近十年来，杰拉尔德·史密斯一直在追踪反物质粒子，并将它们收集在磁瓶中，在那里它们像亚原子萤火虫一样飞舞。现在，这位宾夕法尼亚州立大学的物理学家认为他即将制造出反氢，这是第一种反物质原子。当他向其他物理学家讲述他的进展时，或者当他向资助者解释他的工作时，他都会强调这项工作将使他能够检验粒子物理学中最基本的原则之一——即反物质是物质的完美镜像。他解释说，一旦他掌握了反氢原子，他将使用激光束刺激它们发光。如果理论是正确的，反氢应该发出与普通氢相同的颜色的光。如果不正确，那就更好了：史密斯的实验数据将更有价值。
然而，尽管史密斯的工作对基础物理学具有价值，但他研究反物质的真正动机却更为实际——可以说。他想将反物质制成火箭燃料，以近光速推动飞船。史密斯说，我父亲希望我成为一名工程师。我想我是一种奇怪的工程师和物理学家的混合体。我天生就非常享受想象这些东西未来的应用。史密斯不仅仅是白日做梦。他精确地计算出了如何制造反物质火箭，包括所需的燃料量和船员舱的大小。他说，十年前人们认为不可能捕获反物质粒子。现在我们即将制造出原子反氢。最终，我们可能会证明反物质推进是可信的。
史密斯并非唯一一位被吸引到星空的科学家。他是少数一群有些古怪但忠诚的科学家之一，他们充满激情地断言，最近的技术进步已使星际旅行进入了遥远的可能领域。为了支持这一说法，他们不断提出各种提案，从核能和反物质反应堆驱动的载人火箭，到由激光或粒子束加速到近光速的微型机器人探测器。他们的许多想法，如束流推进，都受到“星球大战”导弹防御计划中仍属机密的军事工作的启发。他们一直希望其中一个提案能在太空爱好者群体中获得追随者，并——谁知道呢？——也许还能激发纳税公众的广泛热情。
在那一天到来之前，这些现代堂吉诃德们只能在捉襟见肘的预算下，通常在业余时间工作，并时刻面临被嘲笑的威胁。为了自卫，他们很快就争辩深空飞行的优点。前往最近的恒星——比邻星——的旅行将为天文学家提供大量关于宇宙年龄和其他宇宙奥秘的数据。通过进入比冥王星远 14 倍的、约 500 亿英里的星际虚空，研究人员可以利用太阳的引力场作为一个巨大的放大镜来窥视银河系的中心。即使将第二个哈勃望远镜停在接近冥王星的地方，也能为天文学家提供立体视野，有助于测量宇宙距离。
然而，让星际旅行爱好者们保持动力的，与其说是他们会发现什么的好奇心，不如说是到达那里所面临的奇妙工程挑战。比邻星距离我们 4.3 光年，也就是 25 万亿英里。航天飞机的三枚化学火箭，在起飞时能提供 1.7 g 的加速度——即物体落向地球时的引力加速度的 1.7 倍——将不得不保持这种加速度两个多月才能达到足以在十年内到达比邻星的速度。但它们做不到：如此燃烧所需的燃料重量会非常大，以至于航天器几乎无法移动。
这还不是所有在与你作对的物理学。要在十年内到达比邻星，你必须平均达到近一半的光速。然而，当你开始谈论这样的速度时，你必须考虑爱因斯坦，这位宇宙交通警察。他的狭义相对论不仅使光成为宇宙中最快的东西，而且还导致任何接近光速的物体质量增加。随着你飞船加速度的每增加一点，它的重量就会增加，这意味着对于每一个后续的增量，你都必须向你的火箭注入更多的能量。当你达到大约四分之三的光速时，你的质量将膨胀到你开始时的 1.5 倍。增加推力几乎不会带来任何加速度。
