你知道人类目前最快的飞行器速喥是多少吗飞行多久才能抵达1光年以外?1光年是表示以光的速度飞行一年的距离
你知道以人类目前最快的飞行器飞行多久才能飞1光年嗎?
目前为止飞得最快的人造飞行器是美国NASA公司在2018年射的帕克太阳探测器,它的飞行速度打破太阳神2号在1976年创下的最接近太阳的飞行纪錄同时也打破了目前人类世界最快的飞行纪录,因为距离太阳越近所受的太阳引力飞行器作用越强,轨道速度必然越快在去年2018年11月嘚时候,帕克太阳探测器第一次飞到近日点当时距离太阳大约2480万公里,对应的轨道速度为95公里/秒这个速度是什么概念呢?一千公里大概只需要10秒钟左右更直观点说就是从上海到北京,大概只需要6秒钟的时间
你知道以人类目前最快的飞行器飞行多久才能飞1光年吗?
但昰和一光年相比起来还是微不足道如果以帕克太阳探测器当时的近日点速度飞到1光年外,所需的时间将近1万年自人类文明诞生以来,湔后也不过才5千年而已从公元2000多年前一直飞到现在还不到1光年的一半距离。
即便以帕克太阳探测器未来经过变轨之后所能达到的最快的192公里/秒的速度飞行飞行1光年的距离,也需要将近2000年左右
你知道以人类目前最快的飞行器飞行多久才能飞1光年吗?
在浩瀚的宇宙中如果以人类目前的文明技术,如果想进行星际殖民或者是星际旅行简直就是痴人做梦。你觉得未来人类有可能做到星际殖民吗
你知道人类目前最快的飞行器速喥是多少吗飞行多久才能抵达1光年以外?1光年是表示以光的速度飞行一年的距离
你知道以人类目前最快的飞行器飞行多久才能飞1光年嗎?
目前为止飞得最快的人造飞行器是美国NASA公司在2018年射的帕克太阳探测器,它的飞行速度打破太阳神2号在1976年创下的最接近太阳的飞行纪錄同时也打破了目前人类世界最快的飞行纪录,因为距离太阳越近所受的太阳引力飞行器作用越强,轨道速度必然越快在去年2018年11月嘚时候,帕克太阳探测器第一次飞到近日点当时距离太阳大约2480万公里,对应的轨道速度为95公里/秒这个速度是什么概念呢?一千公里大概只需要10秒钟左右更直观点说就是从上海到北京,大概只需要6秒钟的时间
你知道以人类目前最快的飞行器飞行多久才能飞1光年吗?
但昰和一光年相比起来还是微不足道如果以帕克太阳探测器当时的近日点速度飞到1光年外,所需的时间将近1万年自人类文明诞生以来,湔后也不过才5千年而已从公元2000多年前一直飞到现在还不到1光年的一半距离。
即便以帕克太阳探测器未来经过变轨之后所能达到的最快的192公里/秒的速度飞行飞行1光年的距离,也需要将近2000年左右
你知道以人类目前最快的飞行器飞行多久才能飞1光年吗?
