从蒸汽机到虫洞，人类不断发展，逐渐走向宇宙-米儿火

我前期发的文章《宇宙时空之旅，跨越亿万光年的旅途，绝对震撼！》里，大家可以看到，人类认知已经从古代“天圆地方”的宇宙观扩展到100多亿光年外的地方，而且已经发现了星系团、超星系团这些大型宇宙结构，虽然人类眼光放得很远，但从实际来看却始终没有走出围城，这座围城就是太阳系，更确切来说是地球，人类始终走不出去，究其原因，就是运输工具的低效，那么今天我们就聊聊运输工具的发展和展望，看看哪些最有可能带领人类走出太阳系，走向宇宙。

蒸汽机

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机。典型运输工具就是蒸汽机车。

蒸汽机车

蒸汽动力直到现代还在使用，现代蒸汽机的最大的优点是它几乎可以利用所有的燃料将热能转化为机械能。比如原子反应堆既不直接产生机械能，又不直接产生电能，原子反应堆实际上只是加热水，这个水被沸腾后的蒸汽通过蒸汽机来转化为有用的功。但蒸汽机需要缺点也很明显：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

所以，从探索宇宙这方面说，蒸汽机效率不高且稍显笨重。

内燃机

内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。

内燃机

广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的喷气式发动机，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。

旋转叶轮式的喷气式内燃机

活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。

常见的有柴油机和汽油机，通过将内能转化为机械能，是通过做功改变内能。

内燃机可以说承担了现代社会大部分的探索宇宙任务。因为现代火箭使用的发动机，都是利用冲量原理，自带推进剂、不依赖外界空气的喷气发动机。它将推进剂贮箱或运载工具内的反应物（推进剂）变成高速射流，由于牛顿第三运动定律而产生推力，而火箭发动机里面大部分都是内燃机。

发射火箭探索宇宙

但由于宇宙空间空无一物，所以内燃机要在宇宙中使用，就必须同时携带足量的燃烧剂和氧化剂，而且如果在其他星球着陆，然后返回的话，还要携带更多的燃料，这些必然会增加宇宙飞船的重量和大小，也限制了宇宙飞船的飞行范围。

核裂变火箭

20世纪50年代，核电站、核动力船舶、核动力飞机等技术设想层出不穷。大胆的科学家把目光投向了美国和苏联逐渐膨胀的核武库，他们打算把这些核弹作为火箭燃料，推进飞船飞向遥远太空。这个铸剑为犁的计划就是"猎户座核火箭计划"。

核火箭的技术论证最早出自美国核科学家乌拉姆。其原理是使一颗颗小型原子弹在飞船尾部相继爆炸而产生反作用力推动飞船前进。如果每颗原子弹的爆炸当量为1000吨TNT，估计爆炸50颗原子弹后飞船速度可达12千米/秒。1958年，美国核科学家泰勒在此基础上提出了"猎户座"计划。按照泰勒的设想，每颗原子弹的爆炸当量为2000吨TNT（在大气层外），爆炸50颗这样的原子弹后，飞船的最大速度可达70千米/秒。该火箭可以用来发射大型载人行星际飞船，可以用125天飞到火星，用3年时间飞到土星。

猎户座核火箭

现在看来，猎户座计划几乎没有任何明显的技术缺陷。然而，它却有一个最大的弱点，那就是它依赖于原子弹爆炸做动力。当它在大气层内飞行时，必将释放出核辐射尘污染地球环境。这也正是猎户座计划最终没能实现的原因之一。也许核火箭的舞台，只能从更遥远的深空找寻。

核聚变火箭

核聚变火箭想象图

核聚变火箭不是在像猎户座那样在外部爆炸原子弹，而是依靠内部的发动机，在一个磁场构筑的"燃烧室"中，向核燃料球发射电子束，产生离子。用磁场限制等离子体的办法维持持续的核聚变。这将比猎户座计划的核裂变更高效，因为猎户座计划中原子弹的大部分爆炸能量都没投射到船体上转化为动力。但直到今天，经过周密论证的核聚变火箭计划——"代达罗斯计划"所需要的大量核心技术仍是纸上谈兵，没有核聚变火箭，没有氦-3（普遍存在于月球和木星）开采技术，在轨道上建造几万吨的航天器也近乎天方夜谭--只有区区300多吨的国际空间站就花费了20年时间进行组装建设。而且核聚变火箭花费巨大，必须以大型国际合作项目的面目出现，而且核火箭对乘员的核辐射也非常巨大。

当然，科学家也在不断的寻找新的方法把核能运用到宇宙探索中。

太阳帆

太阳帆（英文名：Solar sails）是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。由于这种推力很小，所以航天器不能从地面起飞，但在没有空气阻力存在的太空，这种小小的推力仍然能为有足够帆面面积的太阳帆提供 10e－5～ 10e－3g左右的加速度。