狭义相对论的限制使得保持任何深空飞船的重量尽可能轻变得尤为重要。即使是小型探测器的能量需求，以今天的标准来看也是巨大的。任何将载有宇航员的有效载荷加速到三分之一光速的提案都更加不切实际——它需要大约相当于地球所有发电厂连续运行数年的总功率输出。任何严肃的深空飞船计划，无论是载人还是无人，都将面临所需空间基础设施的巨额成本——即空间发电厂、设备制造厂、小行星上的矿井、工人住所空间站等等。这种严峻的现实并没有让真正的星际游侠感到沮丧。休斯飞机公司退休物理学家鲍勃·福尔沃德（Bob Forward）现在是 NASA 的兼职顾问，他说：“如果足够紧急，我们现在就可以做到。这将是一项艰巨的任务，但并非不可能。”
杰拉尔德·史密斯清楚地认识到这些限制，这就是为什么他和所有其他空间科学家都排除了在深空飞行中使用化学火箭。核电推进每磅燃料的推力将是现在的 1000 万倍，但传统的核技术对于太空飞行来说存在问题。裂变需要一个复杂的反应堆来约束，而在推进所需的高温下会熔化。此外，裂变产生重的、缓慢移动的离子，不利于快速加速。理论上，聚变更适合。一个被激光束轰击的燃料颗粒可以产生聚变爆炸，释放足够的能量将火箭加速到高速。然而，可靠的聚变反应堆可能还需要几十年。一些工程师甚至怀疑这个过程能否成功。
史密斯认为反物质可能是答案。尽管它听起来像是科幻小说，但对高能物理学家来说，反物质是很普通的东西。反物质粒子，如反质子和反电子（也称为正电子），理论上几乎与其普通物质对应物相同，只是电荷相反。当它们与物质对应物接触时，它们也会以能量爆发的形式消失，物理学家称之为湮灭。湮灭事件以伽马射线和 π 介子（或 π 介子）的形式释放出巨大的能量，这正是火箭设计人员对此感兴趣的原因。理论上，一磅反物质燃料将比一磅裂变或聚变燃料产生多一百倍的能量。这意味着，根据一项提议，反物质火箭应该能够用仅仅九公斤的反物质燃料将一吨的有效载荷加速到十分之一光速。
这种航行的第一个障碍是凑足足够多的反物质。这并不容易。一方面，反物质粒子很难捕捉。在日内瓦的 CERN 粒子物理学实验室，史密斯在那里做了很多工作，每十分钟就有十亿个反质子以十分之一光速的速度从环形加速器中飞出——速度如此之快，能量如此之高，以至于它们几乎能穿过你放在它们前面的任何东西。史密斯设法通过在它们的路径上放置金属箔层和气体来减慢它们的速度。反质子与箔中的电子碰撞，在此过程中损失能量。然后，他必须在它们撞上普通质子（它们的物质镜像）并消失之前，将它们捕获在磁瓶中。如果一切顺利，大约有数百万个反质子拥有足够的动能进入磁瓶，但又不足以从另一侧射出。通过这种方式，史密斯将他狂奔的反质子群体减少为一群温顺的羊群，它们聚集在他的陷阱中间一个硬币大小的空间里。
一百万个反质子是一个有希望的开始，但还不足以作为火箭燃料。史密斯仍然需要捕获比这多得多的物质——几乎是现在的十亿倍——才能得到一克。由于粒子可以在它们的磁瓶（称为 Penning 陷阱）中无限期地存在，围绕磁场蜿蜒盘旋，理论上史密斯应该能够重复这个过程，不断累积更多的粒子。但他仍然面临两个重大问题。首先，他的 Penning 陷阱最多只能容纳约一千亿个反质子，否则就会“爆裂”。由于粒子带有电荷，它们会相互排斥，因此它们在陷阱中心聚集得越密集，就越需要强大的磁场来约束它们。制造一个比史密斯目前拥有的（已经是世界上最大的）更大的陷阱，需要极其强大且昂贵的超导磁体。
