甚至是采用綠色能源的賽車都已經(jīng)達(dá)到驚人的高速——但為了探索太空，我們需要比這高得多的速度

這是一臺(tái)離心機(jī)，飛行員們會(huì)用這種設(shè)備測(cè)試人體能夠耐受的過載極限

　　據(jù)英國廣播公司（BBC）網(wǎng)站報(bào)道，我們?nèi)祟惏V迷于追求更高的速度——運(yùn)動(dòng)員們不斷打破田徑場上的世界紀(jì)錄，而美國空軍則正致力于研制可以突破5倍音速的高超音速飛行器，每小時(shí)的飛行速度可達(dá)6100公里。

　　然而這種飛行器將是不載人的。但不載人的原因并非是人體無法經(jīng)受這樣的高速運(yùn)動(dòng)，事實(shí)上，人類在此之前早就已經(jīng)以超過5馬赫的速度運(yùn)動(dòng)過。但是我們想要知道的問題是，人類能夠承受的運(yùn)動(dòng)速度有沒有一個(gè)極限？

　　目前人類的最快運(yùn)動(dòng)紀(jì)錄由3名美國宇航員保持，他們就是阿波羅-10號(hào)的三名宇航員。1969年，當(dāng)他們乘坐的飛船從月球后方繞過時(shí)，他們相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)每小時(shí)39897公里。美國空間設(shè)備供應(yīng)商洛克希德馬丁公司的吉姆·巴里（Jim Bray）表示：“我想，在100年前我們肯定不能想象人類竟然可以接近每小時(shí)40000公里的速度運(yùn)動(dòng)?！?/p>

　　但在今天，我們甚至可以很確定的知道，不久之后這個(gè)記錄就將被再次打破。巴里是美國正在正在研制的下一代載人飛船“獵戶座”（Orion）的項(xiàng)目主管。這種新型飛船的設(shè)計(jì)旨在將宇航員送入低地球軌道，它將非常有希望突破此前已經(jīng)保持了46年之久的人類飛行速度記錄。

　　根據(jù)目前的計(jì)劃，用于發(fā)射獵戶座飛船的“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）火箭將在2021年發(fā)射升空，屆時(shí)它將搭載宇航員訪問一顆此前已經(jīng)被拖入月球軌道的小行星，未來則還將承擔(dān)起向火星發(fā)射載人飛船的使命。在當(dāng)前階段，設(shè)計(jì)師們預(yù)料這艘飛船的常規(guī)最高速度可以達(dá)到每小時(shí)約3.2萬公里。但即便使用獵戶座飛船的基本配置版本，當(dāng)年阿波羅10號(hào)飛船的飛行速度記錄就可以被突破。巴里表示：“獵戶座飛船的設(shè)計(jì)著眼于在其整個(gè)生命周期內(nèi)將要承擔(dān)的多種使命。它的飛行速度還可以大大提升?！?/p>

　　但即便是獵戶座飛船也并不能代表我們飛行速度的極限。巴里表示：“并沒有什么具體的障礙阻止我們?nèi)祟愶w得更快，除了一件事：光速?！闭婵罩械墓馑俅蠹s是每小時(shí)10億公里。那么我們有沒有可能從當(dāng)前的記錄每小時(shí)4萬公里開始逐漸提升，最終達(dá)到接近光速的水平？

　　有趣的是，速度本身——也就是我們對(duì)于運(yùn)動(dòng)快慢的度量——對(duì)于我們的身體而言并不存在什么極限問題——只要這種運(yùn)動(dòng)時(shí)勻速且沿著一定方向的就可以。因此，理論上人體是可以承受以接近光速的速度飛行的情況的。

　　但是，假設(shè)我們能夠克服建造出超快速飛行器的技術(shù)難題，我們只要由水組成的身體仍然將面臨許多超高速運(yùn)動(dòng)條件下可能將會(huì)出現(xiàn)的問題。另外一方面，如果通過對(duì)現(xiàn)有物理學(xué)的升級(jí)或是全新的發(fā)現(xiàn)，人類有朝一日能夠以超光速的速度飛行，那么或許將會(huì)遇到意料之外的危險(xiǎn)。