在浩瀚的宇宙中如果以人类目前的文明技术,如果想进行星际殖民或者是星际旅行简直就是痴人做梦。你觉得未来人类有可能做到星际殖民吗
在开始讨论问题之前我们先从曆史中的
1977年的8月和9月,承载着时人重大梦想的旅行者号飞船1号(
)相继出发离开地球(这里只讲旅行者号,因为篇幅所限先驱者10号和11號的事不提,要了解的朋友去这里:
作为追寻星辰大海中生命火种的重大使命之任务载体
这种技术既是人类空间争霸的阿喀琉斯之踵,哃时也是打通宇宙帝国河西走廊的任督二脉说它如何重要都不为过,我在这里为大家大致梳理一下旅行者号的时间线:
早在2013年的9月NASA就宣布了旅行者1号飞出了太阳系,成为现时距离地球最远的人造飞行器也是第一个进入星际空间的航天器,而在40000年后它将会飞过其路线仩距离鹿豹座的
(目前正在以119km/s的径向速度接近我们的太阳)
:1.6光年,这是一个什么概念呢1.6光年=AU(1AU=km,1个天文单位定义为地球到太阳的距离)大约是海王星到太阳距离的3400倍,相当于奥尔特云(
)最外层到太阳的距离
得益于当时176年一遇的
(the grand tour)大事件,旅行者号飞船得到了强夶的
的数值(大于先驱者和新视野号的速度对比数值详见
根据NASA的数据,在2012年时他们得到旅行者1号的对日速度是17.043km/s这个速度有多快呢,大镓点进这个网站感受一下:
但即便是这样要抵达距离太阳系最近的恒星——半人马座的南门二三合星系统中的
),以对准比邻星的方向囷高达17.043km/s的对日速度匀速航行也要花上
另外,旅行者1号使用的是放射性同位素热电机(
)来进行发电其原理是利用热电偶阵列接受一些匼适的放射性物质(比如放射性同位素钚238),然后转化其衰变时所放出的热量为电能进行供电
虽然它比燃料电池、锂离子电池、普通发電机和太阳能电池在无人维护或者太阳光照不足的条件下更有优势,但是因为其燃料源的放射性衰变使得放射性同位素热电机的发电功率持续的下降,以每年4.2Watt的速度减少所以每隔一段时间,旅行者1号就会关闭一项功能以保存剩下的仪器运转正常比如在2010年它就停止了紫外线分光计的观测,而到
以后就不再会有足够的电力能源保障其余的仪器正常运作了。
如果我们想要在短时间抑或几代人的时间内完成煋际旅行那么我们就必须指望新科技或者就有技术的提升,下面我将根据youtube的这个视频:
为模板为大家呈现五种可能的星际旅行方案:
1.傳统火箭燃料型(Traditional Rocket Fuel)人类史上最快的载人航天器飞行记录的保持者是阿波罗10号,曾经达到39897km/h的速度换算一下就是11.08km/s,那么以这个速度奔向南門二(Alpha Centauri距离太阳系最近的恒星系),也要······120000年!额······究竟还想不想看《名侦探柯南》的结局了?
这还没完呢星际旅行Φ,
才是最大的问题因为动量守恒sucks!
而我们知道,最大速度与火箭排气速度、燃料质量和飞行器质量有关换言之,就是依据齐奥尔科夫斯基火箭方程(
排气速度(exhaust velocity)实际上跟引擎的性质有关选择不同的引擎,不同的燃料其排气速度可以从几千到几百万米每秒不等,這里有一个引擎列表网站大家可以一览:
长征五号起飞的质量大概是869吨。如果你想要在人类生命的有限时间内达到南门二那么航行的速度至少要达到
,把数据带入一算你会发现,呵呵所需要的燃料质量有这么大:
比可观测宇宙(~10^53kg)还要大!显然是不可能的了。
所以這有一种解决方案装载
数量较少、但能量密度很高的燃料来推进达到10%的光速:
没错,这就是第二种恒星际旅行方案:Fusion!
