问题

人类最终能否造出可供星际航行的宇宙飞船?

回答
这是一个让人心潮澎湃的问题,也触及了人类最深沉的渴望之一——探索未知,迈向星辰大海。要回答“人类最终能否造出可供星际航行的宇宙飞船?”,我们需要深入剖析其间的挑战与可能性。

首先,要明确“星际航行”的含义。我们通常指的是能够离开太阳系,抵达其他恒星系,甚至在其中进行有意义的探索或殖民。这与我们目前进行的行星际旅行(例如前往月球、火星)有着本质的区别。星际间的距离是天文数字,以我们目前最快的速度,抵达最近的恒星系也需要数万年。

摆在眼前的巨大鸿沟:速度与距离

最大的拦路虎无疑是速度。

现有技术的局限: 我们最快的航天器,如旅行者号,其速度大约是光速的万分之几(约17公里/秒)。这对于在太阳系内穿梭绰绰有余,但对于跨越光年的距离,这简直是寸步难行。想象一下,即使你能以每小时1000公里的速度前进,到达距离你100公里的地方也需要6分钟,而星际距离是以“光年”来衡量的。
能量的获取与储存: 要达到足够快的速度,意味着需要巨大的能量。核聚变,作为潜在的强大能源,但其控制和利用技术尚不成熟,更不用说将其小型化并稳定地应用在飞船上。化学燃料更是远远不够。
相对论效应: 当速度接近光速时,相对论效应会变得非常显著。飞船会变得越来越重,时间也会在飞船上流逝得比地面慢。这既是潜在的“福利”(船员可以相对年轻地到达目的地),也带来了巨大的技术难题,例如如何维持飞船内部环境的稳定,以及如何与外部进行通信。

克服挑战的可能途径:脑洞与现实

尽管困难重重,人类从未停止思考和探索。以下是一些可能的发展方向:

1. 推进技术的突破:
核聚变推进: 如果我们能安全、高效地掌握核聚变技术,将是一种革命性的进步。聚变引擎可以产生持续的巨大推力,并可能将飞船加速到光速的百分之几,大大缩短星际旅行的时间。设想一下,一个能稳定燃烧氢氦的引擎,将提供比化学火箭更澎湃的动力。
反物质推进: 反物质湮灭时会释放出几乎100%的质量转化为能量,是已知能量密度最高的推进方式。理论上,使用反物质推进可以达到非常接近光速的速度。然而,反物质的生产、储存和控制是极其困难且成本高昂的。我们目前生产的反物质数量微乎其微,且储存技术也处于早期阶段,稍有不慎就会引发灾难。
太阳帆/激光帆: 利用太阳光或强大的地面激光束产生的压力来推动飞船。这种方式不需要携带大量燃料,但加速度较低,更适合长时间加速。如果能有足够强大的激光阵列,或许可以加速飞船到相当高的速度。设想一下,一张覆盖着巨大光伏材料的帆,在宇宙中乘风破浪。
曲速引擎/虫洞(理论级): 这是科幻作品中最激动人心的概念。曲速引擎(如“阿尔库贝利引擎”)设想通过扭曲时空来移动飞船,理论上可以实现超光速旅行,而飞船本身并不超过光速。虫洞则是连接宇宙遥远区域的“捷径”。这些目前都停留在理论物理学的范畴,我们对其可行性、能量需求以及是否真的存在一无所知。但谁又能说得准,未来我们能否发现并利用这些“宇宙的规律”呢?

