《三體》科技探究：太空電梯、無工質(zhì)推進、終極功率推動和其他

劉慈欣的科幻著作《三體》可謂中國科幻近年來的扛鼎之作。該書講述了外星人“三體人”與地球人類之間數(shù)百年乃至整個宇宙的故事。它所蘊含的龐大設(shè)定、對宇宙的恢宏描寫以及跌宕起伏的劇情，無一不深深抓住了讀者的心。

既然是關(guān)于地球和宇宙的故事，書中自然不乏劉慈欣對未來航天科技的設(shè)想。這里，我們將探討書中提到的航天技術(shù)，比如太空電梯、核聚變火箭和曲率驅(qū)動，并對這些航天科技進行或現(xiàn)實、或科幻的考據(jù)。

太空電梯想象圖

1、合理的航天技術(shù)路線圖

在得知外星人的入侵艦隊——三體艦隊——將于三四百年后抵達地球的消息后，人類的“危機紀元”來臨了。為了打造太陽系防御圈，抵御侵略，人們把打造大噸位長續(xù)航作戰(zhàn)平臺（萬噸級太空戰(zhàn)艦）作為終極目標，把有待開發(fā)的技術(shù)分為關(guān)鍵技術(shù)和輔助技術(shù)。

分清主次后，有限資源集中于技術(shù)瓶頸，逐級向技術(shù)頂峰攀登。其中，關(guān)鍵技術(shù)就是核聚變發(fā)動機和太空電梯。

核聚變發(fā)動機，工質(zhì)or非工質(zhì)？

在物理學(xué)基礎(chǔ)研究被三體人鎖定、基礎(chǔ)理論無法發(fā)展的情況下，人們只能根據(jù)各學(xué)科現(xiàn)有發(fā)展情況確定指標參數(shù)，推測人類可能達到的各種技術(shù)層次。

據(jù)此，中國太空軍規(guī)劃出萬噸級太空戰(zhàn)艦的三個技術(shù)層次，如下表所示：

為保證太空戰(zhàn)艦擁有足夠的推力和續(xù)航動力，戰(zhàn)艦上只能配備人類掌握的最高密度能量——核聚變能。這時，在推進方式的選擇上，航天界出現(xiàn)了分歧，航天實力派主張發(fā)展工質(zhì)推進飛船。

航空母艦指揮官出身的中國太空軍軍官章北海認為，在強大的三體艦隊面前，人類艦隊采用工質(zhì)推進就是死路一條，太陽系將變成威海衛(wèi)，人類太空軍將成為第二個北洋水師。

最終他單槍匹馬，用一種有爭議的獨特方式解決了這一分歧，航天科研人員終于沿著無工質(zhì)推進飛船的路徑前進了。

可以說，沒有章北海選擇的正確道路，地球人就沒有未來。

在“危機紀元”最初的日子里，化學(xué)燃料火箭、航天飛機、空天飛機等航天器紛紛登場又匆匆謝幕。它們或是因為性價比低，或是因為不能滿足未來星際戰(zhàn)爭的需要而被淘汰了。最后的勝利者屬于集中所有資源攻關(guān)的無工質(zhì)核聚變發(fā)動機。

新突破，可能在哪里？

太空艦隊需有天地往返系統(tǒng)、太空港口等基礎(chǔ)設(shè)施支持，于是太空電梯和大型永久式空間站應(yīng)運而生。

輔助技術(shù)包括循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)、深海狀態(tài)、人體冷凍、離子發(fā)動機、電磁發(fā)射器等。

輔助技術(shù)與關(guān)鍵技術(shù)一樣不可或缺，只是它們處于技術(shù)舞臺的聚光燈之外，不那么引人注意。以艦載循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)為例，這是小說中人類實現(xiàn)的最重要的技術(shù)突破之一。如果沒有自給自足的循環(huán)能力，人類后來的星艦文明、太空城、銀河系文明都不會出現(xiàn)，地球人或三體人也根本無法走出自己的家園，成為真正的太空文明。

