星穹研习会01期——「走出家园」

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被星空的引力点燃，人类浩荡前行。

主题

探讨如何在现实中实现星穹列车的宇宙旅行

嘉宾

TIM：知名科技影视博主
影视飓风亿点点不一样
戴树玺：中国科学院理学博士，河南大学物理电子学院教授
爱较真的戴老师

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正文

TIM：在未来，探索宇宙的方式，或许不止火箭和飞船。只要引擎性能足够优秀，我们甚至可以憧憬在星穹间，乘坐列车，来一场说走就走的旅行。那么接下来，只需10分钟，三步就能让列车飞向宇宙。
Hello，大家好，我是TIM。很高兴这次可以作为《星穹研习会》的主讲，和大家见面。
众所周知，火箭是人类实现太空探索的主要运载工具，在许多科幻题材的作品中也出现了各式各样的宇宙飞船。那么除了火箭和宇宙飞船之外，还有什么新式的航天交通工具呢？
在《崩坏：星穹铁道》中，有一辆行驶于宇宙的星穹列车，为我们展现了一种新式的星际旅行交通方式，带着我们前往不同的星球进行开拓之旅。
也许在目前最理想的太空飞行器和列车好像并不沾边，但如果有一天科技真的发达到了某种程度，大家乘着列车去环游群星也未尝不是一种浪漫的旅行方式。
那么在现实中的列车，怎么样上天，才能够实现星际旅行呢？这次就由我带领大家一探究竟。

列车进行星际旅行主要会经历三个阶段：离开地表、行星轨道停留和深空探索。每一个阶段，对于速度的要求都是不一样的。
如果想要列车保持在近地轨道，环绕地球，列车就要不断加速，达到7.9km/s（也就是第一宇宙速度），这时候列车无需加速，就会悬浮在空中。
当速度微微提速，达到11.2km/s（也就是逃逸速度），列车就会离开地月系，向其他天体进发。
当列车沿地球公转方向速度，达到16.7km/s的时候，列车就会直接冲出太阳系，正式启程宇宙之旅。

但是我要说但是，到目前为止，我们人类最快的列车也差不多125m/s（注：即0.125km/s）。所以列车想要上天，最重要的就是升级驱动引擎，那么该怎么升级这个星际列车的引擎呢？正巧中科院物理学博士戴老师，也在这辆列车上。戴老师好。

戴树玺：TIM好，各位同学们好，我是戴树玺。

TIM：戴老师，刚才那个问题，我想你应该也听到了。如果说想把一辆列车送进太空，那它应该会被设计成什么样子？是像航天飞机那样，依靠火箭引擎很大的推力，才能把它送去太空吗？
戴树玺：本质上来说，只要给这个列车一个克服自身重力的力，列车就可以脱离地表了，像火箭的固液体化学燃料释放出来的巨大动能，当然可以把列车快速地带到行星轨道。但火箭这种运载工具它的效率极低，目前航天器发射火箭基本上都是用完就会脱落的。
既然是列车，形象上就要有列车的样子，应该有车厢，有轨道站台，乘客可以舒服的坐在自己的座位上，平稳的起步。所以在引擎的选择上，可能就需要尽可能地寻求一种可以重复使用的引擎系统。
TIM：那是类似于太空电梯这样的概念吗？就相当于我们做一个垂直于地球的36000千米长的轨道，然后通过这个管道直接把列车运到太空的空间站月台上面。
戴树玺：太空电梯当然是一个好办法，但是36,000千米这个高度实在是太高了，足足有4500个珠穆朗玛峰那么高。
目前相对比较现实的还是约翰•霍普金斯大学的几位科学家，向NASA提出了一种叫“真空管道磁悬浮星际列车”的一个想法。
这种设想虽然也需要搭建轨道，但轨道的方向不是垂直的，而是把笔直的轨道平放在地面上（注：沿着地球赤道做切线）。轨道越长，轨道末端距离海平面就越高，目前只需要以海平面高度为起点，建设一条1600公里的轨道。末端的发射口将高达20千米，大约比珠穆朗玛峰高出三倍多。
根据实验表明，当列车速度超过400km/h的时候，气动阻力占总阻力的80%以上，所以当我们把结果换成真空管道的时候，列车的速度就被解锁了。

TIM：这是相当于我之前有听说过的像马斯克讲过一个Hyperloop的那种概念吗？它也是把管道抽真空，里面用磁悬浮把列车抬起来，然后进行加速，会比常规列车要快很多，他们两个是有相似性的吗？
戴树玺：是的，这也是最接近星际列车驱动原理的一个例子。都是依靠着磁悬浮和真空管道两个核心技术而形成的一个驱动系统。
星际列车的引擎相对来说，更类似电磁炮的电磁推进系统，它依靠多级线圈产生的磁场，已通电导体产生的洛伦兹力对列车进行多级加速，轨道越长，加速的线圈越多，列车就越快。
你可以把这条磁悬浮轨道当作一架长达1600千米的炮筒。列车经过轨道的多级加速之后，出膛速度足以超过第一宇宙速度。
当星际列车在最后几秒内以难以置信的速度飞速穿越最后120公里长的真空管道，最后列车像出膛的炮弹一样被抛向太空。

