互动科普

距离太阳系最近的恒星就是半人马座α星。严格来说，半人马座三合星中的比邻星才是最近的，它到地球的距离只有4.22光年。考虑到我们的太阳所属的“银河系”的直径就有10万光年，可以说是非常近的了。

2012年10月，人类在半人马座α星周围首次发现行星，也就是说在只有4.37光年的地方发现了行星，因此“想登上那个行星去看一看”也是很自然的想法。这样的想法也许过于乐观，但哪怕只是送去一个探测器，也是好的。

星际航行探测器

图为飞向邻近的半人马座α星探测器的想象图，参考了由美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室构想的激光核反应推进探测器“VISTA”。VISTA是由高功率的激光通过第一、第二反射镜的汇集照射点燃燃料球，从而引发核聚变推动的。半人马座α星是双星，有A、B两颗恒星。观测上已探明半人马座α星B有行星绕行。这两颗恒星与半人马座的比邻星（也称半人马座α星C）一起组成三合星。图中没有画出比邻星。

无尽的4.37光年

话虽如此，事情可没有这么简单。虽然前面说“只有4.37光年”，实际上对人类来说遥远得几乎没有尽头。所谓4.37光年，是指光行进4.37年（4年又4个半月）所走过的距离。宇宙中，光是最快的，其速度为每秒大约30万公里，所以4.37光年大约是41万亿公里的距离。

说41万亿公里，直观上不太容易感受它的远近。让我们来对比一下人造物体所到达的离地球最远的距离吧。

最远的人造物体是美国宇航局（NASA）在1977年发射的“旅行者1号”探测器。现在，旅行者1号依然在不断地飞离地球，现距离我们大约180亿公里。而海王星（太阳系最外侧的行星）的轨道半径大约为45亿公里，折算下来，旅行者1号已经走了这个距离的近4倍远。这是非常了不起的事情。即便如此，旅行者1号前进的这180亿公里，也不过是到邻近恒星的距离的0.044%。

旅行者1号的速度，相对太阳为每秒17公里。现在假设它是向着半人马座α星前进（其实不是），那么将在8万年后到达。显然，这样的航行太花时间了。另一方面，在科幻题材中出现的所谓“瞬间移动”之类的方法在现实中是不可能的。为了减少航行的时间，只能通过大幅度地提高探测器的速度来实现。

如果目标是让无人探测器用50年的时间到达半人马座α星。这样一来，要求探测器的速度要达到光速的10%（每秒3万公里），超过旅行者1号1000倍以上。

为了提高探测器的速度，必须投入更多的能量。根据计算得知，探测器的速度要想提高1000倍，投入的能量必须增加100万倍，也就是说，在燃料种类不变的前提下，携带燃料的总量就得增加100万倍。所以，不得不囤积大量的燃料，探测器的质量就会相应大幅上升，而用来加速这些额外质量，还要花费大量的额外能量。实际上，建造那么大的探测器是不可能的。因此，只能采用更加高效的推进方式。

提高燃料的喷出速度是非常重要的

那么，高效的推进方式又是如何做到的呢？这就先要了解火箭和探测器为什么能够加速。

加速的原理实际上非常简单，就是“作用与反作用”原理。比如说，当穿冰鞋站在冰上的人向外抛一个球时，人会向着抛球飞出的相反方向运动。

同样的原理也应用在火箭上。火箭上所携带的质量（比如燃料）被排出火箭时，火箭就能向着相反的方向运动。这个反作用并不需要压缩空气，所以即便在真空中，火箭本身和燃料之间也存在着“作用与反作用”。如果不是这样的话，火箭就无法在没有空气的宇宙空间中航行。

火箭与探测器的推进原理

在冰上，当穿冰鞋的人投出小球的时候，由于反作用，人会向着投出的小球的相反方向上运动（上）。火箭的推进原理也是一样的，是由于排放出物质等产生的反作用推动的（下）。另外，排出的物质的质量越大，速度越快，火箭得到的速度也就越大。

回到滑冰的例子。比起慢慢地投出球的情况，投快球的时候产生的反作用力更大。同样的道理，从火箭中排出的质量（燃料和燃料生成物）的速度越大，火箭得到的加速也越大。火箭燃烧燃料，就是希望能够通过燃烧产生能量，让具有质量的燃料产物以更快的速度排出（喷出）。另一方面，穿冰鞋的人向外抛出的球的质量越大，得到的反作用也就越大。也就是说，为了提高火箭或者探测器的速度，就得尽可能多地 向外排出（喷射）质量，并且越快越好。

但是，要想有更多的物质被排放出来，首先得有更多的燃料才行，而能够携带的燃料总量是有一定限制的。所以能否实现高效的推进方式，取决于能否实现高速地喷射质量（物质）。而喷出的速度，是由通过燃料的燃烧等方法产生的能量来决定的。结果就是，实现“50年间飞到邻近恒星的探测器”的关键，就在于“单位质量到底能够产生多少能量（能量密度）”。

（本文发表于《科学世界》2013年第4期）