星际之旅有哪些技术和障碍？

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银河系360度全景照片

Credit: ESO/S. Brunier

将殖民飞船发向太空，让人类的种子在宇宙中散播，无疑是科幻作品的热门话题。然而这样的想法，显然比发现新的宜居星球、探测外星文明要难得多。

几十年来，科学家们一直在探索如何才能实现这一伟大目标，并提出了很多设想。近日，曼斯菲尔德和萨顿天文学会会员马丁布拉多克（同时还是皇家生物学会会员和皇家天文学会会员）在他的一项研究中，对比了这些星际旅行方法的优缺点。

这项题为“深空旅行的概念：从曲速引擎和冬眠到世界飞船和低温技术”的研究最近出现在科学期刊“生物医学工程和生物科学趋势”（杜松期刊出版物）中。正如Braddock在他的研究中指出的，由于系外行星的发现，近年来人类如何探索邻近恒星系统的问题变得更加重要。

近期探测到的部分宜居行星

Credit: hpcf.upr.edu

星际旅行，有很多理论上可行的方法。然而，除了技术可行性以及所需的时间之外，还需要事先考虑到旅行对成员的生物和心理影响。

由于近年来公众对太空探索的兴趣重新回归，对所有可能的方法的性价比进行分析变得越来越必要。 正如布拉多克博士通过电子邮件告诉今日宇宙：

“目前火星任务已经原理上可行，多国的太空机构在共同努力，研究维持人类短期太空旅行（2 - 3年）时健康的方法。霍金的逝世，再次提醒了世人他当年的深空殖民信念，而钢铁侠伊隆马斯克一再强调尽量减少太空旅行的浪费，再加上国际空间站'bolt-on（扣上）'配件的丰富可扩展性，让星际旅行看上去越来越可行。”

布拉多克博士总结了5种载人星际旅行的技术，包括：超光速旅行（简称FTL, Faster Than Light），冬眠或停滞机制，抗衰老工程，能够支持多代乘员的世界飞船以及cyogenic冷冻技术。

使用Alcubierre曲速引擎的飞船效果图

Credit: NASA

超光速旅行的优点是显而易见的，尽管此时它仍停留在理论性阶段，科学家已经在尝试验证一些概念。 Alcubierre曲速引擎，是超光速旅行的关键一环。目前多个组织都投入研究，其中包括Tau Zero基金会和NASA约翰逊航天中心的Eagleworks（APPL：E）先进推进物理实验室。

简而言之，曲速引擎的工作原理就是：把飞船前方的空间压缩，后方的空间扩张，让压缩和扩张的空间之间形成势能，飞船则在其作用下向前“滑动”。一旦飞船划过的空间就会从压缩转为扩张，这个区域被称为“曲速泡”。由于飞船并未在泡内运动，只是被向前移动的曲速泡牵引，这就成功的避开了相对论中速度-质量难题。

这种推进系统的优点包括：能够在不违反相对论的前提下实现超光速飞行；曲速泡的存在还使得飞船不必担心与空间碎片碰撞；飞船可达到的最大速度没有上限。

但是，这种旅行方式的缺点同样明显：人类尚未找到方法创建这种神奇的曲速泡；创造曲速泡可能需要极大的能量；而且飞船一旦进入，如何逃离也是难题之一。

因此，曲速引擎可以说是纯理论推理，其实现方式短期内很难取得实质性突破。

“最理想的当然是实现超光速飞行，但如果这不可能实现，那延长人的寿命，甚至让人类在星际航行中繁衍也可以接受。”布拉多克博士说。 “如果能够建造出足够大的飞船，且发展出合适的推进方式（达到1/10光速），那后者显然更有可能实现。”

说到冬眠或停滞机制，它的优缺点就显而易见了。首先，这种技术比较容易实现，科学家们已经在动物和人身上展开了广泛的研究。而且，自然界就存在着冬眠现象，至少几个月这种时间尺度是毫无问题的。

而在太空旅行中冬眠的缺点，目前还无法评估。例如，长时间待在微重力环境中，可能存在组织萎缩的风险。虽然理论上可以通过人造重力或其他手段（例如肌肉的电刺激）来缓解，但是仍需要临床试验来验证。由于实验本身可能给人造成伤害，这又带来了一系列道德问题。

抗衰老工程师另一种有用的技术。通过扭转衰老过程，使人来参与长期航天飞行成为可能。通过这种技术大幅延长寿命，已度过漫长的星级之旅。然而由于时间过于漫长，整个旅行中需要持续或多次执行此种操作，对人体不同组织会产生什么影响同样是未知数。

谈到世界飞船（或称世代飞船），这种能够自持的宇宙飞船大到足以容纳几代太空旅客。飞船依靠常规动力，因此需要几个世纪（或数千年）才能达到另一个恒星系统。而飞船本身就可看作一个殖民地，在到达下一个宜居星球之前，能够保证数千成员的生存。

但是，如何建造如此巨大的飞船，显然是一个挑战。而派遣这么多人去“太空流浪”听上去也不是很道德。首先，船员们是否会在特殊环境中发狂，甚至自相残杀？另一方面，随着地球科技的进步，先发射出去的世代飞船在飞行过程中，可能会被最新研制的更高级的飞船超越。那么花费巨大的代价研制这种飞船是否有意义呢？

世代飞船想象图

Credit and Copyright: Nils Faber & Angelo Vermeulen

最后讨论的是通过低温技术来延寿，过去几十年中科学家们已经对此开展了广泛的研究。和大程度上，这个概念可以看作休眠技术的延伸。但是由于飞船成员完全冷冻，飞行时间的长短将不是问题。当然这项技术也有未知的风险：长期冷冻对人类或其他高级生物的神经系统会产生什么影响还不得而知。而解决这个问题需要的临床研究，又将面临道德挑战。

综上，我们还需投入大量的研究才能得出定论，何种技术更适合太空殖民之旅。当然，派遣机器人成员去探索能够克服很多问题，但是只是获得飞船传回的外星球的数据，显然不如人类亲自达到有诱惑力。

突破摄星光帆飞行器效果图

Credit: breakthroughinitiatives.org

派遣无人探测器进行太空殖民，更像是冯·诺依曼提出的“病毒”概念。无人探测器飞抵一个宜居星球，就地取材自我复制，并向更远的目标进发。

回到现实，近期可见的星际之旅，只有突破摄星计划（Breakthrough Starshot）。该计划将发射星片（StarChip）光帆飞行器，以1/5光速前进，20年内到达半人马座阿尔法星，并用4年时间传回比邻星b的高清大图。

除此之外，涉及冒险到太阳系外部的所有任务都包括机器人轨道器和探测器，所有提议的机组任务都是针对派遣宇航员返回月球和火星。尽管如此，人类刚刚开始进行太空探索，我们当然需要完成探索我们自己的太阳系，然后才能考虑探索超越它。

而其他太空任务，则基本都是围绕月球和火星展开。希望人类通过这些短途旅行尽快取得突破进展，有朝一日派飞船飞跃柯伊伯带和奥特星云，去看看外面的世界的精彩。

原文见于Universe Today网站

编译：赵琨

编排：赵琨 | 配乐：解仁江

责任编辑：解仁江

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三体人派来的无人探测器--水滴

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