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星際旅行并非夢想 多種方法可實現

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online_admin 發表于 2014-12-17 15:37:19 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式

星際旅行是人類永恒的夢想。然而,即使距地球最近的恒星——半人馬座比鄰星,距離地球也有4,2光年——這超過了地球和太陽之間距離的20萬倍,或者相當于人類乘坐太空船往返月球5000萬次的距離。假如乘坐人類迄今為止最快的星際探測器——美國的“旅行者1”號探測器——以每秒17千米的速度離開太陽系,人類將在7.4萬年后才能到達比鄰星。



星際旅行并非夢想 多種方法可實現11 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:18962,51721



如此看來,星際旅行對于人類來說無疑是癡人說夢。人類如何才能在有生之年光顧那些距離以光年計的遙遠星球?

美國堪薩斯州立大學的數學家路易斯·克蘭提出了他的星際飛船設計方案——用“人造黑洞”作為星際飛船的動力120世紀70年代,英國理論物理學家斯蒂芬·霍金就論證出了黑洞并非全黑,當其中的物質轉化為亞原子粒子團時,黑洞便會“蒸發”,從而出現霍金輻射。霍金輻射包含所有種類的亞原子粒子,但最主要的是伽馬射線光子。克蘭相信,霍金輻射將可以成為星際飛船遨游銀河系的主要動力源。


根據克蘭的方案,創造“人造黑洞”需要將龐大的能量聚集到很小的范圍內。他建議用一個寬達250千米的太陽能板為一個巨大的伽馬射線激光器充電,這個龐大的太陽能板運行在距太陽數百萬千米遠的軌道上,它需要花1年時間來吸收能量,最終在激光的焦點位置會形成一個黑洞。由此產生的“人造黑洞”將重達數百萬噸,但體積卻只有一個原子核大小。科學家接下來要做的事,就是設法將這個“人造黑洞”置入星際飛船后部一個拋物面鏡的焦距內。霍金輻射產生的伽馬射線光子經鏡面反射而成的平行光束,將會成為推動飛船前行的不竭動力。

根據科學家的理論,小型黑洞散發出的霍金輻射要遠遠超過恒星質量的大型黑洞。克蘭根據黑洞公式推算出,一個重約100萬噸的黑洞將會成為星際飛船完美的能源:它既小到可以產生足夠的霍金輻射來推動太空船,同時它的質量也足以確保其不會在100年內消耗殆盡。100萬噸的“人造黑洞”將是一艘黑洞飛船所需動力的最佳平衡點。

根據克蘭的推算,100萬噸的“人造黑洞”可以使星際飛船的航行速度在幾十年時間內接近光速。如果你還嫌這個速度太慢,那么使用更小的“人造黑洞”可以產生更多的霍金輻射。對于星際旅行者來說,如果你乘坐“人造黑洞”飛船以接近光速的速度飛行,那么時間將會變慢,你的衰老速度也將遠遠小于你在地球上的家人和朋友。克蘭說:“乘坐這種星際飛船,你完全有可能在有生之年抵達距離地球250萬光年遠的仙女座星系。”


不過,即使用于星際旅行的交通工具問題解決了,人類進行星際旅行仍將面臨許多其他的切身問題,譬如“星際飛行宇航員”能否在孤獨漫長的太空旅行中健康活上數十年時間?宇航員又如何克服食物、空氣、水、重力缺乏、太空輻射、太空垃圾,甚至心理孤獨等一系列嚴重問題?


