人类能实现星际旅行吗？
罗伯特·弗里斯比迈着轻盈的步伐下了坡，向位于加利福尼亚州帕萨迪那的美国航空航天局喷气推进实验室院内一座大楼走去，他高兴地深吸了一口气。圣加布里埃尔山脉形成一道亮丽的风景线，阳光把1月的天空照得暖融融的，如同春天一般。所有这一切，弗里斯比仿佛都没有注意到。的确，他心不在焉，他的思绪已飘向遥远的星际空间，思索着有朝一日如何利用航天器去访问那些星球。
用你所能想像到的每一种尺度去衡量，星球同星球之间的距离都非常遥远，去一趟都需要几十年，而且要掌握被某些研究人员称为“奇迹”的先进技术。然而，对于如何征服这“最后的边疆”，却不乏合乎情况的设想。在美国航空航天局下属的研究中心，在大学、研究所和公司的一些人，正在为促进所需技术发展的试验从事基础工作。
长期以来到其他星球去旅行一直是科幻小说家的主要课题，今天它却成为美国航空航天局长远战略目标的组成部分。美国航空航天局的“起源计划”规划了一系列望远镜，其性能渐次提高，以便拍摄离我们最近的1000颗恒星周围的类地行星。据此，美国航空航天局局长丹·戈尔丁要求该局在未来25年内进行星际飞行。
科学家们认为，虽然这项任务尚处在萌芽阶段，十分艰难，但仍有可能实现。
让我们以“旅行者1”号为例，先来了解一下宇宙有多大吧。这颗星际探测器是1977年9月5日发射的，在飞行了20多年后，现在正以约每小时82万千米的速度在距地球109亿千米的太空中穿行。这个距离相当于约10光时(1光时是光以每秒30万千米的速度传播1小时的距离)远。到距地球最近的半人马座比邻星也有43光年(约40万亿千米)远。据计算，如果“旅行者”的飞行方向正确，它将用74万年完成这一旅行。但是，载人星际飞行必须在一个人的寿命期内完成。这意味着，一次“缓慢”的飞行最长也不能超过40年，而快速的飞行更理想的期限是10年。
接下来谈谈爱因斯坦的相对论。一种旨在以高速飞越遥远距离的航天器还必须与狭义相对论做斗争。狭义相对论认为，当物质的速度接近光速时，它的质量会增加。如果乘飞行器去半人马座比邻星，比如说用10年时间，那么飞行器就必须以接近光速一半的速度飞行。在此速度下，它的质量将成为其原来质量的15倍。从事此类飞行分析的弗里斯比则换了一种说法：“如果把像‘旅行者’这样重达1吨的飞行器的速度提高到光速的一半，它所需要的能量将相当于今天人类一个月生产的全部能量的总和。即使有可能建造一个足够大的贮箱，常规化学能火箭也不具备完成这项任务所需的能力或能量密度。”
这就要求增大推进速度，并进行惯性飞行，以便实现近天体探测飞行。正如“旅行者”在太阳系内，对外层行星做过的那样。但是，如果需要航天器进入绕星际目标运行的轨道或在其上着陆，那就必须消耗能量以实现减速。弗里斯比说：“那么一来，我们马上就得把对推进系统的要求提高1倍。”
那么，到底该怎么办?弗里斯比说：“怎么说的都有，核裂变发动机不具备足够的能量。但你不妨关注一下用在航天器上的核聚变发动机和反物质发动机。还有一种重要的选择就是不带发动机去航天。例如，利用在环绕太阳的轨道上运行的太阳能驱动的激光器就能推进装有薄帆的航天器穿越太空。就我们目前这点儿认识水准而言，哪一种方案都实现不了，而每种方案又都有可能实现。”
如果反物质与正常物质相接触，它们就会湮灭，两种物质的质量均转化为能量。喷气推进实验室的斯蒂法妮·利弗说：“我们知道，反物质——物质反应具有最大的能量密度。”这种反应释放出带电粒子，用磁性“喷管”可导引这些带电粒子从航天器的尾部排出，供作推力。带电粒子运动极快，其速度约为光速的1／3。不过，利弗说：“我们还不知道如何制造供反物质发动机用的足够大的喷管。制造这种喷管不是完全办不到，但非常困难。”
还有另一大难题，一台纯反物质发动机需要上千吨的反物质，再加上物质，堆起来会有华盛顿纪念塔那么大。但是，目前在费米实验室和欧洲核子研究中心这样的实验室中，也只制造出了几毫微克的反物质。利弗推测说：“我们也许该在太空建立一座永久性设施，以获得这种反物质。”
这种努力可能是有理由的，因为反物质可用于医学，比如造像和消除某些癌肿块等。但随之又引出另外的问题，反物质不能接触物质，所以它很难在用于防止带电粒子与物质容器壁碰撞而湮灭的磁力阱中微量储存。
宾夕法尼亚州的物理学家杰拉尔德·史密斯提出一种大量减少反物质需求量的途径。他说：“在我看来，我们将永远不会拥有即使是1吨的反物质。我们认为，可用1微克的反物质引发，而且可以预见，用现在的技术能够做到这一点。”引发什么?引发核聚变反应。史密斯研究小组正从几个方面攻克这个问题。首先，用建在宾夕法尼亚州的鞋盒般大小的反物质阱中成功地进行了试验。从理论上讲，这种阱可容纳1亿个反质子，即带正电荷的反物质粒子。成功的试验一直激励着研究人员与马歇尔空间飞行中心合作，制造一个更大的反物质阱，这项工作将于今年夏天完成。史密斯估计，大的阱能够容纳的反质子数可能是小阱的1万倍。该阱将用专门设计的用于引发核聚变反应的反物质等离子体，使最终的试验成为可能。