美國新一代載人飛船“獵戶座”將安裝大量防護(hù)措施以確保太空飛行的安全

　　過載的威脅

　　還有一點(diǎn)非常重要，那就是：盡管我們現(xiàn)在就可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)4萬公里的超高速飛行，但我們?nèi)匀槐仨毦徛铀俚竭@樣的速度，然后再緩慢地把速度減下來?？焖俚募铀倩驕p速對(duì)于人體將是致命的：相信大家都看到過兩輛高速行駛中的汽車迎面相撞時(shí)對(duì)于車內(nèi)人員身體的傷害情況——但要知道這種家庭小汽車速度再快也就每小時(shí)幾十或上百公里而已。

　　為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況？這里就涉及到宇宙中一個(gè)非常重要的現(xiàn)象：慣性。任何有質(zhì)量的物體都會(huì)抗拒對(duì)自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。在牛頓第一定律中對(duì)慣性現(xiàn)象有著非常好的描述：任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。

　　巴里表示：“對(duì)于人體而言，勻速才是好事。我們應(yīng)當(dāng)擔(dān)心的不是速度，而是加速度。”

　　大約一個(gè)世紀(jì)以前，實(shí)用型堅(jiān)固飛機(jī)的出現(xiàn)可以讓飛行員在高速飛行中進(jìn)行機(jī)動(dòng)，很多飛行員后來都報(bào)告了與速度與方向改變相關(guān)的一些奇怪現(xiàn)象，包括短暫的視力喪失以及感到自己的身體變得沉重或失重。這就是加速度的影響，或者直接就用多少個(gè)g來表示，它所代表的含義就是施加在一定質(zhì)量的物體，比如人體之上加速度的大小。顧名思義，一個(gè)g就相當(dāng)于地球的引力施加在人體身上的加速度，所謂重力加速度，其大小在海平面高度上約為9.8m/s2。

　　g的 方向是垂直的，從頭指向腳或是反過來。這對(duì)于飛行員或宇航員而言絕對(duì)是一個(gè)壞消息：當(dāng)這一加速度（或稱作“過載”）為負(fù)值時(shí)，血液從全身向人的頭部集中， 導(dǎo)致頭部出現(xiàn)嚴(yán)重漲感，很像當(dāng)我們用雙手倒立時(shí)的感覺。此時(shí)飛行員會(huì)滿臉通紅，眼球充血。反過來，當(dāng)這一加速度為正值時(shí)，血液從頭部涌向腳部，在極端情況 下眼睛和大腦將出現(xiàn)缺氧癥狀。此時(shí)飛行員就可能發(fā)生視力模糊甚至短暫失明的狀況，最嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致飛行員的昏迷，專業(yè)上被稱作“過載引發(fā)意識(shí)喪失”（GLOC）。有很多航空事故的原因都是飛行員的短暫失明或昏迷導(dǎo)致的。

　　一般人大致可以忍受從頭向腳方向大約5個(gè)g的持續(xù)過載，超出這一限度就會(huì)陷入昏迷。而受過專業(yè)訓(xùn)練并穿著專業(yè)飛行抗壓服的飛行員則可以在高達(dá)9個(gè)g的持續(xù)強(qiáng)過載壓力下仍然意識(shí)清楚地操控飛行器?？偛吭O(shè)在弗吉尼亞州的美國航空航天醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)執(zhí)行主管杰夫·斯文特克（Jeff Sventek）表示：“就短時(shí)間內(nèi)而言，人體可以承受遠(yuǎn)超9個(gè)g的過載壓力。但如果持續(xù)時(shí)間過長，那就很少有人能夠承受了?！?/p>

　　如果只持續(xù)很短的時(shí)間，我們的人體可以承受非常強(qiáng)大的過載而不會(huì)造成嚴(yán)重傷害。目前的這項(xiàng)紀(jì)錄保持者是美國空軍上尉小艾利·貝丁（Eli Beeding Jr）。他曾經(jīng)在1958年的一次火箭發(fā)動(dòng)機(jī)滑軌實(shí)驗(yàn)中記錄到82.6g的驚人過載，當(dāng)時(shí)他乘坐的安裝了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的滑軌器在10秒內(nèi)加速到了每小時(shí)55公里。貝丁當(dāng)場昏迷，但隨后清醒過來后發(fā)現(xiàn)只是背部有些許擦傷。這是一次對(duì)于人體承受力的絕佳展示。

