经典好看的宇宙和生命在线阅读-第840部分-破晓小说

　　虽然它有一定的危险性，特别是其废料（主要是钚239，它的半

　　衰期为　24　000年）。②尽管发生灾难事件的风险始终伴随着核

　　裂变，它却是一种非常适用的有潜力的能源。由于核裂变永远无

　　法满足在恒星之间实际旅行所需的巨大能量，因此在关于空间飞

　　行能源需求的探讨中，核裂变只能在其起步阶段——行星之间旅

　　行时起重要作用。

　　让我们回到气泡的比拟上来。核裂变可以帮助生活在气泡中

　　的微小生物抵达气泡里面的任何地方，但是，如果它们想要越过

　　海洋抵达另一个气泡，核裂变的价值就很有限了。如果它们漂浮

　　在什么地方（比方说斐济附近），却要抵达美国，那么核裂变就

　　彻底地无济于事了。

　　即使在我们太阳系以内旅行，采用核裂变也决不是一蹴而就

　　的事。发动飞船所需的燃料量非常之大，使飞船几乎没有可载人

　　或装货的地方。此外，一旦发生事故，就像前苏联的切尔诺贝利

　　核电站（1986年8月6日出事爆炸，后果严重）事件那样，核能的

　　潜在致命射线更增加了空间旅行的危险。不妨想象一下，运气不

　　佳的航天飞机“挑战者号”把核原料运到轨道上，作为一架正在

　　建造的飞往火星的大飞船的能源。尽管可以研究出比较安全地运

　　输到轨道的技术，但多数人肯定会对这种计划感到不舒服。

　　一种更加强大的核能形式来自所谓的核聚变过程。早在1989

　　年，两位科学家，弗莱施曼（Martin　Fleischamnn）和庞斯

　　（Stanley　Pons）宣布他们发明了一种称作“冷聚变”的技术。

　　它只需一对电极和一些装在罐里的普通化学试剂就行了。消息传

　　来，人们为之兴奋不已。不幸的是，他们的实验证明是不可重复

　　的，人们的注意力再度回到研究核聚变的常规努力上来。

　　聚变机制是太阳或任何恒星的动力源。在实验室里，聚变过

　　程把像氘和氚（它们是氢的重同位素）这种小的原子核聚合在一

　　起，产生巨额的能量。③

　　在几乎长达50年的时间里，科学家一直致力于研究核聚变—

　　—至今只取得了很有限的成功。核聚变有许多工作要做。它是一

　　种相对说来比较洁净的能源，因为它不使用像铀238这样危险的

　　放射性元素。铀238在现代快中子增殖反应堆里转变成钚239，它

　　具有产生远比核裂变的能量大得多的潜力。这些是该系统的优点，

　　不利之处是如何控制和效率的问题。

　　要产生核聚变，温度必须达到1000万摄氏度左右（相当于太

　　阳核心的温度），这样才能迫使带正电荷的原子核克服它们之间

　　的静电排斥力。这种聚变物质以过热等离子体的形式存在。它无

　　法保存在任何形式的物理容器里。此外，迄今引起聚变所需要的

　　能量比由此获得的能量还要远远大得多，这就意味着目前它的效

　　率是负的。

　　尽管有这一条公认的严重缺点，核物理学家还是希望能在不

　　远的将来解决这个问题。核聚变被视作最有希望解决日渐严峻的

　　地球资源危机的方法。可惜，即便是这一能源对于从地球出发的

　　恒星际旅行者来说用途也很有限。即使要达到光速的某个很小的

　　百分比，所需的聚变材料数量也大得惊人，根本无法实现。

　　据计算，要使一艘飞船加速到光速的5％所需的燃料几乎是

　　其质量的8倍。这还只是加速一次。如果飞船要停靠在目的地，

　　它将需要使用更多的燃料——整个质量再增大4倍。如果我们假

　　设往外飞行使用了一半燃料（质量为飞船生活舱和货舱质量的4

　　倍），另外还需要4倍于飞船质量的燃料。那么一次起飞和停泊

　　就需要＇8×；4×；飞船主体质量（不包括燃料）＇——或者说生活

　　舱加货舱质量32倍的燃料。

　　图15　使用核裂变和核聚变的飞船尺度大小比较。

　　绕过这个问题的一种可能的方法是采用聚变冲压式喷气发动

　　机。虽然我们把太空视为完全真空的，但实际上它含有氢原子，

　　它们稀疏地分布在恒星和行星之间。因此从理论上说，可以建造

　　一艘宇宙飞船，其一端附有很大的扇斗，收集氢原子作为燃料。

　　乍一看这个设计似乎根本不切实际。因为氢的分布非常稀薄

