从科幻一步步走近现实：美国研制新型发动机　　美国国防部披露了一份报告中称

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　　美国国防部披露了一份报告中称，2008年几十名科学家签署了协议，开始一项秘密研究。他们深入研究了各种各样的尖端太空科技，包括人类闻所未闻的全新空间推进方式。其中的一份报告提交于2010年4月，这份34页的报告有一个引人注目标题：“曲速推动，暗能量和高维空间操纵”。

　　“获得对高维空间（维度大于三维）的操控能力是利用暗能量的关键，从而使一种新型推动技术成为了可能。”报告说：“到达太阳系的任何一个地方所用的时间，可以从几年缩短到几个小时，到达最近的恒星系统也只需要几个星期，以现在的技术则要几十万年。”

　　这项报告里提到的新型推动技术就是曲速引擎。这项堪称终极的航天推进方式，理论上可以将航天器加速到十倍甚至百倍于光速，而人类目前水平能达到的最快速度都没有达到光速的百分之一。如果你看过《星际迷航》，就能寻找到曲速推进的踪影。飞船首先使用曲速线圈产生“子空间场”，当其呈现不对称蠕动形式并达到一定场强之后，会成为“曲速场”。此时飞船就处于曲速泡中，从而完成超光速的星际旅行。

　　刘慈欣的《三体》中出现过一种类似的“曲率驱动”方式。大刘在书中写道：“一艘处于太空中的飞船，如果能够用某种方式把它后面的一部分空间熨平，减小其曲率，那么飞船就会被前方曲率更大的空间拉过去，这就是曲率驱动。曲率驱动不可能像空间折叠那样瞬间到达目的地，但却有可能使飞船以无限接近光速的速度航行。”

　　不管是曲速推进还是曲率推进，它们都是建立在阿库别瑞推进模型（Alcubierre Drive）的基础上。这是理论物理学家米基尔阿库别瑞（Miguel Alcubierre）在1994年推出的模型，该模型在爱因斯坦场方程和广义相对论的框架下，通过将将空间拉伸（这与虫洞折叠空间正相反），使飞船前方的空间收缩而后方的空间拉伸，空间便产生了褶皱，类似于水面上的波浪，飞船乘着这波浪前进，速度甚至可以超过光速。飞船所处的区域叫作“曲速泡”，里面是一块平坦时空，飞船在里面并非真的在移动，而是空间的涟漪带着它前进，所以并不违反物理学中的“光速最快”原则。

　　但就目前人类技术而言，它也只能存在于科幻小说中。加州理工学院的物理系教授肖恩·卡罗尔（Sean Carrol）发了一条推特指出该方案并不可行。他认为这种设想限制重重，想要获得曲速推进，一个必要的条件是在曲速泡中产生比真空低的能量密度(即负能量)。以目前人类的科学水平根本不能产生如此巨大的负能量。以距离地球4.37光年的半人马座为例，从地球出发到这个最近的恒星系统，用曲速推进只需几年的时间，但消耗的能量却大到难以想像。“这一趟下来所需要的能量大小，大概等于地球的总质量通过质能方程全部转化后的能量，只是这些都是能量都是负的，”卡罗尔说，“这不像《星战》中演的那样，死星用一束高能激光把地球打成粉碎，这是让地球完全消失！”

　　报告中也承认了人类对负能量的理解远远不够，不过报告尝试了在大型强子对撞机和高维空间中寻找答案。报告中称，通过操控11维空间就可以构造出能拉伸的空间。11维空间是M理论中的一个特殊构想，尽管这个提法在理论上没有破绽，但是如何操控11维空间，目前还不得而知。即使这个方法可行，也会有一连串的问题接踵而至。有研究表明，“曲速泡”中的飞船无法向前方发送信号，这就意味着飞行员将无法控制飞船；而另一个对曲率驱动的计算机模拟发现，在超光速飞行时，“曲速泡”前方会堆积大量的负粒子，飞船到达目的地开始减速时，一路上累积的负粒子会在瞬间全部释放，足以摧毁任何与其接触的物体。

