星際旅行

它描述了一個樂觀的未來世界，在那時人類已經戰勝了地球上的疾病、種族、貧窮、偏執與戰爭。主角們探索銀河系，尋找新世界並且與新的文明相遇，同時也幫助散播和平與理解。《星際旅行》是科幻娛樂界史上最受歡迎的名字之一，也是電視史上最受歡迎的系列電視系列劇之一。

如果我們能夠向整個宇宙擴張，為什麼要擔心地球上有太多的人？早期歐洲通過將其過剩人口運往新大陸而解決了它的人口問題，為什麼我們不能繼續這一進程？我們的太空計劃已經指出了道路。”這種可能性時常在公眾集會上提出，1958年，美國NASA（國家航空航天局）成立后4年，其國會監護人即科學和宇航委員會支持也將太空移民作為“人口爆炸”問題最終的解決辦法。

適宜居住的行星有幾個？這些星球對於我們這些地球人來說真的是可居住的嗎？20世紀初，曾有人認為火星和金星是人類生活的可能之地。但NASA成立后不久發現，環繞太陽的其他行星都不適合我們這種生命生存已是無可辯駁的事實。我們知道，一個在金星表面的人將不得不在足以將鉛融化的溫度下生活，他呼吸的是二氧化碳含量為96%的空氣，在相當於我們的洋麵1/2英里以下水壓的大氣壓下勞作。（據推測，金星已經遭受了毀滅性的“溫室效應”。）至於火星，這個科幻小說中的常客，在這顆紅色的行星上生活就像住在兩倍於珠穆朗瑪峰的高度上。火星的空氣中僅含有極少量的水分，其大氣壓力只是地球海平面大氣壓的1%；無論白天還是夜晚，溫度都在華氏0度以下。因此，當談起天體間的移民時，其實我們考慮的只是恆星間的遷移，移向太陽以外的其他恆星——假設它們有自己的行星。進一步的假設是，在這些假想的行星中，有幾個也許像地球一樣適宜於生命。

距離:

除太陽以外最近的恆星是半人馬座的α星，距離為4.3光年。（“光年”是一種長度單位，而不是時間單位，它是指光在一年中所移動的距離。）從地球到半人馬座α星的距離是25萬億英里。

運輸時間:

為了逃離地球，宇宙飛船的速度必須超過每小時25000英里。以25000英里/小時的速度，這艘宇宙飛船要用10億小時才能到達半人馬座α星——運輸時間合計達114000年。設計出一種能夠成功地自我維持10多萬年的自給自足的人類移民隊，這種想法是令人可怕的。還需要更快的速度。

即使是光速，到半人馬座α星的旅行也要用4年時間，但是我們有充分的物理學理由認為不可能接近這一速度。塞巴斯蒂安·馮·赫爾納認為光速的3%是我們所能期望得到的最大速度，也就是2200萬英里/小時。以這一速度，從地球到半人馬座α星要花費140年。旅行需要5代人的時間。也許有人會認為，未來技術的進步能縮短運輸時間；但另一方面，如果半人馬座α星沒有假想中的適於人類生活的行星呢？在這種情況下，我們的五月花號宇宙飛船將不得不再次“起航”，也許再過5代，它的乘客才有望找到新的地球落腳。

能量:

不要以為五月花號宇宙飛船能夠像地球一樣，通過平常的農業就能夠自給自足。陽光只能使飛船上的綠色植物在旅行之初的個把月里生長。遠在飛船飛到海王星之前，陽光就不足以進行光合作用了，而人人都知道遙遠的恆星是多麼的暗淡。在黑暗中，植物要吸入氧氣，就像動物時時刻刻所為。所以在遠未接近海王星之前，植物就會同人類爭奪氧氣了。既然半人馬座α星是最近的恆星，這就意味著140年旅行的絕大部分時間裡將只有星光相伴。毫無疑問，這非常浪漫，但並不非常有營養。需要用飛船上的能源來再生氧氣。從什麼渠道能使移民隊成員獲得5代人在黑暗中生活所需要的能源呢？

弗里曼·戴森建議旅行者可以在飛船尾部一個接一個地投下氫彈，利用飛船和爆炸之間的屏障捕獲10%的能量。（顯然在我們的飛船出發之前，需要解決不少工程上的細節！）移動的移民隊需要一種安全的存儲和使用能源140年的方法。