　　——太空中的物质太少，不能产生足够的动力。但是，假如飞船

　　运动得非常快，它就会像人在小雨中奔跑那样，淋得湿透，因为

　　他们一面奔跑一边迎着雨滴。或者说，像大海鲸一样一边游泳一

　　边吞食浮游生物。这样的交通工具看上去很笨拙，却能够为自己

　　提供动力，并以对行星际旅行来说相当可观的速度飞行。

　　因此，核聚变被视为我们有朝一日在太阳系的行星之间定期

　　旅行时最有可能采取的方法——假如控制和能源效率的

　　图16　聚变冲压式喷气发动机。

　　问题能够解决的话。它是一种适合在行星之间旅行时（要求

　　速度在每小时几十万千米）使用的燃料，使我们能够在几星期内

　　到达火星。但是，正如我们前面所述，行星之间的距离（在气泡

　　里旅行）与恒星之间的距离（在大海中旅行）是不可同日而语的。

　　利用聚变动力达到的速度，比方说，250　000千米／小时，我们

　　可以在2年左右的时间里到达我们太阳系的外缘。而要到离我们

　　最近的恒星则需要1000代人的时间才能完成单程旅行。即使这一

　　相对说来很平常的速度要维持这么长的时间，单是燃料需求就使

　　它绝无可能了。

　　除了比较常规的关于使用原子能的想法——核裂变和核聚变

　　都算在内，在近几十年里还有过几次试图发明不同寻常的系统，

　　以利用核技术（归根结底，核技术是我们掌握的最先进的能源）

　　来产生高速度的尝试。其中之一是想利用核爆炸的能量来推动飞

　　船向前进。

　　有人设计一种从理论上考虑的称做“奥利安”（Orion）的

　　飞船，它利用一组热核弹头，分别以每3秒钟一次的频率从飞船

　　的后面推动。爆炸将产生一种热离子，它冲击所谓的“推进板”，

　　推动飞船向前进。虽然这种方案还是在我们太阳系的范围内进行

　　核爆炸（假设确有办法使这种装置非常安全的话），估计这一系

　　统的效果最多可望达到光速的3％（2500万千米／小时）。要获

　　得这一速度，几乎需要300000枚一吨级的炸弹，这就使它几乎完

　　全不切实际了。

　　这些尝试中比较有希望的，可能是利用所谓反物质的奇特材

　　料。

　　宇宙中所有的物质都是由原子组成的。这些原子又由被称作

　　亚原子粒子的物质——中子和质子构成，它们全都存在于原子核

　　中，而电子则包围着原子核。这在20世纪初就已广为人知。这应

　　归功于诸如卢瑟福（Ernest　Rutherfold）、查德威克（James　

　　Chadwich）、普朗克（Max　Plank）和其他先驱者的研究。20世

　　纪另外一位有影响的富有创新精神的物理学家狄拉克（Paul　

　　Dirac），在1929年预言所有已知的亚原子粒子都有特性相反的

　　对应物。④它们被称为反粒子。

　　电子带负电荷，反电子（或正电子）具有相同的质量但是带

　　正电荷。一个反质子是带负电的。像质子一样，它存在于可被设

　　想为反原子的原子核里。但是对未来星际发动机工程师和设计师

　　来说，最重要的是当物质和反物质互相接触时，它们立即互相湮

　　灭同时产生能量。

　　在狄拉克时代，反物质只不过是一个理论概念，是他把量子

　　力学、电磁学和相对论的数学公式组合在一起时突然冒出来的。

　　因为它与物质一接触立即就湮灭了，所以在我们的宇宙中没有发

　　现自然状态的反物质；也一直无法通过实验来捕获它，直到最近

　　才有突破。今天，我们可以在粒子加速器里制造小批量的反物质

　　了。

　　要制造一个反质子，要把“正常的”质子送人粒子加速器环

　　里旋转。在加速器里，它们在强磁场中被加速，直到速度达到光

　　速的50％。然后，让它们与金属原子核相碰撞。这一过程产生粒

　　子和反粒子对（以及X射线和各种其他形式的能量）。然后，在

　　反质子和质子互相作用并彼此湮灭之前，将反质子与质子分离开

　　来。

　　然而，如此难于驾驭的稀有物质，怎么样才能用作推进剂呢？

　　显然，要利用这种资源，我们必须要能控制粒子和反粒子的互相

　　湮灭，并且利用这一过程产生的能量作为飞船的能源。实际上，

　　这样一个系统的简单装备早已在设计之中。其想法是将微量反物

　　质射人一个注满氢的中空的钨砖块里。粒子立即湮灭，释放的能