美國空軍正在開發(fā)能夠以超過5倍音速飛行的超高速飛行器技術(shù)

　　飛向太空

　　基于所執(zhí)行的不同任務(wù)類型，宇航員們也會(huì)經(jīng)歷較高的過載環(huán)境：一般火箭發(fā)射和飛船返回地面時(shí)他們需要承受3~8個(gè)g的過載。如果加速度的方向是前胸向后背的，此時(shí)較高的過載對(duì)于人體的影響是比較小的，因此我們可以看到絕大部分的飛船設(shè)計(jì)中都會(huì)將宇航員們束縛在座椅上，使其面朝飛行加速方向，這是非?？茖W(xué)的設(shè)計(jì)。而一旦進(jìn)入穩(wěn)定的巡航飛行階段，此時(shí)飛船的軌道速度約為每小時(shí)2.6萬公里，而此時(shí)宇航員將不會(huì)感受到速度的存在，就像我們坐在高速飛行的客機(jī)中非常舒適一樣。

　　不過，如果說過載可能并不構(gòu)成對(duì)于獵戶座飛船長期任務(wù)的威脅的話，小型的太空巖石則可能將會(huì)是一種威脅。這些細(xì)小的太空巖石顆?？梢赃_(dá)到驚人的運(yùn)行速度，有些超過每小時(shí)30萬公里。為了保護(hù)飛船和內(nèi)部的乘員，獵戶座飛船設(shè)計(jì)了厚度在18~30厘米的保護(hù)性外殼，另外還有其他的保護(hù)性措施和備份設(shè)備。巴里表示：“這樣我們就能確保飛船不會(huì)失去某樣關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于整個(gè)飛船而言，我們必須考慮這種太空微隕石可能來襲的角度。”

　　事 實(shí)是，太空微隕石的威脅還不是未來深空載人飛行將要面對(duì)的唯一問題。隨著載人飛行的空間飛行速度不斷提升，比如執(zhí)行火星飛行任務(wù)時(shí)，其他一些問題也必須引 起重視，其中就包括宇航員的食物問題以及長期暴露在高劑量宇宙射線環(huán)境下可能引發(fā)的癌癥風(fēng)險(xiǎn)。這些因素在短期太空飛行中都是可以基本忽略的，但在長期飛行 中就無法忽視這些問題。

美國阿波羅-10號(hào)的三名宇航員是迄今飛行速度最快的人。但他們的這項(xiàng)紀(jì)錄還能保持多久？

　　未來的太空旅行

　　我們對(duì)于速度的追求將為我們自己設(shè)置前所未有的障礙。將可能突破阿波羅10號(hào)速度記錄的美國新型飛船的設(shè)計(jì)仍然將盡量采用經(jīng)過驗(yàn)證的可靠技術(shù)和材料研制，以及基于化學(xué)推進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，這是人類從第一次太空飛行至今一直采用的方案。然而這樣的傳統(tǒng)方案在速度方面存在嚴(yán)重的限制，因?yàn)槠渫七M(jìn)效率是非常低下的。

　　因此，為了實(shí)現(xiàn)人類火星飛行以及其他目的地的飛行任務(wù)的高效執(zhí)行，科學(xué)家們認(rèn)為有必要開發(fā)其他更加高效的推進(jìn)系統(tǒng)。巴里表示：“今天我們所擁有的設(shè)備已經(jīng)足夠讓我們到達(dá)那里，但我們?nèi)匀幌Ｍ軌蚩吹酵七M(jìn)系統(tǒng)的一場革命?！?/p>

　　埃里克·戴維斯（Eric Davis）是設(shè)在美國德州奧斯丁的“高等研究所”的一名高級(jí)研究科學(xué)家，并參與了美國宇航局的“突破推進(jìn)物理項(xiàng)目”，這是一項(xiàng)持續(xù)了6年時(shí)間，在2002年結(jié)束的技術(shù)研究計(jì)劃。這項(xiàng)梳理出了3種最具有潛力的未來推進(jìn)方案，這些方案基于傳統(tǒng)物理學(xué)理論，并且一旦成功將可以讓人類宇航員實(shí)現(xiàn)行星際航行。簡單來說，這三種方案分別基于核裂變，核聚變以及反物質(zhì)推進(jìn)。

