今天我们为您呈现《未来科技密码》的一个非常特别的篇章，这是“科学非虚构”栏目对科幻作品中宏大科学构想的探讨：JPL 物理学家、《科学非虚构》的朋友 Kevin Grazier 将带您深入了解罗恩·D·摩尔近期电视电影《Virtuality》中用于驱动普罗米修斯号星舰的猎户座反物质驱动器的运作原理和相关讨论。Grazier 是这部电影（原本计划作为系列剧的试播集）的科学顾问，因此他对这些讨论了如指掌。本帖下方截图显示了制作中用于查看猎户座驱动器可到达哪些恒星的实际电子表格。闲话不多说，为您呈上科幻中的科学：《Discover》：我们能利用什么样的现实技术到达附近的恒星？利用这些技术可以实际到达哪些恒星？ Kevin Grazier：在印在T恤和汽车保险杠上的标语——那些在全国各地科幻大会和物理学系都能买到的标语——是这么说的：“每秒 186,000 英里：这不仅是个好主意，更是定律。”
每秒 186,000 英里：这不仅是个好主意，更是定律。
真空中所有电磁能量的光速是宇宙的极限速度。任何有质量或携带信息的东西都无法超越这个速度。这个宇宙的速度极限是阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论的直接推论。狭义相对论表明，真空中的光速是一个普遍常数，但我们日常生活中认为恒定的数值——质量、长度和时间流逝的速度——却并非如此。根据两个观察者相对速度的不同，这些数值会“调整”，以便两个观察者都能看到光速是恒定的。相对于彼此高速运动的两个观察者，他们对彼此飞船的长度以及时间流逝速度等测量结果将存在巨大分歧。狭义相对论的另一个后果是，物体速度越快，它的质量就越大。因此，速度的微小变化（在航天领域称为 delta-V）所需的推力在高速时比低速时大得多。这种效应也是高度非线性的：从 0.9c（光速的十分之九）加速到 0.99c 所需的推力，比从 0.5c 加速到 0.7c 所需的推力大约大一个数量级。以光速运动的物体将表现出无穷大的质量，因此需要无穷大的能量（即：无穷大的推力/燃料）才能达到。这对希望亲身探索其他恒星行星系统的文明（比如我们）来说，实在是一件憾事。涉及的距离，嗯，真是天文数字。仅在太阳系内，NASA 的探测器通常需要 6 个月到 1 年才能到达火星；卡西尼号花了 6 年 9 个月才到达土星。人类制造的最快的物体（目前），旅行者 1 号探测器，需要 40,000 年（可能增减几千年）才能与它的第一颗恒星 AC+79 3888 发生最近距离的交汇——它目前位于小熊座。以这个速度，很少有时间领主，甚至更少的人类，能够承受前往“附近”星系的旅程。目前的化学火箭，甚至更高效的离子推进器，都无法以合理的速度将人类送往星辰，但有一些有前景的星际飞船引擎概念，它们可以在实际意义上被制造出来，而且您可能会惊讶于这些设计的出现时间。斯坦尼斯瓦夫·乌拉姆，一位参与曼哈顿计划的波兰数学家，在 1947 年提出了核脉冲推进的概念。这个想法很简单：在飞船后面引爆一系列核弹。爆炸直接作用于一个厚实的钢制“推动板”。推动板通过一个巨大的减震器连接到飞船上，以减缓脉冲加速带来的高 G 力。用吉米·约翰逊，普罗米修斯号上的工程师的话来说，就是：
基本上，我们要在这艘船的屁股后面炸一大堆牛逼的炸弹。牛逼的炸弹会汽化一大堆牛逼的合金板，而所有这些牛逼能量的转化会让我们跑得飞快。飞快。耶！