大劉構(gòu)造了這樣一個合理的航天關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展鏈條，鏈條的每個環(huán)節(jié)又與輔助技術(shù)形成技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，共同勾勒出完整的技術(shù)畫卷。

2、太空電梯，扶搖直上九萬里

理論基礎(chǔ)

太空電梯是“危機紀元”中最先實現(xiàn)的航天關(guān)鍵技術(shù)。太空電梯源自一個古老的夢想——用天梯連接地面與天空，人可以通過此梯往返天地之間。這個夢想可以追溯至《圣經(jīng)》時代?！妒ソ?jīng)·創(chuàng)世紀》中有這樣一個故事：雅各布做夢沿著登天的梯子取得了“圣火”。后人便把這夢想中的梯子，稱之為雅各布天梯。

大劉在小說里這樣描述了太空電梯在21世紀二三十年代的試運行：

“所有的太空電梯都只鋪設(shè)了一條初級導(dǎo)軌，與設(shè)計中的四條導(dǎo)軌相比，運載能力小許多，但與化學(xué)火箭時代已不可同日而語，如果不考慮天梯的建造費用，現(xiàn)在進入太空的成本已經(jīng)大大低于民航飛機了?！保ā度wII》第216頁）

1979年科幻大師阿瑟-克拉克出版了《天堂的噴泉》一書。該書講述了人類靠一種強度極大但質(zhì)量極輕的碳纖維材料把地球和同步軌道衛(wèi)星連接起來的故事。書中的主人公為了這一工程耗盡心血，終于殉職于太空電梯上。在小說的結(jié)尾，人類已將所有的人造衛(wèi)星都橫向相連并將它們與地球縱向連接，這個巨大的人造環(huán)帶好似給地球圍上一條項鏈。

這聽起來更像天方夜譚而非務(wù)實的太空計劃，以至于當美國物理學(xué)家皮爾森于1970年提出太空電梯的概念時，人們對他的建議就是“改行寫科幻小說去吧”。

但工程師經(jīng)過論證發(fā)現(xiàn)，以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，太空電梯的夢想是能夠?qū)崿F(xiàn)的。太空電梯的本質(zhì)是建設(shè)一座永久性的“纜繩”式建筑，將地面與地球軌道上的某一點連接起來，并允許運輸工具沿著這條纜繩行駛。

聽起來這和我們常見的電梯確實大同小異，問題在于我們要連接哪兩個點和怎樣連接。

“天梯三號是唯一一部基點在海上的太空電梯，它的基點是在太平洋赤道上的一座人工浮島，浮島可以借助自身的核動力在海上航行，因此可以報據(jù)需要沿著赤道改變太空電梯的位置。”（《三體II》第217頁）

同步軌道衛(wèi)星相對它正下方的地面靜止不動。這種衛(wèi)星都定點于赤道上空三萬六千公里處。要保證太空電梯相對于地面不發(fā)生漂移，只能一端建在赤道上，另一端連接同步軌道衛(wèi)星。

太空電梯實現(xiàn)的難度仍然很大

在真實世界中，要實現(xiàn)太空電梯的夢想，要比神話和小說中困難得多。建造太空電梯最大的挑戰(zhàn)在于找到制造電梯纜繩的材料。

纜繩應(yīng)該是一根高強度的長索。普通的鋼絲如果從9公里的高空中垂下來，它就會被自己的重量拉斷。好在碳納米管的發(fā)明使人們看到了希望。

碳納米管非常細小，但強度可與金剛石媲美，而且柔韌性很好，可制成纖維。理論上說，寬1米、像紙一樣薄的納米管纜帶就可以支撐13噸的重量。

《三體》中“只有六十厘米寬”的天梯導(dǎo)軌是用別名“飛刃”的納米材料制成的。主持“飛刃”研制的科學(xué)家汪淼也因此成為整部小說中最先出場的關(guān)鍵科研人物，汪淼的生活和工作均被三體人干擾。這是因為三體人擔(dān)心地球人從這種材料入手，造出太空電梯，進而發(fā)展出太空防御系統(tǒng)，影響三體人的殖民地球計劃。

