反物质、聚变和太阳驱动帆驱动的航天器可能把我们带到星际空间。

罗伯特 · 弗里斯比（Robert Frisbee）喘着气高兴地往山脚一座大楼慢慢走去，这就是加州帕萨迪纳美国宇航局的喷气推进实验室。圣加夫列尔山脉形成极漂亮的背景，太阳把一月份的空气暖和到了春天般的温度，但弗里斯比好像没有注意到这一点。实际上，他的志向是非常远大的。确切地说，弗里斯比正就星际空间谈论我们有朝一日怎样乘宇宙飞船旅游星球的问题。

尽管这个问题听起来是远离现实的，但谁都可能想到每个量度——星球之间的巨大距离和按数十年计量的旅行时间，以及需要某些研究人员称为“奇迹”的技术进步。然而，我们并不缺少怎样征服“最后新领域”的极佳推想。美国宇航局的几个中心以及某些大学、研究所和公司的研究人员都在拟订促进创新技术的实验基础。虽然描写去其他星球旅行很久以来就是科幻小说的主题，但今天它已成为美国宇航局长远战略目标的组成部分。美国宇航局的原始计划设计了一系列性能先进的望远镜，最终将导致绕1000个星球旋转的地球状卫星成像。根据这种设想，美国字航局局长丹 · 戈尔丁（Dan Goldin）说，他希望宇航局在今后25年内开始执行星际飞行任务。为了推动这种必需的进步，“我们必须提出击中其要害的目标。”

科学家们认为，即使在这个初步阶段，该任务也明显超出了可能出现的困难和仍可能继续存在的困难。从大规模宇宙着手，1977年9月5日发射了以阐明该问题所涉及范围为目的的“旅行者1号”宇宙飞船。超速飞行20多年后，现在它几乎以51000英里/时的速度飞行在地球68亿英里外的轨道上。即10光时左右的距离（1光时等于光以186000英里/秒的速度在1小时内行走的距离）。但离地球最近的星球是比邻星，它离地球的距离为4.3光年，即25万亿英里。据弗里斯比及其喷气推进实验室的同事斯蒂法妮 · 利弗（Stephanie Leifer）计算，如果旅行者宇宙飞船行驶在正确方向上，那它完成这次旅行的时间则为7_年。可是星际飞行任务必须按人类时间标准进行，即在人类寿命范围内进行。这就意味着“慢速”飞行任务的最大限度为40年，而更符合人类需要的快速飞行任务则为10年。

然而有了爱因斯坦，以高速飞过巨大距离为目标的宇宙飞船也必须同狭义相对论作斗争。该理论指出，当物体运动接近光速时，其质量就会增大。比如说航空器要在10年内飞抵比邻星，它就必须以近半光速的速度向前飞行。如果采用这种速度，航天器的重量就可能是原重量的1.5倍。以分析这种飞行任务为职责的化学家弗里斯比用另一种方式说：“如果你乘诸如旅行者之类的1吨重宇宙飞船，并使其速度达到1/2光速，那它就需要今天人类一个月生产的全部能量。”即使能把宇宙飞船的油箱造得足够大，传统化学火箭也不具有完成这种任务的能量或能量密度。

最后的一件事：能量是使诸如旅行者号之类的宇宙飞船飞往太阳系的外星时达到加速和滑行的一种推进需要。但停止在星际目标上环行或在星际目标上降落时，为了降低速度，宇宙飞船就必须耗尽能量。弗里斯比说：“根据推进的观点，我们已使这种需要量直接翻了一番。”

那么星际飞行任务的计划者该做什么？弗里斯比说：“即使聚变没有产生足够的能量，毕竟你也多少（对宇宙飞船的发动机）坚持了聚变或反物质。”别的主要选择是把发动机留在家里。例如，停留在绕太阳运行的轨道上的太阳动力激光器可把带薄帆的航天器推过空间。弗里斯比说：“根据我们现有的知识水平，目前这种设想是不可能完全实现的......或许是可能实现的。”

