与物理学家探讨遨游宇宙

Kylelong：当今世界上最先进的火箭推进器是固体化学燃料推进器吗？

Physicist：对。科幻中可以有金属氢（hydrogenium）燃料的火箭推进器，也称火箭发动机（rocket engine）。当然，目前已经实现“储氢合金（hydrogen storage metal）”的火箭发动机，但还不是金属氢燃料的火箭发动机。

目前人类宇宙飞船达到的最大速度，也只有15万千米/秒。到最近的恒星比邻星周围飞一个来回，仍需要十几年到几十年的时间，到天狼星则要十几年到一百多年，而到距地球分别为16.63和26.3光年（light-year）的牛郎星和织女星，则需要上千年的时间，要绕银河系一圈更是需要不可想象的近20万年的时间。因此，要实现宇宙航行的理想，还需寻找新的动力来加快航行的速度。

Kylelong：固体化学燃料与金属氢燃料的推进原理是否一样？

Physicist：嗯，完全一样。火箭发动机是喷气发动机的一种，都是依靠化学能的转化，将推进剂箱或运载工具内的反应物料（推进剂）变成高速射流，产生大量膨胀气体而产生反作用的推力，即由于牛顿第三定律而产生推力。

Kylelong：核动力舰船依靠的是核能，这个核能是否也可以用于宇宙飞船？

Physicist：不能。核动力（nuclear power）舰船是以小型核裂变反应堆为技术基础的、以核能转化成电能为能源的舰船。实际上，核动力舰船最终的推力还是利用核能产生超高温，再去产生水蒸汽而形成的动力。因此，需要大量的水，这在宇宙飞船上是非常不现实的。

当然，核物质裂变时，也可能产生高速的离子流。如果人类可以控制并利用这个离子流来作为飞船的动力，而不需要水，也许可以将核能作为动力。

Kylelong：听说过20世纪60年代初，人类就开始研究电火箭。

Physicist：电火箭（electronic rocket）的关键设备是有一台发电机和一套电子加速器。它利用发电机产生的电能，以电子形式释放出来，并在加速器中得到加速，最后从火箭尾部喷出，来产生推力。从理论上说，电火箭完全可以取得化学火箭的同样效果。但实际上，由于电子的质量很小，它所产生的推力十分微弱，远不能与化学燃料所产生的喷气相比。若要让它产生和化学火箭一样大的推力，就要配备一套十分庞大而笨重的发电设备和电子加速装置，这又将大大加重火箭的重量，显然行不通。

Kylelong：我还听说过美国有太阳能火箭。

Physicist：1988年，美国火箭达因公司试制成了世界上第一台太阳能火箭（solar energy rocket）的样机，并在爱德华兹空军基地进行了地面试验。

与太阳能汽车、太阳能飞机不同，太阳能火箭不是首先把太阳能转化为电能，再由电能去驱动电动机，带动火箭飞行；而是利用太阳能直接加热被称为工作介质的氢，使氢受热膨胀，从喷管中迅速喷出来，产生推力，推动火箭飞行。因此，这种火箭无需携带笨重的电动机，更无氧化剂与燃烧室的装置。它的关键设备是在内腔室里装有一个盘状的铼管吸热器。铼是一种十分稀有的贵金属，它具有3180℃的高熔点，能保证它在高温条件下仍能正常地工作。

太阳能火箭的另一关键设备是太阳能采集器（solar collector）。美国已研制出一种薄膜制成的膨胀式抛物面反射镜，在太空中展开后它的直径可达30米，聚焦以后可提供800千瓦的热能。一枚太阳能火箭将设有两个这种反射镜，其聚焦后的阳光通过一个石英制成的窗口，照射到铼管上，可把管内的氢气加热到2500℃左右喷出。

与电火箭相比，太阳能火箭的推力虽然有所提高，但目前仍然无法达到化学火箭的功效。因此，它也无法用作载火箭，仅适宜在太空中把大型的航天器从这一轨道转移到另一轨道。

Kylelong：科幻中的“质子火箭（proton rocket）”是否可以实现？

Physicist：工业革命300年，是分子发动机的300年。而真正的突破，早在上世纪90年代就完成了，即“离子发动机（ion engine）”。离子发动机不但已经完成，而且还应用在航天领域，即利用放射性元素的衰变放出的自由态离子工作。这种发动机的原料贵得惊人，1克的短周期衰变元素价值是千万甚至过亿美元。

