外星人会造访地球吗？科学家详解星际旅行原理

但这种新获得的正当性是否名副其实？作为一名研究飞机和航天器设计的航空航天科学家，我借助数学、物理学和工程学原理来审视这个问题。要评估外星访客的可能性，就需要理解一艘外星飞船抵达地球需要克服哪些障碍。

我们的太阳系中没有证据表明存在智慧外星生命。因此，任何外星访客很可能都必须来自银河系内的另一个恒星系统。

距离太阳最近的恒星比邻星位于4.25光年（约25万亿英里或40万亿公里）之外。

打个比方，如果地球只有豌豆大小，那么到比邻星的距离大致相当于纽约到澳大利亚悉尼之间的距离。

鉴于星际距离的规模，任何外星飞船前往地球的旅程都必然会跨越多年，甚至可能长达数个世纪。但随着旅途时间的增加，灾难性事故或系统故障的风险也会增加，这些都可能危及整个任务。因此，通过尽可能快的速度来避免过于漫长的旅程就显得尤为重要。

任何物体都无法达到或超过光速（约每秒186,000英里或300,000公里）。但在接近这一阈值之前，工程上的限制就开始显现。有限的燃料供应以及结构损坏的可能性将限制飞船的最高速度。

目前对于星际航行速度没有一个普遍接受的上限，但研究往往趋向于将每秒19,000英里（30,000公里/秒）——即光速的10%——作为一个现实的巡航速度。以这一速度，10光年的旅程大约需要100年才能完成。

找到一种方法将飞船加速到目标巡航速度，是任何潜在的外星探索者面临的核心挑战。

星际空间浩瀚无垠，但空空荡荡也有其优点。没有大气意味着没有空气阻力。因此，当飞船达到巡航速度后，它可以关闭推进系统，依靠惯性滑向最终目的地。不幸的是，没有大气也意味着在抵达前没有任何东西能让飞船减速。所以理想情况下，推进系统既要在旅程开始时用于加速，也要在结束时用于减速。

一种更奇特的推进策略是使用高功率激光束推动飞船穿越太空。激光束从旅行者母星附近的一个固定阵列发出，射向飞船上一面薄薄的反射帆。激光束的光子对帆施加辐射压力，推动飞船前进。

这种方法的一大优势是不需要携带燃料。但运行激光所需的能量和基础设施将极其庞大。此外，光束推进无法提供减速机制。充其量，这种方法只能作为混合策略的一部分，利用另一套系统进行减速。

更实用的方法是使用火箭推进。火箭通过向后喷射高速排气流产生推力。通过改变排气的方向，火箭也可以用于减速。

它们的主要缺点是，除了搭载乘客、栖息舱和其他生命维持系统外，火箭还必须携带自己的燃料。额外的负载需要更多的燃料。换句话说，你需要燃料来运输你的燃料。结果就是代价高昂的雪球效应，导致总燃料需求膨胀到荒谬的程度。

火箭推进大致可分为三大类。

化学推进利用化学反应——通常是燃烧——从原子之间的化学键中提取能量。迄今为止所有的人类太空任务都使用化学推进。这种方法的问题在于，它只能利用燃料中所含能量的一小部分。

因此，在一艘巡航速度为每秒19,000英里（30,000公里/秒）的飞船上使用化学推进，所需的燃料将超过可观测宇宙中所有物质的质量总和。

反物质推进在理论上是最有效的选择。当反物质与普通物质接触时，两者会发生相互湮灭，其总质量的100%转化为能量。这使得在燃料质量不到飞船总质量四分之一的情况下，就能达到同样的巡航速度——光速的十分之一。这是科幻小说级别的燃料效率，使反物质成为星际推进的一个有吸引力的选择。

缺点是反物质极其不稳定且难以制造。迄今为止，粒子物理学家仅制造了不到200亿分之一克的反物质。此外，这些粒子的寿命只有几分之一秒，成本却高达数亿美元。

核聚变为反物质提供了一种更可行的替代方案。这种方法利用与太阳供能相同的原理，从原子核内部获取能量。以目前的技术，聚变发动机仍停留在理想阶段，但理论上，每千克聚变燃料所能产生的能量是化学火箭的一千万倍。

尽管如此，一艘以每秒19,000英里（30,000公里/秒）巡航速度飞行的聚变动力飞船，所需的燃料仍将达到飞船自身质量的150倍。

这些数字假设我们的外星访客已经弄清楚了如何高效地将反应堆——无论是核聚变还是反物质——释放的能量转化为推力。

同样重要的是，他们必须能够设计出优化后的燃料箱结构，既要超轻量级，又要高度安全。从燃料箱到船体，飞船结构的设计将是整个任务中最大的工程挑战之一。

星际空间中零星散布着氢原子和微小的宇宙尘埃颗粒。以每秒19,000英里（30,000公里/秒）的速度飞行时，尘埃颗粒撞击飞船船体的能量相当于一颗。22口径的子弹。氢原子的轰击会产生剧烈的辐射级联，即使是现有最具韧性的工程材料也会被侵蚀。

要在这种猛攻下幸存下来，至少需要一座配备复杂磁屏蔽的飞行堡垒。这会增加飞船的总质量，从而进一步提高对燃料的需求。

这个例子只是困扰任何星际飞船的数百个微妙设计权衡之一。每一个单独的设计要求都像一道过滤器，减少了可行解决方案的数量。

要找到一个同时满足所有要求的单一系统，就像在网上买车一样。每应用一个新的筛选条件——四轮驱动、黑色外观、里程表读数少于10,000英里——可选的选项就会减少。

当设计要求相互矛盾时——例如，要求结构既轻便又极其耐用——可行解决方案的数量可能会降至零。

没有任何一条物理定律禁止外星飞船前往地球。但数百个极端且往往相互冲突的工程要求共同作用，可能会使这在物理上变得不可行。

归根结底，工程挑战只是星际旅行的众多障碍之一。任何潜在的外星访客还必须具备足够的认知能力、技术成熟度、物理资源、集体意愿以及与地球的接近度。

话虽如此，如果天时地利人和凑齐，一艘外星飞船完好无损地抵达地球，它将引发一连串迫切的问题：他们从哪里来？他们想要什么？他们是由什么构成的？

但最能揭示宇宙深层奥秘的问题是：“他们究竟是怎么到这里的？”