我个人的观点是,能让人类飞出太阳系并进行系外探索甚至是定居的科技目前还不存在,但是科技是不断进步的,未来谁都不好预测。
目前来说飞出太阳系进行系外探索主要有以下几个主要问题:
为什么去?
人类历史上从来都不乏探险家,从发现新大陆,到第一个登月,从发射探测去去深空,科技的进步与人类对未知的好奇心推动人类探险的脚步一步步向前,但即使是如此,对于人类自身来说,目前也只有数百人真正进入太空,数十人真正的登陆过外行星,而且登月还是建立在一个很特殊的历史背景下。所以光有野心是不够的,人类都希望稳定的,普通民众更在乎自己的工作生活稳定,当局者在意政局的稳定,在一切稳定的前提下才会做出一些尝试,而且尝试的程度是和当前时代背景下国家的政治经济水平相关联的,可以看看NASA每年的预算相比军费的比例。所以除非有足够合适的理由或者人类的经济水平有了大幅度的提高,才可能进行更大规模的尝试。而且伴随好奇的还有对未知的恐惧,这一切都需要时间。还有一种可能是要发生一种毁灭文明的灾难 ,使我们不得不抛弃当前熟悉的环境从地球撤离,即使是那样,带上全人类走也是不现实的,但是至少人类能保存希望的火种。
去哪里?
目前人类探索系外行星主要是Kepler Mission,开普勒望远镜围绕太阳轨道旋转24小时不停地扫描那些系外行星,观测行星的密度、大小、半长轴、推测行星的构成以及该系统内行星的数量,目前已经记录的行星有10w之多,但是光我们的星系有上千亿恒星之多,每颗行星都可能有伴随的行星,相比起来仍然很少,所以这是个长期任务。
要找到适宜的行星,最直接的就是距离母星的距离,不能太近,那样液态水会蒸发掉,太阳辐射太强烈,无法生存。不能太远,那样会太冷,同样无法生存,这个不远不近的距离,被天文学家成为Goldilocks Zone(宜居带)
A diagram depicting the Habitable Zone (HZ) boundaries
宜居带最直观的感受就是金星,水星和火星,相对于地球的轨道而言,金星与太阳的距离近了30%,而火星远了50%,也就是说从接受阳光的角度来讲,要么太多了要么太少了。从而让这两个行星都不适合宜居,而正好处在宜居带上的地球孕育出了生命。目前观测行星,特别是遥远行星轨道手段还比较有限,一般通过观测行星经过母星的时候产生的小型“日食”来推测行星的质量以及距离母星的距离,天文学家根据推测表面情况,以及行星构成,从而判断行星是否宜居。
目前开普勒观测到的行星不乏可能为宜居行星的目标,比如著名的开普勒-452b,于2015年7月24日发布,1.6倍地球直径,可能有液态水和大气,现在不能说Kepler-452b究竟是不是“另外一个地球”,只能说它是“迄今最接近另外一个地球”的系外行星。如果要发起Exoplanet探索,他是一个很重要也是很有希望的目标。
那么,我们什么时候向这些行星进发呢?实际情况是,Kepler-452b距离地球1400光年,换言之 1.3\times10^{16} 公里,在这个距离可不是一句我们的征途是星辰大海然后扬帆起航就可以的,所以就牵扯到下一个问题。
怎么去
目前人类的太空飞行主要依赖航天飞行器(probe),在可预见的未来也会是这个,而对于人类来说,最关键的是速度,系外的行星对于我们来说太远了,人类的生存时间很有限,所以必须更快的过去,那这就牵扯到一个很重要的问题:Propulsion technology(推进器技术),目前人类所使用过的技术都无法在一个合理的时间内到达系外行星,未使用过的技术谁都没有把握,主要有以下几个技术
Chemical fuel (化学燃料)