另一种可能已经完成研制并应用的离子发动机可能是俄罗斯的质子火箭发动机。从名字上推断它可能是离子发动机。因为质子发动机，应该是喷射出质子来推动。如果是这样，那么，它就是离子发动机。但是，有一点疑问：如果是质子发动机，那么，成对立出现的应该是游离电子，在一个封闭系统中，质子工作用于推动力，而电子唯一的出路就是形成电子罩，包裹火箭。

Kylelong：质子火箭发动机与金属氢燃料的火箭发动机一样吗？

Physicist：不一样。前者是质子离子流，后者是分子气体流。质子与氢，其本质完全不一样。氢核多了一个中子，比质子重一倍，可是速度不到质子的万分之一。

离子发动机与分子发动机实质上是不同的：分子发动机利用分子工作产生推力，离子发动机利用原子工作产生推力（离子就是原子，少了平衡的电子而带电荷）。通常情况下，原子的速度是分子的600倍。按照能量等级标准，离子发动机所产生的推力就是分子发动机的30万倍。当然，这是理论值，实际应用极限很难达到30％。预计达到10％－30％之间，就是三千到三万倍，是有可能的。

Kylelong：光子火箭的原理是否也一样呢？

Physicist：光子火箭发动机（photon rocket engine），实际上就是激光火箭发动机。其原理与离子发动机原理完全不一样。光子火箭发动机的主要部件是一个巨大的凹面反射镜，面积可达几十平方千米。在凹面反射镜的焦点处有光子发射器，它产生的光子由凹面反射镜反射，并形成向后喷射的光子流，推动宇宙飞船高速飞行。

各种反粒子组成反物质（antimatter）。而正电子与反电子一旦相遇，就会湮灭，放出光子，同时释放出大量的能量。光子火箭就是利用正电子和反电子的湮灭来产生光子。根据相对论能量定律，即质量和能量不仅相联系而且不可分割，质量可以全部转化为能量。当正反电子相互湮灭时会产生光子，并以接近光速的速度前进，从而产生推力。

Kylelong：这么说，光子火箭发动机利用的是物质与反物质？

Physicist：对。虽然目前只在实验室实现了，但真正运用光子火箭发动机，还需要时间。

还有一种具体的设计，即γ量子火箭发动机（γ量子就是光子）。这个设计原理是这样的：在磁场感强度处于临界值的时候，真空产生的正负电子对E=mc2瞬时转变成旋转的能量。根据动能理论的预言，真空产生的粒子达到一定的密度，它们内部的正负电子场就会超过“E临界”。接着真空就会产生强大的等离子振荡，磁场中的等离子受到挤压力的作用。根据牛顿第三定律，将产生大小一样方向相反的反作用力。此时，等离子从磁场中被抛出，并湮灭，形成γ量子。

Kylelong：科幻中有一种“反地心引力”的动力装置，是否真的存在？

Physicist：很多人的确在研究什么“反地心引力”。如果解释为与地心引力（gravity）相反的力，应该被称为“地心斥力（Antigravity）”。地心引力是一种万有引力，“地心斥力”应该叫做“万有斥力”。

统一场论，是指从相互作用是由场（或场的量子）来传递的观念出发，统一地描述和揭示基本相互作用的共同本质和内在联系的物理理论。迄今人类所知的各种物理现象所表现的相互作用，都可归结为四种基本相互作用，即强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。

假如该理论建立完善的话，可以得出宇宙中万有斥力的存在，即宇宙中物质和反物质之间还存在着万有斥力。物质宇宙和反物质宇宙之间是相互排斥的。这也使得万有斥力与万有引力、电磁引力与电磁斥力，对称存在，更符合宇宙规律。遗憾的是，目前还没有任何研究成果证实这一理论是成立的，也就是说，“万有斥力”并不存在，当然也就不能应用在宇宙飞船上。

Kylelong：物质与反物质已经被证实，那么，“暗物质”是什么呢？

Physicist：在宇宙学中，暗物质（dark matter）又称为暗质，是指无法通过电磁波的观测进行研究，也就是不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能通过重力产生的效应得知，而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。

现代天文学通过重力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分，即重子（加上电子），大致占宇宙的4％，而暗物质则占了宇宙的23％，还有73％是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量（dark energy）。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常地关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。对暗物质（和暗能量）的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。