2.核聚变动力型(Nuclear Fusion)为什么不试一试直接在飞行器尾部不断引爆核弹然后依靠爆炸来推进呢?这个概念其实早就有了美国的猎户座计划()的核心宗旨僦是利用核弹引爆推进:
在上世纪50年代的后期,弗里曼·戴森和泰德·泰勒等人就这个项目煞费苦心,但是没办法,1963年的《部分禁止核试驗条约》(
)直接中止了这个项目合约中明确说明了不能在外层空间包括大气层、外太空进行一切核试验有关的活动。
但是让我们假设人类的生存条件危在旦夕,不得不使用这项技术了并且现代的
已经足够先进。把星际战舰总质量的3/4都腾给
300000颗当量1兆吨的氢弹并在1个朤内逐次逐个地引爆这些核弹,以1g的加速度来加速至
这样我们就可以在44年内到达到达南门二喽假设我们不需要减速下来的话。实际上高速航行的减速一直是很大的难题,一般需要使用一半的燃料进行减速所以就意味着实际装载的燃料只能提供到5%的光速,不过那也没关系还是可以在
完成这个单程的旅途。也就是说需要
在星际战舰上的传承,并保证星际宝宝能安全的出生和成长
对于核弹的建造,我們早已不再陌生其他部件不管难度如何,都不会阻拦这项科技成为
在未来当具有更加复杂的磁性限制以及防止等离子体不稳的控制方案提出后,
就有可能发明出来进一步提高比冲量、效率,减少燃料载量比如·······
代达罗斯计划是英国星际学会在1973至1978年之间倡导嘚研究计划,考虑使用无人太空船对另一个恒星系统进行快速的探测其技术就是运用核聚变火箭推进,并且只要50年在一个人的有生之姩内,就可以抵达另一颗恒星巴纳德星(除南门二之外距离太阳系第四近的恒星,公元11800年时会距地球仅3.85光年,那时它就会成了除太阳鉯外离地球最近的恒星)被选择为其中一个主要的目标
虽然是一个无人探测器,代达罗斯却重达5.4万吨相当于半艘尼米兹级核动力航空毋舰的质量,其中燃料的质量达5万吨科学仪器质量只有区区的500吨。因为实在太大所以这个探测器将在地球轨道上建造。代达罗斯探测器是个两级的飞行器第一级工作2年,把它加速到光速的7.1%之后第二级工作1.8年,把它加速到光速的12%然后关闭发动机,在茫茫太空中巡航46年最后到达目的地。因为在太空中要经受住极低温的考验探测器外壳大量使用了铍,使飞行器在低温中仍然能保持结构强度
因為我的专业不是高能物理方向,把话语权暂时转给wiki吧:
惯性约束聚变是一种核聚变技术这项技术利用激光的冲击波使得通常包含氘和氚嘚燃料球达到极高的温度和压力,来引发核聚变反应 以激光进行惯性约束聚变的图解。蓝色箭头代表激光;橘色代表固态球状核燃料向外爆裂的力量;紫色代表因激光热能而产生向内的惯性作用力
1. 激光光束,或是以激光产生的X光快速加热燃料球表面,在周围形成等离孓体
2. 燃料核因为表面爆裂产生向内的反作用力,遭到挤压
3. 当燃料核的密度比铅还大二十倍,温度到达 ?C进入最后阶段。
4. 压缩后的燃料核产生的热量快速向外放射,发散的能量是激光光束加在燃料球上的数倍
这种火箭其实是一种电磁推进器,利用无线电波电离并加熱推进剂同时加载一个磁场来加速产生的等离子产生推力:
VASIMR最早是被定位于空间托运用途,一般用于轨道转移交通工具使用VASIMR加速后托運力可以达到34公吨——从低地轨道到低月轨道而只需要8公吨的氩气推进剂,而普通的化学火箭则需要60公吨的液氧-液氢推进剂
使用高速档嘚VASIMR,其排气速度可以达到惊人的
但是聚变只能把不到1%的静质量转化成能量,如果我们能做到接近100%呢
这就是我们要谈的另一种选择·······
3.反物质引擎(Antimatter Drive)反物质和物质一旦相遇,就会相互吸引、碰撞而100%转化为光并释放出的巨大的能量这个过程叫做湮灭。如果把它们鼡作燃料则能源效率极高无比。
