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【科普】五种可能的星际旅行的方式全面分析@土豆泥

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未来的星际旅行是一个宏大的命题,感谢题主 @吉鑫磊 把我邀请进来。
在开始讨论问题之前,我们先从历史中的一个小片段开始:
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(Voyager 1)和2号(Voyager 2)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号的事不提,要了解的朋友去这里:Space Today Online -- The Pioneer spacecraft still areoutbound)。
作为追寻星辰大海中生命火种的重大使命之任务载体,星际航行这种技术既是人类空间争霸的阿喀琉斯之踵,同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号飞出了日球层,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,它将会飞过其路线上距离鹿豹座的恒星格利泽445(目前正在以119km/s的径向速度接近我们的太阳)最近的位置:1.6光年,这是一个什么概念呢?1.6光年=100915.2AU(1AU=150000000km,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(Oort cloud)最外层到太阳的距离。
得益于当时176年一遇的行星连珠(thegrand tour)大事件,旅行者号飞船得到了强大的引力助推作用,使其速度达到了远超于太阳系逃逸速度的数值(大于先驱者和新视野号的速度,对比数值详见Spacecraft escaping the Solar System):

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,大家点进这个网站感受一下:旅行者一号的距离
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比邻星(Proxima Centauri),以对准比邻星的方向和高达17.043km/s的对日速度匀速航行,也要花上73775年的时间!
另外,旅行者1号使用的是放射性同位素热电机(Radioisotope thermoelectric generator)来进行发电,其原理是利用热电偶阵列接受一些合适的放射性物质(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、普通发电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2025年以后,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星际旅行,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:https://www.youtube.com/watch?v=EzZGPCyrpSU
为模板,为大家呈现五种可能的星际旅行方案:
伊·马镇楼

记得开wi-fi哦


IP属地:福建1楼2016-06-14 20:38回复
    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。如果把它们用作燃料,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到恒星的千克级别。
    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物质总量。
    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,而这将会是非常棒的一种尝试,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,但如果我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······


    IP属地:福建4楼2016-06-14 20:39
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      5.黑洞引擎(Blackhole Drive)
      或者按照科幻小说——Schwarzschild Kugelblitz(史瓦西球形闪电)

      Kugelblitz! Powering a Starship With a Black Hole这篇文章花了一大段讲这种科幻技术,太长了。
      我为大家摘一段维基上的介绍:
      In theoretical physics, a kugelblitz (German:"ball lightning") is a concentration of light so intense that it forms anevent horizon and becomes self-trapped: according to general relativity, ifenoughradiation is aimed into a region, theconcentration of energy can warp spacetimeenough for theregion to become a black hole (although thiswould be a black hole whose originalmass-energy had been in the form ofradiant energy rather than matter). In simpler terms, a kugelblitz isa black hole formed from energy as opposed to mass.
      引自Kugelblitz (astrophysics)
      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质量,而是来自于光。
      根据爱因斯坦的广义相对论,足够高能量密度的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,同时也很难帮助星际战舰提速更不方便夹带。

      根据视频里的计算
      一个质量的黑洞(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的辐射功率!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天内帮助星际战舰提速至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。但唯一的缺陷就是,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。
      中场休息一下


      IP属地:福建6楼2016-06-14 20:41
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        ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
        不过,即便人类发展出了未来恒星际超级旅行方式,达到了无限接近光速的水平,宇宙中仍然有太多人类无法触及到的空间、恒星、行星、星系等等。银河系就像被困在水晶球里的小物体一样:

        我们看看Kurzgesagt – In a Nutshell(视频地址:https://www.youtube.com/watch?v=ZL4yYHdDSWs)是怎么介绍这个概念的?我就简单摘抄几段:
        这是我们的银河系:

        里面盘踞着数千亿颗恒星,气云,暗物质、黑洞、中子星、行星,在星系中央有着一个超大质量黑洞,看起来挺稠密的,但是期间大量都是一无所有的空间(量子涨幅后面会说)。
        银河系并不孤单,它与仙女星系和五十多个矮星系组成了“本地星团”的一部分——一个直径一千多万光年的区域,而“本地星团”只是“拉尼亚凯亚超星系团”中的一员,有百万个与“拉尼亚凯亚超星系团”相似的超星系团构成了我们的可观测宇宙。
        然而,“本地星团”已经是我们能够触及的最远界限

        尽管“本地星团”很大,但实际上,它只占可观测宇宙的

        zero point zero zero zero zero zero zero zerozero zero zero one percent(大家快来跟我一起念)


        IP属地:福建22楼2016-06-14 21:54
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          IP属地:安徽来自Android客户端25楼2016-06-16 06:33
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            厉害啊!


            来自Android客户端26楼2016-06-16 08:12
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              楼主真棒


              IP属地:上海来自Android客户端28楼2016-06-16 12:29
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                已经收藏了


                IP属地:上海来自Android客户端29楼2016-06-16 12:30
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                  原创?


                  来自Android客户端32楼2016-06-17 10:34
                  回复
                    !!!!!


                    IP属地:江苏来自Android客户端34楼2016-06-17 23:20
                    回复
                      !!!!!


                      IP属地:江苏来自Android客户端35楼2016-06-17 23:20
                      回复
                        !!!!


                        IP属地:江苏来自Android客户端36楼2016-06-17 23:20
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                          还是本帅最近修炼的空间跳跃大法最靠谱,最主要是无需能量环保不污染宇宙,空间各角瞬间移动


                          IP属地:云南来自Android客户端37楼2016-06-17 23:48
                          收起回复
                            看好光帆,也许以后的星际旅行分为近日航行与远洋,近日航行用光帆,远洋用混合型,或是其它的。


                            38楼2016-06-18 12:17
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                              每次看到这些,我就想说!我看不懂


                              IP属地:江西来自Android客户端39楼2016-06-18 16:36
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