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太空是浩瀚而空洞的——各大行星、恒星相距甚远，星体间的空气中空无一物，近乎真空。而且太空中引力较弱，物体都是呈漂浮状。貌似只要轻轻一推，物体就能很容易地飞跑起来，再加上没有空气阻力，在太空中高速运动似乎并不难。但现实并不是如此，于是有人提出了疑问：人类的飞行器为什么不能轻易地在太空中加速，实现光速飞行？本文将从几个方面去解释这个问题。

传统火箭推进完全做不到！

我们所想象的“轻轻一推”就能将太空中的物体推飞其实是一个错误的印象。根据牛顿第二定律F=ma，一个一定质量的物体，要使其获得很高的加速度，必须给这个物体很大的外力，在太空中这个定律也成立。这就说明，虽然物体在太空上是悬浮的，但是要想使它快速地运动起来，也没有那么容易，因为巨大的推力也不是随随便便就能获得的。

目前唯一能帮助人类突破地球引力的束缚而进入太空的工具是火箭。飞行器之所以能飞行，其原理是尾部火箭燃烧喷出气体，从而使自身获得反冲力。要想获得持续的加速度，必须要有足够的火箭燃料。但靠增加燃料载荷来提升最终速度的话，燃料质量的增速远大于最终飞行器速度的增速。因为火箭是分级推进的，很多燃料被用于火箭自身的加速了。举个例子，假设飞行器后面安装了100根火箭。最后一根火箭用于前面所有火箭（此时是99根）和飞行器本身的加速。最后一根火箭脱落后，倒数第二根火箭面临同样的问题，以此类推。所以，火箭本身的质量是非常沉重的负担。

所以，增大火箭质量的效果不佳。举个例子便可说明这一点——假设飞行器的质量为m 飞，燃料的质量（即所有火箭的总质量）为m 燃，以尾气喷出速度2600米/秒的典型化学火箭为例：当m 燃 /m 飞 =1时，即燃料和飞行器的质量一样重，最终能将飞行器加速到1802米/秒；但当m 燃 /m 飞 =100，即燃料的质量为飞行器的100倍，飞行器最终能被加速到12000米/秒。可见，即使火箭的质量增大了100倍，往往只能带来几倍的速度提升，这个性价比是非常低的。

有专家通过计算表明：假设飞行器的速度仅1克，要将这1克的飞行器加速到光速的0.2倍，所需要的化学燃料的质量远远大于目前所能观测到的宇宙的质量。而且，即使人类可以造出特别巨大的火箭，建造可供火箭发射的基础设施的工程量也相当大。

“代达罗斯”计划

传统燃料不可行，那么使用核燃料呢？核反应分为核裂变和核聚变。一些像铀、钍和钚等质量非常大的原子，它们的原子核在吸收一个中子以后分裂成两个或几个质量较小的原子核，同时放出2 3个中子和巨大能量，这就是核裂变。核聚变则是轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）且放出巨大能量的过程。

核反应的威力可比传统化学燃料燃烧大多了，可以为飞行器提供巨大的反冲力。那么，使用哪一种核反应方式好呢？从材料来源上看，铀、钍和钚在自然界的含量很少，而氘和氚的含量很多，达到10万亿吨。从环保上看，核裂变会产生很多核废料，造成很大的环境污染。而通过很好的控制，可以使得核聚变做到基本无辐射。

于是，20世纪70年代中期，英国科学家提出了“代达罗斯”计划——以核聚变火箭为推进方式，将飞行器加速到近光速，几十年就可以探测到邻近恒星。该计划预备建造一艘长达190米的宇宙飞船，飞船的总质量为5.4万吨，其中火箭的重量是5万吨，有效负载质量为450吨。该火箭为二级火箭，故加速过程被分为了两个阶段。第一阶段将持续2.2年，由第一级火箭负责加速，使航天器达到光速的7.1％。第二阶段将持续1.8年，由第二级火箭负责加速，最终使航天器达到光速的12％。然后关闭发动机，进行46年的巡航。总共50年后，飞行器就可以到达离我们最近的恒星之一——距离地球约6光年的巴纳德星。

且不说5万吨的核燃料如何取得，5万吨的核动力火箭本身制造难度就相当大了。人类目前制造的最重的火箭是“土星5号”运载火箭，也不过才2900吨。现在谈“代达罗斯”计划，无异于“纸上谈兵”，还不具备可行性。

当然，人类可不会停止想象，更新颖的光帆和引力弹弓的加速方式被提了出来。

光帆和引力弹弓

风帆承受风吹，进而驱动帆船前进。所以对于风帆来说，风是帆的动力。顾名思义，光帆则是一种以光为动力的帆。为什么光能当作动力呢？光由光子构成，光子虽然没有静态质量，但是光子有动量，它们以光速快速飞行。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。

