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宇宙,人類最後的邊疆:在我們有生之年「星際旅行」能否如期實現?

1圖片來源:《星艦迷航記》
《星艦迷航記》影集裡的「企業號」(Enterprise)星艦。

早在1960年代後期,人類《星艦迷航記》(Star Trek)的最後之年推出便吸引不少大眾對於航天的理想,而後陸續有《星際爭霸戰》、疆們《銀河飛龍》、有生《銀河前哨》等一系列的星際現作品催生而出。每一集的旅行開場白如下:

宇宙,人類最後的期實邊疆。這是宇宙企業號星艦的航程。它的人類五年任務,是最後之年去探索未知的新世界、找尋新的疆們生命與文明、並且勇敢踏入前人未至之境。有生

Space: the final frontier. The星際現se are the voyages of the starship Enterprise. Its five-year mission: to explore strange new worlds. To seek out new life and new civilizations. To boldly go where no man has gone before!

時至今日,我們依舊著迷於這些題材。旅行屈指一算,如今已是21世紀了,距離這些科幻影集的推出也有近乎一甲子之久。如今,我們依然駐足於地表——身為普羅大眾的你我,依然需要仰望星空、或是翻開科幻小說,才得以探尋無垠的星海。那麼,故事裡西元2300年的星際旅行究竟是否能如期實現?這篇文章將要帶領你以科學與歷史的角度探索太空航行的發展與可行性。

太空探索的當前進展

二戰結束後,冷戰時代的美國與蘇俄競相對峙,一連串的「太空競賽」驅使人類對於外太空的探測與登佔。舉凡1957年蘇聯發射第一顆人造衛星、1969年美國「阿波羅計畫」使人類初步登入月球,皆是太空探索的濫觴。

爾後,更有太空梭的發明、國際太空站的設立、乃至於今日不少私人企業皆相繼開發太空旅行相關領域。然而,目前「太空旅行」並非普遍可行的,即使從2000年開始陸續有民眾參與,但平均每日須耗費3萬5000美元,由此可見,太空旅行在現今仍然是所費不貲、成本並非普通民眾所負擔得起。

Aldrin_Apollo_11圖片來源:維基百科
阿波羅計畫,讓人類得以登陸月球。

太空飛行器方面,除了最典型的固態火箭,還有液態火箭、離子推進器、脈衝電漿體火箭等各型推進器被開發出來。另一方面,以奈米技術為基石的「太空電梯」(space elevator)仍處於開發階段。值得喜悅的是,現今已有不少飛行器飛往星際,例如:1977年NASA發射的飛行器「航海家2號」在2018年已經以第三宇宙速度(約每秒16.7公里)離開太陽系、正在往更遙遠處探尋。

總體而言,核力與電磁場是目前較有潛力的候選者。光帆(solar sail)與磁化帆(magnetic sail)目前也是處於技術未成熟的階段,前者是利用太陽的輻射壓、後者是利用太陽輻射的帶電粒子。目前人們對於電力的應用十分成熟,但對於「磁力」,或許磁浮列車是個典範,然而尚未能將磁效應普遍應用於運輸生活中。就目前趨勢來看,除了核能,「光」、「電」、「磁」或許可以視為太空技術上的新興市場。

星際旅行的歷史序曲

20世紀中期,美國推出了「獵戶座計畫」(Project Orion),烏拉姆(Stanisław Ulam)、戴森(Freeman Dyson)等科學家相繼投入研究,可以視為星際旅行發展的先鋒。

獵戶座計畫倡導「核脈衝推進」(nuclear pulse propulsion),意即透過一連串核爆作為推力、航向星際。核脈衝的推力可以造就每秒1萬5000公里左右的動力,然而在1963年《部分禁止核試驗條約》簽署後,獵戶座計畫也宣告終止。

ProjectOrionConfiguration圖片來源:維基百科
1940至60年代「獵戶座計畫」中太空梭的設計圖

儘管如此,人們對於太空探險的心依舊不滅。1970年代,英國星際學會推出「代達羅斯計劃」(Project Daedalus),主張以無人星際飛船探索以巴納德星(Barnard’s Star)為主的星體,透過「核融合火箭」(fusion rocket)、承續獵戶座計畫中的氫彈方法,在五十年內以光速的12%航往其他恆星。

不過,核融合火箭固然足以產生巨大能量推動太空船,然而時至今日尚未被成功打造出來。從歷史角度剖析,不難得知:核能在上世紀不僅僅是戰爭武器來源、同時也是科學家對於星際旅行的構想雛型。至於現今,核能不再主宰一切,光、電、磁乃至於重力反而逐漸蛻變為潛力股。

當然,運用電磁場推動飛船的概念也非新創事物。早在1960年代,「巴薩德衝壓引擎」(Bussard ramjet)便曾一度廣為人知,其原理乃是透過龐大的電磁場作為「漏斗」收集、壓縮漫佈在星際空間中的氫元素,並在磁場中壓縮至核融合反應足以發生,從而產生巨大的能量、透過磁場產生的反作用力推動飛行器,最高能產生每秒3萬公里的動力。而巴薩德衝壓引擎目前仍處於理論階段,畢竟核融合方面的技術尚未成熟、更何況要將這些程序套用在電磁場中推動飛行器。

恆星際旅行的展望

設想一下:你不再受限於太陽系中,你可以自由地遊歷南門二、天狼星,你甚至可以造訪「超級地球」格利澤667C(Gliese 667C)。當一提到「恆星際旅行」(interstellar travel),方才所提到的各式推進器——離子推進器、電漿推進器、核脈衝推進器、核融合火箭、巴薩德衝壓引擎、乃至於反物質火箭——都可以派上用場。

就目前而言,技術和經濟效益上有所侷限,因此恆星際旅行的夢想可能至少要留待本世紀末、乃至於數百年後才有機會實現。

Bussard_Interstellar_Ramjet_Engine圖片來源:維基百科
「巴薩德衝壓引擎」曾被視為恆星際旅行的主要工具,其核心是一個衝壓發動機,而周圍一英里存在一個無形的電磁場。

恆星際旅行最常見的交通工具莫過於「星艦」(starship),前面幾節所提到的「獵戶座計畫」、「代達羅斯計畫」皆可以視為星艦構想的藍圖;對於那些渴望親眼瞥見宇宙彼端恆星的人們而言,星艦可以說是最佳的選項。它的特色在於:不僅僅是發射一個探測器,而是要能夠載人,因此可以想像,如此大規模的飛行器必然要價不菲,同時也面臨諸多技術上的瓶頸。

然而,搭乘星艦最常見的問題就是:在不違反狹義相對論的框架下,星艦必然以低於光速的速度航行,但往往抵達鄰近恆星便需費時數十年、或者數百年。


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