天文科普:為什么說(shuō)星際旅行非常困難?
來(lái)源:新浪科技
發(fā)布時(shí)間:2022-01-12
瀏覽次數(shù):925

  費(fèi)米悖論指出了一個(gè)顯而易見(jiàn)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,到目前為止,我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何太陽(yáng)系外生命存在的證據(jù)。

  考慮到人類現(xiàn)有的技術(shù)水平,我們能夠探測(cè)到外星智慧生命的唯一方法是等待這些生命來(lái)到太陽(yáng)系,或者發(fā)現(xiàn)他們來(lái)過(guò)太陽(yáng)系的證據(jù)。到目前為止,還沒(méi)有任何令人信服的證據(jù)表明外星人造訪過(guò)地球。那么,外星人都在哪里呢?

  對(duì)費(fèi)米悖論的解釋有很多,其中不乏可取之處。例如,一個(gè)非常有說(shuō)服力的解釋是:星際旅行真的很難。絕大多數(shù)描述超光速旅行的科幻小說(shuō)很可能是錯(cuò)誤的。在這些幻想故事中,超光速飛船是跨越多個(gè)世界的必要情節(jié)設(shè)定,但現(xiàn)實(shí)情況卻截然不同。

  目前還沒(méi)有一種可行的,甚至只存在于理論上的超光速飛行方法。蟲(chóng)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(ài)因斯坦的理論還沒(méi)有被否定,目前我們所知的物理學(xué)定律似乎完全不允許超光速旅行。當(dāng)然,宇宙中可能存在一些我們所不知道的東西,能夠讓我們進(jìn)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(jìn)技術(shù),也需要用到大到令人無(wú)法想象的巨量能源。

  因此,費(fèi)米悖論的一個(gè)簡(jiǎn)單解釋是,超光速旅行是不可能的,再多的科學(xué)或技術(shù)進(jìn)步也改變不了這一點(diǎn)。因此,即使是先進(jìn)的外星文明也必須滿足于亞光速旅行。這意味著什么呢?首先,這意味著即使是到達(dá)最近的恒星系統(tǒng)也要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間。距離地球最近的是半人馬座三合星系統(tǒng),大約4光年遠(yuǎn)。如果我們的平均速度是0.5倍光速,那將需要8年的時(shí)間。即使是最先進(jìn)的星際飛船,這樣的速度可能已經(jīng)是最理想的狀態(tài)了。

  那么,什么樣的飛船在理論上可以進(jìn)行星際旅行?我們現(xiàn)在只能推測(cè)。很明顯,這樣一艘飛船不應(yīng)該自己攜帶燃料來(lái)完成星際間的長(zhǎng)途飛行?;鸺匠滩辉试S這樣的情況——你必須攜帶足夠的燃料來(lái)推動(dòng)燃料,而這又要求更多的燃料,以此類推。對(duì)于長(zhǎng)距離星際飛行,火箭方程會(huì)受到極其苛刻的燃料限制。唯一可行的燃料來(lái)源似乎是反物質(zhì),因?yàn)榉次镔|(zhì)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(jìn)動(dòng)力。即使我們能做到這些,前往距離相對(duì)較近的恒星系統(tǒng)也需要幾年到幾十年的時(shí)間。

  星際旅行更可能使用外部的能源。在一些研究者看來(lái),某種類型的光帆將是人類星際旅行的最佳選擇。另一個(gè)選擇是所謂的巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(Bussard Ramjet)。這是物理學(xué)家羅伯特·巴薩德在1960年代構(gòu)想的一種航天器推進(jìn)設(shè)計(jì),利用巨大的電磁場(chǎng)吸收星際物質(zhì)中的氫,使其壓縮到足以發(fā)生核聚變的程度;物質(zhì)轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的巨大能量將透過(guò)磁場(chǎng)導(dǎo)引至發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣方向,利用反作用力的原理推動(dòng)飛行器加速前進(jìn),進(jìn)而達(dá)到星際飛行的目的。然而,最近的一項(xiàng)研究重新計(jì)算了這種發(fā)動(dòng)機(jī)需要多少資金才能發(fā)揮作用,結(jié)果非常悲觀。據(jù)估計(jì),這樣的飛船需要一個(gè)直徑1.5億公里、深度1個(gè)天文單位的磁場(chǎng),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制在光速的20%左右。

  因此,即使是一個(gè)極為先進(jìn)的文明,也可能只會(huì)制造出一艘達(dá)到光速20%到50%的星際飛船。另一方面,這需要大量的資源,使星際旅行變得沒(méi)那么有吸引力。