大劉進一步描述道：

天梯三號的終點站是“車輪形狀的（黃河）空間站……位于電梯終點上方三百公里處，是作為電梯的平衡配重物建造的?！保ā度wII》第226頁）

太空電梯為何要有平衡配重物呢？這是因為細長物體承受拉力的本領(lǐng)比承受壓力的本領(lǐng)大得多。為避免太空電梯的纜繩被自身重量壓垮，工程師想出了一個主意，從同步軌道衛(wèi)星上垂下三萬六千公里長的纜繩，直達地面，在纜繩的另一頭還有“平衡錘”。

平衡錘以極大的速度繞地球運轉(zhuǎn)，因為離心作用的緣故，它能給纜繩施加很大的拉力，確保纜繩繃緊。

與大多數(shù)公共交通一樣，目前航天工程師設(shè)計的太空電梯艙也是雙向?qū)﹂_的，并在適當?shù)母叨劝惭b“站臺”以方便乘客和貨物上下。這些站臺實際是固定在太空電梯上的空間站，它們的重量應(yīng)該從最初設(shè)計時就考慮在內(nèi)，甚至電梯艙的載重和行駛位置也需要精確計算，以保證纜繩的平穩(wěn)。

如何防范攻擊與破壞？

在《三體》故事里，每次地球遭遇襲擊時，太空電梯都成為逃難者爭搶的交通工具，如果得不到座位，暴民就會攻擊太空電梯：

“隨著水滴（三體人發(fā)出的探測器）向地球的逼近……所有太空電梯的基點和航天發(fā)射基地周圍都有大量的人群在聚集，揚言要關(guān)閉所有進入太空的通道?！敯l(fā)現(xiàn)（太空電梯）運載艙上升或航天器起飛時，這些人會同時拔搶照射，激光的直線彈道使瞄準很精確，大部分的光束都會聚集在目標上并將其摧毀?！保ā度w2》第428頁）

當“黑暗森林”打擊警報響起時：“在太空電梯的基站也發(fā)生了武裝沖突……部分國家試圖派軍隊控制赤道海洋上的國際基站?！保ā度w3》329頁）

如果當代的恐怖分子能將民用航空器作為攻擊對象，那么未來的恐怖分子完全可能把太空電梯作為襲擊目標。

將太空電梯置于偏遠位置將是降低風(fēng)險的最佳方法。比如，太空電梯的錨定點可以位于赤道附近的太平洋海域的移動平臺上，它與任何空中航線或船舶航路的距離至少為650公里。無論恐怖分子從哪里發(fā)動襲擊，太空電梯的防衛(wèi)者都會有足夠的預(yù)警時間。此外，太空電梯的結(jié)構(gòu)決定了從地面發(fā)起的恐怖襲擊都只能威脅到電梯的一小部分，即15公里高度以下的部分。

太空電梯耗資巨大、戰(zhàn)略意義重要，擁有該設(shè)施的國家都將部署警衛(wèi)部隊把守這個太空港口，就像當今把守重要橋梁、隧道一樣。

與空間站或宇宙飛船一樣，太空電梯也應(yīng)需具備避開太空垃圾的能力。太空電梯的纜繩將錨定在赤道附近海域的移動平臺上。這個移動平臺就像放大版的海上石油鉆井平臺。移動平臺上裝有推進器，可以來回變換位置，從而挪動太空電梯，避開來襲的太空碎片或隕石。

太空電梯基座想象圖

天體之間，以電梯相連

據(jù)太空電梯研究者布拉德利·愛德華茲估算，太空電梯建造成本不會低于100億美元，維護費用也不是小數(shù)目。

《三體3》的女主人公程心與男主人公云天明會面時“乘坐的是人類建成的第一部太空電梯，這個終端站建于危機紀元15年”，也就是說人類第一部太空電梯落成于21世紀二三十年代。當時，為支持太空電梯的建設(shè)，各國都實行戰(zhàn)時經(jīng)濟，生活必需品實行配給。以人類目前的技術(shù)發(fā)展水平和資源調(diào)動能力而言，這個時間估算是可信的。

