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赵洋:《三体》航天考

2015年10月11日晚上7点,青蜜旗下一票沙龙邀请中国空间技术研究院研究员、《国际太空》杂志主编庞之浩老师,科普作家、中国科技馆副研究员赵洋博士以及科学作家、科幻作家龚钴尔共同做客北京航空航天大学沙河校区。在青蜜科技创始人雷永青的主持下,各位嘉宾以“科幻 TO 太空”为主题,与北航数百位相关专业学生一起畅谈现实与科幻作品中的航空航天技术并对当下国际太空的热点话题进行探讨。

本文为赵洋博士演讲实录

很高兴回到母校,跟大家一起分享科幻小说和航空航天技术。刚刚主持人调查了有多少人看过《三体》这部小说,我看好多人都看过,但是从另一个方面来讲我很羡慕那些还没有度过《三体》的人,因为你们还有机会能够体验到《三体》带给你的震慑人心的震撼感觉。但是很遗憾,我今天要进行一些剧透。

我是北航1997级本科,2001年从北航毕业,很高兴回到母校,同时这也是云天明和程心的母校。当然也许未来的云天明和程心就在各位中间。

不仅仅国内的科幻迷感觉《三体》好看,美国乃至其他国家的科幻迷和科幻作家都觉得《三体》好看,所以把科幻界的最高奖雨果奖颁给刘慈欣的《三体》。

《三体》作为硬科幻打动我的原因,我想主要有以下几个原因:

1、技术描写特别细腻,跟刘慈欣工科出身有关系

2、近未来技术改进型科幻,貌似天马行空实际上有着很扎实的科学技术基础

3、站在前人的肩膀上踮起了脚

4、遵循科技发展的一般规律

下面我们开始剧透(前方高能预警)

合理在哪里?

外星人要来了,我们现在来看看人类具备哪种技术手段抗击外星人的攻击,我们掌握了什么技术?若干年后能够达到什么层次?

他(指刘慈欣)提出了三个技术层次:

低技术层次,中技术层次,高技术层次。最高速度能够达到光束的百分之五,作战半径呢,我们用这张图来讲作战半径:

最小的作战半径到火星和木星中间的小行星带,中间的作战半径能够到柯伊伯带,最远的作战半径能够到达奥尔特云,奥尔特云一般来看就到达太阳系和星级空间的边缘地带,到这里的话,在他看来,深空探测也就算了,如果要是和外星人真刀真枪的干,达到一种机动性的话,速度得达到光速的百分之五。

刘慈欣借小说人物之口把技术分为了两种:

关键技术:太空电梯,核聚变发动机

辅助技术:循环生态系统,深海状态,人体冷冻技术,离子发动机,电磁发射器

所谓的辅助技术就是辅助关键技术,没有也可以,有更好。深海状态,在水底超高压来抵御高速飞行带来的压力,不会把人压成肉酱,让人让你进入深海状态。人体冷冻技术,就像我们看电影《阿凡达》中出现的这个场景,长时间的星级旅行,先把人进行冷冻,等到达了地方之后再解冻。

电磁发射器不仅可以作为推动力,还能做为武器。

天梯的畅想古已有之,三星堆博物馆,西方神话中更多。巴别塔和雅各布天梯这两个都是圣经中的故事,巴别塔这个故事,巴比伦的国王想要造一个巴别塔通天,天神真怒,说你一个凡夫俗子怎么能够通天呢?我让你造塔的工人语言都不通,无法交流,工人之间无法协作。其实这个故事很有趣,我们想想一下国际空间站这种大型的工程宇航员之间无法交流那这个事情就不能完成。

雅各布天梯讲的是有个人做梦,天神从天上做梦降下来一个梯子,让他上天堂玩了一圈,雅各布天梯这个故事有意思就在于这个梯子它是从天上垂下来,这个跟我们一会要讲的天空电梯有点类似。天空电梯是两头造,从太空往下垂,碳纳米管从地面向上造。

(编者注:希腊神话中有这样一个故事:雅各布做梦沿着登天的梯子取得了“圣火”,后人便把这神话中的梯子,称之为雅各布天梯。)