2. 能源的持续供应:
先进核能: 除了聚变,裂变技术也在不断发展。如果能开发出更安全、更高效、更紧凑的核反应堆,或许也能为飞船提供足够的电力。
零点能(更具科幻色彩): 这是从量子真空能中提取能量的概念,如果能够实现,将是取之不尽用之不竭的能源。但其理论基础尚不牢固,实现难度极大。

3. 飞船设计的创新:
模块化与自主性: 考虑到漫长的旅程,飞船可能需要模块化设计,方便维修和升级。同时,它需要高度的自主性,能够应对突发情况,进行自我诊断和修复,甚至在长时间通信中断的情况下做出决策。
生命支持与生态系统: 模拟一个在封闭环境中能够循环再生、提供食物和氧气的完整生态系统,是长期星际航行的关键。这不仅仅是简单的种植,而是要维持一个平衡的生物圈。
辐射防护: 星际空间充满着高能宇宙射线,对人体和电子设备都有极大的危害。需要开发出更先进的屏蔽材料和技术。
休眠技术: 对于超长途旅行,船员的生理和心理健康是重要考量。冷冻休眠或人工冬眠技术,可以让船员在旅途中“暂停”生命,减少资源消耗,也避免漫长旅途的枯燥和精神压力。

4. 人类自身的适应与进化(更长远):
基因工程与生物改造: 也许未来我们能够通过基因工程,让人类更适应太空环境,例如增强对辐射的抵抗力,或者优化在失重环境下的生理机能。
人工智能与机器人: 机器人将在很大程度上承担危险或重复性的工作,甚至可能作为先驱者,在人类到来之前勘测和建立基地。

总结:何时能造出?

这是一个充满未知数的预测。如果说我们是否“能够”造出来,答案是理论上存在可能性。人类的智慧和创造力是无限的,历史也证明了我们能够克服看似不可能的障碍。

至于何时,这取决于几个关键因素:

基础科学的突破: 尤其是物理学和能源科学。如果我们在理解和利用宇宙基本规律方面取得重大进展,那么星际飞船的实现就可能加速。
技术研发的投入: 需要巨大的、持续的全球性投入,不仅仅是资金,还有人才和资源。
社会和政治意愿: 推动如此庞大的项目,需要人类社会形成共同的愿景和决心。

乐观的估计,也许在几百年甚至上千年后,当我们掌握了如核聚变驱动、高级材料学、生命维持技术以及对宇宙有更深刻理解时,我们才能真正迈出造出可供星际航行的宇宙飞船的那一步。而如果出现革命性的、我们目前无法想象的物理学发现,这个时间表可能会大大缩短。

我们正站在文明的黎明,星际的召唤从未如此清晰。也许我们的子孙后代,或是更远未来的生命,将站在星港,仰望那艘承载着人类梦想、穿越星海的宏伟飞船。它将是我们智慧、勇气和不懈探索精神的终极证明。

网友意见

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这哪用得着“最终”这个词。按人类文明现在每年百分之二点五到百分之三的总能耗发展趋势,三百年内造出有限航程的宇航工具的可能性就是有的。黑洞引擎晚不过两千五百年。三万年内拿出高级推进手段是有可能的,只要人类不把自己玩死,每年百分之零点一的发展率都可以支持无限航程的宇航技术的完成。

两千年内,人类也可能先把恒星引擎架上,驾驶太阳系作为宇宙飞船[1]

一些技术奇点论者认为,2045~2075年这问题就会在超人工智能的机械降神面前迎刃而解,曲速引擎和零点能动力系统都没问题。


在研的高级推进的情况:


曲速引擎:

理论物理学家米给尔·阿库别瑞(Miguel Alcubierre)在1994年提出的阿库别瑞度规定义了曲速引擎的时空,按照广义相对论来解读,这是一种洛伦兹流形,允许一个曲速泡出现在原先平坦的时空中,并在实质上以超光速移动。
制造曲速泡需要巨大的负能量,但后来NASA的哈罗德·G·怀特改进其数学模型,用曲速环的形式将拖动较少物质需要的负能量压缩到卡西米尔真空可以承担的范围附近[2][3]。他已经就此进行了一些实验,这被广泛解读为NASA在研制曲速引擎。
EM驱动的漏磁的疑似曲速泡:


零点能推进器:

