，在水星軌道上利用太陽能設置約1000臺鐳射發射裝置，如果把這些鐳射束用巨型裝置合為一股，那么不開發巨型鐳射發射裝置也行。不過要獲得必要的推進力，理想的鐳射發射裝置要比現在利用太陽能的鐳射發射裝置強大1000億倍！而且還得在土星附近設置巨大的透鏡，以糾正鐳射束的發散。光帆的直徑必須達到1000千米之巨，真是一個想入非非的計劃。但是佛沃德說，若不從大處著眼就會一事無成。

　　對於佛沃德的雄心壯志，美國明尼蘇達大學的數學家埃得·貝爾布魯諾說了這么一番話：“即使讓質量為1000千克的無人探測器飛行，就需要直徑1000千米的光帆和巨大的透鏡，這不過是異想天開。”

　　粒子束對單程飛行有效？

　　貝爾布魯諾強調，利用鐳射束的設想存在難以解決的難題，他更關心粒子束。重粒子，比如質子，它沒有光的速度卻有質量，對於推進力而言，有質量的質子比沒有質量的光子更有效。

　　提出“粒子束設想”的是霍普·薩普林和達納·安得留，他們說，宇宙飛船的光帆採用超導體製成的巨環更有效。超導體環可形成麵包圈狀的磁場，粒子束射向磁場就會產生推進力。可用在小行星上設置的核聚變反應堆，超高溫加熱而等離子體化的氣體，向一定方向噴射獲得粒子束。

　　粒子束的缺點是很容易擴散──由於粒子之間彼此碰撞使粒子束擴散，距離增大效率就會降低，但是仍比鐳射束更具推進力。根據安得留的計算，他的“粒子束設想”只需使用佛沃德構想所需能量的六分之一，就能把載人宇宙飛船加速到三分之一的光速。不過，他也遇到了難題──宇宙飛船的乘員必須耐受高達1000g的加速度。

　　在“粒子束設想”中還有一個重大的不足，前往恒星這樣遙遠的地方，根本不可能傳遞能量，也就是說有去無回。安得留自信地說，雖說是“自殺”，估計還是會有志願者的，畢竟有了新發現，可以用他的名字命名。不過，安得留被懷疑有“封閉恐懼症”的傾向，他本人恐怕是不會去當志願者的。

　　餘下的難題和形形色色的構思

　　貝爾布魯諾堅持認為，目前用粒子束發送無人探測器是可能的。貝爾布魯諾現在正在構想針尖大小的探測器，要是探測器只有1克質量，以亞光速飛行，質量就是增加也不是什么大不了的事。但是針尖這么小的東西要是丟失不見了怎么辦呢？能在那上面搭載通訊裝置什么的嗎？難題不少。

　　此外，也有人提出了利用連接黑洞和白洞的“蟲洞”，以及使用反重力讓時間發生彎曲高速移動等方案。近來形形色色五花八門的方案更是層出不窮。就人類目前的科技水準而言，恒星際宇宙飛行本質上是不可能的，這也說明，我們還沒有掌握能實現這一夢想的具體知識和技術，人類還得像以往那樣探索相當長的時間。