天文科普:為什麽說星際旅行非常困難?
來源:新浪科技
發布時間:2022-01-12
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  費米悖論指出了一個(ge) 顯而易見的矛盾——宇宙是如此之大,而允許生命在地球上演化的物理定律在宇宙中任何地方都是一樣的,因此宇宙中一定充滿了生命;然而,到目前為(wei) 止,我們(men) 還沒有發現任何太陽係外生命存在的證據。

  考慮到人類現有的技術水平,我們(men) 能夠探測到外星智慧生命的唯一方法是等待這些生命來到太陽係,或者發現他們(men) 來過太陽係的證據。到目前為(wei) 止,還沒有任何令人信服的證據表明外星人造訪過地球。那麽(me) ,外星人都在哪裏呢?

  對費米悖論的解釋有很多,其中不乏可取之處。例如,一個(ge) 非常有說服力的解釋是:星際旅行真的很難。絕大多數描述超光速旅行的科幻小說很可能是錯誤的。在這些幻想故事中,超光速飛船是跨越多個(ge) 世界的必要情節設定,但現實情況卻截然不同。

  目前還沒有一種可行的,甚至隻存在於(yu) 理論上的超光速飛行方法。蟲洞幾乎肯定是行不通的。超空間或多維空間也不行,曲速引擎、跳躍飛船等更是遙不可及。愛因斯坦的理論還沒有被否定,目前我們(men) 所知的物理學定律似乎完全不允許超光速旅行。當然,宇宙中可能存在一些我們(men) 所不知道的東(dong) 西,能夠讓我們(men) 進行超光速旅行。但這似乎不太可能。而且,即使這在理論上是可能的,也極有可能需要令人難以置信的先進技術,也需要用到大到令人無法想象的巨量能源。

  因此,費米悖論的一個(ge) 簡單解釋是,超光速旅行是不可能的,再多的科學或技術進步也改變不了這一點。因此,即使是先進的外星文明也必須滿足於(yu) 亞(ya) 光速旅行。這意味著什麽(me) 呢?首先,這意味著即使是到達最近的恒星係統也要花費數年的時間。距離地球最近的是半人馬座三合星係統,大約4光年遠。如果我們(men) 的平均速度是0.5倍光速,那將需要8年的時間。即使是最先進的星際飛船,這樣的速度可能已經是最理想的狀態了。

  那麽(me) ,什麽(me) 樣的飛船在理論上可以進行星際旅行?我們(men) 現在隻能推測。很明顯,這樣一艘飛船不應該自己攜帶燃料來完成星際間的長途飛行。火箭方程不允許這樣的情況——你必須攜帶足夠的燃料來推動燃料,而這又要求更多的燃料,以此類推。對於(yu) 長距離星際飛行,火箭方程會(hui) 受到極其苛刻的燃料限製。唯一可行的燃料來源似乎是反物質,因為(wei) 反物質湮滅能釋放出大量的能量,如果能有效利用這些能量,就能提供推進動力。即使我們(men) 能做到這些,前往距離相對較近的恒星係統也需要幾年到幾十年的時間。

  星際旅行更可能使用外部的能源。在一些研究者看來,某種類型的光帆將是人類星際旅行的最佳選擇。另一個(ge) 選擇是所謂的巴薩德衝(chong) 壓發動機(Bussard Ramjet)。這是物理學家羅伯特·巴薩德在1960年代構想的一種航天器推進設計,利用巨大的電磁場吸收星際物質中的氫,使其壓縮到足以發生核聚變的程度;物質轉變所產(chan) 生的巨大能量將透過磁場導引至發動機的排氣方向,利用反作用力的原理推動飛行器加速前進,進而達到星際飛行的目的。然而,最近的一項研究重新計算了這種發動機需要多少資金才能發揮作用,結果非常悲觀。據估計,這樣的飛船需要一個(ge) 直徑1.5億(yi) 公裏、深度1個(ge) 天文單位的磁場,而飛船本身承受的壓力也將非常巨大,這將使飛船的最終速度限製在光速的20%左右。

