1707605617
1707605618
在真实的物理世界里，绝大多数地球上的能量都来源于太阳。太阳让地球有合适的温度和四季变迁；海水受热蒸发，凝结成雨水落到山顶等高处，水便有了势能，水的势能可以被运用在水坝和水车上。太阳能也可以被间接地转化为化学能，化学能通过光合作用被储存在植物里，植物被动物吃掉后，部分化学能留在动物的肌肉中。燃烧会更直接简单地释放化学能，并产生热量。
1707605619
1707605620
早期的科幻作家已经意识到科幻作品中常见的高耗能设备需要传统太阳能以外的能量。擅长创作太空歌剧的高产作家爱德华·埃尔默·史密斯从1915年开始写作。他后期的作品《透镜人》系列算是我接触到的最早的经典通俗科幻小说，在这套作品中随处可见神秘的能量源。在史密斯的早期作品《宇宙云雀号》系列中，宇宙飞船由神奇的“金属X”产生的“原子能”驱动，这完全是披着科学外衣的魔术。
1707605621
1707605622
另外一个神秘能量源的例子是由英国作家爱德华·鲍沃尔·李敦创作的“维利”。李敦最广为人知的要数一个被用烂的小说开场白［这句话也在《花生漫画》（Peanuts）里被史努比反复使用，是个经典的“包袱”］：“在一个月黑风高的晚上”。在不太知名的作品《未来种族》（The Coming Race）中，李敦描绘了一种类似电的物质，它是由能量使者维护的“大气磁”。这部作品更像托尔金式的史诗，而不是科幻小说。“维利”虽然没有什么事实依据，但却广为人知，当时的许多产品都以此命名，就像后来出现的放射性元素“镭”一样。如果某个产品有“维利”，这个产品好像就能让消费者身轻如燕、活力四射。在英国，今天仍有一种热饮里面的牛肉产品添加剂叫作“波维利”，很少有消费者（主要是年长的消费者）会意识到他们正在购买充满活力的维多利亚时代的梦想。
1707605623
1707605624
没过多久，科幻小说家们就纷纷效仿赫伯特·乔治·威尔斯的小说《解放全世界》，用核能这个既强大又危险的能源作为他们作品中的神秘能量源。在《太空商人》出版的20世纪50年代，科幻作家们狂热地追捧所有可以被贴上“核子”标签的事物。对于“二战”后期原子弹名噪一时、核能开始被用来发电的年代，这股风潮也在意料之中。“核子”这个词随处可见，甚至是快餐厅的风味炸薯条也被冠以“核子”的名称，显得辛辣爽口、振奋人心。不论是电影《它们！》里巨大的蚂蚁，还是《蜘蛛侠》里因为辐射而变异的蜘蛛，核辐射总是被描绘为邪恶、怪异和奇妙的改变手段。
1707605625
1707605626
基于政治和恐惧（还有超级英雄并非真实存在）的种种原因，真实的核世界是另一番景象，但是我们已经距离运用核聚变产生能量的方式不远了，并且我们一直在用放疗的方法治疗癌症。我们或许不会像奇爱博士那样深爱核弹，但我们确实在和核能和平共处，虽然这种和平是很脆弱的。2011年，海啸引发福岛核电站的灾难之后，德国宣布不再使用核能。德国几乎面临与日本相似的自然环境，虽然核电站的灾难并未致人死亡，但德国还是放弃了不会产生温室气体的核能。
1707605627
1707605628
虽然核能可能永远不会像其他传统能源那么便宜，但发达国家现在并不缺少能源。除了减少污染，我们还面临着一个非常严峻的问题，就是如何把能量输送出去，这也是一个在许多科幻作品里都被敷衍了事的问题。现在常用的是高压交流能量输送方式，也可以用高压直流能量输送方式。高压直流在长距离运输大量能源的过程中，能量损耗比较少。但是无论怎样我们都不会使用科幻作品的最爱——无线能量输送方式。
1707605629
1707605630