據研究了20余年生命支持科學的美國航空航天局研究專家唐納德·漢寧格稱,地球包含了數十億立方千米的大氣層、數億立方千米的水、數十億公頃的農田以及60億人類,所有這些形成了可供人類生存的完整循環系統,而星際飛船上必須建有自己的循環系統,讓食物、水和氧氣都能百分之百地循環利用。漢寧格和他的同事一直在進行食物方面的實驗,而氧氣循環更加不成問題,一種新的高科技設備已經能將二氧化碳從周圍空氣中分離出來,并對其進行化學處理,從而分解出氧氣。星際飛船上水的再生循環也將不成問題,太空中的失重問題則可以通過重力模擬器來解決。


星際旅行并非夢想 多種方法可實現17 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:18962,51721




伊卡洛斯星際航行工程是一個雄心勃勃的科研項目,正致力于星際飛行的研究,目標便是研制出能夠到達太陽系附近恒星的航天器。

航天器的推進技術是星際航行任務的關鍵問題。對于伊卡洛斯工程中的飛船,人們很早就決定使用核聚變發動機。如果伊卡洛斯工程中的飛船,其體積和質量與代達羅斯工程中的飛船相類似的話,那么這種發動機能夠使飛船的最高速度達到光速的1/10。


除了解決伊卡洛斯飛船主推進發動機的問題外,伊卡洛斯工程還有許多科學任務,包括星際航行過程中的探測活動和對目標恒星系統的詳細研究。為了實現這些目標,需要一系列先進的二級推進系統,這些推進器有可能從現有的或將來的推進技術中衍生出來。

例如,當伊卡洛斯飛船到達目的地后,它應該能夠釋放探測器來探測目標恒星系統。這些探測器應該可以進入各自探測目標的軌道,這個過程需要使用不同的推進系統。其中一些探測器可能會使用太陽帆,使得探測器能緩慢地飛行,過程中可能會拍一些照片或者測定恒星系統中行星和衛星的大氣成分。另一些探測器則需要飛得更快,可能會使用核動力火箭,用于以著陸探測為目標的飛行中。


太陽帆飛行器的成功發射和展開,已經顯示了一種不用任何發動機就可使航天器在太空中徘徊的關鍵方法。這項科學技術對伊卡洛斯工程具有非常重要的意義,如果沒有這項技術,飛船就得為它的探測器攜帶大量燃料。

最近幾年,在離子發動機和電磁推進器方面取得的進步,似乎為新型推進技術的發展指出了一條新的、令人興奮的途徑。這類新技術有些可能直接用在伊卡洛斯星際飛船上,有的將可能用于輔助系統。


代達羅斯飛船的重量約5萬噸,大部分都是它攜帶的燃料——氦同位素氦3。伊卡洛斯飛船還沒有最終確定它的燃料類型,但幾乎可以肯定的是,也將需要攜帶大量的燃料。

即使燃料能夠在地球上提煉,但仍然需要把它送到軌道上。因此需要一種成本低廉且可靠的近地軌道飛船,它應該具有能夠頻繁進行太空飛行的能力。像英國科學家正在研發的一種全新的可循環使用的單級軌道飛行器——“云霄塔”號太空飛機,就是一個理想的解決方案。

化學燃料動力火箭能夠提供克服地球引力所需要的強大推進力。近50年來,科學家對化學燃料火箭的重大投入,使得這種火箭在未來幾十年中,仍然是使航天器脫離地球進入太空的最佳選擇。


未來,我們有希望找到許多可以在星際航行中發揮重要作用的可行方案。在新型飛行系統上使用磁力帆就是一個很好的方案。這個方案與太陽帆類似,只是將太陽輻射產生的推動力,換成了太陽風中的磁性粒子產生的推動力。一個巨大的金屬網將用于捕獲磁性粒子,并用來推動飛船飛行。

光束推進器則是另一個有趣的概念。根據這個方案,在軌道上運行的太陽能收集器或核反應器將用于供給制造強光束或帶電粒子所需的能量,而強光束或帶電粒子流將直接推動飛船飛行。


將這兩種方案結合起來,有可能制造出一種先進的太空拖船,負責將裝備有磁力帆的飛船運送到軌道。也許在伊卡洛斯工程中,光束推進器就可以用來推進它的行星探測器進行太空飛行。另外,伊卡洛斯飛船可以在到達目標恒星系統時使用一張非常大的磁力網,借助當地的太陽風或磁場來輔助減速。