雖然太空電梯的建造與維護耗資巨大，但投入運行后，它與傳統(tǒng)航天器相比在運輸成本有巨大優(yōu)勢。盡管電梯艙上升速度比火箭慢，但它卻能將每千克貨物的發(fā)射成本從現(xiàn)在的22000～44000美元降到900美元左右。最先擁有太空電梯的國家將率先獲取太空資源，享受“電梯紅利”。

幾百年以后，當太空電梯這道通往宇宙的橋梁造好之后，地球上的居民大規(guī)模向外層空間移民，在地球的外圍會建立數(shù)以萬計的大大小小的空間城。屆時，在空間城之間又會建立起宇宙索道，就像把城市連接起來的公路和鐵路一樣。就像大劉描述的那樣——

“在地球的夜空中，移動的星星目益增多，那是人類在太空軌道上的大型建筑物?！S著太空電梯的建成，人類開始了對太陽系行星的大規(guī)模探索?！保ā度wII》第217頁，257頁）

有科學(xué)家認為，隨著太空電梯的廣泛建設(shè)，在遙遠的未來，從火星或金星上看去，地球周圍將布滿蛛絲般的網(wǎng)絡(luò)，赤道上空耀眼的光環(huán)是連成一體的空間站。這個超級環(huán)形空間站由多臺太空電梯與地球相連，仿佛自行車的輻條。與地球類似，太陽系中其它有人居住的星球——月球、火星、土衛(wèi)六——也可以在自己的赤道上安裝太空電梯，這將是太空居民點之間往來的橋梁。

3、階梯計劃：從引力跳板到核彈跳板

所謂階梯計劃，是危機時代人類向來襲的三體艦隊發(fā)射探測飛船的嘗試。根據(jù)該計劃，預(yù)先把大量核彈用傳統(tǒng)的推進方式發(fā)射至太空，核彈逐個分布在飛船的最初的航線上。飛船在經(jīng)過每一顆核彈的一瞬間，核彈在飛船輻射帆后面爆炸，產(chǎn)生推進力，因為核彈的每一次爆炸都使飛船的速度增加一級，很像在登一道階梯，所以叫做階梯計劃。

這個計劃是由《三體III》女主人公程心提出的，當時這個中國女孩正效力于行星防御理事會戰(zhàn)略情報局（PIA）。

很久以后，程心在自傳《時間之外的往事》中這樣評價自己的計劃：“火龍出水和連發(fā)弩都是把落后的技術(shù)以先進的方式組合起來，試圖產(chǎn)生貌似超越時代的能力。……階梯計劃也難以把人類帶入宇航新時代，它只是用當時的技術(shù)所進行的孤注一擲的努力?！?/p>

我們可以把這段文字看做程心的自謙，但這個巧妙的低技術(shù)組合的確產(chǎn)生了奇?zhèn)サ男Ч?，造就了人類有史以來最高速的飛行器。從這個意義上講，大劉應(yīng)為這個技術(shù)構(gòu)思感到自豪。

引力跳板：借著引力，飛得更快

在現(xiàn)實中，的確有航天器不帶燃料卻能加速飛行的方式，這就是“引力跳板”技術(shù)。因為航天器是借助航線上經(jīng)過的行星加速，所以引力跳板也被形象地稱作“借力飛行”。

不知大劉是否參考了引力跳板原理，構(gòu)造出“核彈跳板”+“輻射帆”的情節(jié)，用低技術(shù)組合的方式把自愿參與探測的云天明送出了太陽系。

只要飛船飛越行星的速度和位置合適，就能利用行星引力跳板加速，但能量不會憑空產(chǎn)生，利用引力跳板加速的航天器，是從哪里“借”來的動能呢？

行星并非真的靜止不動，自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)使其攜帶了巨大的角動量。在太陽系整體角動量中，太陽自身的角動量只占2%，其它98%的角動量掌握在圍繞太陽的星體手中。

