原創(chuàng) naive理想國(guó)播客 理想國(guó)imaginist

電影《沙丘》

從《2001太空漫游》到《星際穿越》，從《沙丘》到《三體》，很多科幻作品都講述了人類在宇宙中穿梭的故事，太空旅行也一直都是人類共同的夢(mèng)想。

1977年，人類發(fā)射了兩枚無(wú)人探測(cè)器——旅行者1號(hào)（Voyager 1）和旅行者2號(hào)，旅行者姐妹探測(cè)器承載著人類的浪漫愿景，一如“嫦娥”與“祝融”。

兩臺(tái)旅行者號(hào)探測(cè)器各自裝載了一張金唱片，在唱片的“地球之聲”章節(jié)中，包含了一段以莫爾斯電碼記錄的拉丁語(yǔ)：ad astra per aspera，意為“值此苦旅，以抵群星”。2012年，旅行者1號(hào)已經(jīng)越過太陽(yáng)系邊界，飛往更遙遠(yuǎn)的星系。

短短一百年，人類的航空航天技術(shù)飛速發(fā)展，與此同時(shí)，也涌現(xiàn)出眾多杰出的物理學(xué)家，他們代表人類去發(fā)現(xiàn)探索更多不為人知的世界。

今天我們邀請(qǐng)到了兩位嘉賓，和大家聊一聊人類究竟能在宇宙中走多遠(yuǎn)。

02:20 載人航天目前遇到的最大技術(shù)難題

10:05 馬斯克和SpaceX的大膽嘗試

16:52 創(chuàng)新只會(huì)發(fā)生在它必須要發(fā)生的地方

26:14 買張票上一次太空要花多少錢

30:02 什么時(shí)候能坐上超音速公務(wù)機(jī)

32:48 試聽一下協(xié)和號(hào)飛行中的音爆

37:23 飛行汽車的可行性

39:55 為什么要花重金探索宇宙

50:02 要不要向外星發(fā)送“安全聲明”，以限制自由來(lái)?yè)Q取安全

01:38 可能會(huì)發(fā)展的航天技術(shù)方向

02:30 物質(zhì)會(huì)壓彎時(shí)空

04:22 反物質(zhì)、負(fù)物質(zhì)、暗物質(zhì)是什么，如何找到物質(zhì)

21:33 黑洞和奇點(diǎn)是什么，被吸進(jìn)黑洞會(huì)看到什么

32:21 穿過蟲洞真的可以時(shí)空穿越嗎

42:14 物理理論如何被證明

45:47 最微觀和最宏觀的事物，規(guī)律是相同的

52:33 越簡(jiǎn)單的理論越值得玩味

56:31 宇宙的終點(diǎn)會(huì)是什么

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本期嘉賓

盧西

知乎知乎航空航天類榮譽(yù)答主

航空動(dòng)力工程師

從事噴氣式客機(jī)客艙研發(fā)工作

郭彥良

奧地利因斯布魯克大學(xué)量子物理實(shí)驗(yàn)中心博士后研究員

研究方向是量子物理

我們整理出5個(gè)你可能感興趣的問題

更多答案要在播客中尋找

Q1 以目前最尖端的技術(shù)而言，科幻片中的星際旅行可行嗎？

Q2 馬斯克的SpaceX有多瘋狂？

Q3 什么是反物質(zhì)、負(fù)物質(zhì)、暗物質(zhì)？

Q4《三體》中的曲率驅(qū)動(dòng)引擎的（Warp Drive）科學(xué)依據(jù)是什么？

Q5 曲率引擎幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，那什么樣的推進(jìn)器更容易實(shí)現(xiàn)？

馬斯克，一個(gè)夢(mèng)想家的故事

Q1

以目前最尖端的技術(shù)而言，科幻片中的星際旅行可行嗎？

盧西 ：是不太可能的。假設(shè)我們要去火星，會(huì)面臨著非常多的技術(shù)難題，相對(duì)于普通的航天器來(lái)說(shuō)，載人的航天器要考慮人的消耗，可以說(shuō)，人是整個(gè)載人航天中最弱的環(huán)節(jié)，盡管這些宇航員是最強(qiáng)大的人類。