　　第一種方案的原理是分裂原子，就像在商業(yè)核電站中發(fā)生的那樣。第二種方案則是聚變，合并原子核——這是恒星能源的來源，這項(xiàng)技術(shù)人類還尚未能實(shí)現(xiàn)可控，或許在未來50年內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)。戴維斯表示：“這樣的技術(shù)非常先進(jìn)，但仍然是基于傳統(tǒng)物理學(xué)原理的，并且從原子時(shí)代的早期便已經(jīng)被提出?！睆臉酚^的角度估計(jì)，采用核裂變和核聚變技術(shù)的推進(jìn)方案理論上將能夠?qū)w船加速到光速的10%左右，也就是大約每小時(shí)1億公里。

　　當(dāng) 然，最強(qiáng)大的推進(jìn)方案是第三種，也就是利用正反物質(zhì)的湮滅反應(yīng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。物理學(xué)原理已經(jīng)闡明，當(dāng)普通物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時(shí)將會(huì)發(fā)生湮滅反應(yīng)并釋放大量能量。 今天，粒子物理學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)反物質(zhì)的少量制造和儲(chǔ)存。但要想制造出有實(shí)用意義的大量反物質(zhì)粒子則仍然需要等待下一代的新型設(shè)備和技術(shù)，而要想將其轉(zhuǎn) 變?yōu)閷?shí)際的飛船推進(jìn)技術(shù)則將極大地考驗(yàn)人類的工程學(xué)技術(shù)。但戴維斯指出，目前工程師們已經(jīng)提出了很多非常絕妙的設(shè)想方案。

　　如果使用反物質(zhì)推進(jìn)引擎，一艘宇宙飛船將能夠在持續(xù)數(shù)月乃至數(shù)年的時(shí)間里不斷加速，達(dá)到非常高速度的同時(shí)讓過載量控制在一個(gè)宇航員可以承受的范圍內(nèi)。然而，如此驚人的高速將可能對(duì)人體產(chǎn)生全新的危險(xiǎn)。

　　高速飛行風(fēng)險(xiǎn)

　　當(dāng)人以每小時(shí)上億公里的驚人高速飛行時(shí)，太空中的任何微粒，從氫氣原子到微隕石，實(shí)際上都將變成對(duì)飛船可能產(chǎn)生威脅的“子彈”。亞瑟·愛德斯坦（Arthur Edelstein）表示：“當(dāng)你以這樣的高速飛行時(shí)，這些微粒相對(duì)你的速度將變得非常高?！眮喩鄣滤固沟母赣H威廉·愛德斯坦（William Edelstein）在去世之前是美國約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一名教授，這父子兩人在2012年共同發(fā)表的一篇論文中闡述了太空中的氫原子對(duì)于高速飛船可能構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)。

　　盡管在深空環(huán)境下，空間內(nèi)氫原子的密度僅有大約每立方厘米一個(gè)原子的水平，但這些原子可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈的輻射。當(dāng)與高速飛船接觸時(shí)，氫原子將會(huì)破裂形成許多亞原子粒子并穿透飛船，對(duì)宇航員和設(shè)備都會(huì)造成輻射傷害。當(dāng)飛船速度達(dá)到光速的95%左右水平時(shí)，這樣的輻射暴露將會(huì)達(dá)到致命的程度。另外以如此高速進(jìn)行飛行的飛船還將面臨加熱問題，摩擦產(chǎn)生的高熱幾乎將會(huì)熔化任何現(xiàn)有的傳統(tǒng)材料，而宇航員體內(nèi)的水分將會(huì)沸騰，這些都將是極為棘手的問題。

　　在2012年的論文中，愛德斯坦父子提出了利用強(qiáng)大的“磁場報(bào)護(hù)罩”來保護(hù)飛船免受這種氫原子“雨”轟擊的方案。但即便采用了磁場保護(hù)罩技術(shù)，飛船的飛行速度仍然不能超過大約光速的一半，如果超過，宇航員仍然將面臨致命輻射危險(xiǎn)。