Kylelong：既然有暗物质和暗能量的存在，是否有可能制造出“暗能量火箭发动机”或“暗物质火箭发动机”？

Physicist：暗能量它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来推动的。在宇宙学中，暗能量是一种理论，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力（counterattraction）（即“斥力”，或叫“负引力”），但此反引力（counterattraction）并不是前面说的那个“反引力”（Antigravity）。这很可能就是传说中外星人“UFO（飞碟）”的动力系统，只是目前人类还处于理论阶段，更无法知道外星人是如何控制这个暗能量的。

Kylelong：“负引力”或者“负压强”，就是“负能量”吗？

Physicist：不是。“负引力”或者“负压强”是暗能量的形式，是一种可以推算的真实存在。而负能量（negative energy）则是一种无法解释的虚拟存在，而且是没有真实的能量存在。

第一位探讨负物质的科学家就是稳恒态宇宙论的创始人之一英国天文学家邦迪（H. Bendi）。他在1957年就证明了：物质以一个恒定的不断增加的速度追逐正物质的概念是与广义相对论一致的。真空中的量子涨落具有能量（零点能），如果某物质的能量低于周围空间的量子涨落能量就说这个物质具有负能量。以真空中量子涨落能量为零点，高于的叫正能量，低于的叫负能量。

现在的宇宙大爆炸（大霹雳）理论认为，宇宙的能量之和是0。宇宙诞生的时候，产生了正能量和负能量，两者相等。负能量可以理解为引力场的能量。正能量则产生了正反粒子。正反粒子的数量原本应该一样，但是实际上可能一百亿对粒子之外会多一个正粒子，于是经过正反粒子的湮灭，产生了大量的热量并剩下了大量的正粒子。剩余的热量就是宇宙背景辐射，而剩余的正粒子就形成了我们看到的这个物质世界。现在的科学家认为万有引力是负能量的主要组成部分，但是由于对万有引力的性质和宇宙的空间结构并不非常了解，因此还是个有待进一步研究的问题。不过现在的很多天文观测结果和物理理论都非常支持上述观点。这些是现在被广泛接受的宇宙大爆炸理论的重要组成部分。 

但是，人类要利用负能量（万有引力）进行宇宙遨游，只能是利用引力而产生的惯性，而不是利用负能量作为飞船本身的动力系统。

Kylelong：负能量和暗能量有什么区别？

Physicist：负能量：宇宙中目前最普遍存在最容易理解的负能量就是万有引力势能。负能量可以理解为引力场的能量。正能量则产生了正反粒子。引力场的能量就是负的，因为它在理论上是以无限远处为0能量的，这个势能就是负的。

暗能量：暗能量可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。丹麦哥本哈根大学的科学家们最近公布了他们的研究成果，认为宇宙暗能量事实上很可能就是“真空”，也叫“真空力”。

举一个例子：人类经过多年潜心研究，终于发现：龙卷风中存在着一种神秘的能量！这种能量其实就是龙卷风中心那个低气压态的真空所具有的能量。正是龙卷风中心真空能所产生的作用力（真空力）才导致了以上龙卷风发生时所遇到的种种奇异现象。这种能量，很可能类似于导致宇宙加速膨胀的暗能量。虽然人类目前还不能控制暗能量，但龙卷风还是值得研究的一种动力系统。

Kylelong：我弄糊涂了。导致宇宙加速膨胀的到底是“暗能量”还是“负能量”呢？

Physicist：当然是“暗能量”。但是，在宇宙加速膨胀过程中，“负能量”具有引力场的作用，这种能量不可能被用做飞船的动力系统。从某种意义上讲，“暗能量”和“负能量”一起，推动了宇宙星体的运动。

有一种理论认为，我们所居住的“万有引力宇宙”（Universal of gravity）实际上是起源于“万有斥力的反（能量）宇宙”（Universal of repulsive force）。而“万有斥力”是与“万有引力”相反之力，亦称为“反引力”（Antigravity）。“反引力”是一股“内推（内斥力）”加“外拉（外斥力）”之力，其中“内斥力”即内含能量的“暗能量”，而“外斥力”为不含能量的“负能量”。

按照“M理论”的“11维超引力”理论：宇宙源于反（能量）宇宙。因为这股“内推外拉”的“反引力”远远大于本宇宙的“总引力”高达15.7倍，故足以推动本宇宙“大爆炸（大霹雳）创生”（big bang creation）以及之后的“宇宙大膨胀”（Universe inflation）。