　　量使钨块加热。然后冷氢被挤压至该装置的中心，在那里被迅速

　　地加热到3000K，从发动机喷射出去，推动飞船前进。

　　图　17　反物质驱动装置。

　　反物质驱动的最大优点是只需很少的燃料即可产生有效的加

　　速度。最大的欠缺在于生产足够使用的反物质所遇到的困难。目

　　前在全球的粒子加速器里用以产生反物质的能量只有十万分之六

　　以获得粒子而告终。所以，它的制造效率低得可怜，它目前的市

　　场价值约为每一克　10　000　000　000　000　000美元（每克1亿亿美

　　元）。

　　要利用反粒子，我们还会遇到防护容器的问题。就像核聚变

　　产生的超热等离子体一样，必须发明特殊的磁防护容器系统防止

　　反物质在使用之前就与物质发生相互反应。

　　这些困难都不足以阻止高级的文明——我们未来的文明，或

　　银河系内外的其他高级文明使用反物质。我们只要回顾一下我们

　　自己的技术发展就会明白没有什么技术问题是不可逾越的。第一

　　次世界大战后不久，卢瑟福发现某些原子的核可以通过轰击而分

　　解。在稍多于四分之一个世纪的时间里，这项研究成果导致广岛

　　和长崎的原子弹爆炸。再想一想牛顿时代，自然哲学家们要想象

　　控制“土星Ⅴ号”火箭的威力，或者设计一架喷气式发动机有多

　　困难就行了。

　　就目前的技术水平而言，反物质实在太昂贵，无法生产。但

　　是，这些技术问题在未来二三十年里肯定可以解决。如果我们视

　　野开阔些——相对于文明延续的时间以及高级文明在其他星球上

　　可能经历的年代而言，二三十年的时间实在算不了什么。回顾人

　　类千年来的历史，从第一颗原子弹到掌握反物质发动机之间只不

　　过是弹指一瞬间。对其他文明来说，情况可能也一样。

　　选择反物质推进系统为行星际旅行提供了希望。然而，即使

　　我们充分认识到这种技术的潜能，我们仍然不能绕过宇宙的自然

　　法则，仍将受到光速的限制，停留在亚光速上。这就意味着星际

　　旅行者要么接受以接近光速的速度旅行（对访问许多星球和在那

　　儿实行殖民的目的来说这一速度还是很慢的），要么以更慢的速

　　度，因而花费更长的时间到达太阳系以外的地方。

　　我们不妨想象一下，到一个距离地球100光年、我们认为可

　　能有生命存在的恒星系统去旅行，旅行速度为　0．95c（这就是

　　说，光速的95％）。单程旅行需要105年才能完成。幸亏根据狭

　　义相对论的奇特效应，旅行只是对于那些在地球上的人来说是

　　105年。因为种种原因，我们旅行的速度越快相对时间就流逝得

　　越慢，对飞船上的人来说，这105年将只是31年多一点而已。

　　不用说，时间还是太长，行不通。即使我们能够研制出一个

　　有效的生命暂停系统，让飞船上的人睡眠，明显地减缓他们的新

　　陈代谢，鉴于许多感情的、实际的、道德的和商业的原因，来回

　　62年的航程（再加上在目的地停留的时间）也是不会受欢迎的。

　　就像研制反物质驱动装置带来的问题一样，休眠和生命暂停等技

　　术方面的困难最终必将被克服，但具体运用却障碍重重。

　　派去做这种长途旅行的人返回地球时可能发现整个政治结构

　　已经彻底改变。出资赞助旅行和研制支撑技术的组织和机构已不

　　复存在。飞船上归来的人几乎可以肯定他们的亲人早已故世（因

　　为地球上已经过了　2×；105年——两个多世纪，而他们只过了62

　　年），他们曾经熟悉的一切几乎全都变得难以辨认。即使只有30

　　年（上述旅行的一半时间），发生的变化也会超出人们最初的想

　　象。试想英国1966年最后赢得世界杯冠军时和现在之间的差别吧。

　　当时，甲壳虫乐队身穿画着地图的衣衫和超短裙，流行蓄长发，

　　这些在现在，其实算不了什么；毕竟，我们大多数人至少是能够

　　认同这些的。流行有重复自己的习性。比较重要的是社会态度的

　　变化，机构的性质，以及政府的作用和性质的变化。然而，比这

　　些影响更大的是两个时代之间技术上的差异。1966年离开地球的

　　旅行者返回地球�

《宇宙和生命》

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