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我們到底可以飛多快?人體理論可接近光速飛行

據英國廣播公司(BBC)網站報道,我們人類癡迷于追求更高的速度——運動員們不斷打破田徑場上的世界紀錄,而美國空軍則正致力于研制可以突破5倍音速的高超音速飛行器,每小時的飛行速度可達6100公里。

然而這種飛行器將是不載人的。但不載人的原因并非是人體無法經受這樣的高速運動,事實上,人類在此之前早就已經以超過5馬赫的速度運動過。但是我們想要知道的問題是,人類能夠承受的運動速度有沒有一個極限?

我們到底可以飛多快?人體理論可接近光速飛行
甚至是采用綠色能源的賽車都已經達到驚人的高速——但為了探索太空,我們需要比這高得多的速度

我們到底可以飛多快?人體理論可接近光速飛行
這是一臺離心機,飛行員們會用這種設備測試人體能夠耐受的過載極限

目前人類的最快運動紀錄由3名美國宇航員保持,他們就是阿波羅-10號的三名宇航員。1969年,當他們乘坐的飛船從月球后方繞過時,他們相對地球的運動速度高達每小時39897公里。美國空間設備供應商洛克希德馬丁公司的吉姆·巴里(Jim Bray)表示:“我想,在100年前我們肯定不能想象人類竟然可以接近每小時40000公里的速度運動。”

但在今天,我們甚至可以很確定的知道,不久之后這個記錄就將被再次打破。巴里是美國正在正在研制的下一代載人飛船“獵戶座”(Orion)的項目主管。這種新型飛船的設計旨在將宇航員送入低地球軌道,它將非常有希望突破此前已經保持了46年之久的人類飛行速度記錄。

根據目前的計劃,用于發射獵戶座飛船的“太空發射系統”(SLS)火箭將在2021年發射升空,屆時它將搭載宇航員訪問一顆此前已經被拖入月球軌道的小行星,未來則還將承擔起向火星發射載人飛船的使命。在當前階段,設計師們預料這艘飛船的常規最高速度可以達到每小時約3.2萬公里。但即便使用獵戶座飛船的基本配置版本,當年阿波羅10號飛船的飛行速度記錄就可以被突破。巴里表示:“獵戶座飛船的設計著眼于在其整個生命周期內將要承擔的多種使命。它的飛行速度還可以大大提升。”

但即便是獵戶座飛船也并不能代表我們飛行速度的極限。巴里表示:“并沒有什么具體的障礙阻止我們人類飛得更快,除了一件事:光速。”真空中的光速大約是每小時10億公里。那么我們有沒有可能從當前的記錄每小時4萬公里開始逐漸提升,最終達到接近光速的水平?

有趣的是,速度本身——也就是我們對于運動快慢的度量——對于我們的身體而言并不存在什么極限問題——只要這種運動時勻速且沿著一定方向的就可以。因此,理論上人體是可以承受以接近光速的速度飛行的情況的。

但是,假設我們能夠克服建造出超快速飛行器的技術難題,我們只要由水組成的身體仍然將面臨許多超高速運動條件下可能將會出現的問題。另外一方面,如果通過對現有物理學的升級或是全新的發現,人類有朝一日能夠以超光速的速度飛行,那么或許將會遇到意料之外的危險。

我們到底可以飛多快?人體理論可接近光速飛行
美國新一代載人飛船“獵戶座”將安裝大量防護措施以確保太空飛行的安全美國新一代載人飛船“獵戶座”將安裝大量防護措施以確保太空飛行的安全

過載的威脅

還有一點非常重要,那就是:盡管我們現在就可以實現每小時4萬公里的超高速飛行,但我們仍然必須緩慢加速到這樣的速度,然后再緩慢地把速度減下來。快速的加速或減速對于人體將是致命的:相信大家都看到過兩輛高速行駛中的汽車迎面相撞時對于車內人員身體的傷害情況——但要知道這種家庭小汽車速度再快也就每小時幾十或上百公里而已。

