主题：281-Les Johnson：星际旅行是否可行？ -- 万年看客

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能够进行这次讲座是我的荣幸。我不得不承认，现在这种线上讲座形式让我非常失望，因为我原本非常期待能够亲自来到伦敦访问皇家科学院。我来过伦敦很多次，每一次都很享受。这是一座美丽的城市。我尤其喜欢参观这座城市的科学历史遗址，这也是我旅游时的重点项目。我是一个彻头彻尾的科学史迷，而伦敦则充满了丰富的科学史遗址，每次都能让我觉得不虚此行。我为NASA工作，原本打算去巴黎出差结束后来一趟伦敦，但是巴黎的事情搞得我一时半会儿无法脱身，所以我再次抱歉不能亲自来到伦敦进行讲座。

在正式开始之前我必须进行免责声明：我的简历上写着，丽莎的介绍也提到我确实为NASA工作，但是我写书用的是业余时间，今天下午我也是先请了假再来进行讲座。换句话说，接下来我说的任何内容都是我个人的意见，不代表NASA。尽管有时我确实希望NASA也持有这些意见，可惜事实并非如此。如果你引用我说的话，那么你仅仅引用了我的一家之言。我留下了我的联系信息，包括我的电子邮件、Facebook、LinkedIn以及我的网站。我喜欢收到人们的来信。如果你在今天的演讲中想到任何问题没机会问，请随时跟我联系。我喜欢和同好们交流通信。

首先，今天讲座的主题《星际旅行指南》实际上是一本关于星际旅行的书，旨在面向普通人，无论他们是否接受过科学训练。这本书打算让普通读者大致体验一下星际旅行究竟需要什么条件，路程有多远，困难与挑战有哪些，我们应该怎么办。《星际旅行指南》这个题目可以说是对于伟大的英国哲学家兼杰出科学家道格拉斯.亚当斯的戏仿，他在解释太空中的距离时非常恰当地将其比作去药店的路程。我在本书的开篇章节中提到这一点，因为我相信这真能很好地帮助我们理解谈论星际旅行时涉及的距离是什么概念。我在日常工作当中的专长是先进太空推进技术，我研究的是航天器脱离地球进入太空之后将其带到下一个目的地的推进系统。我不研究常规推进火箭，也就是你们都见过的从地面发射的火箭。我这人有点势利眼，我认为常规推进火箭是二十世纪的老古董，而我们已经生活在二十一世纪了，需要致力于下一代系统，这就是我的工作。我非常荣幸地进行过几次实验飞行，未来还会进行更多关于太空推进的实验。推进领域是这次讲座的主要焦点，不过我也会讨论其他挑战，包括星际旅行可能导致的某些伦理问题。

那么我们先来谈谈距离。我认为首先要让人们大致体会一下我们面临的挑战究竟多么大。最好的切入点就是科幻迷或者太空从业者想必很熟悉的本地星际邻居。在这张图的中心，你可以看到代表太阳的黄点。以这个点为圆心的每个同心圆之间的距离代表一光年，也就是光在一年当中以每秒186000英里或者说大约300000公里的速度行进的距离。光一秒钟就能跑这么远，一整年能跑多远不难想象。距离太阳大约三光年是距离我们最近的恒星系统，即半人马座系统。这个系统实际上由三颗恒星组成，其中离我们最近的半人马座比邻星是一颗红矮星，肉眼看不见，必须借用天文望远镜。这颗恒星总能令我感到非常兴奋。

几年前，国际宇航科学院会议在澳大利亚的阿德莱德举行。那是我第一次去南半球。我计划在那里休假几天。于是我来到了格兰扁山脉。那是一个美丽的黑夜，天上可以看到南十字星座，这是北半球看不见的星座。一旦你找到了南十字星座，就能顺着指引找到半人马座阿尔法的位置。所以我能够看到我所说的目标。我是旅行团当中唯一的科学家。当时我的科技宅男气质爆发，把大家都叫到到外面，与他们分享了许多太空和太空旅行的知识。我向他们指出了距离地球最近的恒星之一，也就是半人马座阿尔法。接下来最近的恒星大约在六光年外，例如巴纳德星等等。