举个例子10g的反物质引擎,可以让我们在1个月内到达火星
不过最大的困难是收集、扑捉和保存反物质。我们都知道反物质无法在自然界找到,要有的话也是稍纵即逝的短暂存在比如放射衰变或者宇宙射线等影响。即便人们可以在实验室内制造出反物质又或者在粒子加速器里合成,但也是非常缓慢而且造价及其昂贵一次只能得到少量的反质子,到不了那种可以航行箌恒星的千克级别
假设我们能达到量产反质子的水平,比如达到现在产能的100万亿万亿倍那么反物质火箭(更特定地说是π介子火箭)就有可能成为一种选择了:
让质子和反质子进行湮灭,你会得到带电的以近光速移动π介子(charged pion)再加载磁场后,这些π介子就可以提供推进力,它所能提供的能量密度是最优化的核聚变火箭的50倍之多那么,降低燃料的装载量意味着星际战舰的最大速度只取决于夹带的反粅质总量
于是50%的光速就成为了可能,这样我们到南门二的旅途只要花费10时间再进一步,逼近80%的光速也是有可能的而这将会是非常棒嘚一种尝试,因为时间膨胀效应得到显著加强以宇航员为参考系:
只需要3年零三个月的时间。
火箭和推进器的设想确实非常酷但如果峩们根本就不需要装带推进剂呢?如果我们能“帆航”至别的恒星呢
下面就是基于这个理念的另一种星际旅行设想······
4.光帆(Light Sail)光帆,顾名思义跟普通帆船不同的是,它们依靠不是普通的风力而是由光组成的“光风”
大多数关于光帆的设计都是用在太阳系内巡游嘚探测器,比如来自行星协会的Bill Nye等人合力推动的“Light Sail Probe”项目这个项目的目的就是利用太阳的光线进行推进而不用装带任何的化学燃料。因為太阳发出的光子本具有能量和动量所以借助这些光子的反射,光帆可以得到推进加速虽然反弹的动量较小,但却是可持续的
我摘兩段话出来,大家看看:
这是一张光帆1号于2015年6月8号在地球同步轨道上拍摄自己的“帆布”的一瞬间:
但这样的尺寸只是典型的无人飞行器設计形态
如果我们想要载人风帆呢?如果我们采用不同的材质和光源呢
设想一种风帆的帆布上是由长和宽约一公里的蓝宝石(
)铺展嘚涂层覆盖,通过巨型的空间激光射线推进引航而这种激光的爆波能量相当于100个核电站之多!
是刚玉宝石中除红色的红宝石之外,其它顏色刚玉宝石的通称主要成分是氧化铝——Al2O3),是因为其具有
想象一下建造在月亮之上大型He-3反应堆或者围绕太阳轨道的大型太阳能板噭发出的光线:
因为我们并没有装载任何的燃料,所以风帆的最大速度只取决于激光的能量、激光的瞄准程度以及帆布的大小
射线的有效距离越长,所获得的速度也就越大达到10%的光速或者稍微更大一些是有可能的。
当然了在目的地减速又是一个很大的问题。有人提过鼡目标恒星的stellar wind(恒星风)来减速不过也是难度很大。尽管如此在不断扩大光帆尺寸之后的载人,以及能超过10%的光速的可能确实令人无限向往
最后一种,可能最酷炫、也许最作死、但却最碉堡的是······
这篇文章花了一大段讲这种科幻技术太长了。
我为大家摘一段維基上的介绍:
简单来说呢就是利用人造的黑洞来为引擎提供动力。这种黑洞不是产生于
根据爱因斯坦的广义相对论足够高能量密度嘚激光束汇聚于足够小的一个区域,可以扭曲这个区域的时空构造产生一个奇点——Kugelblitz(在德语中由球形闪电的意思)这是一个单纯由能量激发而成的黑洞。一个正好尺寸的黑洞可以提供巨量的霍金辐射如果尺寸越小,辐射越快寿命也越短,尺寸太大辐射则过慢,同時也很难帮助星际战舰提速更不方便夹带
的黑洞(相当于两座帝国大厦的重量),其尺寸只相当于一个质子而这样一个黑洞可以达到
嘚辐射功率!相当于全球总能量消耗的10000倍!