為什么會出現這樣的情況?這里就涉及到宇宙中一個非常重要的現象:慣性。任何有質量的物體都會抗拒對自身運動狀態的改變。在牛頓第一定律中對慣性現象有著非常好的描述:任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態,直到外力迫使它改變運動狀態為止。

巴里表示:“對于人體而言,勻速才是好事。我們應當擔心的不是速度,而是加速度。”

大約一個世紀以前,實用型堅固飛機的出現可以讓飛行員在高速飛行中進行機動,很多飛行員后來都報告了與速度與方向改變相關的一些奇怪現象,包括短暫的視力喪失以及感到自己的身體變得沉重或失重。這就是加速度的影響,或者直接就用多少個g來表示,它所代表的含義就是施加在一定質量的物體,比如人體之上加速度的大小。顧名思義,一個g就相當于地球的引力施加在人體身上的加速度,所謂重力加速度,其大小在海平面高度上約為9.8m/s2。

g的方向是垂直的,從頭指向腳或是反過來。這對于飛行員或宇航員而言絕對是一個壞消息:當這一加速度(或稱作“過載”)為負值時,血液從全身向人的頭部集中, 導致頭部出現嚴重漲感,很像當我們用雙手倒立時的感覺。此時飛行員會滿臉通紅,眼球充血。反過來,當這一加速度為正值時,血液從頭部涌向腳部,在極端情況 下眼睛和大腦將出現缺氧癥狀。此時飛行員就可能發生視力模糊甚至短暫失明的狀況,最嚴重時會導致飛行員的昏迷,專業上被稱作“過載引發意識喪失”(GLOC)。有很多航空事故的原因都是飛行員的短暫失明或昏迷導致的。

一般人大致可以忍受從頭向腳方向大約5個g的持續過載,超出這一限度就會陷入昏迷。而受過專業訓練并穿著專業飛行抗壓服的飛行員則可以在高達9個g的持續強過載壓力下仍然意識清楚地操控飛行器。總部設在弗吉尼亞州的美國航空航天醫學協會執行主管杰夫·斯文特克(Jeff Sventek)表示:“就短時間內而言,人體可以承受遠超9個g的過載壓力。但如果持續時間過長,那就很少有人能夠承受了。”

如果只持續很短的時間,我們的人體可以承受非常強大的過載而不會造成嚴重傷害。目前的這項紀錄保持者是美國空軍上尉小艾利·貝丁(Eli Beeding Jr)。他曾經在1958年的一次火箭發動機滑軌實驗中記錄到82.6g的驚人過載,當時他乘坐的安裝了火箭發動機的滑軌器在10分之一秒內加速到了每小時55公里。貝丁當場昏迷,但隨后清醒過來后發現只是背部有些許擦傷。這是一次對于人體承受力的絕佳展示。

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美國空軍正在開發能夠以超過5倍音速飛行的超高速飛行器技術美國空軍正在開發能夠以超過5倍音速飛行的超高速飛行器技術

飛向太空

基于所執行的不同任務類型,宇航員們也會經歷較高的過載環境:一般火箭發射和飛船返回地面時他們需要承受3~8個g的過載。如果加速度的方向是前胸向后背的,此時較高的過載對于人體的影響是比較小的,因此我們可以看到絕大部分的飛船設計中都會將宇航員們束縛在座椅上,使其面朝飛行加速方向,這是非常科學的設計。而一旦進入穩定的巡航飛行階段,此時飛船的軌道速度約為每小時2.6萬公里,而此時宇航員將不會感受到速度的存在,就像我們坐在高速飛行的客機中非常舒適一樣。

不過,如果說過載可能并不構成對于獵戶座飛船長期任務的威脅的話,小型的太空巖石則可能將會是一種威脅。這些細小的太空巖石顆粒可以達到驚人的運行速度,有些超過每小時30萬公里。為了保護飛船和內部的乘員,獵戶座飛船設計了厚度在18~30厘米的保護性外殼,另外還有其他的保護性措施和備份設備。巴里表示:“這樣我們就能確保飛船不會失去某樣關鍵設備,對于整個飛船而言,我們必須考慮這種太空微隕石可能來襲的角度。”