诚然，无线能量输送是完全可行的，这是我们人类生存至今的原因。毕竟，在本章开头我就提到了，归根结底，地球上的所有能量都直接或间接地来自太阳（还有月球重力作用产生的潮汐能，以及地球内部产生的地热能）。广袤的宇宙空间是不允许架设电线的。我们从太阳那里以光的形式获得能量，每个光子都是微小的能量包，而太阳有足够多的光子能量包。
1707605631
1707605632
太阳的辐射功率大约是4×1026瓦，其中只有8.9×1016瓦可以到达地球。到达地球的能量是太阳总能量的一小部分，但这已经是全球总功耗的5 000倍。这个数字相当惊人，但是除非我们拥有一个恒星的能量，否则光不是一个高效传播能量的方法。在实验室的优化环境下，特殊的太阳能电池可以实现25%—45%的能量转换率（即便如此，超过一半的能量也被浪费了）；传统太阳能电池的能量转换率大约是10%—20%，而薄膜电池的能量转换率只有大约5%。相比之下，我们现在常用的电线传输方式的能量转换率大约是93%—95%。
1707605633
1707605634
光作为能量传输方式的另一个潜在问题是，如果把大量能量转换成光束（不管是可见光还是其他波段的光，比如微波），都会对任何误入其中的生物造成潜在危害。光不能随随便便地在空中传播，因为光里蕴含的巨大能量可能毁坏任何被它击中的物体，所以光必须借助一些保护装置才能传播，这些不便和潜在的耗材成本让现有的能量传播方式再一次胜出。
1707605635
1707605636
曾经有一些发明家设计出无线能量转换器，比如尼古拉·特斯拉。特斯拉制造了能量传输实验装置“沃登克里弗塔”。在不是特别理解电磁波本质的情况下，特斯拉认为可以通过驻波的方式在地球表面传输能量，这是一种在空气中产生类似于电磁回路的装置。特斯拉的设计需要大量的能量，确实可以在远处产生电流，但这个现象其实就是电磁感应，和我们生活中用到的电力变压器的原理无异。
1707605637
1707605638
在电线中，变化的电流产生磁场，磁场又会在另一根电线中产生电流。特斯拉幻想中的能量转换是实现任意距离的无损能量传输，而现实中的电磁感应会随着距离的增加而迅速减弱，所以电磁感应不适合用来传输能量。更糟糕的是，电磁感应没有选择性，也就是说，在能量传输的过程中，附近所有的电线和金属导体都会产生电流，不管你想要不想要。我们可以做个简单的实验来证明这一点。如果把荧光灯管的一端靠近架空的高压电线，一端接地，那么荧光灯管在没有接电线的情况下也会发光，这是因为荧光灯管两端的电压不同。但是，类似的效应在实际的能量传输过程中并没有什么作用。
1707605639
1707605640
在能量传输领域有一种能量源比核能还要强，或者更准确地说是能量储存原理，那就是反物质。它也是《星际迷航》中“企业”号的燃料。虽然反物质引擎听上去非常富有科幻色彩，《星际迷航》中的反物质原理也纯属虚构，但反物质是真实存在的。反物质是由携带和普通粒子相反电荷的反粒子构成的，而普通物质是由普通粒子构成的。
1707605641
1707605642
举例说明，普通电子携带一个负电荷，与之对应的反物质——反电子（常被称为正电子）则携带一个正电荷。因为携带相反的电荷，粒子与反粒子相互吸引，导致二者毁灭，粒子的质量完全转变为能量。虽然粒子本身质量很小，但是爱因斯坦的质能方程式（E=mc2）告诉我们，每个粒子产生的能量都等于粒子质量乘以光速的平方。这可不是个小数字。
1707605643
1707605644