太空电梯是科幻先行,比较出名的科幻作家阿瑟克拉克,他在自己的小说《天堂的喷泉》中就写到在21世纪坐落于印度洋赤道上的一个小岛,全人类世界大同了(就是今天的斯里兰卡)建造了太空电梯,让人类进入天空的成本大大降低,天空电梯使用的材料是碳纳米管,它的强度高于自然界最强的蛛丝的强度。新闻联播报道,清华大学一个团队制作了一个2.3米长的碳纳米管,这个就很了不起。包括美国也鼓励科研团队研发太空电梯项目。

在刘慈欣的小说中,很真实,不是虚拟出来的,就像是一个海上钻井平台,多个,可以机动,躲过海上风暴的干扰。

太空电梯为什么要两头造呢?一个细长物体,我们以后学习材料力学可以知道,它的抗压能力远远小于它的抗压能力,所以天空电梯它并不是从赤道一直建造到离地球三万六千公里的宇宙空间就完事了,而是在那个点再在径向延伸,这样呢有一个重锤拉着它,保持碳纳米管电梯的缆绳始终是绷直的状态,但是在地球上建造一个三万六千公里的建筑是不可能的,为什么珠穆朗玛峰只有八千多米,根据结构力学的计算,在岩石和土搭成的构造,在地球重力的条件下,极限就是10000米,超过一万米就会自动崩塌。同样的情况下,即使人类的技术再牛,在直径有限的条件下,也不可能超过1000米。所以以后建造天空电梯可能建造到1000米之后,超过了现在阿拉伯地区的那个最高建筑物之后,可能就会从天空中把一大卷缆绳垂下来,那太空电梯的另一头我们所说的重锤把它绷紧的是什么,刘慈欣认为是一个菱形空间站,通过自转,产生离心作用,模拟重力环境。太空电梯建造好了之后如果世界大同了还好,即使世界大同,我们还有共同的敌人三体人,敌人会想方设法去破坏宇宙往返的基础设施(天空电梯),通过大爆炸,船撞,飞机撞击等等,如果建成,太空电梯将会使一个很大的战略目标,很脆弱,也很难防范这种攻击,甚至普通人联合起来也可以攻击这种设备。

刘慈欣在小说中大胆的预言,因为太空电梯这个东西刚建成的时候是一个有钱人才能够搭乘的交通工具,不是所有的人都能够坐得上去。那那些买不到天空电梯票的人怎么办呢?拔出激光枪,喊一二三,射击太空电梯的轿厢,把有钱人打下来,我上不去你也别想上去。在技术普及的时代,像太空电梯这种设备其实非常脆弱。

刘慈欣在小说中说,太空电梯这种设备发展到21世纪末期,一天空电梯票的价格相当于21世纪初一张普通民航机票的价格,按照距离去测算,比如中国飞到美国是5000人民币,36000公里再乘以3.6,这是一个不错的测算,太空电梯可将每千克货物的发射成本从22000-44000美元降到900美元左右,所以大家要减肥,越轻的人花费越少。

下一个技术,虽然不是关键技术,但是跟北航有关系,把北航校友云天明的大脑送出去,达到人类有史以来最高速度的飞行器,当然这个计划的提出者也是北航的校友程心。这个阶梯计划跟科学史有关系,在《国防科技》这本杂志2004年第三期的第九十四页讲齐奥尔托夫多,也就是现在火箭的奠基人。他不有多级火箭的设想嘛,他通过传教士翻译中国的古籍,中国古典典籍中记载着“火龙出水”,其实就是二级火箭,当火箭飞行到一定高度从龙嘴里面再喷出一个火箭,就像现在的巡航导弹一样。阶梯计划实际上用的就是这种低技术组合的方式来达到当时技术所达不到的最高水平。