所以在星际范围内有些恒星离我们相对较近，但我认为没有人真正理解这段距离？这些只是纸面上的一堆数字，我们可以计算，我们可以测量，但从经验上讲它超出了我们可以体验的任何事物。那是因为星际距离的尺度实在太大？我提到了光速是每秒30万公里。以这样的速度旅行依然需要四年多的时间。如果你试图将这个距离转换成你熟悉的数字，那么就是9万亿公里。9万亿公里意味着什么？我不知道。我们能理解的数字都是地球上的数字。地球赤道周长大约4万公里，商用飞机大约需要45小时绕地球一圈。我正准备去参加COSPAR会议。这是一场将在新加坡举行的太空会议。我将要花费30个小时去新加坡，包括停留和转机。国际空间站在地球轨道上以每秒几公里的速度飞行，每90分钟绕地球一圈。所以不同的人们会以不同的方式体验距离。

我们可以某种程度上将这种理解差异扩展到太阳系。画面上不是太阳系各行星之间的距离图，而是行星之间的大小比较，好让你真正感到自己的渺小。在这张图表上你几乎看不到代表地球的点。行星之间相隔非常远，对我们来说前往这些行星已经足够具有挑战性了，进行星际旅行更是需要更长时间。所以我基于天文学家的惯常做法自创了一套比例尺。

先来看看太阳到地球的距离。为了更容易地谈论星际距离，不至于在计算中混淆或者意外丢失一个数量级，天文学家们定义了一个新的天文单位，也就是地球到太阳的距离，大约是1.5亿公里，或者说一个AU。我的做法有点不同。在我们将要建造的太阳系模型挡中，我们姑且将这1.5亿公里当成一米，，这样我们就有了看得见摸得着的标尺。假设一米实际上等于1.5亿公里，那么按照这个比例，海王距离地球30个天文单位，或者说地球与太阳距离的30倍，或者说距离地球大约30米。我不知道皇家科学院礼堂有多大，但我怀疑大概差一点到不了30米。航天器需要大约七到十年的时间才能到达海王星，需要这么长时间才能穿过这最初30米。按照这个比例，如果你想知道最近的恒星离伦敦有多远，你必须前往大约269公里之外的谢菲尔德——每一公里当中的每一米都相当于1.5亿公里。大家可以体会一下我们面临的挑战，这就是我们为了拜访最近的恒星必须穿越的距离。我还要指出，在我们的银河系当中有1000亿颗恒星，而我们所在的位置基本上是在郊区——幸好郊区比市中心更安全。地球围绕的恒星实际上位于银河系的一条旋臂，离银河中心相当远，因此更安全。但是反过来说，我们住在郊区，而好东西很可能都在市区。所以如果我们将来有一天需要去探索所有那些好东西，我们就必需掌握远比今天飞得更远更快的技术，这种层次的技术必然远高于访问最近恒星的技术，而那个最近的恒星已经遥远得难以想象了。所以这就是我今晚想要讨论的挑战。此外我还必须说明，作为一位科幻作家，我不会停止梦想，归根结底我不仅想要弄清楚如何穿越我们的银河系，而且更想知道我们这个物种如何才能有朝一日实现跨星系分布，穿越250万光年的距离。

今晚我的讲座内容全都基于已知物理学，我不会涉及推测性的物理学，所以我们主要讨论前往附近恒星的星际旅行。我提前剧透一下：从物理学的角度来看，这种程度的星际旅行是可能的，不过从工程学的角度来看将会非常非常困难；要想在合理的时间内前往最近星系，根据我们目前对物理学的了解是不可能的，但我们并不了解一切物理，因此不妨寄希望于未来。

我们先来谈谈关于星际旅行的构想。在二十世纪九十年代之前，没有人掌握科学证据来证明围绕另一颗恒星的系外行星的存在。我们能够用数据来证明存在的唯一一批行星就是我们太阳系中的行星。现在行星科学家知道其他恒星周围很可能有其他行星。他们已经看到了其他恒星周围环绕着遍布碎片的原行星盘，这些碎片最终会变成行星。但是真正公开谈论访问其他恒星周围的其他行星的人群只有科幻读者，而我就是其中之一。涉及这一题材的科幻小说风味各异，例如伟大的阿瑟.C.克拉克，德国的佩里.罗丹系列——我小时候读过这套书并且非常喜欢，它真的很鼓舞人心，在日本则有宇宙战舰大和号。我们都梦想着星际旅行，但不幸的是这比看起来要困难得多。 随着越来越多的系外行星被发现，作为NASA的研究员，我一直被人们问到这个问题：我们什么时候可以访问系外行星？自1990年代以来，我们已经确认了超过5000颗围绕其他恒星运行的行星的存在。仅仅基于我们对于一小片太空的观察结果——也就是图中小圈里的区域——估计仅仅在我们的银河系当中就有100亿到4000亿颗系外行星。所以只要我们能弄清楚如何到达那些行星，那么我们就有很多地方可以去。关键在于我们怎么过去？