成本:

我們的祖先用於支付駛向美洲的歷史性的五月花號旅行的積蓄和捐贈，可以表示為用於積累必須資本所需要努力的人年數。戴森認為，在五月花號將清教徒前輩移民帶到北美的旅程中，需要一個人用7.5年的勞動來支付一個家庭的旅費。對於19世紀摩門教徒從伊利諾斯州到猶他州的歷史性旅行，他計算的費用是每個家庭需要花2.5個人的年收入。對於一個設計最為周到的太空移民隊計劃，他估計每個家庭的費用是1500人/年。如果我們假設每個家庭有四口人，則意味著每個人要用375年的勞動收入來支付太空旅行。

當我們以工作的人年數這一基本術語表示旅行費用時，顯然，幾乎沒有哪位旅客能付得起他的旅費。一個人一生工作50年（從15歲到65歲），結果只是50個人年的工作，並且在其生活的進程中消費了這一數目的大部分。說出他能積累多少並非易事，但肯定不多。因此，宇宙飛船上每一位假想的移民都必須得到留在地球上的一大群人的資助。這一科學事實顯然呼喚著政治制度的某種慷慨。

雖然與工作的人年數相比，美元不是基礎的尺度，但是粗略地以美元表示旅費我們也會有所收穫。考慮一艘核潛艇的情況。這是一部精心製作的機器裝置，但顯然不如一艘能夠進行140年星際旅行的宇宙飛船那麼複雜。一艘典型的核潛艇耗資10億美元，承載140名水手。每個水手的登艇費用是700萬美元（我們還忽略了數目可觀的運行費用）。如果每一名水手都必須購買其在潛水艇上的位置（就如19世紀的英國紳士不得不在官方機構購買他們的資格一樣），一個普通人在老到無法上船之前能賺夠一筆支付登艇費的錢嗎？一個普通人能夠從一份普通工作中一年省下10 000美元，這已是很難得的了。以這一樂觀的儲蓄率，他需要700年才能積累起所需要的登艇費。

星際旅行似乎是不可能實現的場景，但是一些天體物理學家們卻不這麼認為，來自悉尼大學的教授杰倫特-路易斯認為未來100年我們會實現空間飛行速度上的突破，星際旅行會成為可能，同時他描述了宇宙飛船利用時空的扭曲進行星際旅行的想法，指出目前星際旅行之所以沒有突破，是因為我們還沒有發現負能量密度的適應材料。從理論上看，利用時空扭曲實現太空旅行的可能性是存在的，或許不久的將來我們會有所突破。

愛因斯坦的理論影響著人們生活的各個方面，目前該理論已經100歲了，這是一個偉大的理論，描述了時空扭曲的客觀現實，但我們只觸及該理論的表面。杰倫特-路易斯教授認為在接下來的100年至數百年內，我們將揭示更多關於宇宙理論的奧秘，其中一個突破口就是星際旅行。但是科學家首先要獲得合適的材料來建造這樣的宇宙飛船，如果我們了解愛因斯坦給我們留下的方程，就可以理解時空扭曲理論還有更多的奧秘等待被發現。

在理論上看，曲速驅動是可能的，製造麯速驅動宇宙飛船的材料也存在於我們的宇宙中，但我們仍然不知道如何發現和應用它們。愛因斯坦狹義相對論在1905年指出，沒有物體的運動可超過光速，但是後來的科學家發現，愛因斯坦的方程解決方案中卻允許空間移動的速度超過光速，如果我們把宇宙飛船前後的時空扭曲，就能夠利用時空本身的性質超光速運行。

當前的宇宙觀測也發現，恆星間的距離非常遙遠，如果沒有星際旅行技術，我們不可能完成宇宙殖民地的建設。即便以光速前進，前往距離地球最近的恆星也需要數萬年的時間，前往最近的星系更是需要200多萬年。巨大的距離會阻礙我們殖民宇宙，因此需要實現速度上的突破，它的奧秘就存在於愛因斯坦的相對論中。

基本介紹

行星際旅行是指在行星系內行星之間的旅行。對人類而言，此類的太空航行僅局限於太陽系內的行星之間。載人飛行的行星際航行必須擁有可靠的生命保障系統，成本非常高昂；而重量較輕的太空探測器則是現時太陽系內行星際航行的主力。