例如，采用反物质。如果反物质与普通物质接触，它们就会湮灭；两者的质量则会变为能量。喷气推进实验室的斯蒂法尼 · 利弗说：“我们知道反物质-物质反应具有最大的能量密度。”这种反应能释放带电粒子，这种粒子可从使用磁性“喷管”推进的宇宙飞船后部导出。带电粒子运动极快，大约为光速的1/3可是，利弗说：“我们不知道怎样制造（适合反物质发动机的）足够大的喷管。这并非完全不可能，但非常棘手。”

再谈谈另一个大问题。一台纯反物质发动机可能需要与华盛顿纪念碑体积相当的几千吨反物质和附加物质。但在今天，像费米实验室和欧洲原子核研究委员会之类的专门实验室只不过生产了几毫微克反物质。利弗推测说：“我们也许不得不在太空中建立收集反物质的基础结构。”

这种努力可能是防御性的，因为反物质可以用于诸如消灭某些癌瘤及其成象之类的医学应用。但还有别的问题。反物质不能与物质接触，所以很难用磁性收集器超量储存，反物质还会阻止带电粒子碰撞物质容器壁，不使带电粒子湮灭。

物理学家杰拉尔德 · 史密斯（Gerald Smith）及其小组提出了一种大量减少反物质需要量的方法。他说：“在我看来，我们甚至永远也不可能拥有1吨反物质。我们认为我们能使1微克反物质燃烧，我们可以预言反物质与现代技术有关系。”使什么燃烧？聚变反应。

他的小组正在几条战线上着手解决这个问题。第一，在宾夕法尼亚建立了反物质收集器，理论上它能容纳10亿个反质子，即反物质的带电正粒子。该试验的成功鼓舞了许多研究人员，他们和亚拉巴马州亨茨维尔市马歇尔航天中心一起，在今夏完成了一个更大的反物质收集器的建设。史密斯估计这个收集器容纳的反质子可能是较小收集器的10000倍。该收集器可能使计划中的反物质等离子枪的最后试验得以实现，从而点燃聚变反应。

像太阳之类的恒星中心发生的核聚变需要高压和高温。“低”温聚变在150万摄氏度开始。人们打算使反物质等离子枪产生诱发聚变的足热温度。迄今为止，聚变试验只能使其反应维持几秒钟就烧尽了。

在宾夕法尼亚取得的第三部分成就正在形成发动机的流行概念。史密斯的“目的之星”发动机概念提供了维持聚变反应的方法。该概念从少量反物质开始，反物质与铅或铀接触，使反物质发生裂变。裂变释放的能量有助于推动氘（即“重”氢）和氦形式的裂变反应。高温产生带电负电子的等离子体和正原子核，而磁性喷管则把带电粒子导向推进器。

但这种高温喷管不会受到破坏吗？史密斯答应“我将对这个问题做工作。”

史密斯的另一概念是避免熔化的问题，实际上每次只熔化一点点。他说：“我们正用我们的才智进行工作，尽快前进。如果有一种能到达星球的技术，那它就是反物质。”

另一个被称为巴萨德冲压喷气式发动机（Bussard Ramjet）的聚变方法，试图通过根本不带许多燃料的办法来解决重量问题。这种概念反而要求能从星际空间获得所需的大磁场“收集器”。当然，这种收集器比地球上任何时候产生的收集器都大得多——约为地球-月球距离的1/3，以现代实验室的力量制造比这大许多倍的收集器是可能的。喷气推进实验室的利弗描述了这个系统，她说：“你需要选择燃料，加以压缩、加热，从宇宙飞船后部喷出燃料而不降低其速度，不过我们还不知道怎样做这件事。”

弗里斯比说，最初，太阳帆可能比反物质或聚变有希望。“根据最周密、最完整的发展计划，太阳帆可能是第一步。”几十年前，罗伯特 · 福沃德（Robert Forward）首先构想出了这项计划，他是休斯公司的退休物理学家，现任美国宇航局顾问；领导福沃德无限公司，即正在开发空间系链的华盛顿克林顿公司；撰写科幻小说。