  此外,如果你想在星際空間中運(yùn)輸活體生物的話,挑戰(zhàn)的難度將提高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。最大的問(wèn)題是宇宙射線,其中的高能粒子會(huì)不斷地傾瀉在星際乘客身上。這對(duì)于長(zhǎng)期的星際旅行而言尤其危險(xiǎn)。目前,我們還沒(méi)有抵御宇宙射線的技術(shù),因?yàn)檫@些射線的能量太大了。有效的防護(hù)盾可能會(huì)非常厚,因此也會(huì)很重,使得星際飛船在加速時(shí)需要耗費(fèi)更多的資源。當(dāng)然,你也可以用一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)作為防護(hù),但這需要更多的能量,而這些能量必須以某種方式產(chǎn)生——我們又回到了火箭方程。

  當(dāng)然,我們也并非不可能找到一些優(yōu)雅的方案,來(lái)解決所有這些問(wèn)題。但現(xiàn)實(shí)地評(píng)估星際旅行具有多么高的挑戰(zhàn)性,會(huì)讓我們遠(yuǎn)離科學(xué)幻想(科幻作品在很大程度上忽視或神奇地解決了所有這些問(wèn)題),讓事情變得更加清晰。當(dāng)我們完全理解這其中的巨大挑戰(zhàn)后,就會(huì)得出結(jié)論:即使是先進(jìn)的外星文明也不可能在星系中遨游,或者根本就不會(huì)這么做,這一點(diǎn)是可以說(shuō)得通的。

  因此,一些科學(xué)家提出,先進(jìn)的外星文明可能不會(huì)費(fèi)心將有機(jī)物質(zhì)送上星際之旅。相反,他們將發(fā)射能夠承受宇宙射線或巨大加速度的機(jī)器人探測(cè)器,能夠在沒(méi)有食物和水的情況下存在數(shù)千年。簡(jiǎn)而言之,派遣機(jī)器人進(jìn)行星際旅行要比派遣生物(顯然這里說(shuō)的是人類)簡(jiǎn)單好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這其中涉及的物理學(xué)問(wèn)題仍然極具挑戰(zhàn)性,但有關(guān)如何確保人類生存的問(wèn)題都會(huì)迎刃而解。那么,我們?yōu)槭裁催€沒(méi)有發(fā)現(xiàn)外星探測(cè)器呢?如果一個(gè)先進(jìn)的文明存活了足夠長(zhǎng)的時(shí)間,擁有這樣的技術(shù),他們應(yīng)該有數(shù)百萬(wàn)年甚至數(shù)十億年的時(shí)間,用機(jī)器人對(duì)宇宙的其他部分進(jìn)行探測(cè)。這些機(jī)器人為什么沒(méi)來(lái)?

  可能的答案有很多。一種解釋是,外星探測(cè)器已經(jīng)造訪過(guò)地球,也許造訪了很多次,但現(xiàn)在沒(méi)有。也許它們進(jìn)行過(guò)飛掠地球的任務(wù)。另一種可能是,它們就在地球上,但未被我們發(fā)現(xiàn)。它們可能被加了設(shè)定,不會(huì)讓任何潛在的智慧生物發(fā)現(xiàn)它們的存在。很明顯,如果外星探測(cè)器存在的話,它們的技術(shù)優(yōu)勢(shì)肯定高于我們,因此可以很容易做到不被我們發(fā)現(xiàn)。也有可能外星人不會(huì)費(fèi)心向太陽(yáng)系發(fā)送探測(cè)器,至少最近沒(méi)有。我們不能假設(shè)任何外星智慧物種會(huì)有和我們一樣的行為和意圖。他們可能對(duì)探索其他恒星系統(tǒng)沒(méi)有興趣?;蛘?,他們會(huì)把不干涉原則放在首位。當(dāng)然,也有可能在銀河系中還沒(méi)有出現(xiàn)這樣的文明,我們可能會(huì)是銀河系第一個(gè)星際文明。

  無(wú)論如何,當(dāng)我們對(duì)星際旅行的困難和成本進(jìn)行適當(dāng)評(píng)估時(shí),費(fèi)米悖論就不再是一個(gè)悖論了。即使對(duì)最先進(jìn)的外星文明來(lái)說(shuō),星際旅行很可能也很難實(shí)現(xiàn)。這或許會(huì)讓科幻迷們失望,但在短時(shí)間內(nèi),我們確實(shí)很難沖出太陽(yáng)系,更不用說(shuō)銀河系了。


歡迎掃碼聯(lián)系科普老師!

我們將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的科普活動(dòng)和科普好物!


聽(tīng)說(shuō),打賞我的人最后都找到了真愛(ài)。
做科普,我們是認(rèn)真的!
掃描關(guān)注深i科普公眾號(hào)
加入科普活動(dòng)群
  • 參加最新科普活動(dòng)
  • 認(rèn)識(shí)科普小朋友
  • 成為科學(xué)小記者