事實是,太空微隕石的威脅還不是未來深空載人飛行將要面對的唯一問題。隨著載人飛行的空間飛行速度不斷提升,比如執行火星飛行任務時,其他一些問題也必須引起重視,其中就包括宇航員的食物問題以及長期暴露在高劑量宇宙射線環境下可能引發的癌癥風險。這些因素在短期太空飛行中都是可以基本忽略的,但在長期飛行 中就無法忽視這些問題。

我們到底可以飛多快?人體理論可接近光速飛行
美國阿波羅-10號的三名宇航員是迄今飛行速度最快的人。但他們的這項紀錄還能保持多久?美國阿波羅-10號的三名宇航員是迄今飛行速度最快的人。但他們的這項紀錄還能保持多久?

未來的太空旅行

我們對于速度的追求將為我們自己設置前所未有的障礙。將可能突破阿波羅10號速度記錄的美國新型飛船的設計仍然將盡量采用經過驗證的可靠技術和材料研制,以及基于化學推進的發動機系統,這是人類從第一次太空飛行至今一直采用的方案。然而這樣的傳統方案在速度方面存在嚴重的限制,因為其推進效率是非常低下的。

因此,為了實現人類火星飛行以及其他目的地的飛行任務的高效執行,科學家們認為有必要開發其他更加高效的推進系統。巴里表示:“今天我們所擁有的設備已經足夠讓我們到達那里,但我們仍然希望能夠看到推進系統的一場革命。”

埃里克·戴維斯(Eric Davis)是設在美國德州奧斯丁的“高等研究所”的一名高級研究科學家,并參與了美國宇航局的“突破推進物理項目”,這是一項持續了6年時間,在2002年結束的技術研究計劃。這項梳理出了3種最具有潛力的未來推進方案,這些方案基于傳統物理學理論,并且一旦成功將可以讓人類宇航員實現行星際航行。簡單來說,這三種方案分別基于核裂變,核聚變以及反物質推進。

第一種方案的原理是分裂原子,就像在商業核電站中發生的那樣。第二種方案則是聚變,合并原子核——這是恒星能源的來源,這項技術人類還尚未能實現可控,或許在未來50年內可以實現。戴維斯表示:“這樣的技術非常先進,但仍然是基于傳統物理學原理的,并且從原子時代的早期便已經被提出。”從樂觀的角度估計,采用核裂變和核聚變技術的推進方案理論上將能夠將飛船加速到光速的10%左右,也就是大約每小時1億公里。

當 然,最強大的推進方案是第三種,也就是利用正反物質的湮滅反應實現推進。物理學原理已經闡明,當普通物質與反物質相遇時將會發生湮滅反應并釋放大量能量。今天,粒子物理學家們已經實現了對反物質的少量制造和儲存。但要想制造出有實用意義的大量反物質粒子則仍然需要等待下一代的新型設備和技術,而要想將其轉 變為實際的飛船推進技術則將極大地考驗人類的工程學技術。但戴維斯指出,目前工程師們已經提出了很多非常絕妙的設想方案。

如果使用反物質推進引擎,一艘宇宙飛船將能夠在持續數月乃至數年的時間里不斷加速,達到非常高速度的同時讓過載量控制在一個宇航員可以承受的范圍內。然而,如此驚人的高速將可能對人體產生全新的危險。

高速飛行風險

當人以每小時上億公里的驚人高速飛行時,太空中的任何微粒,從氫氣原子到微隕石,實際上都將變成對飛船可能產生威脅的“子彈”。亞瑟·愛德斯坦(Arthur Edelstein)表示:“當你以這樣的高速飛行時,這些微粒相對你的速度將變得非常高。”亞瑟·愛德斯坦的父親威廉·愛德斯坦(William Edelstein)在去世之前是美國約翰霍普金斯大學醫學院的一名教授,這父子兩人在2012年共同發表的一篇論文中闡述了太空中的氫原子對于高速飛船可能構成的風險。