老实说我们确实可以飞过去，实际上我们现在正在着手这么做。但是我不认为目前的星际旅行任务具备可行性。1977年，NASA发射了两具旅行者探测器。此后我们还发射了新地平线探测器，还有先驱者探测器。这些探测器正在离开太阳系。不过旅行者号的设计用意就不是星际航天器。它们设计的运行寿命远没有目前的运行时间那么长。它们已经远远超出了它们的设计寿命。它们现在大约距离地球155个天文单位，飞行了45年以上。它们的速度足够快，已经逃脱了太阳的引力，总有一天会飞向另一颗恒星。它们没有指向正确的方向。如果方向正确的话，大约74000年后它们将进入半人马座阿尔法星系。我不认为耗费74000年进行星际旅行是可行的做法。因此就本次演讲的目的而言，当我提到符合已知物理定律与宇宙运作机制的可行的星际航行时，旅行时间不能高于一千年。一千年听上去很长，但是其实并没有那么久。只要在身边看看——倒不是说我在美国阿拉巴马州这边有什么可看的——我在欧洲旅行时见过许多兴建于一千年前乃至更久的建筑结构。中国有长城，埃及有金字塔。我最近第一次去以色列旅行，看到了足以追溯到一千五百年前的城市遗迹。所以说，通过社会文化历史，我们知道一千年的跨度意味着什么。如果我们今天向另一颗恒星发射一个探测器，如果我们的文明在一千年后仍然存在，到时候很可能有人会说：“不是有一种古老的技术叫做无线电吗？我们可以听到这东西的声音，也许还能看到它从另一颗恒星发送回来的图片？”所以这是可能发生的，但我认为一千年是机器人任务实际旅行时间的上限。

首先，作为专门研究推进技术的专家，我想谈谈我们穿越太空的方式，并且向大家说明从根本上讲哪些方式可行，哪些方式不适用于星际旅行。首先我要给火箭下一个定义。在我的定义当中，火箭并不只是常见的化学火箭，而是指任何通过将朝向一个方向运动的东西喷射到机体之外来向反方向运动的东西。我正在读一本二十三年前的书，名叫《牛顿的礼物》，讲的是艾萨克.牛顿制定力学定律的人生阶段，这些物理定律我们今天依然还在使用。如今我们很难想象一个这些定律没有得到理解和定义的世界，但是牛顿确实是将这些定律整合在一起的第一人。他指明了动量守恒原则。所以排气的质量乘以速度 就是火箭的质量乘以速度？不仅动量要守恒，而且能量也要守恒：能量等于物体质量乘以速度的平方再乘以二分之一。如果你有一枚火箭，一端向外排气，那么你肯定希望排气加热，越热越好。因为排气温度越高速度就越快。尽可能快地向一个方向排出，而排气的动量则会向另一个方向传递，这样火箭就可以前进了。

