把在空中、或太空的飛行器稱為「船」,似乎更有些道理,讀者不妨觀賞這幾張藝術家筆下的未來太空飛行器(圖一、圖二),是不是比以前以海裡的大帆船還壯觀?帆船的帆只能在船的上方,太空帆船的帆則像個大風箏,把看起來極小的船艙拖著飛向遠方。只是太空裡沒空氣、也沒風,要帆有什麼用?答案很簡單,太空裡沒風,難道不會用「人造風」嗎?正是如此,但所造的不是風而是動能,在帆的內側製造各種爆炸產生動力,把巨大的帆推向外側,順便也就把太空船帶著走了。
從地球升到太空、在太陽系的幾個星球之間通勤,甚至衝出太陽系、像「星艦迷航記」(Star Trek) 影集任意在太空遨翔,恐怕面臨最大的問題就是燃料。現在用火箭把太空船打上天去,火箭在幾分鐘內燃料燒盡就掉下來,實在不是很好的辦法,科學家們多年來無不盡力研究突破性的燃料。新的燃料要輕,現在火箭用的化學燃料本身就很重,把燃料自己打上天去就要費很多燃料。新的燃料要產生大的能量,才能把速度加快,即使不超出愛因斯坦不超過光速的理論,至少也要達到光速的一半,這樣才能以分鐘計算到月球、以小時計算到火星。產生大能量之後要繼續維持,更是重要,現在火箭的持續燃燒以秒鐘計算,言下之意就是不會持續太久,專家們說,強大的動力至少要持續運轉五萬秒,才有希望衝出太陽系飛往太空深處。
太空之旅的新燃料之一,是「反物質」(Antimatter)。我們周遭的每樣東西,都是實體的物質 (Matter),地球與星球,也都是實體的物質,那什麼是「反物質」呢?簡單地說,就是與普通物質質量相同但電荷相反的「東西」,例如電子 (Electron) 帶負電,其反物質就是帶正電的電子(稱為 Positron);質子 (Proton) 帶正電,其反物質就是帶負電的反質子(稱為 Antiproton)。如果把物質與反物質碰在一起,就變成光、以及極大的能量,超出現在的核子反應很多很多倍。學說之一,是宇宙當初的大爆炸 (Big Bang),就是因為物質與反物質碰撞在一起所引發的,照理說正反中和產生光與能量之後,應該什麼都沒有了才對,可是為什麼還產生了這麼多雜碎物質(星球)?有人說當時物質比反物質多一點,所以才有一些沒被中和,而宇宙的空間與星球實體的比為十億比一,似乎也迎合了這一說法。
反物質似不存在於自然界,地球上更是找不到,1928 年由英國物理學家 Paul Dirac(1902-1984、1933 年獲諾貝爾物理獎)提出,多年來是個謎樣的東西,只有在科幻小說裡用到。近年科學家證實,反物質可以經普通物質的高速碰撞產生,紐約的 Brookhaven 國家實驗室,與芝加哥附近的 Fermi 國家加速實驗室,都以接近光速運轉的粒子(如質子),製造出微量的反物質。最近的統計全球每年反物質的總產量,只有十億分之二公克。這一點點的反物質到底要怎麼應用,芝加哥的 Hbar 技術公司正在規劃,宣稱在兩年之內,要示範可以連續運轉一百萬秒的動力,動力大小也可以控制自如。
Hbar 公司目前計畫用氫氣的反物質「反氫氣」,裝在一個容器裡,連到一個塗了一層薄鈾的輕便帆,容器間斷的釋放反氫粒子,撞倒塗鈾的帆會產生爆裂與能量,就把帆推向前方。一趟太空之旅到底需要多少反物質,目前的估計是,只要帆的質料輕便、繩索也不要太重,如果要到太陽系的最外圍 Kuiper Belt(距地球 65 億公里),僅需 30 毫克(千分之一公克等於一毫克)反氫氣;如果要到更遠的地方,像是離我們最近、最可能有生命跡象的星系 Alpha Centauri(距太陽 4.35 光年),幾十公克的反物質就夠了。用這麼少的燃料,把太空船高速推進,也不產升高溫、不產生磁場,聽起來是最佳的太空燃料了。
另外一種新的燃料,照射能源,特別是雷射光,這幾年則是逐步成長、接近實用。用雷射光照射飛機、或太空船,經光電轉移作用(把光轉成電流)把電流儲存到電池,用電池的能源來帶動飛機或太空船的引擎。當然這類燃料僅限於地球表面、以及地球外圍軌道上的飛行,飛出地球太遠,雷射光就照不到了。一束雷射光,無論在地面或在地球軌道照射,都無法持續追蹤快速飛行的機船,所以要架設許多雷射光,採用接力的照射方式,持續供給飛機與太空船的能源。
美國太空總署 NASA 阿拉巴馬州與加州的兩個飛行中心的研究人員,已經成功的做了雷射照射實驗。用一架模型飛機,內裝特製的光電轉換電池,地面的雷射光束叮著飛機轉,供給能源,飛機就產生動能,引擎開始發動,飛機起飛(照片)。另外在新墨西哥州的白沙飛行實驗場,用更強的雷射光,把一架可以坐人的輕型小飛機,打上高空。這一連串的實驗,證實了照射能源的可行,以後在地面與環繞地球軌道的太空站,架設馬力強大的雷射網,好比現在的電纜網,來供給地面與近太空飛行的能源。到那時候,空中交通將徹底改觀,飛機可直上直下落在樓頂、落在你家後院。飛機翅膀太大?騎著雷射光,要翅膀幹嘛?(藝術家筆下的未來飛行器)
國際照射能源協會會長 Leik Myrabo 說,許多物理性的推動能源可用在太空之旅,今天的科學家們把太多精力花耗在化學能源的研究上,我們現在要的,是把目前的推動力增強十倍、甚至百倍。不過,太空之旅所需要的動力終會改觀,以後升空不過一眨眼的事,稀鬆平常。
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