當飛船切入行星軌道后，它也分得了行星的一部分角動量。轉(zhuǎn)移的角動量體現(xiàn)在飛船飛出行星引力場時的速度變化中。

以太陽為參照物，此時飛船飛出行星的速度不僅改變了方向，也增加了大小。根據(jù)能量守恒定律，航天器增加的動能也就是行星減少的動能，只不過行星的動能太過龐大，小小的航天器分得的動能與之相比不過九牛一毛而已，并不會影響行星的運轉(zhuǎn)。這就好比我們使用風(fēng)力發(fā)電機從空氣流動中獲取能量，卻不必擔(dān)心風(fēng)會因此停止一樣。

引力跳板可以節(jié)省探測器所帶的燃料，大大縮短行星際航行時間。如果航天器選擇最經(jīng)濟的雙切橢圓軌道飛行，飛向土星需要6年，飛向天王星需要l6年，飛抵海王星需要31年。而假如使用木星做引力跳板，飛抵土星只需3～4年，飛到天王星只需8～9年，飛抵海王星也只需12年。

“旅行者1”號和“旅行者2”號探測器就曾利用1982年“九星聯(lián)珠”的機會，先后把木星、土星、天王星當作“跳板”，一次又一次地從木星跳到土星，又從土星跳到天王星，繼而跳到海王星，成為探測行星最多的探測器。

1990年發(fā)射的“尤利西斯”號太陽探測器，在飛近木星之后借助木星引力，偏轉(zhuǎn)90度而跳入太陽極區(qū)，對從未近距接觸過的太陽兩極進行了探測。

1997年發(fā)射的“卡西尼”號土星探測器質(zhì)量太大，運載火箭無法將其直接發(fā)往土星，遂采用引力跳板。它兩次掠過金星，而后又掠過地球和木星，最后才飛往土星。地球距土星只有12.5億公里，“卡西尼”號的行程卻達32億公里。

2006年發(fā)射的“新視野”號探測器也借助木星飛向冥王星，若不繞過木星加速、直飛冥王星的話反而會多用四年時間。

《星際穿越》配套游戲里飛船利用引力跳板加速的一幕

核彈跳板，優(yōu)勢何在？

有讀者會問：階梯計劃里把核彈逐個發(fā)射到預(yù)定位置并進行位置保持也需消耗火箭燃料，干嘛費這個勁？為何不把這些燃料攢到一起，把所有核彈和載有云天明的飛船一并發(fā)射出去？這樣飛船可以把自身攜帶的核彈一個個丟到后面，逐個爆炸，推動飛船前進。如此利用燃料的效率不是更高嗎？

其實不然。如果把所有N枚核彈都裝在飛船上，變成一個整體發(fā)射，那么首枚爆炸的核彈需推進其余（N-1）枚核彈及飛船的質(zhì)量，第二枚核彈需推進（N-2）枚核彈及飛船的質(zhì)量……飛船攜帶的尚未爆炸的核彈成了阻礙飛船加速的“死重”，這當然不如每枚核彈只負責(zé)推進飛船效率高。

在對重量錙銖必較的航天工程師看來，寧可費些事把全部核彈部署到推進航段上，也不能圖省事影響飛船的最終速度，使其不能盡早與三體艦隊接觸。

4、輕舟一葉翔天宇：從核爆動力到光壓驅(qū)動

在《三體3》的“階梯計劃”中，人類舉全球之力，發(fā)射了一艘輻射帆飛船，它先后承受了上千次核爆的力量，將云天明推往三體艦隊的方向。輻射帆這個概念絕非無稽之談，其身世最早可追溯至科學(xué)革命時期。

四百年前，開普勒就曾經(jīng)提出利用帆船來探索星空的設(shè)想。他猜測彗星尾部會受到某種微弱“太陽風(fēng)”的吹拂，于是設(shè)想可以利用這種風(fēng)來推進帶帆的飛行器，就像海風(fēng)推動帆船一樣。盡管開普勒關(guān)于太陽風(fēng)的解釋后來被證實是錯誤的，但后世的科學(xué)家們卻由此受到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)太陽光確實可以施加足夠的作用力來移動物體。