實現方式

● 重力助推法

主詞條：重力助推

在太陽系中，由於飛往內行星飛行器的軌道方向是朝向太陽的，所以其可以獲得加速度；而飛往外行星的飛行器由於是背向太陽飛行的，故其速度會逐漸降低。

雖然內行星的軌道運行速度要比地球的快得多，但是飛往內行星的飛行器由於受到太陽引力作用而獲得加速，其最終速度仍遠高於目標行星的軌道運行速度。如果飛行器只是計劃飛掠該內行星，就沒有必要為飛行器降速。但是如果飛行器需要進入環該內行星的軌道，那麼就必須通過某種機製為飛行器減速。

同樣的道理，雖然外行星的軌道運行速度要低於地球，但是前往外行星的飛行器在受到太陽引力作用而逐漸減速之後，其最終速度將仍低於外行星的軌道運行速度，所以也必須通過某種機製為飛行器加速。同時，為飛行器加速還能夠減少飛行所耗時間。

使用火箭助推是為飛行器加減速的重要方法之一，但火箭助推需要燃料，燃料具有重量，而即使是增加很少量的負載也必須考慮使用更大的火箭引擎將飛行器推出地球。因為火箭引擎的抬升效果不僅要考慮所增加負載的重量，也必須考慮助推這部分增加的負載質量所需的燃料的重量。故而火箭的抬升功率必須隨著負載重量的增加而呈指數增加。

而使用重力助推法，則飛行器無需攜帶額外的燃料就可實現加減速。此外，條件適宜的情況下，大氣制動也可用來實現飛行器的減速。如果可能，兩種方法可以結合起來使用，以最大程度的節省燃料。

例如，在信使號計劃中，科學家們即試用了重力助推法為這艘前往水星的飛行器進行減速，不過由於水星基本上不存在大氣，所以無法使用大氣制動來為飛行器減速。

● 霍曼轉移軌道

霍曼轉移軌道是一種變換太空船軌道的方法，途中只需兩次引擎推進，相對地節省燃料。

飛往火星和金星的飛行器一般使用霍曼轉移軌道法，該軌道呈橢圓形，其開始一端與地球相切，末尾一端與目標行星相切。該方法所消耗的燃料得到了儘可能的縮減，但是速度較慢。

● 大氣制動

大氣制動是一種太空船使用目標星球的大氣層來減速。阿波羅計劃返回地球的太空船沒有進入地球軌道，以弧形的垂直下降通過地球大氣層來降低太空船速度，直到降落傘系統可以順利展開。大氣制動不需要的濃厚大氣，大多數火星登陸器都使用該技術。

大氣制動的動能轉換成熱量，因此太空船需要防熱結構，以防止太空船被燃燒。

● 熱核火箭

核熱火箭和太陽熱能火箭通常使用氫氣，並加熱到很高的溫度，然後通過火箭噴管產生推力。

美國原子能委員會和NASA曾發展NERVA計劃，論證了核熱力火箭可以成為太空探索的一項可靠的工具。在1968年底，SNPO測試完成最新型號的NERVA引擎——NRX/XE后，認為NERVA可以用於載人火星任務。儘管NERVA引擎在測試后已經被認為可以勝任飛行任務，而且引擎也正準備整合入宇航器中，但在最終飛往火星的夢想實現前，被尼克松政府取消。

NERVA曾被AEC，SNPO和NASA寄予厚望，而實際上，整個項目的成就也達到甚至超過它原先的目標。NERVA最主要的任務是“為太空任務提供核動力推進系統的科技基礎”。

● 太陽帆

太陽帆使用巨大的薄膜鏡片，以太陽的輻射壓做為太空船推進力。輻射壓不僅非常小，而且與太陽距離的平方成反比，但不同於火箭的是，太陽帆不需要任何燃料。推進力雖然很小，但是只要太陽繼續照耀著，太陽帆就能繼續運作。