　　馬克·米爾斯（Marc Millis）曾經(jīng)擔(dān)任美國宇航局“突破推進(jìn)物理項(xiàng)目”的主管。在他看來，愛德斯坦父子所提到的這種高速風(fēng)險(xiǎn)目前還根本沒有到需要列入實(shí)際考慮的階段。他說：“根據(jù)目前我們的物理學(xué)水平，要想達(dá)到光速的10%已經(jīng)是非常困難的了。我們還沒有達(dá)到將會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的地步。打個(gè)比方，在我們都沒有辦法進(jìn)到水里之前，我們還不需要擔(dān)心溺水的問題?！?/p>

　　超越光速？

　　那么假設(shè)有一天我們真的學(xué)會(huì)了游泳，那么我們未來也會(huì)學(xué)會(huì)時(shí)空沖浪嗎？或者說我們有沒有可能達(dá)到超光速飛行？

　　關(guān)于超光速飛行的設(shè)想，盡管基本是基于猜想，但也并非是完全毫無根據(jù)的。其中的一種理論就是電影《星際迷航》中出現(xiàn)的所謂“曲率驅(qū)動(dòng)”概念。從正式物理學(xué)角度來說，這種引擎的原理是“阿庫別瑞驅(qū)動(dòng)”（Alcubierre drive），其主要涉及對(duì)位于飛船前方，愛因斯坦理論中所描述正常時(shí)空進(jìn)行壓縮并在飛船后方將壓縮的時(shí)空釋放的過程。從本質(zhì)上看，飛船此時(shí)是在時(shí)空的“團(tuán)塊”中前行，就像一個(gè)“曲率氣泡”（warp bubble）。通過這種方式來突破光速的限制。在進(jìn)行這樣的時(shí)空跳躍期間，飛船本身仍然被安全地放置在自身的“正常時(shí)空”里，從而避免了對(duì)宇宙光速限制的違背。戴維斯表示：“如果說傳統(tǒng)的飛行方式就像在水里游泳，那么阿庫別瑞驅(qū)動(dòng)就像是沖浪，在浪尖上前進(jìn)?！?/p>

　　但實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)面臨的最重大問題就在于它將需要一種特殊的物質(zhì)，其具有負(fù)質(zhì)量，以用于壓縮或膨脹時(shí)空。戴維斯表示：“物理學(xué)原理并不禁止負(fù)質(zhì)量。但目前我們還尚未找到真實(shí)案例，在自然界中也從未觀察到這樣的案例?！绷硗庖粋€(gè)問題，2012年澳大利亞悉尼大學(xué)的研究人員發(fā)表的一篇文章指出，在進(jìn)行這樣的飛行時(shí)，由于飛船所在的，擁有正常時(shí)空特征的“曲率氣泡”將無法避免與宇宙中其他物質(zhì)的接觸，它將遭受嚴(yán)重的高能宇宙射線轟擊。部分這樣的宇宙射線將會(huì)進(jìn)入氣泡內(nèi)部并產(chǎn)生致命輻射。

　　困在亞光速水平？

　　這樣看來，因?yàn)槲覀兩飳W(xué)上的脆弱性，我們將會(huì)被永遠(yuǎn)地困在亞光速水平上嗎？這個(gè)問題的答案將直接關(guān)系到我們?nèi)祟愂欠裼谐蝗諏⒛軌蛟谛窍抵凶杂珊叫?，也關(guān)系到我們?nèi)祟愂欠裎磥碛锌赡艹蔀橐粋€(gè)強(qiáng)大的星系種族。假如按照愛德斯坦父子提出的一半光速的速度極限飛行，我們往返最近的恒星大約需要16年時(shí)間。并且根據(jù)相對(duì)論，以大約一般光速飛行的飛船，其經(jīng)歷的時(shí)間膨脹效應(yīng)將不會(huì)非常顯著。

　　但米爾斯對(duì)此仍然抱有希望。他認(rèn)為隨著人類開發(fā)出越來越先進(jìn)的抗過載服以及微隕石防護(hù)技術(shù)，未來的人類將能夠克服越來越高速飛行環(huán)境下將可能面臨的困難。

　　他說：“如果未來的物理學(xué)能夠讓我們開發(fā)出難以置信的高速飛行器，那么我相信未來的物理學(xué)也將讓我們開發(fā)出難以置信的防護(hù)措施。”