人造飞行器亚光速旅行的可行性数据分析[数据更正后]
本帖最后由 sonic5188 于 2010-8-23 18:04 编辑原帖的确有部分数据计算错误，我主动进行了更正，并重新贴上，对结论的影响不大。我们设想，不久的将来我们发现了一颗系外行星非常类似地球，距离地球大约20光年。人类各国联合建造了一个1吨的探索飞船载满探测仪器前往该星球。又假设当时的人类拥有一个激光加速器能将能量100%的用于对飞船的加速，其速度目标值是50%的光速，以便我们的这个飞船能在40年内到达(同时又假设减速装置不占用任何质量，减速效果非常完美)。在这个的条件下，加速器要给飞船施加多少能量呢？根据E=mc²=m0c²/√(1-v²/c²)可以计算出来。
把速度v从0提高到c/2，m0=1t=10^3kg
E1=m1c²=m0c²/√(1-0²/c²)＝m0c²E2=m2c²=m0c²/√(1-c²/4c²) W=E2-E1=（2m0c²/√3）-m0c² ≈0.1547m0c²
=0.1547 * 10^3kg * (3*10^8 m/s)2 ≈1.4*10^19J(如果目标速度是80%c，需要的能量是6.03*10^19J)2009年全世界全年发电量约为25万亿千瓦特小时E2009=2.5*10^13 * 10^3 W * 3600s =0.9*10^20J按满负荷运转计算，全世界发电机组的总功率为28.54亿千瓦。（国际能源署（IEA）发布的《世界能源展望2009》中，IEA预计全球电力需求将会以2.5%的速率增长，到2030年世界发电装机容量将达到48亿千瓦。）由此可见，将一艘1吨重的飞船加速到光速的一半，不考虑能量损失，需要2009年全世界一年发电量的15.5%。(若是光速的80％，这一数值将是66.8%)如果将来人类能掌握核聚变技术，100%的将质量转化为能量，将1吨的飞船加速到光速的一半需要0.1547吨的质量转化为能量。如果使用最可行、最安全的热核反应形式：²D+³He→4He +p+γ (氘+氦３＝氦４+质子+γ射线)，该反应有一个中子转化为质子并产生能量，整个反应中有0.022％的质量转化为能量。综上所述，2757.3吨氦3和1838.2吨氘(重氢，氢的同位素地球上含量丰富)参与热核反应能有1吨质量转化为能量，不考虑能量利用效率和损失，432.9吨氦3只能将1吨的飞船加速到光速的一半。按月球上氦3为500万吨左右计算，人类未来不干任何事也只能将11000吨左右的物质加速到光速的一半，这是个十分打击人信心的一个数字，要知道这么多氦3全部用来发电够人类用1000年。也就是说，如果人类未来要移民，而未来能量来源是氦3核聚变，穷尽1000年的能量也只能发射一个11000吨左右的一次性飞船（而现在的航空母舰是10万吨，和大型核潜艇差不多），而这样的飞船估计最多只能载500人，因为需要生命维持系统，还需要殖民开拓的机械工具。。。。。。这充分说明了载人恒星际旅行的极端奢侈性。一、实际过程中的加速与减速问题实际的飞船加速过程也是很难实现的。曾经有人提出一个最可行的方案是激光加速器，用激光推动飞船加速，我们假设为1吨重的飞船提供为期一年功率不变的直线加速（这要求激光能量在0.3光年的加速路径上不衰减，实际上也很难做到），发射1吨重的飞船，需要4.4亿千瓦的加速器，是现今全球发电机组功率总和的15.5%。如果用一个热核聚变核电站需要每小时将49.42公斤氦3和32.94公斤的氘消耗掉，这样的热核反应堆也许在将来是可以出现的。但是这么多能量密集的集中在一个只有1吨的物体上，任何物体都将瞬间蒸发。所以加速过程也是一个难题，困扰了天文学家很久，仍然没有什么好办法。更严重的问题是如何减速，需要消耗与加速过程同样多的能量后才能将飞船速度降低到目标恒星的引力范围内，1吨的飞船如何产生如此大的能量，即便1吨飞船的现实世界解决不了。。。。。。二、反物质引擎谬论有人会说还有反物质可以解决上述问题，他似乎没有搞清楚反物质的由来。在宇宙诞生后不久，大爆炸产生的正物质和反物质发生全宇宙范围内的湮灭，全部转化为能量，巧的是我们的宇宙正物质的产生量比反物质的产生量多了大约10亿分之一，那10亿分之一正物质就是现今的所有宇宙物质，那可是数千亿的星系。当然，当年大湮灭后的反物质的漏网之鱼直到137亿年后的今天还存在，所以我们可以探测到，只不过会越来越少，原因是其137亿年来未碰到任何正物质。人类今后甚至可以制造反物质，但如果用正物质制造反物质，需要的能量甚至比其自身湮灭产生的能量还要多，没有任何意义。被动收集到的反物质数量极少，只能在量子级别描述，无法应用到现实层面。所以，反物质引擎也是虚幻的产物。三、无奈的妥协这时，有人会说：“好了，够了，我知道这一切都很艰难了，那么我降低要求吧，我只希望能够在43年后，在有生之年能看一眼离我们最近的南门二一眼就心满意足了，不需要飞船减速，只要掠过这组三合星拍一张近距离的照片发回地球就OK。这只要求我们的探索飞船达到光速的10%，而我们的科技又非常现进，这样的探测器只要100公斤。”那么再运算一遍，可以得到以下数值：将100公斤探测器加速到10%光速需要的能量为5.04*10^-3 m0c²，4.54*10^16J，世界2009年发电量的2000分之一，2030年的3400分之一，是将1吨飞船加速到50%光速所需能量的300分之一，那么，相应的激光加速器的功率将为220万千瓦(一个大型核发电站的功率),进行为期一年的加速，我相信这么大的能量物质应该能够承受，这个模式是在未来核聚变反应堆的条件下是可以实现的。 别说飞到20光年远的地方了，就算飞到最近的半人马座α星，也会把人类所有的能量耗干耗净，也未必到的了、 人类进行星际旅行的理论基础就是相对论。可是爱因斯坦忘了说怎么解决能量供应问题了。 多年前也许万户也有过同样的想法，而且可能会因为全国N年的烟花产量也不能将其送上广寒宫郁郁而终::42:: 事实上我们现在连行星际飞行都没有很好的办法。