那我们现在再倒一下,倒到20世纪70年代,当时的美国搞了太阳系深度探测计划,先驱者,旅行者。他们当时探索到了大行星,利用的就是行星的引力跳板。

所以我们说刘慈欣在小说中提出的这个核弹跳板计划很有意思,他不但从火龙出水出发,借用这种低技术组合的方式还将太阳帆和核弹爆炸结合在一起,同时借用引力跳板的技术,一带一点地在增补外力进行加速,具体来讲就是每经过一个核弹,核弹爆炸,冲击波、光压、光辐射把这个太阳帆加速。为什么不叫太阳帆而叫辐射帆呢,因为我们知道太阳光本身就是电磁辐射的一种。

太阳帆已经有人在研究了,俄罗斯发射过宇宙一号,但是失败了。日本发射过太阳帆飞船叫伊卡洛斯号太阳帆。

刘慈欣在小说中也提到了一个没有名字的太阳帆实验,帆的面积达到50公里,但是只有50公斤。

科幻一点的太阳帆我们又提到阿瑟克拉克,他也是最早比较系统的在文学中讲到太阳帆是怎么回事的。他是借用地球上的帆船赛,把这个比赛挪到地球和月球之间,赛手们驾驶着太阳帆飞船,看谁最先从地球飞到月球。比冲量,化学火箭的比冲量也就300多,这还得是液氢液氧能到400多,核动力可能到一两万,太阳帆飞船不带燃料,他分母是0,所以它的比冲可以达到无穷大。

像在星球大战前传中出现的杜克伯爵的光帆就是属于太阳帆。

太阳帆讲完之后我们再讲一个关键技术就是无工质核聚变火箭,那为什么说无工质核聚变火箭是关键技术呢?在三体小说中刘慈欣借小说人物之口说,如果没有这项关键技术,人类根本不可能达到第三个技术层次,不能把战线推到奥尔特云把三体人的入侵拦截在太阳系之外。

根据最近解密的资料得知,美国很早在二十世纪六十年代就进行了核裂变火箭研究,我们现在看到的是通用原子公司《核推进航天器研究》以及其中一页的在地面发射进行亚轨道飞行,这是核火箭弹道测试的轨道剖面图。提到了很多方案,比如这个方案,已经接近成熟。60年代,当时美国想要在月球建造一个军事基地,它的能力是24小时把军事宇航员从地球送到月球,飞到火星不到一个月,我们知道现在飞到火星要520多天,火箭发动机非常小,只有一百公斤,推进能到100吨,比现在的液氢液氧不知道要高多少倍。它这个里面都是核燃料棒,产生高温,也是带着一个大的液氢罐,经过这个高温的时候以极高温度喷射出来,这样它的速度也就很快。

还有更脑洞大开的,猎户座火箭,这是洛斯阿拉莫斯实验室的一群核物理学家研制出来的,因为他们感觉自己研制出的核武器用来杀人很有负罪感,所以就想通过研制这种火箭把美国多余的核导弹用来制作火箭燃料。原理呢就是这不是有一个盘吗,这个上面装了好多枚核弹,比如说每枚是5000-10000当量的,每个抛出一枚,这个下面的盘都是好多层塑料,它的质量比较轻,可是容易气化,这样在下面原子弹扔出来一个,砰地一声,爆炸了,把它的一层塑料气化了,把它反推,脉冲式的向上推进。当时还设想了很多,比如在这个地方还有一个水槽。

这个是设想它升空的场景。当时也进行了很多细致的研究,但是1963年美国和苏联签署了《禁止在大气层和地面进行核试验条约》,因为这个项目的实验只能在地面和大气层进行,所以这个项目就不了了之。当时这个项目的科学家提出来,1965年到火星,1968年到土星,到今天这个目标也没有实现。就像一个核反应堆在天上飞,这个是很危险的,并且有太空军事化的嫌疑。

因此,相对核辐射小,但能量大的核聚变是否能够移植到火箭上,两种,激光触发惯性约束核聚变和英国卡拉姆的托卡马克聚变实验堆,它这个反应温度可以达到一亿度,用电磁场来约束。

其实我们觉得三体如何如何牛,我们刚刚看到的这些东西在历史上早就已经有定论了,这个打叉,发电可以,上太空不行,这个太重,电磁线圈就有好几十吨,这个打对号,可以上太空了。