TIM：那现在我们已经到了近地轨道，low-Earth orbit，也就是LEO。那逻辑上，我们接下来要进一步探索星空的话，我们必须要突破第一宇宙速度，那就需要一个超级强大的引擎持续输出，才能到更深的太空去。那这种引擎，戴老师，您有什么看法？
戴树玺：目前看来，可控热核聚变引擎可能会是列车最强大的心脏。
核聚变原理，简单来说，就是轻一点的原子核变成重一点的原子核，比如氘氚反应。一颗氘原子核加一颗氚原子核，最后变成一个氦原子核加一个中子。两边从数量上都是三颗中子加两颗质子，但质量却是不相等的，氘氚加起来为8.355×10的负27次方千克，但是氦和中子却是8.24×10的负27次方千克。质量上，这少去的0.031（×10的负27次方千克）其实已经经过核聚变，变成了大约17.6兆电子伏特的能量。
你别看这个能量看起来很小，通常一公斤核聚变所产生的能量相当于8000吨石油完全燃烧。但是前两代核聚变反应都会产生中子，中子的穿透力，比x射线要厉害得多。飞散的中子可以击破人体的细胞，被列车上的乘客产生危害。而第三代核聚变是让氦-3和氦-3反应，这种局面完全不会产生中子。这个反应堪称终极剧变。
列车在启动核聚变引擎后，列车的速度会不断地提高，超过第三宇宙速度。在真空失重的状态下，只要时间足够长，可以无限接近于光速。

TIM：大家可能对光速在宇宙中的航行速度到底有多快，会有一点模糊。那我们可以来做个假设。假设列车速度它就是光速。光速绕地球旋转，只需要0.13秒。从地球到月球只需要1.8秒，从地球到达最近距离的火星，只需要三分多钟，相当于一站地铁的时间非常快。那如果我们是前往最近的半人马座的比邻星呢？
地球距离比邻星有四光年以上，也就是说光速按照这个速度走，也需要4年才能到达。所以哪怕是光速，一旦涉及到星系之间的旅行，确实还是不够快。那么戴老师问题就来了，我们人类有生之年能够看到我们突破光速这个物理极限吗？
戴树玺：目前如果根据爱因斯坦的狭义相对论，这是不可能的。因为爱因斯坦认为物体运动的速度，它的极限就是光速，任何物体运动的时候速度越快，它的质量就会越来越大，比如这趟星际列车，当它的速度接近光速的时候，它的质量就会变成无穷大。所以超越光速的运动目前是不可能的，但是爱因斯坦的广义相对论又给了我们新的希望。

在广义相对论中，时空就像一张纸。如果我们可以把纸片弄弯，纸上两点间最短的距离不再是纸张上的直线，而是另一维度中的两点一线。
类似这种通过扭曲空间来实现超光速飞行的例子，就是墨西哥物理学家阿尔库贝利提出的曲率驱动。所以我们可以考虑在列车的车头上装上曲率湮灭引擎，引擎内的粒子加速器发射出的质子与反质子在车头前方局部空间对撞。巨大的能量让车头的空间开始扭曲。所以这是一种向前发射的引擎，它并不会给列车一个向后的推力，而是让列车向前飞行。
驱动方式就像是在沙丘上挖地洞。地洞周围的局部空间会像流沙一样不断向地洞中坠落。同理处于局部空间内的列车就会被带着一起向前方的空间隧道滑行，如果引擎能量够大，我们甚至可以把空间折叠起来，在上面打洞直接到达目的地，这和《崩坏•星穹铁道》的列车跃迁非常相似，在引擎启动的瞬间会形成以前进方向为辐射点的流星雨一样的壮观景象。
随着我们进入虫洞，因为空间的隔绝，什么也看不见。不过可以通过间隔开启车头的曲率湮灭引擎来窥探跃迁中的奇幻景象。

TIM：当牛顿思考着从山顶发射炮弹绕地球一圈时，他便是在做一个太空遨游的梦，这比人类发明火箭飞出地球要早两个多世纪。
面对广袤神秘的星空，我们依旧无知。但梦想与好奇心不断驱动着一代又一代人投入航天科技事业。从6.5万年前，智人决定走出家园的那一刻起，对未知世界的梦想与好奇，就深深烙在我们DNA中。
从加加林到杨利伟，从礼炮1号到国际空间站天宫号，人类前赴后继，不断冒着巨大的风险冲向太空，去实现人类对星穹的梦想，去满足人类对未知的好奇。但凡人能想象之事，必有人能将其实现。
以上就是星球研习会的全部内容，非常感谢戴老师为我们答疑解惑，愿每一位朋友都心怀对星空的梦，毕竟人类的未来是星辰大海，期待有一天我们不仅仅是在游戏。而是真的乘坐星穹列车，去探索无垠的太空。
愿此行，终抵群星。