核脉冲推进的设计和开发工作由通用原子公司在 20 世纪 50 年代和 60 年代于圣迭戈进行。最终，美国和苏联之间的《核试验禁令条约》使得对这种驱动器的测试成为非法。尽管如此，50 多年前，这个设计似乎是可行的，并且可以在现有技术范围内实现。更多信息，NASA 和《星际迷航》的设计师 Mike Okuda 提供了关于美国政府对核脉冲飞船的调查——猎户座计划的更多细节。由热核爆炸驱动的猎户座式引擎理论上可以达到 0.08c 到 0.10c 的速度。这可以在人类寿命内将飞船送往最近的恒星，但无法完成普罗米修斯号的 10 年任务。《Virtuality》设定在 21 世纪中期，可以合理地假设在此期间会有一些技术进步。普罗米修斯号并没有使用热核爆炸作为推进方式，扔出去的燃料包是物质/反物质燃料包（是的，普罗米修斯号的推力本质上是由光子鱼雷提供的）。显而易见的假设是，到 21 世纪中期，科学已经解决了反物质的产生和储存问题。一项估算表明，由物质/反物质爆炸驱动的猎户座式引擎可以达到 0.5c 到 0.8c 的速度。如果普罗米修斯号的猎户座引擎（以现实生活中的核概念命名）能够将其推进到光速的 80%，那么它可以在仅仅 5 年 6 个月内到达太阳最近的邻居——比邻星（距离 4.4 光年）。这无疑是一个巨大的进步，并将几个附近星系的往返任务时间缩短到人类寿命之内。而且，情况还会更好。狭义相对论，在我们考虑最高速度时会带来麻烦，但当我们的飞船达到光速的很大一部分时，它反而帮了船员的忙。回想一下，对于以相对论速度运动的物体，质量、时间和长度等数值会“调整”，以保持光速的恒定。在高速度下，我们测量到的“静止”或相对于 c 速度较低时的距离似乎会缩短。这种效应称为洛伦兹收缩或洛伦兹-菲茨杰拉德收缩。以 0.5c 的速度行驶，到比邻星的距离只有 3.8 光年（从 4.4 光年缩短），而表观旅行时间略长于 7 年 6 个月。以 80% 的光速行驶，距离为 2.6 光年，旅行时间为 3 年 3 个月——船员经历的时间比光走完同样的路程还要短。以 0.7c 的速度旅行是“收支平衡点”，此时飞船速度和洛伦兹收缩的结合意味着您正在以“功能性光速”旅行（在该参照系下，到比邻星的距离为 3.1 光年，旅行时间为 4 年 5 个月）。当然，时间根据相对速度的不同也会以不同的速率流逝，这种现象称为相对论时间膨胀，所以如果普罗米修斯号以 0.7c 的速度行驶，船员每经历一年，地球上的《永恒边缘》观众就会经历一年零五个月。Billie Kashmiri 在结尾的自白中就提到了这一点。借助洛伦兹收缩现象，许多其他星系都可以成为 10 年任务的潜在目标。天文学家之所以认为任何可能拥有拥有生命行星（特别是智慧生命）的恒星必须与我们的太阳相似，都有可靠的科学论证：从赫罗图（赫罗图）的中 F 型到中 K 型。在太阳的邻近区域有几颗恒星属于这个大小/温度范围。下面是《Virtuality》的制片人用来选择普罗米修斯号任务目标恒星的电子表格截图（文本颜色对应恒星的颜色）：电子表格上列出了恒星在静止状态下的距离，以及在不同光速分数下的距离——以及相应的旅行时间。
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普罗米修斯号被派往探索的附近恒星 Epsilon Eridani，它拥有一颗
，也许两颗
行星围绕它运行，以及至少三个小行星/星子带。如果我们假设普罗米修斯号的猎户座引擎能使其达到 0.8c，即光速的 80%，那么由于洛伦兹收缩，旅程（正常情况下 10.5 光年）将只有 6.3 光年，耗时不到 7 年 11 个月。所以，如果猎户座引擎能够合理地将飞船推进到 0.8c，那么普罗米修斯号的任务实际上更接近 16 年。然而，如果猎户座引擎能够将普罗米修斯号推进到 0.9c，即光速的 90%，那么到 Epsilon Eridani 的距离将只有 4.6 光年，单程飞行时间为 5.1 年。因此，为了让普罗米修斯号在规定的 10 年任务时间内往返 Epsilon Eridani，我们清楚地看到，飞船的猎户座引擎必须将其推进到超过光速的 90%（0.9c）。对于普罗米修斯号任务中可能在 21 世纪中期实际可行的所有方面，科幻的成分就在这里了。感谢 Steve Cooperman、Doug Creel 和 John Weiss 的有益输入和评论。
