科幻讲座

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   本文发表于《科幻大王》2000-2001年度“科幻之翼”专栏。对一些幻想(例如能不能实现时间旅行等)展开推理和想象。追溯过去的人类幻想如今是否已经实现,或能不能实现。属于讲座性质,不是小说。
  

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太空能
             

              飞腾科幻军团/绿杨


  据希腊神话,古代的普罗米修斯盗取了天上的圣火交给人间,从此人类就有了火。中国的普罗米修斯相传是已经难以考证的燧人氏,不同的国家和民族也都各有自己的"燧人氏"。
  自从"燧人氏"发明钻木取火,人类结束了茹毛饮血的蛮荒历史,迈入了利用能源的时代。从原始的洞穴篝火到今天的现代化生活,人类始终与能源结下难解之缘。尤其是今天,不论是个人生存还是社会活动,须庚不能离开各种能源的消耗。事实说明,没有能源就没有人类的文明,更不会有人类的明天。
  迄今为止,人类获取能量的主要燃料还是煤、石油、天然气等不可再生的能源。然而燃烧煤和油气是最原始的取能方式,不但效率十分低下而且有无可避免的污染环境的恶果。再说它们的储存量也是有限的,象现在这样不断野蛮开采,要不了几百年就会消耗殆尽了。上个世纪开发出的核能虽有很大的潜力,但也同样存在难以解决的污染问题。现在人们开始认识到应该致力于开发象太阳能、水能、风能、地热能等等可以再生的、无污染的新能源。
  现在让我们展望一下未来。100年后,宇宙航行将变得象今天乘波音飞机那样普通,运行在远离地球的轨道空间站、外星移民区乃至银河远征队都将会陆续出现。那时候人类还有没有足够的能源可用,或者用什么样的更好能源呢?
  远途的和长时间的太空旅行,携带能源上天决不是个好办法。现在的宇宙飞船所必须携带的燃料,竟然要占去飞船94%的载荷量,这显然是不得已的荒唐办法。最理想的能源,是能够在空间里不断取得补充的能源。
  太空方舟居民的能源是这样,留在大地上的无数芸芸众生又如何?只要冷静比较一下,天上和人间实际上没有什么根本的区别,因为地球本身也是太空中的一条大方舟而已。
  众所周知太空是一种真空状态的空间,真空里能有什么能源可供利用吗?
  实际上太空绝非空无一物的虚无,它充斥着各种千奇百怪、花八门的能量。只不过我们刚刚才认识、或者根本还不认识它而已。太空的这些神秘能量蕴藏之丰富,远远超过造物主对地球的赐予,这是我们从来不曾想到过的。
  太空能并不都是那么神秘莫测,太阳能就是我们所熟知的、也是已经能够使用的能源之一。
  许多孩子都知道,用一个放大镜把阳光聚焦到火柴上,就能利用阳光的热力将火柴点着,这是太阳能最简单的利用。相传2200年前,阿基米德就利用镜面反射阳光烧毁了入侵的罗马舰队(当时的船舰是木头造的),这可能是直接"大规模"利用太阳能的开始。现在的太阳能电池效率比它高得多了,太阳能电池已经成功地驱动了汽车和飞机,许多航天器也采用它的能量来维持仪器的运转。
  1963年著名科幻作家克拉克发表了名为"太阳帆船"的科幻小说,讲述七艘安装了太阳帆的太空帆船展开奔向月球的竞赛。这篇名著提出了利用阳光(光子)的压力推动宇宙帆船的设想。只过了半个世纪,目前人类已经站在了真正运用太阳能驱动宇宙帆船的时刻。俄罗斯和美国都有今年发射太空帆船的计划。俄罗斯传媒不久前报道说,装有8个太阳帆的"宇宙1号"即将发射,它由火箭送上太空后将完全依靠太阳的光子压力航行。美国据说10年前中央情报局就在太空中作过太阳帆的模拟试验,今年正式发射(仍然是实验性的)太阳帆航天器;2010年将发射远航的(不载人)太阳帆飞船,预计15年后可以到达太阳系的边缘。