我们熟悉的大多数火箭都是从地球发射到太空的大型火箭。这些火箭的设计并不追求效率。它们的设计初衷是产生巨大的推力。因为我们生活在地球上，重力很大。再次感谢牛顿让我们知道，火箭的推力必须大于火箭的重量才能让火箭离开地面，否则它就只能蹲在那里不动弹。因此，当前的主流火箭虽然很擅长穿越进入太空的最初三四百公里距离，但效率却非常低。火箭科学家们有一个衡量火箭推进系统效率的标准，类似汽车的每升油耗公里数——或者按照美国的说法是每加仑油耗英里数——叫做比冲或者ISP。对于火箭来说，好的 ISP 值是三四百秒——不用担心单位的推导。比冲的单位不是每升多少公里，而是多少秒，或者是衡量燃料燃烧产生一定推力的频率？所以三四百秒是化学火箭的基准。换句话说，目前最好的化学火箭，能够最有效地凭借化学键的生成或者断裂来获取能量的火箭——化学火箭排出的热气都是此类化学反应的产物——的比冲值大约是三四百秒。如果你按照火箭方程计算一下——这个方程的细节我在这里就不多说了。火箭方程基本上意味着，无论火箭尺寸如何，要想获得更大的推力就需要添加更多的推进剂来，从而达到更高的速度；但是添加推进剂又会增加火箭运动的难度，因为增加了火箭的质量，以至于火箭原本的燃料不能像原来那样有效地燃烧。火箭或许能获得更多的总推力或者总速度变化（ΔV），但是额外添加的每一升燃料获得的推力肯定赶不上添加额外燃料之前原本每一升原本的燃料所能获得的那么多。换句话说，如果额外燃料添加得太多，火箭基本上就动不了了，因为一开始就有太多的质量要移动。因此一架比冲 400 秒的化学火箭不可能在起飞时就加满足够的燃料，使其在五万年之内抵达最近的恒星。目前化学火箭的效率几乎已经达到了物理学允许的上限。所以这条路行不通。

还有其他类型的火箭，比方说电火箭。这种火箭很有创意 因为它不依靠化学燃烧来产生火箭排气，而是利用电场和磁场。这种火箭最简单的形式就是两块板，一块是高压板，一块是低压板。把离子放进两块板之间，它们就会在电压差的作用下被加速，然后从火箭后面喷射出来，产生推力。此类火箭的推力很小，无法产生足够的推力离开地面。但是一你进入太空就不需要大推力了，到时候我们更关心如何有效地提高速度。因此这种火箭对于太阳系探索来说非常非常有用。他们的效率和比冲都在数千秒以上而不是数百秒。如果你愿意接受一万年上下年的旅行时间前往最近的恒星，这种火箭确实可以用来进行星际旅行。因为即便是电火箭也受到火箭方程的限制。

话说至此人们会问，“你已经研究过化学和电磁学火箭了，那么核能呢？核反应释放的能量难道不比你提到的任何其他原理都更多吗？”答案是肯定的，确实如此。所以在二十世纪六十年代美国研发与测试过核能火箭，苏联也在同一时期进行过类似工作。核能火箭并不依靠化学燃烧来加热推进剂，而是使用核反应堆的热量来加热氢或其他推进剂，使其达到非常高的速度。这样做效果非常好。你最终得到的火箭系统就像化学火箭一样具有很高的推力，并且比冲远高于化学火箭，但是依然不够高，大约是1000秒的级别，换句话说低于电火箭。但是它确实有很高的推力。如果我们谈论的是怎样把人类送往火星或者小行星带，那么我个人认为我们确实需要开发核热火箭，从而更有效地完成任务。这个话题需要另开一场讲座来讨论。核能火箭确实显著减少了所需的推进剂量，效率是化学火箭的两倍。核能火箭不需要携带那么多推进剂罐，使得载人星际航行容易了许多。

所以我们现在知道，一般意义上的火箭——不是所有的火箭，而是我们通常想到的火箭——无法在合理的时间内把我们送去另一颗恒星。不过依然还有些冷门火箭或许能做到这一点：聚变、核脉冲和反物质火箭。接下来我会依次谈论这三者。首先是聚变火箭。聚变是真实的物理现象，是太阳产生能量的方式。太阳通过蛮力实现聚变，通过自身的质量在其核心挤压原子，使得氢原子在重力作用下被挤压得如此紧密，以至于与其他氢融合产生了氦，并释放出中子和能量。这些能量的释放形式就是我们在地球上看到的热和光。多年来，科学家们一直试图在地球上复制这一过程。他们使用了极其庞大的设施并且大量输入能量，还动用了不同于我在这里展示的反应类型来实现聚变。最近几年乃至几个月，他们实际上已经成功地从聚变反应当中获得了比启动聚变反应所需能量更多的能量。输入能量与输出能量相等的情况被称为能量平衡（breakeven），目前他们已经开始实现能量增益了。一旦做到这一点，核聚变就可以实现自给自足，我们也就有了一个替代铀裂变核电站的选择，对于地球来说这是更为绿色的能源。聚变反应堆不会像传统核反应堆那样产生那么多放射性废物，也不会排放温室气体。所以如果你能把目前还需要大型建筑物来承载的聚变过程缩小到能够搭载在宇宙飞船上，那么理论上就可以将推进剂足够高效低加热到足够温度，从而将抵达最近恒星的旅行时间缩短到不到一千年。