在飛往火星的過程中，宇航員跟地球的交流會(huì)有幾十分鐘的延遲，沒有辦法進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通，人類沒有過這樣的訓(xùn)練，我們不知道一個(gè)宇航員在這種情況下會(huì)有什么樣的心理的變化，會(huì)不會(huì)導(dǎo)致處理事情的能力和判斷力下降。人類有類似“練兵”的項(xiàng)目，比如NASA的重返月球項(xiàng)目，想讓宇航員在月球待得更久一些，但是月球離著地球還是比較近的，對(duì)這個(gè)宇航員的心理上影響是不太一樣的。

另外，航天器的空間和重量都是非常寶貴的。想象一下一個(gè)人隔離在一個(gè)屋子里，需要很多吃的喝的，一年之后會(huì)堆滿整個(gè)屋子。

一個(gè)超級(jí)大的火箭，有2000~3000噸，起飛的時(shí)候其實(shí)絕大部分重量都是第一級(jí)火箭的燃料，大概在兩分鐘以后全都燒光了，如果想在火箭上再增加一點(diǎn)重量的話，比如再增加一個(gè)宇航員和所需要的設(shè)備，下面會(huì)需要超級(jí)多的燃料，到了預(yù)定的軌道之后，想要讓火箭飛得更遠(yuǎn)，有足夠的推力，還會(huì)需要更多的燃料。

圖源SpaceX官網(wǎng)

現(xiàn)在有一個(gè)解決方案是，先發(fā)一個(gè)飛船到軌道上，然后再發(fā)一個(gè)“加油機(jī)”上去，這個(gè)“加油機(jī)”只有燃料，然后把燃料再加給飛船，飛船可以到達(dá)更遠(yuǎn)的地方。當(dāng)然升空項(xiàng)目中還有一個(gè)問題是怎么回來(lái)。在地面上我們有各種設(shè)備去維護(hù)火箭、加裝燃料......可是飛到其他星球上是沒有這種基地的。

現(xiàn)在有一個(gè)idea，火箭上裝載的是燃料和氧化劑，氧化劑我們可以用氧氣，如果一個(gè)星球上有水，我們可以通過電解制氧；用化石燃料不太可能，我們可以用甲烷，甲烷在其他星球上并不是那么不可思議的事情，所以現(xiàn)在甲烷燃料的火箭是一個(gè)新的趨勢(shì)，比如SpaceX和Blue Origin （藍(lán)色起源）做的新的火箭都是用甲烷燃料的。

Q2

馬斯克的SpaceX有多瘋狂？

盧西 ：SpaceX從創(chuàng)始到現(xiàn)在，他們提出過非常多讓技術(shù)人員覺得匪夷所思的方案，但是最終卻一個(gè)個(gè)都成真了。

以現(xiàn)在SpaceX的技術(shù)路線看，去火星還是存在可能性，但是幾乎只能是單程票，往返是不可能的。

他們?cè)O(shè)想的火星計(jì)劃火箭非常瘋狂，最開始他想用不銹鋼做箭體，不銹鋼重量很大，強(qiáng)度也不是特別好，所以在航空航天領(lǐng)域不銹鋼幾乎是看不到的，鋁合金是最常見的，然后是鈦合金或者碳纖維，火箭在進(jìn)入火星的過程中，需要隔熱層保護(hù)自己不解體，鋁合金是很難達(dá)到這個(gè)水平的，需要在鋁合金外再加一個(gè)隔熱層，非常的重且貴，也很復(fù)雜。

所以他們?cè)O(shè)想，在進(jìn)入火星的時(shí)候，液態(tài)甲烷燃料會(huì)像出汗一樣，附著在箭體表面，熱量會(huì)讓液態(tài)甲烷快速蒸發(fā)，蒸發(fā)的過程把熱量都吸收掉了，就不用隔熱層了，后來(lái)非常遺憾他放棄了這個(gè)非常創(chuàng)意的想法。