这个黑洞会在三年半辐射殆尽,假设我们能提取大部分的辐射这样的功率能在20天内帮助星际戰舰提速至10%的光速,在三年半的时间内也许能加速至70%的光速毫无疑问的是,这个技术将会比其他任何一项科技都要快都要酷。但唯一嘚缺陷就是制造出黑洞的激光功率需要比黑洞的功率还要大,因此对比其余技术这也是离我们最远的最远的科技。
我们来算算实际情況根据大型强子对撞机(
的质子质子对碰实验能释放出
的能量,如果我们把这些撞击的能量转化为黑洞那么根据质能方程:
我们可以夶致算出这个黑洞的质量为
可以大致算出这个黑洞的史瓦西半径为
你会发现,这个集合我们目前为止最强力的对撞实验所释放的能量所可能制造的黑洞其存在时间只有,呵呵呵
什么概念呢?宇宙大爆炸理论中的暴涨时期(
!比暴涨还要短的多的多的多
辣么不说别的,洳果我们能弄到史瓦西半径接近普朗克长度的黑洞呢
那么我们可以算出这个黑洞的质量M大约为:
如此,根据霍金辐射这个黑洞的寿命呼之欲出:
豁出去了,再把数量级增大15个点如果能弄到级别的史瓦西黑洞嗫?
我们来看看这个黑洞的质量M:
打开霍金辐射出招后得到:
寿命可以有7个小时左右
下面我们来算算这个黑洞在一开始时的温度:
!而如果把这温度变换成能量的话就是
!這也就意味着霍金辐射出的粒子
那么黑洞辐射出的功率能有多少呢大家看看:
这个功率水平大约是全世界2010年平均电力消耗的
那么我们离目前可能出现的最小黑洞还有多长的道路要走呢?
首先定义一下这个所谓的
:当你把一个普朗克质量限制在一个普朗克体积所获得的黑洞。
然后我们看一下LHC的13TeV这个数据。需要
的撞击来完成这个能量的需求呢
LHC现在有2808束质子流,每束有
只质子而这些仅仅是一个普朗克质量黑洞所需能量的
同时工作同时释放所有的质子流才能够达到最小黑洞的能量需求,然后我们还得把这些能量压缩到一个普朗克体积(
)Φ去来完成这个最小黑洞完全不可能!更别提这个黑洞几乎在瞬间就蒸发光的事实了。
上面讲了5种未来的星际旅行方式大家在看过我嘚***后,
觉得哪种是最快的航行方式呢哪种又是最为实际最为可能的呢?老实说如果我们必须要在极短的时间内移民或者殖民成为跨星种族,那么我选择核聚变动力型飞船比如猎户座计划的设计。我们至少拥有核弹技术要做的只是增加现有基础的200倍核储备,当然這个绝对违反《部分禁止核试验条约》
可能离我们至少50年之远,但
聚变型引擎相比其他技术要更加的可持续假设我们现在就尝试这个計划发射飞船的话,人类会在
反物质引擎和球形闪电黑洞推进器它们还在遥远的未来。如果
失败的话它们会成为最有可能的替代品——让人们以相对最为接近光速、最纯粹的时间膨胀和尺缩效应的体验在银河系遨游。
如果我们没有人类火种的重任在肩那么
值得一试。峩们可以远洋第一艘光帆运载型
至南门二从发射之日起不减速,需要45年的时间再花个4.5年来接受信息。当然载人光帆离得还很远,但昰完全可行
所以,人类的第一次星际旅行可能就会在光帆和聚变引擎之间的胜者上出现但不管是哪一种,都会如史诗一般众人传唱。
不知道大家注意到没有上面突然提到了
,喜欢科幻的亲们应该不会陌生这里专门劈出一段聊聊:
说曲速引擎就不得不说一下米格尔·阿库别瑞先生,这位墨西哥物理学家率先提出了阿库别瑞度规(
阿库别瑞同时也是一位科幻迷,非常喜欢电影或文学中超光速的概念(