当然，就算我们掌握了迷你聚变反应堆，星际飞船所需的规模依然是一大挑战。我是英国行星学会的成员，多年来——或者说从二十世纪五六十年代以来——该学会一直在研究聚变动力星际飞船的设计，直到最近十几年依然如此：假设迷你聚变反应堆已经问世，那么飞船的其他部分应该是什么样子？画面上是他们设计的艺术概念图。树在假想星际飞船旁边的矮小参照物是土星五号火箭，也就是1969年将宇航员送上月球的载具。由此可以看出这艘飞船多么巨大。船体上那些球体全都是推进剂罐。我们需要这么多推进剂才能将大约与旅行者号一般大、重量一吨的核心舱在一千年内送到最近的恒星。不过总而言之，这一切在理论上确实可行，我们只是还不知道具体应该怎么办。并不存在禁止这一切成为可能的基本物理定律。

接下来我想谈一项听起来有点可怕但也有点有趣的技术，也就是核脉冲火箭。你们当中些人可能更熟悉它的流行名称：猎户座计划。在二十世纪五十年代末六十年代初，美国国防部担心将来不得不在太空与苏联作战，于是他们试图弄清楚如何建造一艘太空战舰。他们需要某种高推力高效率的技术，可以在短时间内将非常大的东西送入太空，还得容易操纵，这样才能对抗苏联。所以他们当时开始了名为猎户座的秘密计划。基本设计理念如下：一艘大型潜艇，完全气密，空气和一切设备都封锁在里面，包括乘员也封锁在里面；然后将这艘潜艇垂直竖起来，尾部安装一块缓冲垫，垫子下面安装一块巨大的钢板，厚度相当于你所在公司或者住宅的房屋宽度；缓冲垫与钢板之间连接着大型减震器。具体该用什么样的减震器，我在最近去东京旅行时有了一个想法。当时我去参观东京江户博物馆，这座展馆基本上就建立在大型减震器上。这样当他们遭遇下一次摧毁城市的东京大地震时——灾难电影早已将这一幕预演了许多遍——博物馆与其中珍藏的历史将会得到保存。我可能是博物馆里唯一一个专程来参观减震器的人，一边看一遍想着我会如何利用它们来发射火箭飞船。根据设计理念，我们要在承载潜艇、缓冲垫与减震器的钢板底下每三秒钟引爆一颗小型氢弹，借助核爆推动航天器一飞冲天，最终进入太空。有趣的是，他们在二十世纪五十年代末六十年代初用非核材料进行了一些测试，实际上演示了这种脉冲燃烧机制确实可以将航天器送上太空。

几年前我在加州理工学院凯科太空研究所开会，议题是跟进旅行者号的概念式任务，任务涉及的新款飞行器要比旅行者号快四到五倍。我被邀请作为太空推进专家之一来讨论各种技术选项，想要确定怎样才能发送探测器飞出太阳系——姑且先不考虑抵达最近恒星——并且在发射人员寿终正寝之前传回数据。这项任务很有挑战性，因为飞这么快真的很难。在会议上我们请到了弗里曼.戴森博士，他是多年前猎户座计划的主要创意人。在他到达之前，组织者告诫我们，“戴森博士年纪大了。他对自己当年参与猎户座计划感到有点尴尬。请不要提起。”所以在戴森博士参会的前两天半我们全都老老实实的。第三天中午吃饭的时候，我来到餐厅一坐下就发现对面正是弗里曼.戴森。我通常都是个守规矩的人，但是这次我环顾四周，看到没有其他人在场，于是决定机不可失。我首先请他为我签名——我是他的粉丝，随身带着他的书——然我问他：“您能谈一谈您当初参与猎户座计划的情况吗？”戴森的面容突然年轻了十五岁，脸上露出了大大的笑容，开始兴高采烈地讲述他们如何进行测试，甚至为了进行未经授权的测试而擅自闯入武器库。接下来所有参会人员——大约一百人，包括组织者在内——都围拢过来，聆听戴森博士兴奋地讲述他为了猎户座项目所做的工作。这真是一次激动人心的经历，我将永远记住这一刻。