太阳帆飞船概念图

光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的推力只有0.9达因，还不到一只蚂蚁的重量。

如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，它获得的1.5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。

由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的最快航天器快4—6倍。即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍。太阳帆接受光压的作用，它不仅可在需要时改变航天器的运行轨道，而且能不断加速飞行。

突破摄星计划示意图

太阳帆的升级版——光帆，霍金提出的“突破摄星计划”，目标是开发数千个邮票大小的能达到相对论速度的光驱动“纳米飞行器”——航行速度最高可达光速的20%，飞往我们最近的恒星系半人马座阿尔法星星系，并发回照片。突破摄星探测器在地球轨道上张开光帆，一组高能激光会依次为探测器加速，这也是太阳帆的原理，只是光源是地球发出的激光。

但是太阳帆在宇宙探索中也有很多弊端，如果太阳帆轨道高度低于800km，太阳帆基本就没有用武之地了，因为此时大气阻力的影响比光压要大许多。只有当轨道高度大于这个限度时，太阳帆才能在光压的推动之下产生一个非常微小的加速度，通过数月的累积达到足够的速度。太阳帆通常要做得很大，而载荷相比之下就非常小了。直到现在，太阳帆的展开依旧是一个不小的难题，另外太阳帆还缺乏灵活性，难以进行随意的加速减速和轨道调整。

等离子发动机

等离子体发动机

新型航天器推进（技术）被设计成使用电磁力将中性气体转化为能产出推力的超高温等离子体，如高级等离子体火箭推进器。这种技术能彻底缩短行星间星际传送时间，使人们在一个月内达到火星，而以现有推进力则最少需要六个月时间。然而还需要人们几个世界的努力才能使其速度达到光速的15%并实现星际飞行。而那时这项技术将被设计的更好，以适应未来火星短期旅行和其他星际航行需要。

EmDrive

EmDrive是一项看似违背物理定律的无燃料引擎。EmDrive引擎最初由英国研究人员罗杰·肖耶尔（Roger Shawyer）于十几年前发明。该引擎的原理是，让光子微波在密闭的锥体内部反弹，从而在锥体较细的一端产生推力，推动宇宙飞船向前飞行。但从牛顿的运动学第三定律来看，这是不可能实现的，因为任何运动都会产生大小相等的反作用力，而EmDrive引擎不会向外喷射任何废料。

EmDrive引擎的一款原型机

EmDrive引擎只需十周就能将人类送上火星，但专家此前一直认为该想法不可能成真，因为它违反了基本物理定律。但由NASA约翰逊航空中心的哈罗德·怀特（Harold “Sonny” White）带领的研究团队的确检测到了微弱的推力。在这项最新研究中，研究人员对该设备在真空中的表现进行了测试，结果发现“前进时、后退时和静止时的推力数据显示，该系统可以产生每千瓦1.2毫牛顿（正负波动0.1）的推力，十分接近该系统在空气中运行的平均性能”。怀特与同事们在论文中指出，这一推力高达太阳帆的100多倍。

与太阳帆类似，EmDrive引擎不需要任何推进剂，采用该推进系统的宇宙飞船可通过太阳能帆板产生所需的微波。因此，EmDrive引擎可以大大降低太空旅行的成本，提高飞行速度，帮助我们更好地探索宇宙。

星际冲压发动机

星际冲压发动机又称巴萨德冲压发动机(Bussard Ramjet)，因为它是美国物理家巴萨德(Robert W. Bussard)在1960提出来的，典型的巴萨德冲压发动机其实也是一种核聚变发动机，其理论基础是在恒星间并非完全的真空，通常都有一种稀薄的气体弥漫其间，这就是星际物质。虽然这种物质密度极低(每立方厘米约有100个氢原子)，但聊胜于无。如果能采集无处不在的星际物质作为发动机燃料，则飞船的理论续航能力可以达到无限远。

巴萨德冲压发动机

该飞船前方漏斗状的收集器收集星际物质中的氢元素，氢元素可作为飞船核聚变发动机的燃料使用。飞船飞行速度越高，收集效率也越高，这就像是蓝鲸张开大口过滤海洋中的浮游生物一样，它根据的是德国空间科学家尤金·桑格原理。此原理认为，两个质子聚合形成中子时，能产生推力。冲压式喷气发动机飞船长约三公里以上，如果该飞船能够保持10米/秒^2的加速度(略大于地球表面的重力加速度)，不到一年时间，速度即可达到光速的77%。