史密斯认为，更好的方法是将反质子与正电子结合起来制造反氢原子。就像由绕着一个质子旋转的单个电子组成的常规氢原子没有净电荷一样，反氢也没有——正电子的电荷抵消了反质子的电荷。使原子不逃离磁阱的是每个旋转的正电子和反质子产生的微弱磁场。这种所谓的磁矩，如果其方向与瓶子的磁场相反，就会产生一个足够强大的力，将原子推向陷阱中心，而不会完全将其撑破。
史密斯计划在今年晚些时候尝试合成反氢原子。首先，他将把一块银箔放入陷阱中。然后，他将注入正电子，正电子会与箔碰撞并击落一些电子。电子和正电子会配对形成称为“正电子素”的类原子结构，它可以短暂存在，然后粒子会相互湮灭。这个短暂的间歇将用于减慢正电子的速度，这样当正电子素与反质子碰撞时，正电子的能量就足够低，可以绕着反质子运行并形成一个反氢原子。多余的电子将飞出陷阱，带走多余的能量。
史密斯说：“它会成功的。这个过程中的所有物理学都是已知的。我们不必依赖任何理论。唯一可能出错的是，如果我们得到的正电子素不够多，或者我们的磁场无法 удержи住它们。但这只是技术问题。”史密斯认为，这个过程将是未来大规模生产反氢工业流程的先导。最终，他希望将反氢凝结成液体液滴，甚至微小的冰状晶体，并在极低的温度下储存。这样他就可以使用比 Penning 陷阱更紧凑、更有效的储存室。
但即使反氢解决了储存问题，生产足够的粒子作为燃料仍然需要太长时间。实际上，积累一克反物质需要永远——即使史密斯设想的改进使其过程更有效，即使投资数亿美元建立所谓的反物质工厂。史密斯认为，到本世纪末，每年合成一微克（百万分之一克）的反质子是比较现实的目标。按照这个速度，九公斤火箭燃料需要 90 亿年才能制造出来。
那么，在恒星（更不用说人类）消亡之前，反物质将如何将我们带到星辰大海？史密斯认为，唯一的方法是暂时忘记纯粹的反物质推进。取而代之的是，他提议使用反物质作为常规裂变-聚变反应（即氢弹使用的那种）的催化剂。这些反应以一块铀开始。用中子轰击它会引发裂变反应，进而加热一个装有氘和氚（氢的重同位素）的胶囊，从而触发聚变反应。
从太空旅行的角度来看，缺点是这些反应会产生巨大的爆炸，相当于数百万吨 TNT，在燃烧室内很难控制。史密斯提议通过截断初始裂变反应来缩小其规模。他会将反质子注入一个含有少量氘和氚的铀胶囊中。当一个反质子撞击一个铀原子时，它会与原子核中的一个质子一起湮灭。产生的几个 π 介子会穿过原子核的其余部分并将其炸开，释放出大量的中子——比常规裂变反应产生的中子数量多六倍以上。由此产生的链式裂变反应进行得极其迅速，产生足够的加热和压力来触发氘-氚核心的聚变反应。通过使用反质子来启动裂变反应，史密斯就可以只用一小粒铀来触发聚变反应。
根据史密斯的计算，结果是一次相当于约 15 吨 TNT 的微型爆炸。史密斯估计，通过连续几天每天引爆其中一次，一艘载人飞船就能获得足够的速度，在短短三年内到达冥王星。史密斯知道，用氢弹为航天器提供动力听起来令人震惊。史密斯说：“我们会把一个明显非常糟糕的东西，我们都希望永远不会在地球上使用，并试图将其缩小 1000 倍，以便我们能够利用其中的物理原理。其他人也看过这个，我认为没有人认为这很疯狂。这说得通。需要进行测试。”
但史密斯在星际社区的一些同仁对此表示强烈怀疑。鲍勃·福尔沃德（Bob Forward）曾为 NASA 研究反物质火箭的可行性，他说：“任何烧毁燃料的星际火箭的基本问题是，火箭必须将其反应质量从尾部推出才能向前推进。反应质量是必须带到恒星的死重，并且在从尾部喷出时也极其炽热。比火焰还热，”福尔沃德说。“没有人能够开发出不会熔化的发动机。”
