书城童书宇宙未解之谜
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第11章 神秘太阳系(5)

最成功的太阳系理论是从18世纪的星云假说开端的。1796年,法国数学家拉普拉斯认为,有一个庞大的原始高温的气态星云在空间里缓慢地转动,它的体积比现在的太阳系大好几倍。在逐渐冷却的过程中,星云的体积减小,密度加大,导致转动加快,离心力随之增加。

这个过程就好像冰上舞蹈演员在旋转时双手上举,身体的转动越来越快的情景。

离心力的增加使星云变成了扁平的盘状。

当边缘物质的离心力大于中心的吸引力时,就会从边缘自外而内分出一个个圆环来。每一个环里的物质并不均匀,大的凝团吸引小的尘埃,如同滚雪球一样越聚越多,逐渐发展成行星。而围绕着行星又重复着同样的过程,从而形成了卫星。星云假说成功地解释了行星的运行及其轨道的规律,密度的不一致现象等,所以在产生后的一个多世纪里为人们广泛接受。

但是假说产生的年代对宇宙的探索还很不深人,因此对太阳系产生的描述过于简化。特别是后来人们又发现了一些太阳系运转的规律,例如有些卫星的逆行和角动量分配不平均等问题。角动量是指物体的角速度与旋转半径的乘积,当没有外力作用时,物体的角动量是守恒的。前面我们举的旋转的冰上舞蹈演员的例子就是角动量守恒的,在她旋转开始时.双臂张开,旋转速度不是很快但当她将双臂收拢,她便转动得更快了。而在太阳系中,太阳的质量虽然远远超过行星们质量的总和,太阳的角动量居然只有全太阳系的2%也就是说,位于中心的是旋转极慢的庞大的太阳,在离中心很远的地方旋转着动量很大的诸行星。按照星云假说预测,太阳的自转周期应该在12小时左右,然而观察的结果却是26天。显然太阳的角动量太小了,星云假说无法解释这个现象。20世纪60年代,英国天文学家霍伊尔和法国天文学家沙兹曼开始拯救星云假说,他们提出,物体的角动量可以通过带电粒子在磁场中运动的方式来转移给其他物体。他们认为,原始太阳演化早期,存在很强的磁场,热核反应使太阳发出电磁辐射,使周围圆盘状的气体电离,产生的带电粒子将太阳的角动量大量地转移给外围的圆盘气体,使之角动量增加而向外扩展。太阳由于不断地失去角动量而转速越来越慢。这种说法使星云假说重新赢得了支持者。

怎样飞越太阳系

恒星周围存在行星是一个普遍现象。在太阳系附近的恒星周围肯定存在着行星系统,了解那里的行星无疑是一件激2006年8月,具有40年历史的SET决定建造自己的射电望远镜。与传统的无线电望远镜不同的是,它由500到1000个小型的碟形组件构成,能将收集到的信号汇总为星球的一张图像。这种望远镜将电子技术与计算机处理技术融为一体,能同时对12个星球进行观测。目前科学家们正在精心拟定“目标”星球清单。望远镜同时还能协助天文学家开展传统研究。SET希望望远镜最终能在2005年投人使用。

1982年,美国导演斯皮尔伯格执导的《ET》(《外星人》)创造了这样的外星人形象,外星人(如果有的话)真是这样的吗?

2000年3月29日,人类在寻找太阳系外行星方面取得重大进展。美国加利福尼亚大学的科学家宣布,他们发现了两颗迄今为止围绕着其他恒星运行的最小行星。这两颗太阳系外的行星质量与土星相近。这标志着科学家在寻找地球大小的太阳系外的行星的过程中迈出了重要的一步,因为迄今为止观测行星的技术只能发现比木星大的太阳系外行星,所以寻找外星生命,只能到地球大小的行星上去找。想要飞向太阳系外的恒星,解决动力问题则是关键。