2014~2016年,NASA考察了零点能推进器的理论可行性,在目前的低级理论与低级技术下较完善的基础论文如下:
这是真正真铭的第一类永动机,难度可想而知。目前的理论模型可以在10年里将横截面1平方米的飞行器加速到0.1米每秒,所有能量从真空中取得。我们对零点能和真空的了解仍然非常粗浅,需要进一步研究,目前的数据并不重要,毕竟在1900年人们曾经用严格的计算证明火箭无法飞上月球——对于不够了解的东西,怎么算都没啥用。
在风险方面,真空衰变并不会发生。卡西米尔效应已经在实验室里从真空中创造出光,而没有产生任何坍落。
现在我们已经有非常原始的卡西米尔电池、循环卡西米尔动力装置、气体循环卡西米尔腔等微小功率的零点能装置的设计,但初步实验还没有取得公认的成功。
世界各地有一小部分民间人士致力于设计利用零点能的装置,直接创生能量的第一类永动机和用卡西米尔效应强制吸热的第二类永动机都有,其中一部分宣称取得了一定成果,但目前的“实物”并不起作用。
当然,也存在微小的可能性:可控核聚变发电商业化的进度会晚于零点能装置,使前者变得毫无意义。


黑洞引擎:

物质沿螺线落向黑洞时,强大的引力场使得物质摩擦并被加热,发出白热光并产生磁场,该磁场使物质流沿黑洞极区高速喷出。黑洞的吸积盘足够热得辐射出X射线。这一过程能够释放出物质的质量的10%对应的能量,而恒星核聚变的效率只有0.5%。在能制造出宏观黑洞并控制得住它的场合,将任何垃圾投向黑洞都可以从高热吸积盘散发的电磁波与高能粒子和黑洞极区抛射的高能粒子射流获取大量的能量,吸积盘的磁场也可以支持发电机。将任何垃圾投向带电的黑洞都可以增加它的转动能量,高速旋转的带电黑洞可以支持巨大的发电机。而黑洞吸入物质获得的质量也会随着时间以霍金辐射的形式放出,不会一直堆积在黑洞里。霍金辐射有黑洞越小则辐射强度越大的特点,小黑洞的霍金辐射可以比恒星更亮,投入物质维持它的存在就能持续获得能量。这是人类现在知道的效率最高的能量产生方式。
黑洞可以具有电荷,小黑洞可以被电磁束缚,对于大黑洞则可以围绕它在一定距离外建立设施。在合适的轨道上,黑洞吸积盘的辐射压可以和具有足够轨道速度的设施受到的引力平衡而防止设施偏离或坠入黑洞。
制造黑洞的方法可以是用大规模供电系统将大量太阳辐射转化成电能支持若干加速器、激光器或直接使用太阳能泵浦,将粒子加速至超高能或产生强激光,汇聚至一点。也可以是用大量核材料造成核武器,聚焦其起爆产生的X射线。无论如何,产生这样的黑洞需要粒子达到1千亿亿亿电子伏特以上的能量,这比人类现在最大的粒子加速器LHC的能级高了千万亿倍。
靠多维空间理论的ADD模型可以降低产生黑洞需要的能级直至较靠近LHC的能力[4],这种支持粒子加速器造黑洞的理论是最接近我们现有科技水平的。也有学者做了关于LHC已经能产生微黑洞的研究[5],但这还需要进一步证实。ADD模型的微黑洞对霍金辐射稳定,即使从量子级开始一个个吞噬原子也能维持自身。

参考

  1. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576519312457?via%3Dihub
  2. ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110015936.pdf
  3. ^ http://earthtech.org/publications/davis_STAIF_conference_2.pdf
  4. ^Dejan Stojkovic, 2005 https://www.researchgate.net/publication/8034759_Distinguishing_Between_Small_Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali_and_Randall-Sundrum_Accelerator-Generated_Black_Holes
  5. ^Barbara Betz,Marcus Bleicher,U. Harbach,T. Humanic,B. Koch,Horst Stoecker, 2006 https://www.researchgate.net/publication/2020077_Mini_Black_Holes_at_the_LHC_Discovery_Through_Di-Jet_Suppression_Mono-Jet_Emission_and_a_Supersonic_Boom_in_the_Quark-Gluon_Plasma_in_ALICE_ATLAS_and_CMS

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