　　尽管曲速推进也许会成为人类探索宇宙深处的利器，但是目前人类的空间推进技术还停留在液体化学推进器上。20世纪初，康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstanty Ciofkowski），在他的著作《利用反作用力设施探索宇宙空间》和《宇宙航行》中，计算出了进入地球轨道的逃逸速度（7.9km/s），并提出了著名的齐奥尔科夫斯基公式，从此拉开了航天推进器研究的序幕。经过一百年的发展，使用液氢液氧燃料的化学推进器的发动机成了目前推进火箭的标配，是人类摆脱地球引力进行太空探索的绝对主力。现今无论是我国的长征系列运载火箭，还是私人航天公司如SpaceX的Falcon系列火箭都使用这种发动机。

　　除了常规化学火箭，科学家也在寻找更高效的空间推进发动机，其中电推进/等离子火箭采用等离子作为推进剂。被加速到几十千米每秒的等离子，获得的推进能力理论上最强且燃料消耗的速度极慢。但目前人类并没有足够的科技力量将其做得足够大，一般仅能实现极小推力的应用（1 牛顿级别甚至更低）。这对于未来的长途星际旅行作用可观，在真空中没有阻力，即便是缓慢的加速作用也能在时间累计后获得相当快的速度。目前它已经在一些大气层外的卫星和飞行器上初步运用。

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　　图 | 应用了氙离子发动机的欧空局地球重力场及洋流探测器

　　太阳帆发动机以太阳的辐射压做为太空船推进力。光是由细小的被称为光子的能量团组成的，太阳帆的工作原理，就是将照射过来的太阳光反射回去，由于力的作用是相互的，太阳帆将光子“推”回去的同时，光子也会对太阳帆产生反作用力。就是靠这种反作用力，飞船便被“推”着前进。太阳帆不需要燃料，阳光就是其能源。推进力虽然很小，但是只要太阳继续照耀着，太阳帆就能继续运作。如果设计合理，从理论上说，太阳帆的最高速度可以达到光速的2%(6000公里/秒)，果真如此，星际航行将成为可能。

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　　图 | 纳米帆-D在太空中展开太阳帆的效果图

　　和曲率推进一样，反物质推进器也是目前存在于科幻小说中的概念，不过它很可能是最先实现的一种推进器，因为我们已经发现了反物质的存在。顾名思义，反物质就是和通常物质质量相同电荷相反的物质。反物质由反质子、反中子和下电子组成。当反物质原子和通常物质的原子相遇时，会发生湮灭，其质量会全部转化成能量。根据爱因斯坦的质能方程计算，这种能量将是巨大的。有科学家计算，只需17克的反物质就可以把飞船加速到光束的十分之一，从地球到半人马座（距离地球4.37光年）仅需40年。但是制备反物质极难，目前我们只有通过大型强子对撞机产生过反物质，其总量还不够煮沸一杯茶，更不用说星际旅行了。

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　　哈勃望远镜拍到的宇宙一角，其中任何一个亮点都至少是一个银河系，而银河系中像太阳系这么大的小星系都有十万亿级别。

　　宇宙之大超乎我们想象，如果把宇宙大小比作太平洋，我们的足迹仅仅是走过了十分这一个水分子的长度。现阶段来讲，除了发展推进器科技外，现实的路径是先用现有的科技实现太阳系内殖民，然后再实现系外扩张。到那时候，人类也许会拥有超大规模推进系统，从而可以向银河系进发。而要走出银河系，即使在光速下也需要10万年时间，常规的空间推进器就无法发挥多大效用了，而且飞船上的宇航员还要受到相对论的时间延长效应的影响。届时如果人类发明出了曲率推动和虫洞，我们才算成为了星际种族。