太陽能集熱器、溫度控制面板和陽光下的樹蔭都可以視為特殊的太陽帆，太陽帆可以幫助在軌道上的太空船調整飛行姿態或是對軌道做少量的修正而無須耗費燃料。

2010年5月21日，由日本宇宙航空研究開發機構開發的試驗性太空探測器“伊卡洛斯”（IKAROS），以日本的H-IIA火箭和破曉號金星氣象衛星以及其他四個小衛星一起發射。伊卡洛斯號是世界第一個成功在行星際空間運作的太陽帆。

該方式亦可以用於恆星際旅行。

● 電力推進

電力推進系統使用外部電源，例如核反應堆或太陽能電池來發電，加速化學惰性推進劑速度，並超越化學火箭。電力推進驅動器會產生微弱的推力，並因此不適合快速機動探測或從行星的表面發射。但是電力推進可以保持數天或數周的連續發射。

● 空間電梯

空間電梯的概念最初出現在1895年，由康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出。隨著近年納米技術取得的突破性進展，建造一部現實的空間電梯已經成為可能，預計其建造成本約100億美元，遠少於國際空間站或太空梭的投資。

● 離子推進

離子發動機原理是先將氣體電離，然後用電場力將帶電的離子加速后噴出，以其反作用力推動火箭。這是已實用化的火箭技術中，最為經濟的一種，因為只要調整電場強度，就可以調整推力，由於比沖（specific impulse）遠大於現有的其它推進技術，因此只需要少量的推進劑就可以達到很高的最終速度，而既然太空船本身不需要攜帶太多燃料，總重量大幅減少后就可以使用較小而經濟的運載火箭，節省下來的燃料更是可觀。

離子發動機缺點是推力很小，目前的離子推進系統只能吹得動一張紙，無法使太空船脫離地表，而且即使在太空中也需要很長的時間進行加速。離子推力器目前只能應用於真空的環境中。在經過很長時間的持續推進后，將會獲得比化學推進快很多的速度，這使得離子推力器被用在遠距離的航行中。

基本介紹

恆星際旅行，是一個指在恆星或行星系統之間進行假想性的載人或無人太空旅行。恆星際旅行的難度是遠高於行星際航行的；太陽系以內的行星間的距離不多於30個天文單位，而恆星間的距離卻往往是以百上千個天文單位計，而且很多時是以光年作單位。由於恆星間相隔遙遠，恆星際旅行速度需要達到光速的一個相當高的百分比，且需要很長的時間。

人類現時的太空船推進技術仍未能滿足恆星際旅行所需的速度。即使具備假想性的能達到完美效率的推進系統，所需的動能對於當今的能量生產標準依然是巨大的。此外，航天器與宇宙塵埃和氣體的碰撞可以對乘客和航天器本身造成危險的影響。

現時，人們已經提出了諸多策略來實現恆星際旅行，其中有攜帶整個生態系統的巨型架構，以至到微細的空間探測器等。人們又提出了許多不同的航天器推進系統，以滿足航天器所需的速度，其中包括了核動力推進，射束供能推進和其他基於推測性物理學的方法。

無論是對於載人或無人星際旅行，都需要滿足相當大的技術和經濟挑戰。即使是對於星際旅行最樂觀的看法，都認為恆星際旅行只能在幾十年甚至幾百年後才可行。然而，儘管有挑戰，如果恆星際旅行能夠實現，那麼將會帶來極大的科學收益。

建議方式

● 慢速無人探測器

巨大的宇航器雖然可行但推進成本現實上是不可承受的，極微觀尺度的納米級推進器可能可以用來建造光速太空船。美國密歇根大學的研究人員正在開發納米粒子作為推進劑推進器，這種技術被稱為“納米粒子場提取推進器”。

理論物理學家加來道雄曾建議發射“智能塵埃”至太空，隨著納米技術的進步可能實現。加來道雄還注意到納米探針的將需要遭遇磁場，隕石和其他危險，所以需要發射大量納米探針，以確保至少一個可以順利到達目的地。