专家表示，使用光帆技术，将1克的物体加速到光速的20%，也需要相当于400多吨TNT炸药的能量。这也就意味着，二战时美军向日本长崎投下的“胖子”原子弹，其能量最多也就只能将50克的物体加速到光速的20%。可见，耗能是光帆技术的问题之一。光帆技术还面临另一个问题——人类是利用在地球上发射的激光给光帆提供光子，所以光帆的面积必须足够的大，才能有效地接收到光子。此外，光帆的质量也要尽可能的小，这意味着光帆要做得很薄。有人经过计算，认为光帆的厚度最好低至几十纳米才能极大地节省能源。如何保证光帆在如此薄的情况下不被烧毁，也是一个问题。

除了利用光帆，还有人建议利用引力弹弓给飞行器加速。引力弹弓利用了天体（行星、恒星或者黑洞）的引力。飞行器飞向迎面而来的天体并进入天体的特定轨道，就能实现360度旋转，朝与初始速度差不多相反的方向以更大的速度飞出。这个方式的相关理论还在验证，飞向一个遥远的大天体是一项耗能巨大的项目，然而更大的难度还在于飞行器难以进入天体的特定轨道。

物体真的能够以光速飞行吗？

目前，最强大的粒子加速器，也只能将带电粒子加速到光速的99%。这是什么情况呢？这是相对论所限制的。在经典物理学中，物体的质量是不变的，但在相对论中，物体的质量是随着速度的改变而改变的。假设一个物体静止时的质量为m0，运动时的质量为m，当速度为v时，m=m 0 /（1-v 2 /c 2 ） 1/2 。根据这个公式，如果v接近于光速，则1-v 2 /c 2 接近于0，m就会变得无限大。一个质量无限大的粒子，加速器是无法将其加速的。

即使飞行器能被加速到光速，根据上文，我们也很容易知道，穷极整个宇宙的能量，也不一定能达到加速到光速所需要的最低能量。而且，以光速运动的物体，即使一个原子，都能对其产生非常大的撞击，这个物体早晚会撞碎成小的不能再被其他粒子撞击的纳米微粒了。

目前，能够以光速运动的物质只有电磁波，光波就是电磁波的一种。电磁波由不能频率运动的光子组成，而光子的静止质量为0。换句话说，目前只有没有质量的物体能够达到光速，有质量的物体是无法加速到光速的。

不知何故，一个微小的黑洞正在100光年外引起一次“心跳”

盘绕在碗里像意大利面条一样的磁场线可能是宇宙中最强大的粒子加速器。这是美国能源部(Department of Energy) SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)研究人员进行的一项新计算的研究结果。该实验室的研究人员模拟了遥远活动星系的粒子辐射。在这些活跃星系的核心，超大质量黑洞发射高速等离子喷射（一种炽热的电离气体）将数百万光年射入太空。这个过程可能是宇宙射线的来源，其能量是最强大人造粒子加速器释放能量的几千万倍。研究的首席研究员SLAC的科学家弗雷德里科·菲乌扎(Frederico Fiuza)说：产生这些极端粒子能量的机制还不清楚。

博科园-科学科普：这项研究将发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。基于这项研究的模拟能够提出一种新的机制，有可能解释这些宇宙粒子加速器是如何运行的机制。这一结果对等离子体和核聚变研究以及新型高能粒子加速器的发展也有一定的指导意义。长期以来，模拟宇宙喷流的研究人员一直对增强宇宙粒子能量的剧烈过程着迷。例如收集的证据表明，来自强大恒星爆炸的冲击波可以使粒子加速，并将它们传送到整个宇宙。科学还提出宇宙等离子体喷流的主要驱动力可能是当等离子体中的磁力线以不同的方式断裂并重新连接时释放出磁能——这一过程被称为“磁重连接”。

SLAC研究人员发现了一种新的机制，它可以解释等离子射流如何从活动星系的中心喷发出来，就像这幅图中显示的那样，将粒子加速到极高的能量。计算机模拟(圆形区域)显示，纠缠的磁场线在射流方向上产生了强大的电场，导致高能粒子的密集电流从星系中流出。：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

然而这项新研究提出了一种不同的机制，这种机制与活跃星系中心旋转的超大质量黑洞所产生的螺旋磁场破坏有关。研究报告的主要作者保罗阿尔维斯(Paulo Alves)说：这些领域可能会变得不稳定，但当磁场发生扭曲时，究竟会发生什么？这个过程能否解释粒子如何在这些射流中获得巨大能量？这就是我们想在研究中发现的。为此研究人员在美国能源部阿尔贡国家实验室阿尔贡领导计算设施(ALCF)的Mira超级计算机上模拟了多达5500亿个粒子的运动，这是宇宙喷气机的一个微型版本。

活动星系半人马座A的合成图像，显示了向太空延伸数百万光年的裂片和喷流。：Optical: ESO/WFI; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.