  无须解释,太阳帆不是唯一的,也不是完美的航天器。在远离太阳的地方它就无能为力了。
  太阳赐予人类的东西远远超过普罗米修斯窃取的火种。它不仅仅是给人类带来了火或是光帆,如果没有阳光地球上就根本不会有生命。然而地球得到的只是太阳慷慨给出的极少一小部分。几十亿年来,太阳内部一直在进行着剧烈的氢聚变热核反应,核反应使它每一秒钟向太空中抛射出3.8╳1020MW的巨大能量。其中投给地球的只占其中的22亿分之一,其余的都投放到太空中了。这样的热核反应还可以继续燃烧6╳1010年之久,因此我们没有理由白白让它浪费掉。
  不仅是未来的太空方舟和外星基地可以在太空中获取太阳能源,地球上的人类更可以方便地使用这样的廉价能源。日本就打算在2020年建立一个在轨道上运行的太阳能发电站,它是一块面积达50平方公里、厚500米的巨型太阳能电池板,功率是500万千瓦。这些能量可以用微波形式送回到地球上。
  除了太阳能,空间里还有许多有待我们去研究利用的潜在能量。我们今天还不知道如何能够去使用它、利用它,甚至对它还几乎一无所知,因此提到太空能就似乎是一种荒唐的幻想。但是我们这里可以引用阿西莫夫的一句话:如果说物理学家们在20 世纪末学到了什么的话,那就是在说某件事情绝对不可能之前要三思而行。
  阿里巴巴太空宝穴里第一件尘封的宝物是宇宙空间里大量蕴藏的隐形物质--暗物质。暗物质是爱因斯坦1929年就提出来、科学家寻找了70多年的神秘"隐身客"。暗物质虽然"无形",但却无处不在,它和暗能量加起来竟占据了宇宙成分的95%之多!而我们看得见的物质世界则只占5%。当我们抬头眺望夜空时恒星是稀稀落落的,实际上宇宙不是那么空旷,在可见的恒星之间充满着看不见的暗物质,甚至存在着许多因不发光而无法看见的"幽灵星系"。
  暗物质究竟是什么玩意儿?暗能量又有什么用处?
  30年前科学家发现,环绕银河中心旋转的恒星运转的速度比预想的要快。这表明银河深处一定集中了大量未被发现的物质,正由于它们的巨大引力才使银河"郊区地带"的恒星以这样的高速运行。这个谜直到现在才由哈勃望远镜揭开了:银河深处果然存在着一些质量巨大而发光微弱的白矮星,暗物质终于现形了!据信,连最大望远镜也无法看见的天狼星伴星,就是一颗暗物质构成的恒星。天文学家认为,银河系中大约有50000亿颗暗物质的白矮星。这笔"家当"使我们立即成为了爆发户。我们知道,银河系里看的见的恒星大约是2000亿颗左右,比起暗星球来简直是小巫见大巫了。
  暗能量有一个有趣的故事,它使爱因斯坦连续犯了两次错误,而两次都是由美国天文学家哈勃替他纠正的。1917年,爱因斯坦根据相对论原理描绘出大爆炸宇宙。当时他认为宇宙应该是静态的(不是膨胀的),但他的引力场方程却只能得出一个动态的宇宙。深感烦恼的爱因斯坦为了让宇宙保持恒定,便引进了暗能量来抵消宇宙的动态。12年后,哈勃终于证明宇宙是膨胀的而不是静止的。爱因斯坦为之欢呼,承认自己加进暗能量概念是画蛇添足之举,是他一生中所犯的"最大错误"。
  到了2001年,爱因斯坦早就去世了,而以哈勃命名的太空望远镜又证明暗能量是有的!它拍回的照片表明正是宇宙间的暗能量在使宇宙不断加速膨胀。这又说明爱因斯坦是对的了,他承认自己犯了毕生"最大的错误"才是真的错了。爱老在天之灵对此不知作何感想?