太陽光的力量十分微弱，在地球軌道上，每平方公里表面接受的太陽光壓才有4.55牛頓，也就是一個蘋果的重量而已。雖然力量微弱，但太陽帆提供的推力貴在持久。只要有陽光照耀，它就可以一直工作，在太陽光的壓力下緩慢加速，并通過調(diào)整帆面相對太陽的角度來控制速度及方向。日復(fù)一日，年復(fù)一年，太陽帆總有一天會達到驚人的高速度。

這一天也并不遙遠，假如有一艘帆面7萬平方米的太陽帆飛船，飛船質(zhì)量是500千克，那么它離開地球軌道時每秒的速度增加值是1毫米/秒，但日積月累，等到抵達火星軌道時，時間才過去284天。算下來這個速度比許多化學(xué)火箭還要快。

太陽帆飛船，可能實現(xiàn)嗎？

太陽帆飛船已不再是停留在藍圖上的構(gòu)想，不少國家都在進行太陽帆飛船試驗。在《三體》故事中，程心提出階梯計劃構(gòu)想后，行星防御理事會戰(zhàn)略情報局（PIA）的專家展開了熱烈的討論。一位曾主持“那次”失敗的太陽帆試驗的俄羅斯專家指出：

“輻射帆可以做得很薄很輕，按現(xiàn)有的材料技術(shù)，五十平方公里的面積可控制在五十公斤左右，這么大應(yīng)該夠了?！保ā度w3》144頁）

“那次”失敗的試驗應(yīng)該是指第一艘太陽帆飛船“宇宙1號”試驗?！坝钪?號”由美國行星學(xué)會、俄羅斯科學(xué)院和莫斯科拉沃奇金太空工業(yè)設(shè)計所花費數(shù)年聯(lián)合建造而成，重50公斤，由8片長度為15米的三角形聚酯薄膜帆板組成花瓣形，帆板總面積600平方米。每張帆板的厚度比普通的塑料垃圾袋還薄，但它們異常牢固，并且表面上涂滿了高效反光物質(zhì)。帆板與支撐桿的結(jié)構(gòu)就像直升機旋翼一樣，可以通過調(diào)整來改變飛船的飛行方向和速度。

據(jù)計算，在陽光微弱的壓力推動下，“宇宙1號”太陽帆將會以每秒1毫米的速度慢慢地加速移動。在帆面展開24小時后，太陽帆的速度將增至每小時100英里；到第100天時，它的速度將達到每小時1萬英里。如果“宇宙1號”能持續(xù)飛行3年，速度會提升到每小時10萬英里，這是任何人造飛行器都沒有達到過的速度，相當于目前飛得最遠的“旅行者號”探測器飛行速度的3倍。

如果用“宇宙1號”來探測冥王星的話，可以在不到5年的時間里完成從地球到冥王星的旅程，而美國宇航局使用常規(guī)推進技術(shù)探測冥王星的“地平線計劃”預(yù)期需要的時間卻是十多年。

2005年6月21日，“宇宙1號”于從位于巴倫支海水下的俄羅斯核潛艇上通過“波浪”運載火箭發(fā)射升空。不幸的是，火箭在發(fā)射升空后83秒就與地面失去了聯(lián)系。

到目前為止，最成功的太陽帆試驗是日本2010年發(fā)射的“伊卡洛斯”號試驗太陽帆。2011年1月，完全依靠太陽能驅(qū)動的“伊卡洛斯”已成功完成全部實驗項目，包括利用陽光實現(xiàn)加速和改變軌道等?！耙量逅埂庇幸幻鎸蔷€長度20米的方形帆，由聚酰亞胺樹脂材料制成，厚度僅0.0075毫米。它在飛行中將不斷旋轉(zhuǎn)，依靠離心力使帆保持張力。

除了在太陽系內(nèi)飛行，太陽帆還可以作為恒星際探測器。因為成本低、飛行速度快，它是在低技術(shù)條件下飛出太陽系、飛向恒星空間的首選航天器。1984年羅伯特-弗沃德做出的工程分析表明，進行長期太空飛行的最佳方法是向一個大型薄帆發(fā)射大功率激光。