然后他们将结果放大到宇宙维度，并与天体物理学观测结果进行比较。从纠缠场线到高能粒子，模拟结果表明，当螺旋磁场发生强烈畸变时，磁场线高度纠缠，射流内部产生大电场。事实上这种电场和磁场的排列可以有效地将电子和质子加速到极高的能量。当高能电子以x射线和伽马射线的形式辐射出它们的能量时，质子则可以逃离射流进入太空，以宇宙辐射的形式到达地球大气层。在这一过程中释放的磁性能量有很大一部分进入了高能粒子，这种加速机制既可以解释来自活动星系的高能辐射，也可以解释观测到的最高宇宙射线能量。

在模拟小型宇宙射流的过程中，SLAC的研究人员发现，当射流的螺旋磁场(左)被强烈扭曲时，磁场线(中)变得高度纠结，在射流内部产生一个大电场(右)，可以有效地将电子和质子加速到极值能量。：arXiv:1810.05154v1

黑洞物理学专家、斯坦福大学Kavli粒子天体物理与宇宙学研究所(KIPAC)前主任罗杰·布兰德福德(Roger Blandford)说：这项仔细的分析发现了许多令人惊讶的细节，这些细节被认为是在遥远喷流中存在条件下发生的，可能有助于解释一些非凡的天体物理学观测。接下来，研究人员想要将他们的工作与实际观测更紧密地联系起来，例如通过研究是什么使得宇宙射流的辐射随时间而迅速变化。他们还打算进行实验室研究，以确定本研究中提出的相同机制是否也会导致聚变等离子体的分裂和粒子加速。

家已经将这些周期性脉冲与“微类星体”（很可能是黑洞）联系在一起，这是一个非常特殊的发现，它位于相距100光年远的地方。

在背景中看到模拟的微类星体SS433，气体云Fermi J1913+0515位于前景和左侧。尽管两个天体相距100光年，但它们的节奏是一致的。图像:德西，科学传播实验室

银河星系中有一片朦胧雾绕的空间，它以时钟一样的频率产生伽马射线。科学家们将这些周期性脉冲与一个“微类星体”联系起来——很可能是一个黑洞——位于100光年之外，这是一次非同寻常的观测。

发表在《自然天文学》(Nature Astronomy)上的一项新研究描述了一种不寻常的远程关系，涉及银河系内一种名为Fermi J1913+0515的放射性气体云和一种名为SS433的微类星体。

10年观测数据表明，这两个天体相距遥远，但它们同步工作，可谓联系出奇地紧密。这篇新论文的作者，由德国同步电子加速器的李健和空间科学研究所的迭戈·托雷斯主笔，论文并未完全确定发生了什么，以及微类星体是如何引起气体云的伽马射线“心跳”的？心跳每162天一次。

微类星体SS433位于地球15000光年处，是银河系中最迷人的地方之一。它是一个双星系统，由一个紧凑的物体组成，很可能是一个黑洞，但也可能是一颗中子星，以及一颗超重的恒星。假设黑洞质量在10到20个太阳的质量之间(其中一个太阳的质量等于我们太阳的体积)，而恒星的质量大约是30个太阳的质量。这些物体贴在一起，每13天分别绕着对方旋转一次。SS433是普通类星体的一个小版本，又作为宇宙天体，它是一个包含了数百万个太阳质量的黑洞。

假设中的微类星体SS433构图，左边是黑洞、吸积盘和喷流，右边是被剥离物质的恒星。图像:德西，科学传播实验室

这个天体联合产生了一系列可探测的星历，它们以伽马射线、x射线、无线电波和氢气的形式存在。这颗大恒星将其大部分物质抛射到黑洞，导致上空气体的密集聚集。

李在一份新闻稿中解释说:“这些物质在落入黑洞之前会在吸积盘中积累，就像浴缸排水管中的漩涡一样。”“结果是，不会掉入排水沟，在旋转吸积盘的上下呈相反方向形成窄射流高速喷射而出。”

高速粒子和双星系统的超强磁场合力产生了x射线和伽马射线。也就是说，黑洞周围的吸积盘并不完全平坦。

它向前进或摇摆不定，就像倾斜地放在桌子上的旋转陀螺，”托雷西在DESY发布会上说。“以至于，这两股流螺旋状进入周围的空间，而不是形成一条直线。”

由于黑洞吸积盘的旋进或抖动，这两个狭窄的喷流呈螺旋形。图像:德西，科学传播实验室

这螺旋式的摆动周期持续162.25天。新的研究表明，费米J1913+0515发射的伽马射线信号与微类星体完美同步，即使它距离我们100光年。这片云雾环绕的太空毫无特别之处，但美国宇航局通过费米伽马射线太空望远镜收集的数据表明，微类星体SS433提供了伽马射线产生心跳的能量。

更奇怪的是，来自微类星体的喷流，即使有螺旋式的摆动，也不会穿过费米J1913+0515的路径，李在一封电子邮件中解释道。

他说:“这是我们第一次看到此类观测结果，与之前的模型相比，有些意外。”

李和他的同事并不完全确定微类星体是如何为遥远的气体云提供能量的，

但他们认为SS433赤道流出物的质子与云相互作用，导致发射伽马射线，并观察到类似心跳的周期性。

“只要保持心跳的一致性，一条磁管路径可以连接气体云和SS433。”