● 納米探測器

● 世代飛船

世代飛船是一種星際方舟，到達目的地人類將是那些開始星際旅行的人類後裔。因為規模巨大、生物和社會學的問題，建造世代飛船尚不可行。

● 冬眠飛船

主詞條：暫停生命

科學家已經提出各種暫停生命技術，包括人類冬眠和人體冷凍技術。這些技術提供飛船可以持續長時間星際旅行的可能性。

● 冷凍胚胎

機器人攜帶凍結早期人類胚胎是另一種可能性的星際旅行。太空移民需要人造子宮，適合人類居住的類地行星，教育機器人將會把人類文明傳承下去。

● 跳島策略

理論推進方式

● 等離子推進器

主詞條：等離子體推進發動機

等離子推進發動機（Plasma propulsion engine）的較狹義的定義是以推進劑（為等離子體）中的電流或電位來加速推進劑，即不單獨用電場加速推進劑者。與其區別的離子推進器則是使用高壓電網或電極來加速推進劑。

● 核脈衝推進

核脈衝推進使用核爆做推力的技術。最早提出的計劃是DARPA的“獵戶座計劃”，1957年由斯塔尼斯拉夫·馬爾欽·烏拉姆提議。以慣性約束聚變為起點的新提議有著名代達羅斯計劃和遠射計劃（Project Longshot）。核脈衝推進器是以塑性核彈在運載器后爆炸產生極高比沖和極高推重比，此研究方向在當前沒有技術瓶頸。

● 核聚變火箭

核聚變火箭是一種以核聚變能量作為推動力的火箭。它能夠提供有效率且長程的太空推進力從而減少大量的燃料攜帶量。在未來更複雜的磁性限制以及防止等離子不穩的控制方法問世后，較小的輕型核聚變反應堆就有可能發明出來。慣性局限融合技術可以成為輕量化且有力的替代選擇。

對於太空航行來說，核聚變推進主要的優點是它有極高的比衝量，主要的可能缺點則是反應堆龐大的質量。然而，核聚變火箭會產生比核裂變火箭更少的放射線因此可以減少防護需求。

● 反物質推進

反物質火箭將比其他任何火箭提供更高的能量密度和比沖。如果可以發明高效的反物質生產方法，並安全存儲，反物質火箭理論上可能達到光速的百分之幾十。反物質推進可以讓太空船以極高速度前進，如此一來相對論導致的時間擴張將變得更明顯。

生產和儲存反物質應該可行。但是反物質湮滅將損失大部分能量，產生高能伽瑪射線，特別是中微子。

● 巴薩德衝壓發動機

巴薩德衝壓發動機是1960年代物理學家羅伯特·巴薩德（Robert W. Bussard）所構想的一種理論航天器推進設計。這種推進器是一種核聚變衝壓發動機，它利用巨大的電磁場（直徑從數公里至數千公里不等）作為漏斗來收集並壓縮星際物質中的氫，飛行器的高速將待反應物質強迫推入磁場中，直到壓縮的程度到達足以發生核聚變。物質轉變之後產生的巨大能量透過磁場導引至發動機的排氣方向（其方向與預計的行進方向顛倒），並透過反作用力的原理推進飛行器加速前進，而達到星際飛行的目的。

● 太陽帆

● 阿庫別瑞引擎

阿庫別瑞引擎是一項推敲性的時空數學模型，可以仿造出科幻小說或電影中星際旅行里的作為跨星際的超光速航行的工具。

阿庫別瑞引擎遵守廣義相對論中愛因斯坦方程式，在該範疇下建立出一項特別的時空度規。物理學家米給爾·阿庫別瑞於1994年提出了波動方式展延空間，導致航行器前方的空間收縮而後方的空間擴張，前後所連成的軸向即為船想要航行的方向。船在一個區間內乘著波動前進，這區間稱為“曲速泡”，是一段平直時空。既然船在泡泡內並不真的在移動，而是由“泡泡”帶著船走，廣義相對論中對於物體速度不可超過局域光速的限制就派不上用場。雖然阿庫別瑞提出的度規在數學上是可行的（符合愛因斯坦的場域等式），但其計算結果可能沒有物理學上的意義，也不一定表示真的能夠建造這種裝置。阿庫別瑞引擎的假想機制暗示了負的能量密度，因此需要奇異物質才能使用。所以如果正確性質的奇異物質並不存在，則阿庫別瑞引擎就不能被建造出來。然而，在當初發表的論文上，阿庫別瑞接著一段物理學家分析蟲洞旅行的論述之後聲稱，兩個平行的板子之間產生的卡西米爾真空可以滿足阿庫別瑞引擎的負能量需求。另一個問題是雖然阿庫別瑞度規沒有違反廣義相對論，但廣義相對論並沒有包含量子力學的機制。一些科學家因此認為，阿庫別瑞引擎理論上允許回到過去的時間旅行，雖然廣義相對論理論上也允許回到過去的時間旅行，但結合了量子力學和廣義相對論的量子引力理論指出這種時間旅行是不可能的（參見時序保護猜想），因此他們否定阿庫別瑞引擎的可能性。