所以最终结论是这项技术确实可行。理论上，猎户座计划可以在离开太阳系之前将某个巨大的物体加速到光速的5%左右。问题是这项技术会严重破坏地球上的生物圈，所以我认为人类在可预见的未来都不会实践这项技术。又有人问：“你能在太空中建造并实施猎户座计划吗？”技术上或许可行，但是恐怕将会违反很多军备控制条约，而且还会开启将氢弹发射到太空的危险先例。所以在正式场合，答案肯定是不行、不行、不行。我们不会在短期内这样做，而且这项技术很可能还潜藏着我们尚不清楚的其他问题。但实际上这项技术并非没有可行性。

接下来是我心目当中的终极火箭，我认为自然定律不会允许我们造出比它更好的火箭了。我说的就是反物质火箭。我喜欢初代《星际迷航》，我小时候看过重播，因为首播的时候我还没出生。画面上展示剧照的这一集当中，两位角色搬着一颗蓝色的球，里面装得是反物质，因为他们要炸毁这个星球上的某些外星人。有趣的是，反物质是真实的，可以说非常真实。什么是反物质？反物质，非常简单地说——以下是高度简化的版本，除了我要提到的内容以外还有其他的区别——自然界存在质子和电子，它们有时与中子一起组成原子。一个氢原子通常由一个质子和一个电子构成，电子围绕质子运行。事实证明，在非常特定的情况下，自然界会产生某些物质，它们几乎在每个方面都看起来像质子，其中一个区别是不带一个电荷，而是带一个负电荷。它被称为反质子，在磁场当中的行为不同于一般质子，因为它具有有不同的电荷。除了反质子之外还有反电子，它们看起来就像电子，具有与电子相同的质量，但是不带负电而是带正电。这些反粒子一旦遇到对应的正粒子，就会当场验证E=mc²公式。它们的质量当中包含的能量将会瞬间转化为其他形式的能量——伽马射线、介子、K子、π介子，还有各种奇异粒子都会飞溅出来。正物质与反物质相互湮灭，相互摧毁，并且通过次级辐射释放出能量。这是完美的电池，100%的质能转换。事实证明，如果你能找到一种方式来创造和储存反物质，并且调节它与正常物质相互作用的速率，那么你就能欺骗火箭方程，并且能够建造一艘只需几百年而不是几千年就能前往最近恒星的火箭。

问题在于目前反物质还只能在自然过程当中产生，放射性衰变或者宇宙射线撞击高层大气都会产生次级反物质粒子并且撒落进大气层，然后这些反物质粒子就会与大气中的正常原子相互湮灭并且产生能量。此外欧洲的CERN粒子加速器也能产生反物质。全球总共的反物质产量大约是每年几纳克。要想前往恒星，我们将需要公吨级别的反物质，一千吨起步。目前我们还不知道如何生产这么多反物质，更不用说如何确保生产安全，或许可以将生产流程搬到太空里。我喜欢举下面这个例子：只需将一枚针盒当中的反质子倒在你所坐的桌子上，就足以摧毁大部分伦敦。我还喜欢指出另一个有趣的事实：如果你家里有一根香蕉，那根香蕉中很可能含有放射性钾原子——这其实非常常见，不要害怕我们周围的背景辐射，因为我们周围到处都是辐射。我住在阿拉巴马州北部，当地有氡气问题。氡气是自然存在于土壤当中的铀元素的放射衰变产物。所以背景水平的辐射无处不在。至于香蕉当中的放射性钾原子大约每75分钟就会衰变成氩-40并释放出一个正电子。所以你家的香蕉里很可能有一个反物质工厂。当然这只是一则趣味小知识，用不着因此就不敢吃香蕉，吃香蕉很安全。但是一旦你吃下一根香蕉，其中的某几个钾原子就会衰变，你的身体里将会出现反电子并且存在一瞬间。

