无垠的太空——星辰大海的征途到底走了多远？

我常常想，若我生在那时，定会买上一艘竞速飞船，选一个黄道吉日，绕着太阳系慢慢飞行，享受各个行星和土星环的引力弹弓加速，该是多么惬意的事情啊！TheExpanse——这是最好的时代，这是有史以来最好的科幻电视剧！我们先从速度与时间讲起。无垠的太空中飞船的速度能达到多少？这里我们只考虑真实旅行的情况：首先，在天空中，由于没有额外的阻力，讲速度能达到多少是没有任何意义的，除了燃料量之外没有速度限制，如果你有足够的燃料和足够的推力来加速，那么你的速度就会一直增加，直至接近光速。根据小说中的设定，飞船在太空中飞行，加速度一般都在1/4~1/3G，旅行中，它们会开始加速，一直在到达目的地的一半的地方，然后转身，并开始不断向后加速，以减缓速度。就书中来说，以霍顿从地球出发到达45亿公里外的海王星轨道的星环位置开始算（书中星环在天王星轨道外，这里按照直线距离，采取海王星轨道。），在这个过程中，如果一直以0.3g加速，那么则至少需要t=2*(√45亿千米除以0.3g)=29天。也就是说，一直以0.3g加速，也需要29天才能到达天王星轨道，这还算的是直线距离。在这个过程中，一半的时候速度达到最大0.04C。当然，这是在人所能承受的加速过程中出现的速度，而如果一直以1G加速的话，则需要15.6天就能到达海王星轨道。过程中，最大速度达到0.02C。然而，这都是一个粗略的计算，在太空中，当从地球到海王星轨道时，中途那么多行星，小行星，随便几个引力弹弓效应就能大大提升速度，节约旅程时间。最最重要的是，在科幻小说中，大多数时候，飞船的速度没有考虑到距离和真正的数学计算。人们都是以故事情节所需要的速度旅行。这点是看科幻小说时需要明白的一个前提设定。在数学下图是一直以1G加速的速度时间函数，横坐标以天为单位，纵坐标代表光速。根据这个一直以1G加速的速度曲线，可以看到，经过34.6天，速度就能达到0.1C。经过一年时间，就能接近光速。下图是一直以1G加速的距离时间函数，横坐标单位天，纵坐标是天文单位。根据这个计算，一直以1G加速，假设中途翻转减速，那么按最近距离算，从地球出发到月亮需要3小时，到水星只需要2天，到火星需要2天，到木星需要5天半时间，到土星需要8天时间，到天王星需要12天，到海王星需要16天时间。16天之后就能到达50AU外的柯伊伯带。而1G的星际旅行大约需要1光年的距离。比如到半人马座的比邻星(4.2光年)需要5.2年。最后上面的这些都不是一个很科学的计算方法，只是给出粗略的估算。除却真实的人类旅行，在太空中，其他非载人船只或武器的速度就不可估算了，例如，鱼雷的加速速度比船快得多，而且能在极其短的时间内达到非常高的速度，基本上，鱼雷可以超过任何船只，因为没有大气层来限制速度，它们就是一枚绑在爱泼斯坦引擎上的弹头，有数万公里/秒的速度，远远超过人体所能承受的加速度。而无需担心高G会碾碎任何乘客。在小说中，他们说道，试图逃脱鱼雷是毫无意义的。所以：人类在无垠的太空里到底走了多远？那么，在200年的时间里，爱泼斯坦引擎缩短了距离问题，人类最远的定居点是哪里呢？我们不考虑通过星环的那些殖民外恒星系统的人们。在太空中，资源的消耗是巨大的，生活在太空中所需的成本也很高昂，显然拥有一台爱泼斯坦驱动的飞船和水、食物、空气并不是生存的唯一条件。人类的所建立的很多其他的殖民地都是为了抵御比遥远的外星系更恶劣的环境而建造的。木卫一，即伊奥是整个太阳系中火山活动最活跃的地方，环境极其恶劣，稀薄的大气主要成分是二氧化硫，也使得表面遭受着木星强烈的辐射，但在它上面，有一个mao的制造基地和研究实验室。而人类到底走了多远，似乎考虑的更多的是经济上的动力。木卫三Ganymede是地球和火星的粮食基地，木卫四Callisto因其造船厂而闻名，谷神星Ceres是人类进入太阳系的中间站，这所有的都是有目的的殖民，归根结底还是资源的争夺，有了资源，就有了金钱，就能生存下去。而只有那些摩门教徒才会仅仅为了殖民而殖民。这就和人类在地球上的迁徙历史是一致的，我们大多数古老的和最大的城市都曾建立在海岸线上，抑或者河流的交汇处，而且通常在某些方面，是矿产、贸易和军事的集聚形成了城市，矿山枯竭后，有了废弃的矿业城镇，河水冲积平原形成了粮食主产区，所以人类开拓太阳系的殖民地也需要一个目标或理由来定居。