  科学就是这样从一个个错误中不断前进的,每发现一个错误就是一个新的起点。
  是什么神秘的力量在使宇宙经历了140亿年之后仍然在继续膨胀,而且膨胀的速度还在不断加快?这是科学家一直迷惑不解的一个问题,现在他们可以松一口气了。
  大爆炸之后宇宙处于不断膨胀的状态,膨胀的速度取决于两种相反力量。一种是空间的恒星等物质(包括暗物质)相互之间的吸引力,它总是要把离散的星球拉向自己。正如向高空抛出一把小石子,顽固的地心引力总要把它们拉回来一样。如果恒星逐渐聚拢,宇宙膨胀的速度就会逐渐慢下来,最终膨胀停止转而发生宇宙坍缩。但事实上我们观察到的宇宙不是这样,它还在加速膨胀。另外一种力量是反引力,反引力使星球相互推开,从而加快甚至使宇宙无止境地膨胀下去。两种相反的力量究竟谁主宰着世界?哈勃望远镜获取的资料说明,60亿年前引力和反引力进行了一次大较量,结果是反引力占了上风,使得宇宙处于加速膨胀的状态。而这股强大的反引力主要就来自充斥空间的暗能量(注意,不是暗物质)。
  我们不要忘记暗能量和暗物质占据了宇宙空间所有成分的95%之多,它们挤身在星系之间和恒星之间,以大尺度来看它就"扔在"在我们的身前身后。当人类能进入银河的时候没有理由说不能利用这些"身边"的反引力能源。
  现在我们来讨论另一种太空财富黑洞吧。
  如果举行一个"民意测验",问宇宙间最大、最贪婪的暴君是谁?大概99%的人会回答说是黑洞。
  确实,根据"相对论"的经典理论来看,黑洞是一头贪婪的太空恐龙。它不停地吞噬着从星际尘埃到整个星系等它所能够抓到的一切;而另一方面却把"荷包"捂得紧紧地,连光线都别想逃出来。因此,它肚皮里撑满了大得难以想象的能量。不过若想向这样一个吝惜的百万富翁商量,让它掏点什么出来,那可是与虎谋皮、痴人说梦的事情,它是象牙刷广告所说的那样:一毛不拔!
  小气鬼的形象是按照"相对论"原理,从宏观世界的角度描绘出来的。这幅画像自然没有什么错误,天文学家甚至已经拍下了黑洞在贪婪吞噬星际物质的X线照片,吝惜的罪名可谓铁证如山。
  然而"小气鬼"不是对黑洞的"终审罪名"。当代黑洞研究权威斯蒂芬·霍金的看法恰恰相反,他认为黑洞并非一个只进不出、禁锢一切的宇宙监狱。--黑洞也在不断地向外界付出能量。
  两种结论为何截然不同?《相对论》主要是描述大尺度上宏观的四维时空的,在这个时空里万有引力主宰着所有的一切。黑洞拥有极其强大的引力场,当然任何物质都无法逃逸出来了。
  霍金则不然,他采用描述微观世界(即粒子行为)的量子理论来观察黑洞的"生活"。按照量子理论,微型黑洞就象天女散花般,不断把自己的质量和能量慷慨地洒向外界空间。用术语来说,黑洞必定要通过放射粒子来"蒸发"自己,直到耗尽能量为止。黑洞越小温度就越高,辐射的能量也越大。只有小行星那么大的微型黑洞,其温度可以达到K(即绝对零度以上)6000度之多,这个温度和太阳表面相似,这时它甚至会辐射出可见光。所以,微型黑洞的质量和能量总在不断地逃逸到视界以外的空间中去。
  此外,按照热力学定律,当一个有一定温度的物体沉浸在比它冷的介质中时,这个热的物体必然向冷介质辐射出热量。因此,黑洞还应该是寒冷空间里的一个 "红外线火炉",在它上面无疑可以煎荷包蛋或者烤熟香气四溢的葱油饼。
  黑洞既然不断付出自己的能量和质量,我们就应该能够索取到它。那是一种取之不尽、用之不竭的能量长河。当然,我们不值得将面包或烧饼真个带到那么远的地方去烧烤,我们也不能把黑洞切一块带回来塞进发电厂的锅炉里。但是当科学技术发展到一定时候,比如人类学会了穿过蠕虫洞的那一天,我们会有办法来到银河中心向黑洞索取能量的。
  到时候我们可以索取些什么呢?现在就能想象得到的猎物是黑洞的动能和电能,这些都是我们能够直接拿来使用的能源。