七十年代,劳斯莱斯工程师召集了一群爱好者,设计核聚变火箭总重量五万吨,大部分是燃料,都是氢的同位素,有效载荷50吨,那他也是选择了一个目标,这个目标就是距离太阳5.9光年的巴纳德星,当时认为巴纳德星和太阳的光谱比较像,可以在几十年内飞到。

两级发动机,可以在四年的时间之内达到光速的12%。这个火箭是无人的,它到达巴纳德星,也是擦身而过,因为要想减速,需要耗费同等的能量,但是这个计划的目的能够让主持这个项目科学家在一代人的时间之内就可以看到数据传送回来,所以这个项目还是对科学界很有诱惑的。但是这个项目太庞大了,我们刚才说,这个火箭总总重量有五万吨,我们知道现在人类一共向宇宙空间发射了7000多个航天器,不知道这7000多个航天器捏在一起有没有五万吨。所以这个项目还只是纸面上的计划,但是它们都是由专业的科学家们计算出来的,所以还是很准确的估算。

说说更科幻的,三体舰队的推动方式是什么呢?刘慈欣在小说当中交代说叶文洁被抓到之后供述,说我通过跟外星人的交流之后知道,三体飞船推进的动力是正反物质的湮灭,飞船前方有一个巨大的磁力场,形成一个漏斗形的磁罩,用于收集太空中的反物质粒子,这种收集过程十分缓慢,经过相当长的时间,才能得到供飞船进行一段时间加速的反物质数量,因此舰队的加速是间断进行的,很长时间的收集后才能进行一次。

其实这个也不是刘慈欣的发明,这个也是洛斯阿拉莫斯国家实验室一个有内疚感的科学家叫巴萨德研制出来的叫巴萨德冲压发动机,他就想出来,太空中看似一无所有,其实是有稀薄的星际物质的,我们假如一个漏斗型的星际飞船高速飞行,这个星际物质就被吸进来,如果里面有回旋加速器的话,把有用的粒子提取出来,然后用这些粒子进行核聚变反应,就能释放出巨大的能量,并且这是一个正反馈的过程,就是越飞越快,飞的越快,我收集到的燃料就越多。

最早巴萨德设计的漏斗是一个实体漏斗,但是实体漏斗有它的弊端,我们知道,非得很快很快就会被星际物质穿的千疮百孔了,所以后面有人在此基础上提出了磁漏斗,因为宇宙空间中的物质大部分都是电中性的,而我们需要的却是带有电荷的粒子。

但是有一点,他的好处是越飞越快,不好的地方是减速非常难,当它飞得特别快的时候,你能够把它关闭,如果关不上的话怎么办,有一部非常著名的科幻小说,刘慈欣在三体二这本书写完之后他在网络上发表了一篇文章提到了一个小说,英文名叫《TAU Zero》,翻译成中文叫《宇宙过河卒》,过河卒就是一去不复返嘛。这个小说说得就是未来某年,人类科学家组成了一个团队,第一次早出了用巴萨德冲压发动机装备的宇宙飞船,开始了探索宇宙,结果不巧的是,这个发动机中途坏掉了,没法减速了,这个飞船就越飞越快,越飞越快,到最后达到无限接近光速,到最后他们就看到的是这个样子(下图)。

因为根据这个相对论,天上飞一日,地上已千年,最后就是在这些科学家还没有死的情况下他们就看到了我们这个宇宙的末日,非常震撼的一部硬科幻小说,推荐大家阅读一下。

后面更科幻一点就是这个空间曲率驱动,空间曲率驱动就是如果质子没有把地球的基础物理锁死的话人类很有可能研究出的一个技术。

空间本身是有波澜的,它是有弹性的,如果我们可以在空间中制造出这种波澜的话,让飞船或者任何一个实体乘着这个波走,飞船本身又不违反相对论,当然也有物理学家提出这样那样的质疑,比如说,能量是不是要达到无穷大啊?但是也有科学家说,你看宇宙大爆炸,短短的几毫秒,空间就是从一个基点,至于要用什么技术手段,花多少能量,让空间产生这个波,我们还能制造出一个飞船沿着这个波走,现在还不知道。现在NASA已经开始资助物理学家研究这个东西了。