发生在像太阳一样的星球核心的核聚变需要极高的压力和温度。“低”温核聚变在150万摄氏度才开始发生。反物质等离子体舱用于产生足以引发核聚变的高温。迄今，受控核聚变试验反应都只进行几秒钟就结束了。
宾夕法尼亚州所做努力的第三部分是探索发动机方案。史密斯的爱姆斯发动机方案提出一种维持核聚变反应的方法。该方法是，最初用少量反物质与铅或铀接触，引起反物质裂变，裂变所释放的能量帮助驱使氘与某种形式的氦发生核聚变反应，高温下形成由带负电的电子和带正电的原子核组成的等离子体。磁性喷管控制带电粒子用于推进。但是温度如此之高，难道喷管就不会损坏吗?史密斯回答说：“我正在解决这个问题。”
史密斯的方案需要克服的另一个难题就是熔化，实际上，一次熔掉的量很少。他说：“我们正在开动脑筋充分发挥想像力。因为如果有一种技术能够让我们到达星球，那就是反物质。”
一种名叫“巴萨德冲压发动机”的核聚变法是个根本不用装很多燃料，却能解决载重问题的方案。该方案需要一个巨大的带有磁场的“戽斗”，用它来从星际空间捞取它所需的燃料。当然，这个戽斗比在地球上曾制出的任何设备都大得多——其直径约为从地球至月球间距离的1／3，其强度是今天实验室所能达到的数百倍。在喷气推进实验室工作的利弗是这样描述该系统的：“用它采集燃料，将其压缩，加热并从后部排出，而不使航天器的速度慢下来。但是如何做到这些，我们还一点也不知道。”
弗里斯比说，太阳帆可能比反物质或核聚变更有前途。“太阳帆可能是最紧凑和最清洁的发展计划的第一步。”这个想法是休斯公司一位退休物理学家罗伯特·福沃德在几十年前提出的。
按福沃德的基本设想，激光束可以“推动”太阳帆。光的粒子叫光子，光子具有动量，光子的动量可传给太阳帆。据此想法，需要有个非常大的发射器透镜。若想行驶45光年的路程，就要有一个直径达几万米的帆，要能产生几千兆瓦的功率。采用多级飞行，可以使帆在到达目标后减速。
喷气推进实验室的物理学家享利·哈瑞斯是太阳帆的另一位支持者。他说：“一次长时间的飞行需要大量的能量。但如果能从太阳获得能量，那就不成问题了。”在2001年春天呈送给航空航天局的一份报告中，他的研究小组概述了利用太阳帆进行多功能飞行的情况。制造许多激光器并布放在环绕太阳的轨道上，将其相位锁定，以便产生强激光束。该激光束交替用于推动航天器和拍摄目标星球系。激光束还可用于移动绕地球轨道的太空渡船，为地球提供动力，甚至可以摧毁有威胁的彗星和小行星。哈瑞斯说：“用于星际旅行的主要手段并不仅仅是为了旅行。”
尽管军用天基激光器的研究为距离遥远的装置实现精确瞄准奠定了基础，但太阳帆的激光束要求还必须精确许多倍。控制也是一个问题。为减轻重量，太阳帆只能有几个原子的厚度。此外，现在的光子推进装置模型还需要经过试验证实。所以，哈瑞斯要求今年对这种很薄的太阳帆材料进行试验。
得克萨斯州奥斯汀高能研究所的哈罗德·普索福等一些研究人员，对推进问题还有另一种想法，是基于量子物理学的预测提出来的。量子物理学认为，空荡荡的空间含有巨大的剩余背景能量，我们称之为“零点能”。在这个真空中，只有很少的粒子飞来飞去，有可能导致惯量。此理论认为，研究控制惯量的能力，可帮助解决星际飞行问题。至于如何去做，仍是一个未解决的难题。
虽然实现这种奇异技术还需数十年，但美国航空航天局仍在从事近期所能做的星际科学研究。今年3月，一科学家小组在喷气推进实验室开会，研讨穿越太阳系日光层(1200千米～2000千米高度的大气层)的飞行方案。来自太阳的带电粒子流(称为太阳风)正是在日光层被星际介质所淹没。该小组更希望在未来10年内进行这次飞行。
这样的一次飞行将做些什么呢?科学家小组主席、加州理工学院的理查德·梅瓦尔特说：“进行大量的科学研究。”他把日光层描绘成一个直径为400亿千米的气泡。他说：“想要直接了解星际介质的性质，必须冲破这个气泡。”有一种设备可探测低能量的宇宙射线。这些射线不能穿过日光层，但对天文学家了解银河系动力学却非常重要。
通过对太阳系及其外围的星际空间的构成进行比较，可为了解银河系的演变提供线索。天文学家也将欢迎观测凯珀带，那里可能有100个从几十到几百千米大小不等的小星体，其中许多是通过夏威夷的凯克望远镜观测到的。更远的是奥尔特云(距离太阳75万～15万天文单位的彗星云)，可能是哈雷彗星一类长周期彗星的发源地。另一次飞行可能将一台望远镜放置在日光层外，通过与在地球上进行的测量做比较，以便更精确地测量星球的位置。
物理学家杰拉尔德·史密斯说：“美国航空航天局最终要去这些星球，并没有什么理由，这是必然。很显然，美国航空航天局将来要去太阳系的边缘及其以外的太空，无论是太阳帆、反物质还是核聚变，这些技术都得研究。我们依然可以大谈特谈星际大战等许许多多想干的事，但若造不出发动机来，这一切都将成为仅供消遣的东西。”
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