这个方案是不现实的,你绝对不可能用化学燃料进行深空探索,就像猫追自己的尾巴跑一样,随着速度越来越大,需要的燃料越来越多, @太空精酿 的答案中有对逃逸速度的解释,当你速度低于太阳系的逃逸速度时,引力就会把你拽回来,会让你越来越慢,所以燃料的储存是一个无底洞,而且携带人类之后,飞船本身的重量会大大增加,因为要携带一系列的life support equipment(生命维持装置),比如食物,由于行程很长,靠储存的食物维持不现实,你需要在飞船内建立一个自己的生物圈,通过模拟光合作用和气候来建立一个“素食农场”,这些都是额外的质量,而越大的质量会让推动飞船需要更大的动力,所以化学燃料不是很靠谱。
plasma(电浆\等离子体)
类似化学燃料一样,plasma是用电力使飞船能更快排出废气,从而达到高速,但同时涉及到燃料储存的问题。
Solar sails(太阳帆)
这个是一个很热门的项目,包括NASA负责研究推进科技的JPL(Jet Propulsion Laboratory)也做过
JPL Solar sails
太阳帆的原理是:光其实是由一种很小的能量粒子“光子”组成,大家小时候应该都做过用放大镜聚光产生燃烧的实验,太阳帆也是一样的原理,你晴天的时候出去可能感受不到,但是其实落在你身上的光子在推动你,太阳帆其实类似风吹帆船的帆从而推动帆船前进的,光子产生的动能转化成推进力。如果将太阳帆做的足够大,足够轻,就能达到很高的速度。但是太阳帆的问题同样很明显,在离太阳越来越远之后,所能接受的光子越来越有限,想保持原来的速度很难,就跟在沙漠中开车一样,在油越来越少的时候,同时有很长一段旅程没有加油站,只能被迫放慢车速。
剩下2种未经严格实践的方式,现在还不敢说很有把握。
anti-matter(反物质)
这是近几十年,很多推进工程师最期待的材料。反物质是物质的同卵双胞胎,有着相同的质量,但是有着相反的电荷或者自旋,有趣的是,正反物质互相接触之后,会相互湮灭,100%的转化效率转化成能量,根据爱因斯坦 E=MC^{2} 这是巨大的能量,核武器的效率仅为15%,化学炸弹则更低,所以很少量的反物质能产生惊人的能量。但是反物质一反面制造成本非常非常高,另一方面我们还未掌握将反物质长时间储存的技术,更别说利用他当做推进材料,所以这种材料的使用还需要时间以及科技的进步。
Orion Project(猎户座计划)
这个是一个可行的且没有什么明显缺陷的设计,在1940的曼哈顿计划时,有一个参与计划的科学家叫史蒂夫乌拉姆提出了一个计划:用原子弹作为飞行器推进燃料,通过在飞船后方引爆核弹,产生推进力推进飞船飞行,如果持续引爆,可以达到一个很高比率的光速。1960年,弗里曼戴森和泰德泰勒根据这个理论用传统炸药制作了一个可行的模型,叫做砰砰计划,用传统炸药将载具送进大气层,证明了该理论的可行性。但是在冷战结束后美国总统签署了禁止核子试验的条约,禁止向大气层投射核弹和进行核试验,项目也就没有继续研究下去,理论上如果出现必须要离开的情况的话,我们可以继续该项目的研究,但目前为止,这个方法尚和反物质一样属于理论阶段。
但即使是上面两种科技,在相对于人类寿命的尺度来看,依然是无法接受的,而且太空远比我们想象的危险,旅途中可能遇到各种小行星的撞击,以及致命的宇宙射线,这都是生命不能承受之重,所以我们暂时还无法给出一种合适的星际旅行的方案。
至于曲率飞行这种东西,只能说过于理论化,目前的科技距离这类科技还相差太远,但是科技是不断进步的,也许未来可能实现,但是目前还是看不到任何希望。
所以我们面临一系列的问题,这些问题都不是能轻易解决的,太空是人类最终的边疆,他激励了一代代的科学家为之付出青春,从而让人类在太空的探索中不断进步,虽然未来谁都无法预料,但是我们应该有的心态始终应该是心怀敬畏的同时心怀希望。人类的文明特别是现代科技的历史还很短,未来还是充满希望的。
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