伊卡洛斯工程的科學家團隊正在努力將各種系統和概念進行最佳的組合,來創建一個利用現代技術和未來技術進行星際旅行的實例。


星際旅行并非夢想 多種方法可實現70 / 作者:傷我心太深 / 帖子ID:18962,51721




實現星際旅行夢想的理念
在這篇文章中,我簡要描述一下近幾年關于星際旅行的一些基于現有科學觀念:



    1.蟲洞傳送
    2.阿爾庫比埃爾的“曲速引擎”
    3.負質量推進
    4.米利斯的“太空驅動器”假說
    5.蟲洞傳送【最可靠的星際旅行方法】
    正當你覺得迷惑不解的時候,物理學家就想出了蟲洞,其理論依據如下:


    盡管狹義相對論認為,在時空內任何物體的速度都小于光速,但是據我們所知,時空本身可以被扭曲。雖然這種扭曲需要耗費巨大的物質或能量,但在理論上是可行的。我們來做一個類比:一支鉛筆在紙上的移動速度是有限的,但是如果能夠移動或改變紙張,則會有不同的結果。就蟲洞理論而言,使空間扭曲(將約張折疊)使原本分離的兩點連接起來,這樣就會產生捷徑。這個新理論還未被接納,而且尚未證實其可行性。當然,蟲洞理論會促使人們再次探討有關時間旅行悖論的舊問題。




    怎樣完成蟲洞傳送?下面是方法之一:
    首先,收集一大堆高密度物質,例如中子星物質。需要收集多少?只要足夠形成一個環就可以,這個環的周長與圍繞太陽運行的地球軌道等長。然后,再組成另一個環到蟲洞的另的端。接著,利用極高壓充電,使它們以接近光速旋轉。


    就這樣嗎?如果你能全部做到這些,我相信你可以想到更為巧妙的旅行方法。不要指望蟲洞工程來得那么快,還有其他的辦法,比如說“利用負能量創造并保持蟲洞敞開”的想法。



    阿爾庫比埃爾的“曲速引擎”可以進行星際旅行嗎


    以下是阿爾庫-比埃爾“曲速引擎”的前提條件。盡管狹義相對論認為,在時空內任何物體的速度都小于光速,但時空本身的運行速度是個未知數。讓我們做一個類比:假設你在航空港的一條移動的人行道上,阿爾庫-比埃爾“曲速引擎”就如同這一條移動的人行道,盡管我們的步行速度是有限的(類似于光速限制),但是如果你在移動速度比自己步行速度更快的陸地上會怎樣(類似于時空模塊移動)?至于阿爾庫-比埃爾的“曲速引擎”的時空及壓縮飛船前面(類似于人行道在此處回到地底)的時空以使時空模塊移動。其實,擴充時空的思路已不再新穎。例如,根據暴張宇宙的觀點,人們認為,在大爆炸初期時空擴充的速度比光速更快。因此,如果大爆炸時時空擴充的速度比光速快,為什么不用于“曲速引擎”?只是這些理論太新鮮,既沒有人接受,也沒有人證實其可行性。
    還要面臨其他棘手的問題嗎?


    是的。首先,為了創造這種效應,飛船周圍必須要有一顆負能量,需要的量也很大。但是,對于負能量是否存在,物理學界仍在爭論中。經典物理學傾向于否定負能量的存在,而量子物理學則傾向認為兩可或肯定。其次,你需要一個控制這種效應的方法,當扭曲效應相對飛船獨立的時候,這將變得尤為棘手。第三,所有的這些推斷都建立在“扭曲”的移動速度大于光速的基礎上,而這一點目前尚未證實。第四,如果前面這幾個問題都還不夠棘手的話,我們又會面臨這樣的問題:這些設想都會引起和蟲洞理論一樣的難題——時間旅行悖論。