1千克（大概2.2磅）的物质和反物质碰撞毁灭产生的能量，相当于核电站10年的产能。反物质是宇宙飞船绝佳的能量来源，但应该强调的是，反物质并不像一些人想的那样是“清洁能源”，因为产生反物质需要消耗的能量比反物质自身产生的能量还要大，而且肯定是由不那么“清洁”的方式产生的。反物质本身不过是一种节省空间的储能方式，如果你想建造一艘经典的科幻宇宙飞船，它还是有用的。想想1千克传统燃料能提供多少能量，我们就会知道反物质作为储能方式真的特别节省空间。
1707605645
1707605646
汽油和天然气作为我们日常生活中最常见的能源，都是十分高效的储能方式。1千克汽油大约能产生15倍于同等重量的TNT炸药产生的能量（TNT炸药看起来蕴含更多能量的唯一原因是TNT燃烧速度极快，会导致爆炸）。此外，汽油比现有的最好的电池的储能能力强100倍。天然气比液态汽油在储能方面的能力更强，每单位质量的天然气蕴含1.3倍于汽油的能量，但是天然气的存储体积更大。
1707605647
1707605648
宇宙飞船自然不是靠汽油驱动。阿波罗系列飞船使用氢作为能源，氢的储能效率是天然气的2.6倍，是已知的最佳储能物质。未来可能会出现核裂变引擎，理论上对于同等质量的物质，核裂变储存的能量相当于汽油的200万倍。如果核聚变可以被利用，就是600万倍。由此可见反物质的储能效率有多高：每磅（或者千克）反物质可以提供20亿倍于相同质量汽油的能量。
1707605649
1707605650
这个数字确实非常惊人，但是反物质并不会很快出现在日常生活中。宇宙飞船至少需要几吨这种反物质才能完成有意义的星际旅行。制造反物质虽然可行，但技术上很难实现。就像美国作家丹·布朗的小说《天使与魔鬼》中提到的那样，反物质由进行大型强子对撞机实验的欧洲核子研究组织的实验室生产出来，但反物质和对撞机是两个完全不一样的实验（这是丹·布朗书中唯一和事实相符的论述），且反物质的生产速度非常慢。现在，全世界每年的反物质总产量低于百万分之一克，所以用反物质做飞船的燃料还不现实。
1707605651
1707605652
我在《最后的疆界》（Final Frontier）一书中提到，人类正殚精竭虑试图提高飞船的燃料使用效率。现在火箭普遍使用的氢气或氧气燃料的效率已经高于汽油，但仍然比不上核能，二者之间存在百万量级的差别。如果要探索太阳系，核能至关重要。我们可以把核潜艇上使用的核反应堆和一个向后喷射带电粒子的电动离子推进器结合起来，作为宇宙飞船的动力源，但这样的能量源还不足以支持人类探索其他恒星。
1707605653
1707605654
最佳的核利用方案可能是核聚变，它也是太阳和氢弹的能量源。但是，如何利用核聚变作为推进力仍是一个问题。在20世纪40年代曾出现过一个天真但其实还算合理的解决方法，就是把一系列小的核弹从飞船后部放出，这需要在飞船的后部装上用于防护的“推板”。“推板”是一块由涂料保护的弯曲的钢板，这块钢板需要吸收核弹爆炸产生的冲击波，并推动飞船前进。如果核弹足够小，爆炸距离足够远，飞船就会在结构不受损的情况下前进；冲击波吸收系统确保每次推进不会产生太大的加速度，飞船里的宇航员也就不会有生命危险。
1707605655
1707605656
1958—1965年，这个由核能推进的飞船被纳入“猎户座计划”。苏联成功发射第一颗人造卫星后，美国深感震惊和不安，于是“猎户座计划”被提上议事日程。“猎户座计划”的目的是使美国在航天领域超越苏联，使人类在1966年登上火星。（那样的话，科幻情节就成真了。）美国国家航空航天局因技术和理念超前而闻名于世，但是“猎户座计划”实在太超前了，相比之下，航天局的其他设想都黯然失色。迄今为止，宇宙飞船最大的负载是100吨，而“猎户座计划”的目标是负载1万吨。
1707605657
1707605658