  因此,即使是一個(ge) 極為(wei) 先進的文明,也可能隻會(hui) 製造出一艘達到光速20%到50%的星際飛船。另一方麵,這需要大量的資源,使星際旅行變得沒那麽(me) 有吸引力。

  此外,如果你想在星際空間中運輸活體(ti) 生物的話,挑戰的難度將提高好幾個(ge) 數量級。最大的問題是宇宙射線,其中的高能粒子會(hui) 不斷地傾(qing) 瀉在星際乘客身上。這對於(yu) 長期的星際旅行而言尤其危險。目前,我們(men) 還沒有抵禦宇宙射線的技術,因為(wei) 這些射線的能量太大了。有效的防護盾可能會(hui) 非常厚,因此也會(hui) 很重,使得星際飛船在加速時需要耗費更多的資源。當然,你也可以用一個(ge) 強大的磁場作為(wei) 防護,但這需要更多的能量,而這些能量必須以某種方式產(chan) 生——我們(men) 又回到了火箭方程。

  當然,我們(men) 也並非不可能找到一些優(you) 雅的方案,來解決(jue) 所有這些問題。但現實地評估星際旅行具有多麽(me) 高的挑戰性,會(hui) 讓我們(men) 遠離科學幻想(科幻作品在很大程度上忽視或神奇地解決(jue) 了所有這些問題),讓事情變得更加清晰。當我們(men) 完全理解這其中的巨大挑戰後,就會(hui) 得出結論:即使是先進的外星文明也不可能在星係中遨遊,或者根本就不會(hui) 這麽(me) 做,這一點是可以說得通的。

  因此,一些科學家提出,先進的外星文明可能不會(hui) 費心將有機物質送上星際之旅。相反,他們(men) 將發射能夠承受宇宙射線或巨大加速度的機器人探測器,能夠在沒有食物和水的情況下存在數千年。簡而言之,派遣機器人進行星際旅行要比派遣生物(顯然這裏說的是人類)簡單好幾個(ge) 數量級。這其中涉及的物理學問題仍然極具挑戰性,但有關(guan) 如何確保人類生存的問題都會(hui) 迎刃而解。那麽(me) ,我們(men) 為(wei) 什麽(me) 還沒有發現外星探測器呢?如果一個(ge) 先進的文明存活了足夠長的時間,擁有這樣的技術,他們(men) 應該有數百萬(wan) 年甚至數十億(yi) 年的時間,用機器人對宇宙的其他部分進行探測。這些機器人為(wei) 什麽(me) 沒來?

  可能的答案有很多。一種解釋是,外星探測器已經造訪過地球,也許造訪了很多次,但現在沒有。也許它們(men) 進行過飛掠地球的任務。另一種可能是,它們(men) 就在地球上,但未被我們(men) 發現。它們(men) 可能被加了設定,不會(hui) 讓任何潛在的智慧生物發現它們(men) 的存在。很明顯,如果外星探測器存在的話,它們(men) 的技術優(you) 勢肯定高於(yu) 我們(men) ,因此可以很容易做到不被我們(men) 發現。也有可能外星人不會(hui) 費心向太陽係發送探測器,至少最近沒有。我們(men) 不能假設任何外星智慧物種會(hui) 有和我們(men) 一樣的行為(wei) 和意圖。他們(men) 可能對探索其他恒星係統沒有興(xing) 趣。或者,他們(men) 會(hui) 把不幹涉原則放在首位。當然,也有可能在銀河係中還沒有出現這樣的文明,我們(men) 可能會(hui) 是銀河係第一個(ge) 星際文明。

  無論如何,當我們(men) 對星際旅行的困難和成本進行適當評估時,費米悖論就不再是一個(ge) 悖論了。即使對最先進的外星文明來說,星際旅行很可能也很難實現。這或許會(hui) 讓科幻迷們(men) 失望,但在短時間內(nei) ,我們(men) 確實很難衝(chong) 出太陽係,更不用說銀河係了。


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