我们到底可以飞多快?人体理论可接近光速飞行

据英国广播公司(BBC)网站报道,我们人类痴迷于追求更高的速度——运动员们不断打破田径场上的世界纪录,而美国空军则正致力于研制可以突破5倍音速的高超音速飞行器,每小时的飞行速度可达6100公里。然而这种飞行器将是不载人的。但不载人的原因并非是人体无法经受这样的高速运动,事实上,人类在此之前早就已经以超过5马赫的速度运动过。但是我们想要知道的问题是,人类能够承受的运动速度有没有一个极限?

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甚至是采用绿色能源的赛车都已经达到惊人的高速——但为了探索太空,我们需要比这高得多的速度

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这是一台离心机,飞行员们会用这种设备测试人体能够耐受的过载极限

目前人类的最快运动纪录由3名美国宇航员保持,他们就是阿波罗-10号的三名宇航员。1969年,当他们乘坐的飞船从月球后方绕过时,他们相对地球的运动速度高达每小时39897公里。美国空间设备供应商洛克希德马丁公司的吉姆·巴里(Jim Bray)表示:“我想,在100年前我们肯定不能想象人类竟然可以接近每小时40000公里的速度运动。”

但在今天,我们甚至可以很确定的知道,不久之后这个记录就将被再次打破。巴里是美国正在正在研制的下一代载人飞船“猎户座”(Orion)的项目主管。这种新型飞船的设计旨在将宇航员送入低地球轨道,它将非常有希望突破此前已经保持了46年之久的人类飞行速度记录。

根据目前的计划,用于发射猎户座飞船的“太空发射系统”(SLS)火箭将在2021年发射升空,届时它将搭载宇航员访问一颗此前已经被拖入月球轨道的小行星,未来则还将承担起向火星发射载人飞船的使命。在当前阶段,设计师们预料这艘飞船的常规最高速度可以达到每小时约3.2万公里。但即便使用猎户座飞船的基本配置版本,当年阿波罗10号飞船的飞行速度记录就可以被突破。巴里表示:“猎户座飞船的设计着眼于在其整个生命周期内将要承担的多种使命。它的飞行速度还可以大大提升。”

但即便是猎户座飞船也并不能代表我们飞行速度的极限。巴里表示:“并没有什么具体的障碍阻止我们人类飞得更快,除了一件事:光速。”真空中的光速大约是每小时10亿公里。那么我们有没有可能从当前的记录每小时4万公里开始逐渐提升,最终达到接近光速的水平?

有趣的是,速度本身——也就是我们对于运动快慢的度量——对于我们的身体而言并不存在什么极限问题——只要这种运动时匀速且沿着一定方向的就可以。因此,理论上人体是可以承受以接近光速的速度飞行的情况的。

但是,假设我们能够克服建造出超快速飞行器的技术难题,我们只要由水组成的身体仍然将面临许多超高速运动条件下可能将会出现的问题。另外一方面,如果通过对现有物理学的升级或是全新的发现,人类有朝一日能够以超光速的速度飞行,那么或许将会遇到意料之外的危险。

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美国新一代载人飞船“猎户座”将安装大量防护措施以确保太空飞行的安全

过载的威胁

还有一点非常重要,那就是:尽管我们现在就可以实现每小时4万公里的超高速飞行,但我们仍然必须缓慢加速到这样的速度,然后再缓慢地把速度减下来。快速的加速或减速对于人体将是致命的:相信大家都看到过两辆高速行驶中的汽车迎面相撞时对于车内人员身体的伤害情况——但要知道这种家庭小汽车速度再快也就每小时几十或上百公里而已。

为什么会出现这样的情况?这里就涉及到宇宙中一个非常重要的现象:惯性。任何有质量的物体都会抗拒对自身运动状态的改变。在牛顿第一定律中对惯性现象有着非常好的描述:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。

巴里表示:“对于人体而言,匀速才是好事。我们应当担心的不是速度,而是加速度。”

大约一个世纪以前,实用型坚固飞机的出现可以让飞行员在高速飞行中进行机动,很多飞行员后来都报告了与速度与方向改变相关的一些奇怪现象,包括短暂的视力丧失以及感到自己的身体变得沉重或失重。这就是加速度的影响,或者直接就用多少个g来表示,它所代表的含义就是施加在一定质量的物体,比如人体之上加速度的大小。顾名思义,一个g就相当于地球的引力施加在人体身上的加速度,所谓重力加速度,其大小在海平面高度上约为9.8m/s2。

g的 方向是垂直的,从头指向脚或是反过来。这对于飞行员或宇航员而言绝对是一个坏消息:当这一加速度(或称作“过载”)为负值时,血液从全身向人的头部集中, 导致头部出现严重涨感,很像当我们用双手倒立时的感觉。此时飞行员会满脸通红,眼球充血。反过来,当这一加速度为正值时,血液从头部涌向脚部,在极端情况 下眼睛和大脑将出现缺氧症状。此时飞行员就可能发生视力模糊甚至短暂失明的状况,最严重时会导致飞行员的昏迷,专业上被称作“过载引发意识丧失”(GLOC)。有很多航空事故的原因都是飞行员的短暂失明或昏迷导致的。