)受到星际迷航(Star Trek)系列作品的启发,他决定进行一番探索并吸纳了金·罗登贝瑞的“Warp”概念,于是给他的阿库别瑞度规起名“Warp Drive”矗译或来就是“曲速引擎”
啥也不说了,直接上人家的大作吧:
换句话说阿库别瑞先生用爱因斯坦理论的数学语言构建了一个曲速场。
洏其中一个爱因斯坦广义相对论方程的解允许了FTL的存在。
首先需要说的是这个解并不违反我们认知的物理法则,并不违反宇宙速度极限的原理我们知道,光速涉及到
广义相对论并没有限制时空中
两个独立点之间的相对速度最明显的例子就是我在之前的***中
讲到的,根据哈勃常数距离我们460亿光年之远的可观测宇宙的边界上的点正在以
远离地球上的观察者(观察者的参考系),即便二者在自己局部嘚参考系内都是静止的但是这个“速度”也已经妥妥的超了光速:
另外,在一个黑洞的视界(event horizon)以内时空像瀑布一下
,顺带着一切光、物质和猴子等等:
模式时空可以用常数坐标t来表示为类空超曲面的叶片状结构,所以阿库别瑞度规的广义形式为:
是递减函数代表嘚是相邻超曲面之间的固有时间间隔;
是位移矢量,将不同超曲面空间坐标系统联系起来;
是每个超曲面上都具有的正定度规
然后他定義了以下两个函数:
特别的,给出另一个函数f:
分别为大于零的任意参数
然后他给出了这种特殊形式的结构:
本质上这是一种描述平直、优美的时空被一张由极度扭曲的曲线构成的泡泡包裹起来的度量张量,像这样:
这种曲速泡泡使得飞船(2)后方的时空(1)扩张前方嘚时空(3)收缩,结果就是飞船不断地被时空反复推拉,以一种只受限于时空扭曲强度的速度前进在这个泡泡中的星际战舰就像被时涳夹裹着前进,自身都感觉不到加速这有点像制造时空特质的传送带,相对于传送带你是静止的,但是传送带却以超过光速运行
但昰这其中最大的问题是,你通过这种特殊形式的度规一个4-速度垂直于超曲面的观察者会测量到这个:
熟悉不,看过虫洞科普的童鞋们应該会知道负能量密度<img src="<a
可惜的,现在并没有办法实现负能量密度的大量化我们可以通过卡斯米尔效应量子级别的制造负压,但在宏观条件下你可能需要某种奇异物质。
在物理学中异常物质(英语:exotic matter)指的是与普通物质不同,具有奇异特性的物质的统称异常物质有以丅几种:
- 假想的具有反常物理性质的例子,例如具有负能量者它们可能打破已知的物理定律。
- 未确认的假想粒子如奇异重子,其性质鉯既有的物理学看来可能并不奇异
- 极端的物质状态,如玻色-爱因斯坦凝聚这类物质完全符合已知物理定律。
- 物理学中所知甚少的物质如暗物质。
很遗憾现代物理还木有发现奇异物质。
曲速引擎的设想还有一些其他的小问题:
1.任何超光速的装置在原则上都可以被用来被制造时间机器但是斯蒂芬·霍金在1992年的论文中提出的时序保护机构/机制(
)阐释物理定律不允许宏观尺度的时间旅行,由此避免时间悖论
霍金这种设想的更深层理念植根于
禁止了曲速引擎的出现。
一种可能出现的量子灾难就是(曲速场)这种极端的尺度会造成内部结構被霍金辐射严重伤害:
2.另一个问题就是假设你能制造出负质量物质,要凝练出曲速场部分的负质量物质需要被扩散到曲速泡的外围,而这就意味着当你以曲速前进时,这部分粒子就会被甩到后面