那么我们该怎么办？如果依靠火箭来航行，那就需要上千吨反物质才能前往其他恒星。所以指导我的职业生涯的问题如下：还有没有其他方法？答案是肯定的。我认为我们应该利用外部能源和帆。与其携带推进剂，我们还不如借助其他方式来为这艘航天器提供能量。这样我们才能获得所需的高速度，从而真正快速地穿越星际距离。在我最近的职业生涯当中，我正在研究一项称为太阳帆的技术。太阳帆正如其名，就像帆船上的帆。但是它并非借助风力航行。风中的空气粒子在帆上反弹，这些粒子丧失了一部分能量和动量，使得风帆遭受了后坐力，而风帆又通过桅杆与船连接，并将船拖动。在太空中有很多光子——我指的不是带电粒子构成的太阳风，而是光粒子。光子没有静止质量，但是它们有动量。光子从一张既大又薄的铝箔上反弹，也会推动铝箔并给它一些动量，使它运动起来。

当然，光子的推力并不很强。如果你挑个晴朗的日子来到足球场中央，假设旁边还挨着另一个足球场，那么在晴朗的中午，阳光对于这片区域施加的压力大约相当于你手中两枚硬币的重量。光子的妙处在于恒定，因为太阳总在照耀。因此在不远的将来，我们可以使用如今我们就能制造的太阳帆进行星际航行，而且永远不会用尽燃料。太阳帆非常适合小型航天器，因为太重的东西无法获得太高的加速度。我们回头看看牛顿定律：力等于质量乘以加速度。无论飞行器距离太阳多远，受到的推力都取决于帆的面积大小，而飞行器的加速度则取决于飞行器的质量。所以如果受力恒定且想要更高加速度，飞行器就必须足够轻。目前我们能够建造的太阳帆的大小仅仅能够驱动重量小于一百公斤的航天器。将来或许可以做得更大，但是一百公斤就是当前的上限。

目前我们已经在地球轨道和行星之间开展了太阳帆测试。我参与过NanoSail-D的飞行。这款太阳帆在地球轨道上飞行，面积是十平方米。当时是2010年。那一年日本人还在行星间测试了一款将近200平方米的太阳帆，不过这款太阳帆并没有真正前往某个目的地，至少并没有借助太阳光推进飞行，仅仅在太空示范了太阳帆展开的技术。行星学会已经使用私人资金在地球轨道上部署了几个太阳帆飞行器。2017年我参与了萨里大学的太阳帆项目，名叫InflateSail，然后加拿大人也放飞了一个。NASA一直在研究非常大的太阳帆。大约二十年前我们测试了一张400平方米的帆，只是为了看看是否能在地面上张开这张帆。后来我们从这张大帆上裁下来十平方米大小的一块，用来放飞了NanoSail-D飞行器。我们还建造了近地小行星侦测飞行器，帆的面积是86平方米，几乎达到了100平方米，比NanoSail-D大了一个数量级。我们目前还在建造高级复合帆系统，面积大约是100平方米，将在明年放飞。我正在领头建造1653平方米的Solar Cruiser，它将是我们放飞过的最大的太阳帆。

说到这里，我暂时以NASA员工的身份讲两句——以下所有信息都是公开信息，我并没有告诉你任何你自己找不到的东西。目前我们已经在地面上展开了这张帆的四分之一面积。Solar Cruiser的帆要由四块画面上这么大的帆组成。画面的前景是带有金色顶部和卷轴的张帆器。薄膜太阳帆材料将会被折叠并缠绕在卷轴上。画面上闪亮的铝箔帆已经完全展开了。帆本身的厚度只有2.5微米，或者说只有头发丝这么厚，而且相当坚韧。在这张照片中你还可以看到两根黑色的条形，那些是支撑帆面的碳复合材料横杆。也可以卷曲在卷轴上。张帆器当中的电机推动横杆伸出去，使得帆展开。我的团队背靠墙站在帆的另一头。这块帆超过440平方米。我们没有足够大的室内空间来展开整个帆，因为大多数大面积室内空间都少不了支柱，我们找不到没有支柱的建筑物。张帆器则位于四块帆顶角的交汇点，用来收纳全部四块帆，并且被固定在航天器上方用来提供推力。这就是我们今天正在努力的方向。