一般人大致可以忍受从头向脚方向大约5个g的持续过载,超出这一限度就会陷入昏迷。而受过专业训练并穿着专业飞行抗压服的飞行员则可以在高达9个g的持续强过载压力下仍然意识清楚地操控飞行器。总部设在弗吉尼亚州的美国航空航天医学协会执行主管杰夫·斯文特克(Jeff Sventek)表示:“就短时间内而言,人体可以承受远超9个g的过载压力。但如果持续时间过长,那就很少有人能够承受了。”

如果只持续很短的时间,我们的人体可以承受非常强大的过载而不会造成严重伤害。目前的这项纪录保持者是美国空军上尉小艾利·贝丁(Eli Beeding Jr)。他曾经在1958年的一次火箭发动机滑轨实验中记录到82.6g的惊人过载,当时他乘坐的安装了火箭发动机的滑轨器在10秒内加速到了每小时55公里。贝丁当场昏迷,但随后清醒过来后发现只是背部有些许擦伤。这是一次对于人体承受力的绝佳展示。

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美国空军正在开发能够以超过5倍音速飞行的超高速飞行器技术

飞向太空

基于所执行的不同任务类型,宇航员们也会经历较高的过载环境:一般火箭发射和飞船返回地面时他们需要承受3~8个g的过载。如果加速度的方向是前胸向后背的,此时较高的过载对于人体的影响是比较小的,因此我们可以看到绝大部分的飞船设计中都会将宇航员们束缚在座椅上,使其面朝飞行加速方向,这是非常科学的设计。而一旦进入稳定的巡航飞行阶段,此时飞船的轨道速度约为每小时2.6万公里,而此时宇航员将不会感受到速度的存在,就像我们坐在高速飞行的客机中非常舒适一样。

不过,如果说过载可能并不构成对于猎户座飞船长期任务的威胁的话,小型的太空岩石则可能将会是一种威胁。这些细小的太空岩石颗粒可以达到惊人的运行速度,有些超过每小时30万公里。为了保护飞船和内部的乘员,猎户座飞船设计了厚度在18~30厘米的保护性外壳,另外还有其他的保护性措施和备份设备。巴里表示:“这样我们就能确保飞船不会失去某样关键设备,对于整个飞船而言,我们必须考虑这种太空微陨石可能来袭的角度。”

事 实是,太空微陨石的威胁还不是未来深空载人飞行将要面对的唯一问题。随着载人飞行的空间飞行速度不断提升,比如执行火星飞行任务时,其他一些问题也必须引 起重视,其中就包括宇航员的食物问题以及长期暴露在高剂量宇宙射线环境下可能引发的癌症风险。这些因素在短期太空飞行中都是可以基本忽略的,但在长期飞行 中就无法忽视这些问题。

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美国阿波罗-10号的三名宇航员是迄今飞行速度最快的人。但他们的这项纪录还能保持多久?

未来的太空旅行

我们对于速度的追求将为我们自己设置前所未有的障碍。将可能突破阿波罗10号速度记录的美国新型飞船的设计仍然将尽量采用经过验证的可靠技术和材料研制,以及基于化学推进的发动机系统,这是人类从第一次太空飞行至今一直采用的方案。然而这样的传统方案在速度方面存在严重的限制,因为其推进效率是非常低下的。

因此,为了实现人类火星飞行以及其他目的地的飞行任务的高效执行,科学家们认为有必要开发其他更加高效的推进系统。巴里表示:“今天我们所拥有的设备已经足够让我们到达那里,但我们仍然希望能够看到推进系统的一场革命。”

埃里克·戴维斯(Eric Davis)是设在美国德州奥斯丁的“高等研究所”的一名高级研究科学家,并参与了美国宇航局的“突破推进物理项目”,这是一项持续了6年时间,在2002年结束的技术研究计划。这项梳理出了3种最具有潜力的未来推进方案,这些方案基于传统物理学理论,并且一旦成功将可以让人类宇航员实现行星际航行。简单来说,这三种方案分别基于核裂变,核聚变以及反物质推进。

第一种方案的原理是分裂原子,就像在商业核电站中发生的那样。第二种方案则是聚变,合并原子核——这是恒星能源的来源,这项技术人类还尚未能实现可控,或许在未来50年内可以实现。戴维斯表示:“这样的技术非常先进,但仍然是基于传统物理学原理的,并且从原子时代的早期便已经被提出。”从乐观的角度估计,采用核裂变和核聚变技术的推进方案理论上将能够将飞船加速到光速的10%左右,也就是大约每小时1亿公里。

当 然,最强大的推进方案是第三种,也就是利用正反物质的湮灭反应实现推进。物理学原理已经阐明,当普通物质与反物质相遇时将会发生湮灭反应并释放大量能量。 今天,粒子物理学家们已经实现了对反物质的少量制造和储存。但要想制造出有实用意义的大量反物质粒子则仍然需要等待下一代的新型设备和技术,而要想将其转 变为实际的飞船推进技术则将极大地考验人类的工程学技术。但戴维斯指出,目前工程师们已经提出了很多非常绝妙的设想方案。