史密斯通过设计他的火箭在前进过程中“融化”来反驳这种批评。反物质诱导的聚变反应主要以伽马射线的形式释放光子。为了防止这些高度穿透的射线向四面八方逃逸出燃烧室，史密斯会让一部分射线通过铅过滤器，将其转换为 X 射线。然后，X 射线会撞击钛推进板，汽化金属的一层薄层，然后被推到飞船的后部。钛充当了反应质量，在整个旅程中它被逐渐消耗。尽管如此，史密斯还没有解决设计一个不会熔化的喷嘴的问题。他承认：“这很混乱而且复杂。如果不是反物质，你才不会费心去做。但反物质的比能量密度如此之大，在我看来，值得为此付出努力。”
他补充说：“我是一个务实的实验者。我对幻想不感兴趣。我不认为我属于疯子之列。如果非要我给个概率，我会给反物质推进成功率不到 1% 的可能性。但如果它成功了，那将是大事。”
福尔沃德的星际旅行方法与史密斯的方法截然不同。自 1987 年从休斯公司退休，致力于研究先进推进技术和创作科幻小说以来，福尔沃德已成为一群太空爱好者的重要啦啦队长，这些爱好者在哲学上反对核推进。他们认为，狭义相对论的限制不允许将火箭发动机和燃料等笨重的东西带入深空。取而代之的是，他们拥抱束流推进作为一种更优雅的替代方案。
早在 20 世纪 60 年代初，福尔沃德就在思考一个太阳帆的想法——一块巨大的铝箔，它会捕捉太阳风（带电粒子不断地从太阳向外流出）并以此驶出太阳系。这种免费搭车的优点很有吸引力，但福尔沃德很快意识到它不适用于星际旅行，因为飞船会进入太阳系外的“无风区”，那里的风会消退。然后他读了一篇杂志文章，文章描述了当时新出现的红宝石激光器比太阳的光还要亮。这给了他用激光束推动帆的想法。正如福尔沃德所计算的那样，激光发出的光子会撞击帆，并将部分能量以动量的形式传递出去，使帆的速度越来越快。
从推进的角度来看，激光的有趣之处在于光束几乎不会发散，这意味着它会传播很远的距离，然后才会开始变宽和能量扩散。而且，由于能源将留在太阳系中，因此可以进行维修和维护，甚至根据需要进行更换。最重要的是，由于不需要发动机或燃料，飞船的重量可以大大减轻，这意味着加速到近光速所需的功率会更小。
为了将飞船送到比邻星，激光束会推动帆大约一年，将其加速到三分之一光速。此时，光束将关闭，飞船将滑行。福尔沃德想法的一个巧妙之处在于接下来会发生什么。当飞船接近比邻星时，船员会将帆的外环——帆将由三个同心圆构成——拆下，并将其推到飞船前面。回到太阳系，大型太阳能激光器将再次启动，向飞船发送一束巨大的光。光束会从拆下的圆环上弹开，然后从前面照射到帆的中心部分，从而为飞船刹车。
当然，激光仍然会以远离太阳系的方向推动中央帆，但由于外环覆盖的面积是内圈的九倍，其减速力将占上风。当船员准备回家时，他们会将第二个圆环拆下，然后反射光束的强度足以将飞船加速返回太阳系——至少福尔沃德是这么说的。他说：“我写科幻小说《罗什世界》时就想到了这一点。直到后来，当我把数字代进去时，我才发现它真的可行。”
不幸的是，节省飞船发动机的功率会被另一个低效率抵消。那就是，激光只对最好的帆产生很小的推力。它产生的推力来自其磁场，该磁场对帆内振荡的带电粒子施加向前的力，但力非常小。因此，福尔沃德的计划需要一个功率极大的激光束来驱动飞船。在 20 世纪 80 年代，当“星球大战”研究人员找到一种方法来准直（或使平行）许多激光束，从而创造出一个巨大的光束时，他的方案获得了一点可信度。福尔沃德说，与其用一个巨大的激光器，不如用大约一千个小型太阳能激光器。将它们放置在绕水星的轨道上，它们会将那里的强烈阳光转化为激光束，然后将它们输入一个巨大的准直器，准直器会将它们收集成一个超强光束。然而，每个微型激光器仍然需要比目前已开发的任何太阳能激光器强大约一百亿倍。