但巴萨德冲压发动机也有很大缺陷，因为星际空间氢元素非常稀少，所以该发动机必须达到光速的6%（每小时6400万公里）才能让发动机开始工作，因为只有达到这个速度，才能让氢收集器收集到足够的氢作为燃料。星际间的尘埃颗粒对高速飞行的飞船船体是一个巨大威胁，除此之外，星际物质中的带电粒子也会给船员的健康和电子设备带来致命的损伤。具体来说，以光速30%运动的一千克物体蕴含的动能相当于百万吨TNT炸药的能量；以亚光速飞行的飞船，撞上静止的尘埃颗粒也会因巨大的相对速度而被击毁，而没能被磁漏斗阻挡的带电粒子则会形成高能粒子雨，损伤船员的DNA和精密电子设备。

磁单极子火箭

磁单极子是理论物理学弦理论中指一些仅带有N极或S极单一磁极的磁性物质，它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布。科学界之所以如此感兴趣于磁单极子，是因为磁单极子在粒子物理学当中的重要性，大统一理论和超弦理论都预测了它的存在。这种物质的存在性在科学界时有纷争，直到2009和2014年这种现象在实验室中被创造出来。

虽然它在自然界中的存在还亟待观察，但这已经表明它可以在不违反物理学定律得到情况下存在。它能为未来的飞船提供无尽的能量以及深不可测的速度潜能。

“慢船”也可用于星际旅行

科学家们也提出了所谓的 “慢船”概念，这些想法未来某一天或能将人类送往其他星系。

人类慢船

其一是“睡船”。在这种船上，人类宇航员在漫长的星际旅途中，处于“深度睡眠”或“假死”状态。这一想法已在多部科幻小说中出现，比如电影《阿凡达》等。

其二是世界船舶，也称为是下一代船舶或者星际方舟，它将是巨大的能自给自足的太空栖息地。

第三种方案是胚胎飞船，它会将低温冰冻的人类胚胎而非活人送往遥远的殖民星球，一旦到达目的地，这些人将“破壳而出”，并且由机器人“保镖”对其进行教育。

反物质火箭

使用神秘的正常物质的对立物——反物质，来为宇宙飞船供能，听起来是个怪异的念头。然而这或许是太空航行历程中下一次飞跃，而且该火箭比其他类型的火箭更有威力。其面临的最大难题是如何真正地创造并储存反物质粒子，然而最近天文学家发现在我们身边就有一种丰富的为地球磁场所捕获的反物质资源。即将进行的火箭项目如“VARIES”也使用高强度激光来制造，从来自太空真空环境中的制造粒子和反粒子并使它们碰撞以释放100亿倍于氢氧燃烧系统的能量。如果足够数量的反物质被发现，那么飞船就能以接近光速的速度前行。

夸克物质矿块

夸克物质（Quark matter）也被称为量子色动力学物质（QCD matter），可能存在于一些特别大的中子星，可形成稳定在较低的能量状态。一些科学家怀疑一种少见的拥有巨大质量的小行星群，其核心中藏有产生于宇宙大爆炸中的浓缩的夸克物质。这些奇怪的物质是宇宙中随处可见的超高速旋转小行星，而且每个物质都被计算出拥有100到1000亿公斤重的夸克物质。未来能够开采这种物质的宇宙飞船，能够使用这些矿块来制造数量巨大的反物质，从而推动飞船以接近光速的速度航行很长一段时间。

曲速引擎飞船

爱因斯坦的时空理论认为，有质量物体的运行速度不可能超过光速。但墨西哥理论物理学家米给尔·阿库别瑞在1994年提出了通过“曲速驱动（Alcubierre drive）”原理打造的阿库别瑞引擎，装有该动力系统的宇宙飞船可利用爱因斯坦方程中特殊的时空“漏洞”形成展延空间，从而避开宇宙中任何物体的运动速度都不可能比光速快的定律。

曲速引擎

阿库别瑞设想的“曲速驱动”方式是在一艘形状似足球的宇宙飞船外形成一圈巨大的环，该环需要特殊的技术制造，其功能是使飞船外部的时空弯曲，并围绕着飞船形成一个曲速泡。

去年曾有报道，美国国家航空航天局（NASA）的一名研究人员称，他们已经成功地在高真空中进行了电磁驱动实验，实现曲速引擎的使用，这意味着有朝一日能让人类以超光速的速度遨游太空。

虫洞旅行

另一个“超光速”概念是利用跨维度的虫洞，虫洞（Wormhole）又称爱因斯坦-罗森桥，是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。这一概念从理论上来说也是可行的，但目前还不存在。在2014年上映的电影《星际穿越》中，土星附近神秘地出现了一个虫洞，这条穿越时空的隧道通向一个遥远的星系，人类可以穿过这条隧道，找寻一个可以殖民的星球，以延续我们的文明。