  动能是指推动黑洞自身旋转的能量。那份能量能帮我们带动一列火车,或开动一台吊塔的马达么?当然能够了,它的力量甚至足以转动银河!不过我们还是别把黑洞安装在任何机器的转轴上为好,我们始终别忘记它是一头贪婪的恐龙,离它太近是非常危险的。要捞取黑洞的动能必须采用间接的办法。
   譬如有人设想,在黑洞附近的安全距离外建立一个轨道上的黑洞能源开发公司,坐在开发公司藤椅上的技师工作非常简单。他只要逆着黑洞的旋转方向(这一点很重要),随意扔下一点垃圾或者别的什么东西--譬如一个铅球就行了。古代哲人说来而不往非礼也,黑洞一定会将一份馈赠的礼品捆在铅球上重新扔回来。这样你手里仍然有一个铅球,但多出了一份礼品。
  这个奥妙在于黑洞的能层上。铅球落进能层时会变成两个,一个铅球象平时常说的那样立刻就被黑洞吞没掉了;而另一个铅球则象澳洲土著人的"飞去来器"般,趁机捞上一把之后又飞回到扔它的技师手里。
  "飞去来铅球"捞了些什么回来了?当扔出的铅球从反(旋转)方向撞击黑洞时,黑洞旋转的速度因受到反作用力而变慢了,换句话说黑洞损失了一点动能。损失的这部分能量,就由"飞去来铅球"带回到能源开发公司来了。公司的技师们,甚至经理的秘书小姐、保安先生以及厨师和清洁工,不管是谁只要不停地往黑洞上扔东西,就能不断地积聚到来自黑洞馈赠的财宝。每个人都会发现"飞去来铅球"比扔出去的那个重了一些,这就是黑洞回赠的礼品了。
  黑洞能是太空中最奇特最丰富的能源了。但还有比它更奇特和更无限的能源,那就是宇宙空间里的真空能。真空能也叫零点能,就人类所知没有别的能量比零点能更奇怪的和更不可思议的了。
  所谓"零点",是指绝对零度的意思。物理学早已证明,所有物质都在运动之中,温度越高运动的速度越快,反之则越慢。假如我们把宇宙的温度降到最低点--绝对零度的话,从理论上说这时物质应该完全停止运动而处于绝对静止的状态。
  但是这违背了著名的海森堡测不准原理。这条物理学定律的意思是,你不可能同时测量出一个粒子在空间的位置和它的运动速度。你测量到它的位置,就无法测出它的速度,反之亦然。总之我们只能知道一个值。
  好,现在我们看看绝对零度时的情况吧。在绝对零度下粒子是静止不动的,因此它的速度为零;而这时它的位置则是可以测出来的。这样的话,位置和速度两者的值我们都知道了,这不符合海森堡的测不准原理--它只允许知道一个。所以,零点时空间的物质粒子不可能真正处于"绝对静止"的状态。
  那么零点时应该是什么状态?事实是在绝对零度下即使不再有热运动,真空中的粒子也仍然在不停地抖动。这也是一种运动,而运动总是和能量相伴随的。
  根据质能可以等价互换原理,这些抖动不已的粒子忽而是粒子状态,忽而又变成了等价的能量--粒-波二象性允许这样。无数这样闪闪烁烁的粒子时隐时现、此起彼伏地向四面八方散发出能量。因为这指的是在绝对零度时散发的,(高于零度时就有了热运动,散发的能量当然更多),故而物理学家把它称为零点能。
  零点能的存在已被科学家所验证。曾因研究出第一颗原子弹而闻名于世的美国洛斯阿拉莫斯实验室,一位物理学家拉莫雷奥作了一个实验,让零点能把两块靠在一起的金属片压紧而且发热。拉莫雷奥费了九牛二虎的力气,只获得了微不足道的10到15 个焦耳的零点能的能量,这和作为未来世界的燃料或者用来推动宇宙飞船好象还相差十万八千里,但它毕竟证实了利用零点能是完全可能的。而且它充斥于空间的所有角落,所以是未来世界的一种无限丰富的廉价能源。
  我们这一次就幻想到这里了,但愿有朝一日人们能够用上哪怕少数几种千奇百怪然而是廉价的太空能源。
  (完)
  
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