激光器和准直器实际上是福尔沃德方案中比较温和的部分。飞船的帆，用电线和铝箔建造，需要足够大才能从激光束中获得动量——大约 600 英里直径，福尔沃德说，这比德克萨斯州稍大。“如果它再小一点就无效了，”他说。“你需要机器人蜘蛛来组装帆。它们看起来可能真的像蜘蛛。”
最艰巨的工程挑战将是建造一个激光透镜。因为即使是激光束在长距离上也会发散，福尔沃德设想将一个透镜放置在土星和海王星之间，以重新聚焦光束并保持其功率。透镜将通过太阳的引力拉力和激光的向外推力之间的平衡来保持其位置。它将由间隔着空地的塑料环和钢框架组成，并且它的大小必须与帆一样大。它重约 50,000 吨。福尔沃德说：“我们需要一个太空基础设施来开采小行星，然后才能经济高效地建造透镜。你得到一颗几百英尺大的小行星，然后把一家工厂运上去，这家工厂可能重达 10,000 吨。你必须 big 思考才能让它正常工作。如果透镜不够德克萨斯州那么大，光束在到达比邻星之前就会散开，帆上的光压会下降，你就无法达到速度。”
毫不奇怪，对于一个基本尺度单位是德克萨斯州的建筑项目，福尔沃德的方案受到了批评，甚至连他的束流推进倡导者也认为它不切实际。德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Minnesota at Minneapolis）的数学家埃德·布尔布鲁诺（Ed Belbruno）说：“即使你放弃了派遣船员到比邻星的想法，而是派出一吨重的机器人，帆和透镜也需要直径 60 英里——比特拉华州还大。”
布尔布鲁诺说，问题在于使用激光作为推进剂的整个想法。他嘲笑道：“激光的动量传递很弱。”他认为粒子束提供了最有可能到达恒星的机会。粒子束是由较重粒子（如质子）组成的束，它们的速度略低于光速，但由于它们有质量，因此在传递动量方面比无质量光子更有效。
其中一种粒子束方案是两位脚踏实地的航空航天工程师的创意：洛克希德·马丁公司的鲍勃·祖布林（Bob Zubrin）和波音公司 X-33 项目（波音公司希望用它取代航天飞机）的总工程师达纳·安德鲁斯（Dana Andrews）。安德鲁斯说：“我大部分时间都在考虑如何将物体送入近地轨道。这个国家已经有 15 年没有人资助先进推进技术的研究了。但我从研究生时代起就对这些东西感兴趣，而且你一开始的兴趣是你一直保持的兴趣。”
在安德鲁斯和祖布林的方案中，飞船的帆只是一个巨大的超导线圈，它会产生一个甜甜圈形的磁场。当粒子束中的带电粒子撞击磁场时，它们会被偏转，就像太阳风被地球磁场偏转一样。但在此过程中，它们会将动量传递给帆。粒子束本身将由一个聚变反应堆供电，该反应堆可能位于小行星上，它会将气体加热到极高的温度。然后，这些热气体或等离子体会通过一个约半英里长的管道。当粒子沿着管道移动时，它们会被侧面偏转，因此当它们到达末端时，它们都将沿着大致相同的方向运动。