空间曲率驱动和美国科幻电影星际迷航中出现的曲速驱动还不太一样,空间曲率驱动是不超光速的,但是曲速驱动是超光速的,这个就太幻想了。

曲率驱动按照刘慈欣的幻想,最有意思的一点,就是它可以产生空间的肥皂泡,就好像空间产生了这么多的褶皱之后没有人拿一个熨斗把它熨平了,空间失去弹性之后就像是一个橡皮筋,就没法再利用他的弹性了,所以其他的飞行器到这个地方就没有办法在进行曲率飞行,到这个地方之后就像蜗牛一样慢,特别慢特别慢直到光在这个地方也特别慢的时候就形成了一个黑域乃至黑洞,所以它既是一个逃命的利器,也是一个保命的利器,如果逃不掉了,我就沿着一个星体环绕着飞,我就住在这个黑洞里面,好处就是别人发现不了我,坏处就是我也永远出不去了。

人类利用能量是有限度的,在20世纪六十年代的时候,苏联一个天文学家尼古拉·卡尔达肖夫提出了人类利用能量的三个层级

(编者注:卡尔达肖夫指数[英语:Kardashev Scale]是根据一个文明所能够利用的能源量级,来量度文明层次及技术先进程度的一种方法,。它是在1964年由苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫首先提出。它的指标有三个类别,I型,II型和III型。一个I型的文明使用在它的故乡行星所有可用的资源,II型利用它的恒星所有的能源,III型则利用它所处星系的所有能源。此量度指标是高度猜测性的,但是,它把整个文明的能源消费放在了宇宙的角度来看待。)

一级文明利用自己所在星球的所有能量

二级文明能够利用自己所在的太阳系的能量。比如说我们提到的猎户座火箭的主导科学家弗里曼戴森,他是爱因斯坦的忘年交,提出了一个戴森球的概念,就是说高级文明可以把它所在的恒星包裹起来,把它各个频段的电磁辐射都有效的利用起来,所以他建议我们找外星人,我们不一定非得去找那些有行星的星系。

(编著注:戴森球[英语:Dyson Sphere]是弗里曼·戴森假想出的包围母恒星的巨大球形结构,它可以捕获大部分或者全部的恒星能量输出。戴森认为戴森球是长期生存的技术文明对于能量需求增长的必然需求,并认为寻找其存在的证据可以引导发现地外高等生命。自从该概念提出以后,诸多科幻作品里提出的包围恒星的人工建筑都被冠以“戴森球”之名。后续的设想认为戴森球上不仅有太阳能电站,还有人类殖民地和工业基地存在。)

三级文明,可以利用自己所在的星系的所有能源。

著名的科学家霍金提出,根据人类历史的发展告诉我们,低级文明遇见高级文明下场往往会很惨。

比如在三体里面,最低级的毁灭手段是毁灭恒星,进而行星也就灰飞烟灭了。再高级一点的手段就是二向箔清理,甚至就是把你围在黑洞里面让你永远也出不来,这个还算好点,给你留条命。

(编者注:未知高等文明的清理员“歌者”用于打击太阳系文明的武器,永久将太阳系从三维降低至二维。由于二向箔打击范围内的逃逸速度为光速,因此太阳系内除星环号使用曲率引擎逃离外,包括地球文明在内的所有存在全部毁灭。)

甚至有一些神级文明,神仙打架我们不知道怎么打,我们只能看到两个星系在碰撞。甚至还有更多的文明,刘慈欣一笔带过,但是我感觉让人无限回味,就是说除了物理规律我们还有数学规律呢,他们能够修改别人的数学规律去打规律战,这个就傻了。比如说我飞行到火星本来是英制,但是被修改成公制之后我可能就永远都到达不了火星。

我个人看完《三体》之后的心情可以用下面这首诗来形容。

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