● 蟲洞

蟲洞，或稱為愛因斯坦-羅森橋，是連接著時空兩個區域的通道。如果將太空船沿著旋轉黑洞的旋轉軸心發射進入，理論上是可以熬過中心的重力場，並進入鏡射宇宙。

相關計劃

● 突破攝星

突破攝星是由突破計劃提出的太空探索項目，旨在研發名為“星片”（StarChip）的太陽帆飛行器，以期能以五分之一光速（每秒六萬千米）、經過約20年的航行時間抵達南門二系統，並在到達后再經過約4年的時間向地球傳回信息。

物理學家斯蒂芬·霍金與投資人尤里·米爾納於2016年4月12日在紐約共同宣布了該項目正式啟動。項目的初期投資為一億美元。米爾納預計整個項目最終耗資可達五十億至一百億美元。

● 代達羅斯計劃

代達羅斯計劃是英國星際協會在1973至1978年之間倡導的研究計劃，考慮使用無人太空船對另一個恆星系統進行快速的探測。當時希望研究出核動力引擎作為宇宙飛船的動力，並以此前往六光年之遙的巴納德星。

● 百年星艦

百年星艦是美國國防高等研究計劃署（DARPA）與美國航空航天局（NASA）合作的一項星際旅行計劃。該計劃於2012年1月啟動，目標是未來一百年內使人類能夠進行恆星際旅行。

● 海柏利安計劃

● 星縷計劃

● 星際種子

● 遠射計劃

● 女武神計劃

基本介紹

星系際旅行是在星系間的空間旅行。由於在銀河系和最近的星系之間都有相對極其巨大的距離，這樣的旅行所需要的技術遠遠超過恆星際旅行。星系間的距離是恆星間距的大約一百萬倍（6個數量級）。在人的壽命限制下進行星系間旅行的可行技術，遠遠超出了人類當前的能力，現時星系際旅行僅僅是理論假設和科幻小說的題材。

理論方案

涉及到人類的星系際旅行以現代工程能力來說是不切實際的，被認為純屬科幻。這需要遠超目前可能的技術能力的推進手段來使大型宇宙飛船加速到接近光速或實現超光速。雖然光從地球發射到距離最近的大星系仙女星系需要大約254萬年，但是利用長度收縮效應（尺縮效應），旅行者所經歷的時間可以任意的短。光速以下的旅行者所經歷的時間取決於他們的速度和旅行距離。

如果飛船的速度不能達到相對論速度，那麼在星系際旅行過程中則會產生導航上的困難。由於旅行的時間足夠的長，以至於星系和恆星的運動需要仔細計算，才能準確到達目的地。沒有相對論效應，飛船需要額外的生命維持系統來支持人類繁衍成千上萬代的時間來度過漫長的旅程。另一種可行的方案是使用冬眠技術。

狹義相對論限制了任何物體都不能超過光速，所以看起來最好的星系旅行方案就是以接近光速的飛船跨越上百萬光年的距離。科幻小說中常常利用一些概念中的旅行手段，比如蟲洞和超空間，來進行短時間的星系際旅行。

曲速引擎是一種可行的，高假設性的，推動飛船以超光速運行的方案。飛船本身並沒有快過光速，超過光速的是空間本身。但是當前還沒有已知的手段可以產生推動飛船的空間波動，但是概念本身符合狹義相對論和光速限制。

量子力學的量子糾纏實驗提供了瞬時到達的量子傳輸的可能性。

相關自然現象

1988年，科學家提出了一個恆星以超過銀河系逃逸速度的速度朝向星系際空間運動的理論，這一理論於2005年被證實。該理論認為銀河系中心的超大質量黑洞平均每十萬年發射出一顆高速恆星。而到2010年為止，已經有16顆超高速星被發現。在星系際空間中發現的星系際塵埃也被認為是從星系中高速噴射出去的物質。