粒子束的缺点是它会迅速发散——带电粒子在运动过程中会相互挤压，最终偏离原来的方向，导致光束变宽。因此，粒子束只能在相对较短的距离内有效。幸运的是，由于粒子束比激光更强大的加速器，因此它不需要长时间地对准飞船。根据安德鲁斯的说法，粒子束只需使用福尔沃德激光方案所需能量的六分之一，就能将载人飞船加速到三分之一光速。但一个问题是，船员将暴露在约 1000 g 的加速度下。
任何人都能承受如此巨大的加速度吗？安德鲁斯指出，蝾螈可以：他引用了明尼苏达州一家研究公司 Shimizu Institute 的实验，在这些实验中，几代蝾螈在极高的加速度下繁殖，没有出现不良影响。为了防止人类骨骼在自身重量下塌陷，宇航员将不得不像蝾螈一样，浸泡在某种液体中。安德鲁斯说，事实上，研究人员已经证明，潜水员可以比较容易地在高度氧化的液体（如水或氟碳化物）中呼吸，而不会出现“潜水病”。
从人类的角度来看，粒子束的另一个缺点是它们无法跨越恒星距离投影功率。换句话说，一旦船员在氟碳化物浴中到达比邻星，他们将没有办法返回太阳系。安德鲁斯并不为这个困难所动。他说：“我们不难找到自杀任务的志愿者。”“想想你将能看到和命名的东西。然而，由于我容易幽闭恐惧症，安德鲁斯因此取消了自己执行此类任务的资格。”
这些缺点困扰着布尔布鲁诺，他认为粒子束推进的机器人探测器是未来半个世纪内到达恒星的唯一可行途径。事实上，布尔布鲁诺对这样一次任务的可行性感到如此兴奋，以至于他在 1994 年 8 月在纽约组织了一次会议来讨论这些问题。他说：“这本该是一次严肃的星际飞行考察，以前从未做过。直到那时，会议都有些离谱。鲍勃·福尔沃德的想法完全离谱。我不是在贬低他，只是它们做不到。所以重点是，让我们召开一次严肃的会议，看看用现有技术能做什么。”
在与来自太空旅行各领域的专家会面数天后，布尔布鲁诺得出结论，存在一种克服爱因斯坦狭义相对论的实际方法，并以合理的能量将飞船送往恒星。布尔布鲁诺说，解决这个问题的办法是制造一个大约针头大小的飞船。纳米技术飞船。
一个针头大小的探测器重约一克，可以加速到四分之三光速，而不会使其质量膨胀到无法承受的程度。即使研究人员掌握了制造如此小的探测器的技术（他们还没有做到），仍然存在其他障碍。我们如何追踪比邻星上的针头？布尔布鲁诺会议上的一位科学家建议用激光束照射它，然后用凯克望远镜寻找反射。但鉴于无法制造出像针头一样小的无线电天线，飞船如何向我们报告？
任何脚踏实地的人在这一点上都会束手无策，但这正是真正的太空爱好者变得非常固执的地方。永恒的希望是，某种新技术或新物理学会出现，使问题消失。例如，虫洞：由加州理工学院物理学家基普·索恩（Kip Thorne）提出的时空隧道，理论上可以提供宇宙捷径，绕过狭义相对论恼人的限制。如果虫洞足够大，一艘飞船可以通过，宇航员就可以一步到达宇宙的任何地方。同样，威尔士大学物理学家米格尔·阿尔库贝雷（Miguel Alcubierre）表明，理论上，飞船可以通过扭曲时空与某种反引力来旅行得比光速更快。
但这些理论只证明了这样的旅行并非内在不可能，这离给出如何做的方法还有很长的路要走。布尔布鲁诺说：“就我们目前所知的物理定律而言，确实存在超光速旅行的方法。然而，你必须理解引力是什么，而我们不理解它。而且，我们甚至不知道宇宙中 99% 的质量是什么。所以我们现在什么都不知道。最终我们很可能会到处飞行，但现在我们就是不知道怎么做。”
至少在这点评估上，他和福尔沃德是意见一致的。福尔沃德说：“最好的想法还没有被想出来。这就是为什么大家都在集中精力想出新想法。”