    負質量推進進行星際旅行


    研究顯示,可以通過正負質量來創造持續推進效應,這在理論上是可行的,這種方案不違反動量或能量守恒定律。關系到該設想成立的一個重要假設是,負質量具有負慣性。正物質和負物質相互作用的結果是二者在同一方向上持續加速。這種概念至少可以追溯到1957年邦迪關于負質量特性的分析,20世紀80年代,溫特·伯格和弗沃德在推進的環境中又一次進行了探討。
    關于負質量物理學、負質量是否真實存在或者負質量在理論上是否能站住腳,都是一個未知數。但是,已經有人提出了在尋找蟲洞的天文證據中搜尋負質量的方法。



    米利斯“太空驅動”來進行星際旅行

    “太空驅動”可以定義為一種理想化的推進形式,利用質量和時空的基本特性在太空的任何位置創造推進力,無須攜帶或排出反應物質。這樣一來就繞過了對推進劑的需求,這對空間旅行來說意味著一場革命。米利斯模擬并分析了各種太空驅動假設以發現并解決其中具體的問題,使這些方案能夠合理可行。

    下面,我對這些方案進行簡要介紹。要注意的是,這些概念都是純粹的假設構想,旨在闡明我們目前所面臨的問題。我們必須找到一種方法:由某種運載工具創造并控制作用于自身的非對稱外力且無須排出反作用質量,并且在此過程中該方法必須滿足守恒定律。只有這樣,這些太空驅動的設想才能變成現實。

    差動帆假說:類似于一個理想的輻射器傳感片,從反射面到吸收面存在輻射壓力凈差。在這一構想中,需要假設太空有某種形式的各向同性介質背景(如真空飄移或宇宙背景輻射)持續不斷地沖擊帆的各個面。


    二極管帆假說:類似于二極管或單向鏡,空間輻射穿過一個方向,從另一個方向反射回來,產生輻射壓力凈差。
    感應帆假說:類似于液體中的壓力梯度,帆后側的太空沖擊輻射密度高,而前側的沖擊輻射密度低,因而在帆周圍形成輻射壓力凈差。
    徑向驅動假說:此概念考慮通過并置穿越飛行器徑向對置的場源創造太空背景無向性的現場梯度(如重力勢)的可能性,完全類似于負質量推進。徑向驅動也可被看做類似于在空間介質中創造壓力源,就如同感應帆所設想的那樣。

    間距驅動假說:此概念考慮標量勢中的某種局部傾斜感應穿越飛行器,并對飛行器產生作用力的可能性。相對于前述的徑向驅動,這種傾斜被認為在沒有一對點源的情況下也可以形成。目前尚不知道是否能夠制造這樣的效果以及如何制造這樣的效果。


    偏置驅動假說:此概念利用運載工具改變空間本身特性的可能性,例如改變引力常數以產生局部推動力梯度。修改引力常數得到局部非對稱性偏向力,類似于間距驅動假說中產生的局部梯度。
    分離驅動假說:此概念考慮一個場源及其反應場源之間分離的可能性。通過空間移位,反應劑被轉移到場源斜坡點,因此對場源和反應劑產生反應力。盡管相關資料明確表明,場源、反應劑和慣性質量屬性不可分離,但未來任何與之相反的證據都將會對推動力應用帶來革命性的意義。
以上的星際旅行的方法你最希望那種被實現?

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沙發
online_moderator 發表于 2014-12-17 15:44:01 | 只看該作者
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板凳
online_moderator 發表于 2014-12-17 15:44:41 | 只看該作者
星際旅行并非夢想 多種方法可實現37 / 作者:女王大人 / 帖子ID:18962,51723為什么總是二樓,一樓給你吃了嗎
地板
online_member 發表于 2018-7-25 15:20:50 | 只看該作者
寫得精彩。
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