资源的开采往往需要一段时间才能得到效益，在这个过程中，生存所需的水就是一种非常宝贵的资源，这就是像坎特伯雷这样的船只存在的原因：把冰从小行星带带向内行星。在书中，人类还没有消耗掉小行星带和土星环中的一部分冰，所以他们根本没有必要一直走到太阳系的边缘柯伊伯带去获取资源，小行星带的这些资源是非常丰富的。所以向柯伊伯带延伸并不是真的需要，也不值得(在小说中的所处的那个“现在”)。但我相信人类最终会继续定居到柯伊伯带，但200年的时间不足以实现这一目标。即使有爱泼斯坦驱动的飞船，经过上文的计算，我们知道人类也至少需要2-3个月才能到达那个地方，因此，一次往返旅行就需要6个月以上的时间，爱泼斯坦驱动的飞船可以从速度和燃料利用的经济性上解决问题，但不能从时间、人力或花费的资源上解决问题。在小说中，人类最远的定居点在天王星周围的月球上，天王星轨道的距离是土星的两倍。在这个尺度上，相对于天王星和海王星，从土星到火星间的小行星带也算得上是“内行星”了，而似乎这遥远的地方才能称得上是Beltalowda!。而实际上，人类的定居在后来的书中有了更远的发展，我记得有一本书提到了在柯伊伯带深处的实验室。确切的是：人类在海王星的卫星海卫一Triton上建立了“深空天文实验室”。那是一个围绕着海王星逆行旋转的冰球，那是太阳系中最冷的天体之一，但它拥有一层稀薄的大气，有氮有甲烷，它表面只有北美洲那么大，但它表面的温度低至-237摄氏度，比冥王星还冷，站在那里看向太阳，太阳也只不过是一颗稍微亮一点的星星。但那是人类文明最远的前哨…而这就应该是人类的前哨站和研究所，但这对于长期的殖民化来说是不现实的，至少在整个过程中是这样的。您需要适当的基础设施来支持现有的一切。你必须自给自足，携带足够的东西才能在离最近的文明那么远的地方生存。它们是研究的前哨，而不是采矿或耕种的聚居地，因此没有物质出口，就像现今的物流运输，单程的物资供应从内行星出发，经过几个月的时间到达那个地方，然后在返程途中，一艘空船经过几个月的旅行到达内行星，却没有产生任何收入，这是非常不值得的行为。因此，那些遥远的边缘哨所据说都是用远程轨道炮来进行物资的补给，而不是派船去。从上文我们得知，他们可以全程加速到20到30G，而没有丝毫的“船员乘客”会感到不舒服。“嗨，我就是那个坐着飞船去接货车的人，那上面装满了食物和补给，那是前几天从内行星处通过轨道炮向我们发射的！”——大体上他们的补给就是这样解决的。所以200年对于人类的向外扩张来说是不够的，因为我们自然会在任何接近太阳的地方停下来。探索太阳系是一个持续的过程。我们看不到终点，我们看到的是中点。在柯伊伯带的矮行星中，我肯定那里会有人类的城市，我们还没走远。所以我们为什么要止步于此呢?我们回到摩门教徒所建立的Nauvoo上，相比之下，这比建立一个永久的殖民地收获更高，虽然有风险，但是相比较那些人类殖民地所处的恶劣环境，能自给自足的世代飞船Nauvoo号的确有其建造的必要性和巨大的利益。所以，Nauvoo号到底是怎样工作的？首先是加速阶段，爱泼斯坦引擎使飞船加速一段时间，达到预定的速度之后，就不再加速，然后以恒定的速度航行很长的时间，几十年到几百年，当他们到达目的地时，又翻转减速。中间旋转的部分的作用是在中间恒定速度航行时产生自旋重力。在初始加速的过程中，加速产生重力，所以中间的部分不会进行旋转（因为如果加速时进行旋转，重力会有一个复杂的不可控的方向，而且机械结构也会很复杂。）同样，在加速的时候，旋转部分内部的草、树、植物、水等都不会出现，然后在以恒定速度行驶时，中心部分会进行旋转，他们就会打开泥土，种植植物，从水箱中释放水等等。然后它们会耕种大约100年左右，然后花很长时间把所有的泥土重新打包，为减速燃烧做准备。这可能是人类有史以来最复杂的，最具野心的工程了。它有多大呢？和中国的故宫比较，呃，大概就是从天安门广场到紫禁城北门这么长，36艘辽宁舰按6*6肩并肩排开，还没有Nauvoo大……我没有想到它在视觉上的呈现竟然这么好，如果你想确切了解它的内部构造，请看第三季最后两集。优秀的科幻电视剧就是如此，想象一下，有多少年轻人会受到启发，从这里学到很多关于空间的天文学的，物理学的知识。so,让我们期待第四季的Firefly-western风格的TheExpanse。copy;本文版权归作者阿秀所有，任何形式转载请联系作者。