动人心的事。可现有的天文手段在这方面显得过于苍白无力。它既不能告诉我们这些行星的大气组成,也无法揭示其地质构造,甚至天文学家连它们的几何尺寸也无从知晓。

这一切都是地球与目标行星之间的距离所致——动辄几十万天文单位的旅程会令最狂热的宇航迷变得垂头丧气,用化学火箭推进的探测器要用成千上万年才能飞到那里。

如何在一个科学家的有生之年完成太阳系外的探险呢?这时飞船应该达到每秒几百公里的速度,而目前最快的飞船只能达到这速度的十分之一。现行的飞船之所以行动迟缓,根本原因在于它们仅靠化学火箭在其飞行的头几分钟里加速,冲出大气层后的航程完全依赖惯性滑行,充其量在路过大行星时靠其引力加速。因此要想飞向太阳系外的恒星,解决动力问题是关键。

目前“旅行者”号和“先驱者”号探测船已经飞越了冥王星轨道,成为离地球最远的探测器。为了达到这一目标,科学家花费了十几年的时间,其间还界不断利用大行星的引力加速(称为“引力跳板”技术)。而且从一开始,它们就是用最强大的化学火箭(“土星”号)发射的。

下面的方法是科学家想到的飞越太阳系到达其他恒星的方法。其中有一些现在就可以实现,而另一些也许永远只能停留在设想阶段。

核动力火箭20世纪50年代,随着和平利用原子能的呼声日益高涨,原子火箭发动机应运而生。法国人设计了以水为工作物质的原子能火箭,它靠核反应堆产生的热量将水汽化,高速喷射出的水蒸气能使星际飞船逐渐加速。火箭要喷出5000吨的水才能在50年内把飞船送往最近的恒星——比邻星(距地球4.22光年)。一般化学火箭的结构质量占总质量的6%~10%,有效载荷仅占1%;而原子能火箭的结构质量占总质量的12%~15%但有效载荷可占总质量的5%~8%。以氘为燃料的核聚变火箭,排气速度可达15000公里/秒,足以在几十年内把宇宙飞船送到别的恒星。

聚变比裂变放出更大的能量。在一个核聚变推进系统中理论上每千克燃料能够产生100万亿焦耳能量——比普通化学火箭的能量密度高一千万倍。核聚变反应将产生大量高能粒子。用电磁场约束这些粒子,使之向指定方向喷射,飞船就可以高速前进了。为安全起见,核飞船至少应在近地轨道组装。为利用月球上丰富的氦资源,月球也是理想的组装发射地。此外也可以在拉格朗日点(此点处的物体在绕地球运转的同时保持与月球相对距离不变)处进行组装,原材料从月球上用电磁推进系统发送。

中国古代的纸鸢无法和现在的超音速飞机同日而语,今人设想的喷射式推进系统也不能和未来实际的星际飞船相提并论。但相对于核动力火箭来说,以下几种进人太空的方法更有可能在未来的星际飞行中使用。

15世纪地理大发现时期,西欧的水手们扬帆远航,驶向传说中的大陆。未来的星际航行恐怕还要借助“帆”这种古老的工具,只不过驱动“太空帆”的不是气流而是光。早在12世纪20年代,物理学家就已证明电磁波对实物具有压力效应。1984年,科学家提出,实现长期太空飞行的最佳方法是向一个大型薄帆发射大功率激光。这种帆被称为“光帆”。它采用圆盘状布局,直径达3.6千米,帆面材料为纯铝,无任何支撑结构,其最大飞行速度可达到光速的十分之一。在搭载1吨的有效载荷时,飞抵半人马座的a星仅需40年或更少的时间0以这个速度,太空船可以在两天内从太阳飞到冥王星,但要是飞越另一个太阳系并对其进行考察,这速度显然太低了。

为了进行详细的考察,可以采用“加速——减速”的飞行方案。这时光帆直径取100千米,使用功率为7.2x1012瓦的激光器向它发射激光。在减速阶段,将有一个类似减速伞的小型光帆被释放出来,它把大部分激光向飞船的前进方向反射以达到制动的目的。

虽然对技术和经济要求较高,但较其他形式的星际飞船而言,光帆是在技术和经济上最容易实现的方案。根据估算,在使用金属铍作为帆面材料时,飞到半人马座星的总费用为663亿美元,13箱当于阿波罗计划投资的1/4。