按照福沃德的基本概念，激光束可以“推动”太阳帆，也就是说被称为光子的光粒子具有向帆传递的动量。该计划需要很大的发射镜，飞行4.5光年、直径约几十公里的帆和无数千兆瓦的发电。多级飞行任务可使太阳帆抵达目标时实现减速。

喷气推进实验室的物理学家亨利 · 哈里斯（Henry Harris）是太阳帆的另一个建议者。他说：“你长时间都需要大量能量，如果你能从太阳取得能量，那太阳帆就不成问题了。”今春，哈里斯及其小组在美国宇航局的报告中略述了太阳帆的多功能飞行任务。我们可以制造多路激光器，把它们放入环绕太阳的轨道上；把激光器相锁起来就能产生选择用作宇宙飞船推力和使目标星系成像的强大激光束。这种激光束也可用来推动地球-轨道宇宙飞船，为地球提供动力，甚至可用来摧毁有威胁的彗星和小行星。哈里斯说：“星际旅行的基本工具不仅仅是为了旅行。”

虽然以空间为基础的激光军事研究为一些仪器的超远距精确定向打下了某些基础，但对太阳帆激光束的要求必须更加严格。驾驶也是个问题。而且为了节省重量，太阳帆可能只有几个原子厚。此外，光子推进器的现有模型需要用实际试验加以证实。所以哈里斯要求在今年进行薄帆材料试验，这种材料可能被绰号叫做光子投掷者（Photon Flinger）的装置之可见光子快速有力地粉碎。

得克萨斯州奥斯汀市高级研究院的哈罗德 · 普索夫（Harold Puthoff）等研究人员持有关于推进的另一种概念：他们打算自己“设计”真空间。该概念是以量子物理学的预言为基础的，量子物理学认为真空区含有大量通称为零点能的残余隐蔽能。存在于真空内外的运动微粒可以产生惯性。如果这种理论行得通，那么控制惯性或控制“不正常”空间的能力就有助于解决星际飞行的问题。但怎样做好这事仍是一个未解决的问题。

尽管还要几十年才能实现这种异乎寻常的技术，但美国宇航局仍在对近期可能产生的星际科学做工作。今年3月，在喷气推进实验室聚会的科学家小组讨论了选择飞越太阳系日光层的飞行任务。实质就在于叫做太阳风的太阳带电粒子流被星际介质所覆盖。该小组希望看到这种飞行任务能在今后10年内开始。

这种飞行任务能做什么？加州帕萨迪纳市加州技术研究所任科学技术解说小组组长的理查德 · 梅瓦尔特（Richard Mewaldt）说，这种飞行任务可以进行许多科学研究。他把日光层描述成必须刺破的直径为250亿英里的气泡。

梅瓦尔特说：“为了直接测定星际介质的性质，你必须突破这个气泡。”某种仪器可能检测低能宇宙射线，它虽不能透视日光层，但对于天文学家了解银河星系动力学来说却是十分重要的。

除此之外，比较太阳系和星际区的组成还可能为我们提供关于星系发展的线索。天文学家们也会欢迎对凯珀带（Kuiper Belt）进行的概括研究，那里可能有100个已被发现的尺寸为几十公里到几百公里的小物体，其中不少物体已被夏威夷的凯克望远镜发现。更远的外部是奥特云（Oort Cloud）,它很可能是哈利式长周期彗星的来源。另一飞行任务可能把望远镜放到日光层外，通过望远镜和地球测量的比较就可以更精确地测定星球位置。

宾夕法尼亚州的杰拉尔德 · 史密斯说，实际上，美国宇航局最终飞到某些星球去的理由和必须飞到某些星球去的理由是同样的。“显然，美国宇航局的远景是飞到太阳系的边界和更远的地方。不管动力是否是太阳帆、反物质、聚变，我们都必须对它们进行研究。我们可以谈论我们大家都想了解的星球大战，但是如果我们没有永不可能出现的发动机，那它只能是一场娱乐罢了。”

[Popular Science，1999年6月]