不过我更希望各位看看楼主的计算是否合理。 恒星际旅行肯定不会用这种原始的方法
单单亚光速的加速度 人类就无法承受 可能很多物质都无法承受这个力
更不要提光速了
还有就是这么广阔的恒星际空间难道没有一个彗星 小天体在轨道上么？
以后可能的方式还是虫洞 或者空间跳跃 或者场共振 进入更高维度去旅行
用三维空间观念去想象宇宙是非常渺小的
开发虫洞或者空间跳跃才是最现实的 好恐怖啊。要是人类有一种能扭曲时空的能量就好了…… 回复 7# cccp123
你这些方法，现在基本属于空想，物质能否承受时空扭曲才是更难确定的。
相比之下，加速到亚光速可以是长期的缓慢加速，我们的感觉就像在地球上一样——1G的加速度就可以了。大家可以算一下，假如1G的加速度均匀加速1年，速度能够达到多少？当然，最初时候只怕连1G加速度都做不到——初始质量太大。 本帖最后由 cccp123 于 2010-8-21 14:32 编辑
回复 9# gohomeman1
这种最笨的动能推力前进 将不可能实现人类的恒星际旅行梦想而且非常的理想状态太空中没有任何障碍物
科学就是大胆设想 小心求证人类向更高级文明的必经之路人类目前文明水平部分掌握原子核内部能 尚不能飞离自己的星系
总有一天我们会实现空间跳跃或者虫洞旅行 高维度旅行 事实上，我们现在连行星际飞行都很难，恒星际飞行就是极遥远的梦想。
就像原始人就梦想飞行一样，现代人类真正实现的飞行方式，根本不是当时的原始人能够想象的。所以，什么虫洞才是所谓的恒星际飞行唯一选择之类，在我看来，实在是极不靠谱的。当然咯，在科幻中，必须有一些方式去实现，否则就没人要看这类题材了。
它们要么像《星球大战》那样，根本忽视距离因素；要么像《星际迷航》那样，采用类似“曲速引擎”的方法。 本帖最后由 gohomeman1 于 2010-8-21 14:45 编辑
另外说明一点，我希望下面的发言，尽可能集中在楼主的计算是否合理，和现在我们相对了解的亚光速飞行方面。顺便说一下，楼主下次发言时，把字体写得大些，尤其是那些计算内容。我本来想编辑你的发言，但看见太多的size=标签，还是算了。
希望讨论虫洞、高维度旅行的，请另外开帖。一个帖子讨论一个问题，尚且不能说清；讨论多个问题，只会使讨论变成灌水。
本帖最后由 sonic5188 于 2010-8-21 16:25 编辑
回复cccp123
你这些方法，现在基本属于空想，物质能否承受时空扭曲才是更难确定的。
相比之下，加速到 ...
gohomeman1 发表于 2010-8-21 14:20 http://www.astronomy.com.cn/bbs/images/common/back.gif
版主你关于字体的提醒我接受！
你最后说加速的最初质量太大，是错误的理解。
随着物体速度增加，质量也会增加，速度无限接近光速，质量也会变得无限大，以至于无法达到光速。
所以在加速的最后阶段物体质量会变大，而且我认为等功率加速是比较合理的，而不是等加速度加速过程，如果有疑问可以发消息给我。
至于加速过程是否满足人体极限的这个问题，我压根就没有考虑过，因为绝对不会有载人恒星际飞船出现的可能。 本帖最后由 sonic5188 于 2010-8-21 16:14 编辑
回复 7# cccp123
对于张口虫洞，闭口跃迁的人，我只能说我无法说服你。
如果虫洞、跃迁有一丝可行，那么我要恭喜你。
请你照我的论证方式写一篇论文到NATURE，那些瑞典人会把下一届诺贝尔物理学奖颁给你的。
你也会成为人类历史上最伟大的人，你的智慧恩泽万代，
因为人类可以因为你在未来一千年以内遍布整个银河系，甚至整个宇宙，
同时你也揭开了一个迷，就是人类是全宇宙最高等的智慧生命，
因为如果有哪怕任何一个智慧生命比人类早一千年掌握这项技术，就早就遍布宇宙了。
所以，不挖苦你了，我很理解想出虫洞、跃迁技术的思想实验科学家、科幻小说家，这类书和文章我看过不少，
这是为了解决人类短暂生命和宇宙无限广阔的巨大反差而使用的安慰剂，可以看出中间理想与现实之间巨大差别的苦苦挣扎。
还有，不要老是拿原始人和现代人比，现代人很可能就是遇到了物理定律的天花板，未来可能真的突破不了，
就像地球的资源不可能养活300亿人口一样。 回复 14# sonic5188
还是忽略了宇宙航行中遇到障碍物怎么办？如果亚光速飞行现在我们的科学体系是有限的 不要认为只有动能旅行一种方式~~~ 回复 15# cccp123
所以请你去看看我的另外一篇帖子光速旅行和宇宙殖民并非很难实现！ 星际飞行 只得智取....硬是用推进是不行的 推进飞行的方式注定是20世纪的发明