盡管在深空環境下,空間內氫原子的密度僅有大約每立方厘米一個原子的水平,但這些原子可能會轉變為強烈的輻射。當與高速飛船接觸時,氫原子將會破裂形成許多亞原子粒子并穿透飛船,對宇航員和設備都會造成輻射傷害。當飛船速度達到光速的95%左右水平時,這樣的輻射暴露將會達到致命的程度。另外以如此高速進行飛行的飛船還將面臨加熱問題,摩擦產生的高熱幾乎將會熔化任何現有的傳統材料,而宇航員體內的水分將會沸騰,這些都將是極為棘手的問題。

在2012年的論文中,愛德斯坦父子提出了利用強大的“磁場報護罩”來保護飛船免受這種氫原子“雨”轟擊的方案。但即便采用了磁場保護罩技術,飛船的飛行速度仍然不能超過大約光速的一半,如果超過,宇航員仍然將面臨致命輻射危險

馬克·米爾斯(Marc Millis)曾經擔任美國宇航局“突破推進物理項目”的主管。在他看來,愛德斯坦父子所提到的這種高速風險目前還根本沒有到需要列入實際考慮的階段。他說:“根據目前我們的物理學水平,要想達到光速的10%已經是非常困難的了。我們還沒有達到將會出現危險的地步。打個比方,在我們都沒有辦法進到水里之前,我們還不需要擔心溺水的問題。”

超越光速?

那么假設有一天我們真的學會了游泳,那么我們未來也會學會時空沖浪嗎?或者說我們有沒有可能達到超光速飛行?

關于超光速飛行的設想,盡管基本是基于猜想,但也并非是完全毫無根據的。其中的一種理論就是電影《星際迷航》中出現的所謂“曲率驅動”概念。從正式物理學角度來說,這種引擎的原理是“阿庫別瑞驅動”(Alcubierre drive),其主要涉及對位于飛船前方,愛因斯坦理論中所描述正常時空進行壓縮并在飛船后方將壓縮的時空釋放的過程。從本質上看,飛船此時是在時空的“團塊”中前行,就像一個“曲率氣泡”(warp bubble)。通過這種方式來突破光速的限制。在進行這樣的時空跳躍期間,飛船本身仍然被安全地放置在自身的“正常時空”里,從而避免了對宇宙光速限制的違背。戴維斯表示:“如果說傳統的飛行方式就像在水里游泳,那么阿庫別瑞驅動就像是沖浪,在浪尖上前進。”

但實現這項技術面臨的最重大問題就在于它將需要一種特殊的物質,其具有負質量,以用于壓縮或膨脹時空。戴維斯表示:“物理學原理并不禁止負質量。但目前我們還尚未找到真實案例,在自然界中也從未觀察到這樣的案例。”另外一個問題,2012年澳大利亞悉尼大學的研究人員發表的一篇文章指出,在進行這樣的飛行時,由于飛船所在的,擁有正常時空特征的“曲率氣泡”將無法避免與宇宙中其他物質的接觸,它將遭受嚴重的高能宇宙射線轟擊。部分這樣的宇宙射線將會進入氣泡內部并產生致命輻射。

困在亞光速水平?

這樣看來,因為我們生物學上的脆弱性,我們將會被永遠地困在亞光速水平上嗎?這個問題的答案將直接關系到我們人類是否有朝一日將能夠在星系中自由航行,也關系到我們人類是否未來有可能成為一個強大的星系種族。假如按照愛德斯坦父子提出的一半光速的速度極限飛行,我們往返最近的恒星大約需要16年時間。并且根據相對論,以大約一般光速飛行的飛船,其經歷的時間膨脹效應將不會非常顯著。

但米爾斯對此仍然抱有希望。他認為隨著人類開發出越來越先進的抗過載服以及微隕石防護技術,未來的人類將能夠克服越來越高速飛行環境下將可能面臨的困難。

他說:“如果未來的物理學能夠讓我們開發出難以置信的高速飛行器,那么我相信未來的物理學也將讓我們開發出難以置信的防護措施。”

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