若无“反引力”而仅有“引力”的话，我们的“宇宙”将永远呈现为“紧缩态”（compactification state）的“宇宙大爆炸（大霹雳）奇异点”（singularity），那么就永远不可能发生宇宙“大爆炸（大霹雳）创生”。“反宇宙”是无限大的宇宙（Infinity Universe），是本宇宙的“背景时空”（background spacetime），亦是先于本宇宙而存在的“永恒宇宙”。在无限大的“反宇宙”中存在着无限多个“有限生命”的“正宇宙”，而本宇宙仅是无限多个“正宇宙”的其中一个。“万有斥力中之-内斥力暗能量”加上“万有斥力中之-外斥力负能量”，进而使给“大爆炸（大霹雳）奇异点”，由内向外推出并拉开，因此才会发生“宇宙大爆炸（大霹雳）创生”。

这个“M理论”，其实也是量子引力理论的一部分。量子引力是一个热门且广泛的研究领域，有时它被称作万有理论。一般来说，它是指企图统一重力以及量子力学的理论，这两门物理至今未能被完全整合。循环量子引力、超弦理论以及其继任的M理论皆属于这类的理论。

物理学家Dragan Slavkov Hajdukovic 提出，量子真空中的虚引力偶极能被邻近重恒星与星系中的重子物质引力极化（gravitationally polarized）。当虚偶极排列时，它们能产生额外的引力场，能与恒星及星系所产生的引力场结合，在星系的旋转曲线上产生相同的“加速”效应。

Kylelong：这个量子真空以及虚引力，是否就是传说中的“黑洞（black hole）”？

Physicist：不全是。按组成来划分，黑洞可以分为两大类：一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量组成，它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转，其内部产生巨大的负压足以吞噬物体，从而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基础，也是星团、星系团形成的基础。而物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成，具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时，我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大，可以有太阳系那般大。奇点黑洞比起暗能量黑洞来说体积非常小，它甚至可以缩小到一个奇点。

天文学家们提出设想，既然宇宙中有黑洞，那么一定存在“白洞（white hole）”。黑洞可以用强大的吸力把任何物体都吸进去，而白洞可以把这些东西都吐出来。科学家们设想，黑洞与白洞是连在一起的，黑洞把物质吸进去，物质在里面会经过一个叫做奇异点的东西，然后物质就到达了白洞的“管辖范围”，会被白洞“吐”出来。然后物质就到达了另一个宇宙（第一“平行宇宙”到达）。但是，如果白洞存在，所有的物体将会以极快的速度离开。不仅如此，无论什么东西都有两面性，黑洞和白洞一个能吸一个能吐，而在第二“平行宇宙”中的物质则通过白洞来到宇宙所以第一平行宇宙间的物质才不会全都消失。这在理论上是成立的。

另外，根据“量子引力理论”，两个物质粒子之间的万有引力相互作用也可这样解释，引力波（引力场的一种形式）系由许多实引力子组成，另一方面一个物质粒子可放出虚引力子，这放出的虚引力子为另一个物质粒子所吸收，其过程便是这两个物质粒子之间的引力相互作用。

我们人类未来可以利用的动力，只有可能是暗能量黑洞，这个其实就是一种量子真空的虚引力子。外星人的飞碟（UFO）动力系统，很可能就是这个。

Kylelong：那么，“时空穿梭（timeshift）”所采用的动力应该就是“暗能量黑洞”或者“虚引力子”了？

Physicist：可以这样认为。“时空穿梭”、“时空隧道（cosmic tunnel）”、“高维空间”、“异次元空间（another dimension）”等等，都是一个意思，而“异次元空间”一词来源于日语，中文含义为“平行宇宙”。根据“平行宇宙”理论，宇宙本身不是只有一个。而这个理论与相对论以及量子论有些差别。

“时空穿梭”的能量来源，很可能就是缩小版的“暗能量黑洞”或者“虚引力子”。因为“时空穿梭”是多维空间层面上的异动，时间和空间都产生了扭曲，而不是我们地球上所看能看见或感受的时间延续上的“公里”或者“光年”空间距离的意义，因此，不会产生因为快速运动而导致的人体变形、寿命延长等等之类的事件发生。

总之，“时空穿梭”，目前还只是一种理论或科幻。

Kylelong：谢谢！

Physicist：不客气。

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