就像任何优秀官僚一样，我在大约二十年前为太阳帆的发展写了一份路线图，在其中指出每一代太阳帆都需要比前一代大10倍。我很喜欢计算机领域的摩尔定律，于是我也有样学样地提出了太阳帆领域的莱斯定律：每当你制造出一面特定大小的帆，就会顺便学会如何建造十倍大的帆。事实确实是这样。我们在2010年飞行了NanoSail-D，面积是10平方米。我们从中学到了如何建造近地小行星侦测飞行器和高级复合帆系统，两者面积都接近100平方米。我们正在建造的Solar Cruiser面积达到了1600平方米的，而且这张帆的设计完全可以扩展到10000平方米。不幸的是，星际旅行所需的太阳帆需要达到一平方公里，我们目前还差了三个数量级。我不知道当我们有能力建造星际太阳帆的时候我是否还健在，但我希望我能看到它航行宇宙的那一天。顺便说一句，一平方公里的太阳帆需要支撑自身重量，并且足够轻，从而给我们提供前往恒星所需的推进力。因此张帆的地点必须非常靠近太阳，或者说必须在水星轨道内侧张帆。那里的阳光非常强烈，能够提供更强的阳光压力。这张帆的材料必须比当前的材料轻15到20倍。可能的选项包括单层石墨烯，这是2004年我们在英国曼彻斯特发现的神奇材料。不幸的是，我们还不知道如何制造那么大的帆，但我们正在学习，自然界告诉我们这是可能的，这不过是一项工程挑战而已。最终，我们将不仅仅依赖阳光来推动这些帆。我们将在太空中放置非常高能的激光发射器，首先使用阳光来启动帆，当它们离开太阳系的时候就转而向帆面发射百兆瓦到千兆瓦功率、由太阳供能的高能量激光。随着太阳帆离开太阳系，阳光变暗，推力下降，激光可以继续推动它们加速到越来越高的速度，直到它们最终达到光速的10%到15%，从而让它们在不到一百年的时间里前往最近的恒星。这一切在物理层面完全可行，只不过在工程层面尚有不少未知数。

我的演讲没有涉及EMDrive之类的东西。这是一款基本上违反了包括动量守恒在内的许多物理定律的驱动器。提出这项技术的人发誓它管用，但是独立测试者从未能使其生效。独立验证是高质量科学实验的标志。另一项技术是所谓的Alcubierre曲速驱动。我不是一个广义相对论专家，所以我没有进行数学推导。但一位名叫Alcubierre的物理学家做到了。

他利用了爱因斯坦的广义相对论，并意识到如果能找到所谓的负质量，你就可以在飞行器周围扩展和收缩时空，让它以极快的速度旅行很远的距离，至少从静止观察者的角度来看可能比光速还要快，同时又不至于违反因果律，因为宇宙飞船本身及其所在的小小时空泡从未超过光速，只不过时空在它后面扩张，在它前面收缩，就像冲浪者骑在波浪上一样。飞船就这样乘着时空前往了另一颗恒星。问题在于这项技术需要所谓的负质量，可是从未有人观察到负质量，我甚至不知道那是什么。如果我们找到了这种东西，那么我们可能真的会拥有《星际迷航》中的曲速驱动技术。但是现在我依然要将这项技术划归到推测物理学的范畴。我希望它是真的，但是起码目前并不是。

以上述技术为基础，让我们稍微谈谈星际旅行的问题。假设我们解决了莱斯太阳帆定律的挑战，达到了光速的10%。假设我们尽可能高效地做到了这一点，以光速的10%的速度疾驰。我们向另一颗恒星发送的第一个探测器将会是一个已经被我们微缩到一千克重的小型机器人探测器。为了便于大家思考，要知道一个菠萝大约就有一千克重。所以想象一下，我们有一张大帆，它驱动的有效载荷不是带有放射性钾原子的香蕉，而是一个菠萝。我们把这个菠萝发射向半人马座阿尔法星系，全程不减速。不是为了着陆，而是为了飞越过去并且将照片发送回家。可惜我们瞄得不准，致使这个菠萝撞到了一颗系外行星，以光速10%的速度撞击在行星表面，释放的能量相当于七颗广岛级原子弹。我们的探索之旅突然变成了一场星际战争，因为我们不慎轰炸了半人马座阿尔法星。所以我们必须确保无论我们做什么，当我们以非常快的速度旅行时，要么有办法减速，要么具备非常出色的导航能力，否则可能会酿成意想不到的后果。