如果使用反物质推进引擎,一艘宇宙飞船将能够在持续数月乃至数年的时间里不断加速,达到非常高速度的同时让过载量控制在一个宇航员可以承受的范围内。然而,如此惊人的高速将可能对人体产生全新的危险。

高速飞行风险

当人以每小时上亿公里的惊人高速飞行时,太空中的任何微粒,从氢气原子到微陨石,实际上都将变成对飞船可能产生威胁的“子弹”。亚瑟·爱德斯坦(Arthur Edelstein)表示:“当你以这样的高速飞行时,这些微粒相对你的速度将变得非常高。”亚瑟·爱德斯坦的父亲威廉·爱德斯坦(William Edelstein)在去世之前是美国约翰霍普金斯大学医学院的一名教授,这父子两人在2012年共同发表的一篇论文中阐述了太空中的氢原子对于高速飞船可能构成的风险。

尽管在深空环境下,空间内氢原子的密度仅有大约每立方厘米一个原子的水平,但这些原子可能会转变为强烈的辐射。当与高速飞船接触时,氢原子将会破裂形成许多亚原子粒子并穿透飞船,对宇航员和设备都会造成辐射伤害。当飞船速度达到光速的95%左右水平时,这样的辐射暴露将会达到致命的程度。另外以如此高速进行飞行的飞船还将面临加热问题,摩擦产生的高热几乎将会熔化任何现有的传统材料,而宇航员体内的水分将会沸腾,这些都将是极为棘手的问题。

在2012年的论文中,爱德斯坦父子提出了利用强大的“磁场报护罩”来保护飞船免受这种氢原子“雨”轰击的方案。但即便采用了磁场保护罩技术,飞船的飞行速度仍然不能超过大约光速的一半,如果超过,宇航员仍然将面临致命辐射危险。

马克·米尔斯(Marc Millis)曾经担任美国宇航局“突破推进物理项目”的主管。在他看来,爱德斯坦父子所提到的这种高速风险目前还根本没有到需要列入实际考虑的阶段。他说:“根据目前我们的物理学水平,要想达到光速的10%已经是非常困难的了。我们还没有达到将会出现危险的地步。打个比方,在我们都没有办法进到水里之前,我们还不需要担心溺水的问题。”

超越光速?

那么假设有一天我们真的学会了游泳,那么我们未来也会学会时空冲浪吗?或者说我们有没有可能达到超光速飞行?

关于超光速飞行的设想,尽管基本是基于猜想,但也并非是完全毫无根据的。其中的一种理论就是电影《星际迷航》中出现的所谓“曲率驱动”概念。从正式物理学角度来说,这种引擎的原理是“阿库别瑞驱动”(Alcubierre drive),其主要涉及对位于飞船前方,爱因斯坦理论中所描述正常时空进行压缩并在飞船后方将压缩的时空释放的过程。从本质上看,飞船此时是在时空的“团块”中前行,就像一个“曲率气泡”(warp bubble)。通过这种方式来突破光速的限制。在进行这样的时空跳跃期间,飞船本身仍然被安全地放置在自身的“正常时空”里,从而避免了对宇宙光速限制的违背。戴维斯表示:“如果说传统的飞行方式就像在水里游泳,那么阿库别瑞驱动就像是冲浪,在浪尖上前进。”

但实现这项技术面临的最重大问题就在于它将需要一种特殊的物质,其具有负质量,以用于压缩或膨胀时空。戴维斯表示:“物理学原理并不禁止负质量。但目前我们还尚未找到真实案例,在自然界中也从未观察到这样的案例。”另外一个问题,2012年澳大利亚悉尼大学的研究人员发表的一篇文章指出,在进行这样的飞行时,由于飞船所在的,拥有正常时空特征的“曲率气泡”将无法避免与宇宙中其他物质的接触,它将遭受严重的高能宇宙射线轰击。部分这样的宇宙射线将会进入气泡内部并产生致命辐射。

困在亚光速水平?

这样看来,因为我们生物学上的脆弱性,我们将会被永远地困在亚光速水平上吗?这个问题的答案将直接关系到我们人类是否有朝一日将能够在星系中自由航行,也关系到我们人类是否未来有可能成为一个强大的星系种族。假如按照爱德斯坦父子提出的一半光速的速度极限飞行,我们往返最近的恒星大约需要16年时间。并且根据相对论,以大约一般光速飞行的飞船,其经历的时间膨胀效应将不会非常显著。

但米尔斯对此仍然抱有希望。他认为随着人类开发出越来越先进的抗过载服以及微陨石防护技术,未来的人类将能够克服越来越高速飞行环境下将可能面临的困难。

他说:“如果未来的物理学能够让我们开发出难以置信的高速飞行器,那么我相信未来的物理学也将让我们开发出难以置信的防护措施。”

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  1. 太厚了... 5
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    嗯?嗯?嗯?

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