半人马座阿尔法星路线图

E自太空时代开始，物理学家、工程师和科幻小说作家组成的吉诃德式亚文化就把午餐时间和周末用于制定星际飞船计划，这是因为人类必须爬出地球的摇篮。在大部分时间里，他们专注于物理学。我们真的能飞向星星吗？许多人起初并不这么认为，但现在我们知道这是可能的。今天的问题是：将我们吗?

事实是，我们已经是飞向星星，却没有真正的意义。1977年发射的“旅行者”号太空探测器，其最初的目标是巡游外行星，而现在已经到达了太阳王国的边界。旅行者1号距离太阳124个天文单位（AU），是地球的124倍，每年记录3.6个AU。它是否已经退出太阳系取决于你对“太阳系”的定义，但它肯定远远超出了行星。它的仪器见证了太阳的高能粒子和磁场让位给星际空间探索，旅行者团队成员、行星科学家拉尔夫·麦克纳特（Ralph McNutt）将其描述为“奇怪的等离子体结构”，并要求进行探索。航海家们所遇到的奥秘迫使科学家们开始了后续的任务，他们甚至冒险深入宇宙森林，到达200个金甚至更远的地方。但是什么样的飞船能把我们带到那里呢？

小型化:离子驱动器

美国宇航局的“黎明号”小行星带探测器展示了一种领先的推进系统:离子驱动。离子驱动器就像一把发射原子而不是子弹的枪;船靠后坐力前进。该系统包括推进剂箱，典型的氙气，和电源，如太阳能电池板或钚电池。发动机首先将推进物原子的最外层电子剥离，使其带正电荷。然后，根据异性相吸的原理，一个带负电荷的栅格将原子吸引到船的后部。它们冲出网格，以比化学火箭废气快10倍(比子弹快100倍)的速度进入太空。对于“旅行者号”之后的探测器来说，离子引擎可以燃烧15年左右，使飞船的速度达到旅行者号的几倍，这样它就可以在建造者死亡之前达到几百个天文单位。

星际飞行爱好者们也在考虑用离子驱动来执行真正的星际任务，目标是半人马座阿尔法星，距离我们最近的恒星系统，大约30万AU。伊卡洛斯星际基金会是一个非营利性基金会，其使命是在本世纪末实现星际旅行。该基金会构想了“锡锡计划”，这是一个重量不到10公斤的微型探测器，配备了微型高性能离子驱动器。这次旅行仍然需要数万年的时间，但他们认为Tin Tin不是一个现实的科学任务，而是一个技术演示。

轻装：太阳帆

像日本IKAROS探测器那样的太阳帆，完全不需要推进剂和引擎。它利用了光的物理学。像其他运动的物体一样，光波也有动量，并推动它撞击的任何表面。力是微弱的，但如果表面足够大，质量小，时间长，就会变得明显。阳光可以加速一大片轻质材料，比如Kapton，达到令人印象深刻的速度。为了达到逃离太阳系所需的速度，飞船将首先猛扑向太阳，尽其所能接近太阳——在水星的轨道内——让它的帆充满强劲的阳光。

这种帆船可以在一千年内横渡半人马座阿尔法。帆的速度受到离太阳的距离的限制，而距离太阳的距离又受到帆材料耐久性的限制。纽约城市大学教授兼长期星际旅行支持者Gregory Matloff说，最有潜力的材料是石墨烯超薄碳石墨层。

像其他运动的物体一样，光波也有动量，并推动它撞击的任何表面。

激光或微波束可以提供更有力的推力。在20世纪80年代中期，星际旅行的老前辈罗伯特·福尔德(Robert Forward)提出了一个当时流行的想法:太阳能卫星，它可以在轨道上收集太阳能，并通过微波将其发射到地球上。在开始运行之前，轨道电站可以旋转并向上发射能量，而不是向下。一个10千兆瓦的电站可以在一周内将一艘只有16克的超轻型帆船加速到光速的五分之一。二十年后，我们开始看到来自半人马座阿尔法星的实时视频。

这一“星光”计划有其可疑的特征——需要一个巨大的透镜，帆是如此脆弱，以至于光束可能会将其炸飞，也可能会推动它，但它表明我们可以在人的一生中到达恒星。

Going Big: Nuclear Rockets

帆也许能够将微小的探测器送往恒星，但它们无法执行人类任务;你需要一个微波束消耗的能量要比现在整个世界产生的能量多几千倍。最先进的人类太空旅行计划是核脉冲推进，由政府资助的猎户座计划(Project Orion)在20世纪50年代和60年代进行了这项研究。

当你第一次听到这个计划时，你会觉得它很疯狂。给你的飞船装上三十万枚核弹，每三秒引爆一枚，乘着冲击波前进。虽然很极端，但它的工作原理与其他火箭相同——即反冲。核脉冲系统不是从火箭后部发射原子，而是发射等离子体，比如钨火球。

你把钨插头和核武器一起装进一个金属太空舱，从飞船后部发射太空舱，然后在不远的地方引爆。在真空的太空中，爆炸造成的损害比你想象的要小。蒸发的钨冲向飞船，从飞船后部的厚金属板上反弹，并射入太空，而飞船则反冲，从而向前移动。巨大的减震器减轻了船员宿舍的震动。乘客在玩3d国际象棋，或者做任何其他星际旅客做的事情时，都会感受到有节奏的砰砰声，就像孩子在楼上的公寓里跳绳一样。