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī) 圖源SpaceX官網(wǎng)

SpaceX 在它自己的技術(shù)路線上做了非常多瘋狂的事情。除了回收火箭以外，還有就是火箭“星艦”用的發(fā)動(dòng)機(jī)——猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，它用了一個(gè)所有人都知道效率最高的、但非常難實(shí)現(xiàn)的方式，NASA也做了很長(zhǎng)時(shí)間的研究但是沒有一個(gè)成型的產(chǎn)品，但是SpaceX最后實(shí)現(xiàn)了。

這家公司創(chuàng)新模式非常不一樣，不一樣在哪里？比如說(shuō)造一臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，就需要有測(cè)試場(chǎng)地，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試是非常昂貴的，試生產(chǎn)的成本也很高。但SpaceX 就用更多的模擬來(lái)減少測(cè)試，市面上沒有一個(gè)可以滿足的模擬軟件，于是他就自己去做了這樣的軟件，做一個(gè)模擬的軟件的成本要低于在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試火箭的成本，所以這就非常的新穎。與其用效率不高的老技術(shù)，不如冒更大的風(fēng)險(xiǎn)，用全新技術(shù)，這就是他的路線。

《星際穿越》中，令人心碎的秘密都在這里

Q3

什么是反物質(zhì)、負(fù)物質(zhì)、暗物質(zhì)？

郭彥良：原子核中質(zhì)子帶正電的，電子帶負(fù)電，反物質(zhì)恰恰相反，它的質(zhì)子帶負(fù)電，電子帶正電。第一次發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)是反氫原子，當(dāng)反氫原子和氫原子合在一起的時(shí)候，發(fā)生了湮滅反應(yīng)，反氫原子和氫原子合在一起沒了，它留下什么？留下了特別多的能量。用愛因斯坦質(zhì)能方程來(lái)看，E=mc?2;中m代表質(zhì)量，質(zhì)量沒有了，全都轉(zhuǎn)化成了能量。

有足夠的反物質(zhì)，當(dāng)它和正物質(zhì)湮滅的時(shí)候，產(chǎn)生的能量是非常巨大的，所以在《三體》里面設(shè)定的反物質(zhì)子彈就很厲害。但我們沒有那么多反物質(zhì)，這也是我們能穩(wěn)定存在有一個(gè)原因。

@中科院中國(guó)科普博覽 電影《天使與魔鬼》中，僅僅0.25g的反物質(zhì)就足以將梵蒂岡從地球上抹去；《星際迷航》中的飛船借助物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的強(qiáng)大推力來(lái)達(dá)成超光速的飛行

負(fù)物質(zhì)的質(zhì)量是負(fù)的，但是質(zhì)子照樣是在正電，電子照樣是在負(fù)電。它有點(diǎn)“賤”，你一推他他反而朝著你來(lái)，它擁有負(fù)能量。

暗物質(zhì)的質(zhì)量是正的，也是質(zhì)子帶正電，電子帶負(fù)電，但是它不參與任何電磁反應(yīng)，甚至它可能都沒有電子，也就是說(shuō)它不發(fā)射任何可見光和不可見光，所以你看不見它，你也不能用激發(fā)的方式來(lái)探測(cè)它。但它是存在的，因?yàn)榭茖W(xué)家可以通過天體的軌跡來(lái)判斷它的中心是不是有天體，或者說(shuō)有多大質(zhì)量的天體。

Q4

《三體》中的曲率驅(qū)動(dòng)引擎的（Warp Drive）科學(xué)依據(jù)是什么？

郭彥良：愛因斯坦提的廣義相對(duì)論，我們可以簡(jiǎn)單理解為，整個(gè)時(shí)空會(huì)因?yàn)椴煌|(zhì)量的物體被壓彎。就像是我坐在蹦蹦床上，蹦蹦床就會(huì)被壓彎，這個(gè)時(shí)候如果你坐在我旁邊，你就會(huì)受到一個(gè)力，這個(gè)力就會(huì)使得讓你朝向我。