“猎户座计划”不仅计划让飞船负载上万吨，还计划装载150人，其目的是建造复杂的空间站，到其他星球开辟殖民地。在试验性核爆炸仍被禁止的今天，“猎户座计划”的确异乎寻常。在“猎户座计划”中，核爆炸不仅会被用来在太空中推进火箭，也要在地面推进火箭升空。虽然“猎户座计划”不能实现在情理之中，但是用弧形金属板吸收核爆炸冲击波的概念确实得到了测试。这个概念在20世纪70年代的“代达罗斯计划”中再次被提及。“代达罗斯计划”的设计更现代：核爆炸只发生在火箭入轨之后，从而有效地避免了在地球表面发生核爆炸，而且产生爆炸用的是核聚变，而不是核裂变。核聚变除了能提供更多的能量外，另一个优势是没有最小的临界质量。这样一来，飞船就可以通过发射一系列更小的核弹——每秒250个——来提供能量。对于一个需要自带燃料的飞船来说，这意味着它的大小可以被控制在合理的范围内。
1707605659
1707605660
“代达罗斯计划”只是由梦想家设计的思想实验而已，该计划的终极目标是航天器用50年左右的时间飞抵最近的巴纳德星（那时候人们以为巴纳德星是一个类似太阳系的恒星系统，后来证明并不是这样）。50年的飞行时间相较6光年的距离来说不算长。从那时候开始，为了使人类的星际旅行成为可能，许多提升飞船速度的技术应运而生，其中包括提升加速度的太阳能帆和被称为“质量驱动器”的电磁弹射器。但是，不管如何优化飞船的引擎，速度总有一个上限——光速。
1707605661
1707605662
假设飞船的速度可以无限接近光速，那么根据狭义相对论，地球上的人需要花好几十年完成的星际旅行对于飞船中的宇航员来说只有一两年。这样的话，从时间角度说，星际旅行完全可行。事实上，飞船的速度越接近光速，其所需的能量就越大。即使使用最先进的技术，也只能让物体的运动速度达到光速的10%—20%。如果宇航员要在一生中实现在某个星体和地球间的往返，那么这个宇航员必须处于“假死”的休眠状态，但是假死本身也有问题。所以，让我们先回到科幻小说，看看超光速引擎。
1707605663
1707605664
超光速是科幻作品中典型的缺少解释的桥段，好像一切都是理所应当的。为了顺利地展开情节，科幻作家们用幻想来克服难以逾越的技术难关，但其在现实生活中并没有解决方案。比如，科幻作品运用类似“超空间”的概念来实现超光速，但这个概念在真实的物理世界中并没有对应物。这个词比科幻小说诞生得还早，首次出现在1867年的一篇数学论文中，用来描述超过三维的多维空间。在20世纪30年代，约翰·坎贝尔等早期通俗科幻作家把这个词用来解决星际穿越的难题。用超空间实现瞬间移动迅速被科幻作家使用并推广，读者对此也习以为常，在不理解原理的情况下认为这是可行的。广义地说，超空间的意思就是这个世界上存在三维以外的维度，是生活在三维空间里的我们没有直接体验过的维度。在真实世界中，弦理论中的九维空间也提到了这个特殊的物理概念。但这并不能把现实世界和科幻作品联系在一起，如果现实中真的存在多维空间，那么这些空间应该会以比较小的形态出现，我们也会观察到这些空间。
1707605665
1707605666
这使得弦理论不足以作为超空间的理论基础，因为超空间旅行需要多维空间以某种方式为我们的世界提供一个快捷通道，这个快捷通道可以通过弯曲的时空将两点相连。小型的扭曲时空是不能实现这一点的。科幻作品中常见的超光速用到了一些真实的物理概念，比如《超时空接触》中的虫洞（爱因斯坦–罗森桥），但它也是有问题的。虫洞只是一个理论概念，是广义相对论提出的宇宙中由扭曲时空产生的连接两个不同时空的狭窄隧道，要在现实世界中使用这个技术难度极大。
[
上一页 ]
[ :1.707605617e+09 ]
[
下一页 ]