给你的飞船装上三十万枚核弹，每三秒引爆一枚，乘着冲击波前进。

这艘船可能达到光速的十分之一。如果出于某种原因，太阳爆炸，外星人入侵，我们真的必须尽快离开这个星球，我们不在乎用核武器炸发射台，这将是一条出路。我们已经有了我们需要的一切。马特洛夫说：“今天我们拥有的最接近的技术将是核脉冲。”。如果有什么不同的话，大多数人都会乐意把我们所有的核武器装上一艘船，然后扔掉它们。

理想情况下，核弹爆炸将被受控的核聚变反应所取代。这是代达罗斯计划(Project Daedalus)提出的方法。代达罗斯计划是一个70年代的项目，旨在设计一艘装备齐全的机器人星际飞船。最大的问题是每吨有效载荷，飞船必须携带100吨燃料。这样的庞然大物将有战舰的大小，长度为200米，重量为5万吨。

“它只是一个巨大的、巨大的机器，”英国航空航天工程师、伊卡洛斯计划(Project Icarus)的联合创始人开尔文·朗(Kelvin Long)说。伊卡洛斯计划是对设计进行更新的现代努力。“但从那以后，当然是微电子技术、微型化技术和纳米技术。所有这些发展都引发了反思。你真的需要这些巨大的结构吗?”他说，伊卡洛斯计划今年10月在伦敦推出新的设计。

星际设计师想出了各种各样的方法来缩小燃料箱。例如，飞船可以利用电场或磁场从星际空间收集氢气。然后，氢气将被送入聚变反应堆。船开得越快，挖掘的速度就越快——如果保持这种良性循环，将推动船接近光速。不幸的是，舀水系统也会产生阻力，使船慢下来，粒子逆风会使船员们被辐射烧焦。此外，纯氢聚变效率低下。一艘核聚变动力的飞船可能无法避免从地球上运送一些燃料。

《走向黑暗:清除外来物质》

纽约大学物理学研究生刘佳（Jia Liu）建议寻找暗物质，而不是清除氢气。暗物质是天文学家认为构成银河系大部分的一种看不见的外来物质。粒子物理学家假设暗物质由一种叫做中微子的粒子组成，它有一个有用的特性：当两个中微子碰撞时，它们会在伽马射线的火焰中相互湮灭。这样的反应会驱使一艘船前进。像氢机车一样，暗物质飞船可以接近光速。然而，问题是暗物质是暗的，这意味着它对电磁力没有反应。物理学家不知道如何收集它，更不用说引导它产生火箭推力了。

如果工程师们克服了这些问题，建造了一艘接近光速的飞船，那么不仅是半人马座阿尔法星，整个星系都将进入射程之内。在1960年代,天文学家卡尔·萨根计算,如果你能达到适度加速率同样的速度跑车使用和维持足够长的时间,你会得到如此接近光速,你穿过星系船上在短短几十年的时间。作为奖励，这个比率将提供一个舒适的人工重力水平。

不利的一面是，在此期间，地球将经过几十万年。等你回来的时候，你的整个文明可能都变成了猿人。但从某种角度来看，这是一件好事。相对论玩弄时间的把戏将会解决电脑太慢这一永恒的问题。如果你想做一些漫长的计算，去探索一些遥远的恒星系统，当你回来的时候，结果将为你准备好。未来星际飞船的船员们可能不是为了生存、荣誉或征服而航行。他们可能在解决谜题。

变形:弯曲时间和空间

随着飞船以十分之一光速移动，人类可以在一生中迁移到最近的恒星，但穿越银河系的旅程将持续一百万年，而且每个恒星系统仍然大部分是孤立的。要创建一个由飞机和电话连接在一起的银河系地球村，你需要以比光速更快的速度旅行。

与普遍的看法相反，爱因斯坦的相对论并没有完全排除这种可能性。根据这个理论，空间和时间是有弹性的；我们所感知的重力实际上是空间和时间的扭曲。原则上，你可以严重扭曲空间，缩短你想要穿过的距离，就像折叠地毯使两边更靠近一样。如果是这样，你可以瞬间跨越任何距离。你甚至不会注意到加速度，因为磁场会使船内的重力为零。从船上的窗户望去，景色会令人叹为观止。恒星会改变颜色并向运动轴移动。

你可以严重扭曲空间，这样你就会缩短你想要跨越的距离，就像折叠地毯，让两边靠得更近。

指出这个想法远远超出了我们目前的技术，这似乎是卑鄙的。翘曲驱动需要一种能产生引力而不是引力的材料。这类物质包含的能量为负，几乎等于零，就好像你的质量为-50公斤。物理学家，他们是有创造力的类型，已经设想出了创造这种能量的方法，但即使是他们也对星际飞船所需要的负能量——几颗恒星的价值——不屑一顾。更重要的是，由于控制信号（仅限于光速）不够快，无法从舰桥到达位于船舶周界的推进系统，因此船舶将无法转向。（不过，船上的设备可以正常工作。）

说到星际飞船，最好不要纠结于细节。等到人类真的有可能造出这样一辆车的时候，我们对旅行的看法可能已经改变了。“我们需要派出完整的人类吗?””长问道。“也许我们只需要发送胚胎，或者也许在未来，你可以将自己完全下载到电脑中，然后通过类似于3d打印的东西在另一端重新制造自己。”今天，星际飞船似乎是未来主义思想的高度。未来几代人可能会觉得这很古怪。

乔治·穆瑟是物理学和宇宙学方面的作家，也是《弦理论白痴指南》（阿尔法，2008年）。他是该杂志的高级编辑科学美国人并获得了美国物理科学学会写作奖等荣誉。