太陽(yáng)就像一個(gè)很大質(zhì)量的物體坐在那了，然后出現(xiàn)了一個(gè)陡坡，地球正好在旁邊的一個(gè)位置旋轉(zhuǎn)，再以切線方向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候它受到中間的引力，就會(huì)使得它一直在一個(gè)軌道上旋轉(zhuǎn)。

曲率驅(qū)動(dòng)引擎它講的是什么東西呢？假設(shè)有一個(gè)飛船，飛船的前面有一個(gè)很大質(zhì)量密度很高的物體把時(shí)空壓彎了，就好比你前面是一個(gè)懸崖，你就站在這個(gè)懸崖的坡上，下面很陡，然后背后還拖著一個(gè)小山包。

為什么我后面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)山包？后面這個(gè)東西是負(fù)物質(zhì)，質(zhì)量是負(fù)的。就比如說(shuō)我坐在蹦蹦床上，蹦蹦床被壓彎了出了一個(gè)洞，但如果我的質(zhì)量是負(fù)的，就相當(dāng)于對(duì)蹦蹦床有個(gè)拉力，它就會(huì)被揪起來(lái)。

在宇宙中行駛不能超過光速，想要做出這種超過光速的曲率引擎，前面需要一個(gè)類似黑洞的東西，因?yàn)橄窈诙催@樣密度無(wú)限大的物體，它所壓彎的時(shí)空甚至可以讓光都無(wú)法逃逸出來(lái)，依靠空間曲率的改變，使得這個(gè)飛船有很大的加速。但真的很難，無(wú)論是負(fù)物質(zhì)還是反物質(zhì)，都很難發(fā)現(xiàn)、制造和保存。

Q5

曲率引擎幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，那什么樣的推進(jìn)器更容易實(shí)現(xiàn)？

郭彥良：反物質(zhì)推進(jìn)器，或許可以試試，就像前面說(shuō)的，有足夠的反物質(zhì)，當(dāng)它和正物質(zhì)湮滅的時(shí)候，產(chǎn)生的能量是非常巨大的。

還有一種是離我們會(huì)稍微近一點(diǎn)、可實(shí)現(xiàn)的就是核聚變推進(jìn)器。大家可能聽過“核聚變”和“核裂變”這兩個(gè)詞，什么叫核聚變、核裂變？比如說(shuō)兩個(gè)氫原子合成一個(gè)氦，合到一起了，這個(gè)叫核聚變，核裂變就是一個(gè)氦，分裂成兩個(gè)氫。

核電站和核潛艇利用的是核裂變產(chǎn)生的能量，現(xiàn)在我們能夠大概控制核裂變，還會(huì)有一些核污染，而核聚變核污染會(huì)少很多，能產(chǎn)生更多更大的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于核裂變，太陽(yáng)表面之所以有那么高的溫度和能量，就是因?yàn)楹司圩?。核聚變所需要的氫（包括氕氘氚），其?shí)在海洋里邊就有很多，所以元素是可以提取的，關(guān)鍵是怎么樣能夠達(dá)到可控。

原子彈靠核裂變，氫彈靠核聚變，引爆氫彈需要上千萬(wàn)甚至上億度的高溫，所以要引爆一顆氫彈，先要依靠一個(gè)原子彈的引爆，然后使溫度達(dá)到這么高，再引爆氫彈?？煽睾司圩兪呛茈y達(dá)到的，如果我們能做到可控核聚變，這種突破就相對(duì)于從馬車到蒸汽火車的另一次工業(yè)革命。

一個(gè)是反物質(zhì)的推進(jìn)器，還有一個(gè)核聚變推進(jìn)器，就是未來(lái)在理論上可能可行的一個(gè)方向。

原標(biāo)題：《“值此苦旅，以抵群星”》

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