當激光帆采用整體式圓盤布局并搭載1噸的有效載荷時，最大速度能達到光速的十分之一，飛抵半人馬座α星（這正是《三體》中地球人的死敵——三體人的故鄉(xiāng)）僅需40年或更少的時間。此時的光帆直徑為3.6公里，帆面材料為純鋁鏡面。

雖然光帆面積龐大，帆面支撐等技術(shù)要求較高，但較其他形式的恒星際飛船而言，光帆仍是技術(shù)和經(jīng)濟上最容易實現(xiàn)的方案。據(jù)估算，如使用金屬鈹作為帆面材料時，上述飛行的耗電費用為66.3億美元。這只相當于阿波羅計劃投資的1/4而已。因為地球大氣會使激光衰減，理想的發(fā)射站應(yīng)當位于月球等天體。

如果未來能夠開采月球上的He-3資源并實現(xiàn)受控核聚變，發(fā)自月球的激光就可以射向宇宙深處的一葉孤帆。屆時，人類就真正地向深空跨出了一大步。

科幻中的帆飛船

1921年，俄國航天先驅(qū)齊奧爾科夫斯基（Konstantin E.Tsiolkovsky）提出了太陽帆的概念。1963年，阿瑟·克拉克出版了科幻小說《太陽帆船》，在小說中，主人公駕駛太陽帆飛船參加了從地球到月球的飛行競賽，其景象頗似當今流行的帆船比賽?？死说倪@個故事令太陽帆的概念深入人心。

阿瑟·克拉克的科幻小說《太陽帆船》中設(shè)想的太陽帆船

進入21世紀，好萊塢科幻片《星球大戰(zhàn)前傳：克隆人的進攻》中，杜庫伯爵乘坐一艘張著大帆的星際飛船離開吉奧諾西斯星球，從克隆戰(zhàn)爭的風(fēng)暴中逃脫。他乘著這艘飛船來到柯洛桑星球廢棄的郊外，會見了他的黑暗導(dǎo)師。這艘種子形的飛船外殼打開后可釋放出精致的太陽帆。星際間的高能粒子風(fēng)給太陽帆施加了強大的推進力，使太陽帆船能高速航行。影片導(dǎo)演喬治·盧卡斯將它命名為吉奧諾西斯太陽帆船，這種外形奇特的交通工具與片中杜庫伯爵謎一般的性格正相符。

回到《三體》的世界，云天明乘坐的輻射帆是太陽帆/光帆的自然延續(xù)?？梢姽馐请姶泡椛涞囊环N，輻射帆則特指使用其它種類輻射驅(qū)動的帆式飛船，包含這各種粒子和射線的核輻射自然可以驅(qū)動輻射帆。只是這種帆飛船目前還處于概念研究階段。

小說里，為避免核爆輻射影響云天明的座艙，連接帆和座艙的帆索長達五百公里（《三體3》58頁）。仔細分析我們會發(fā)現(xiàn)，如此長的帆索，彈性形變不可忽略。在脈沖式的核爆沖擊作用下，帆體和座艙會在帆索張力的作用下圍繞系統(tǒng)質(zhì)心來回振動，飛行方向難以保持不說，甚至可能令飛船徹底損壞。大劉考慮到了這一點，他這樣安排該飛船的命運：

“在木星軌道附近，階梯飛行器的一根帆索斷裂，飛行器偏離了預(yù)定航線……迷失于茫茫太空中?！?br />

令人神往的無工質(zhì)推進

1、核聚變推進

核聚變火箭發(fā)動機

進入三體危機紀元后，為盡早造出核聚變火箭發(fā)動機，人類的可控核聚變項目設(shè)立了四個研究分支，分別按不同的研究方向進行。在現(xiàn)實中，受控核聚變的常用方式有兩種，對應(yīng)這兩種方式，工程師提出了兩種核聚變火箭發(fā)動機方案，它們各有優(yōu)劣：

（1）、磁約束聚變發(fā)動機

磁約束聚變也叫做持續(xù)性聚變，是將核燃料變成數(shù)百萬度的高溫等離子體，使原子核活躍到能相互碰撞。由于等離子是帶電的，所以可以用強磁場來束縛它們，否則高溫離子體會熔化任何束縛它們的容器。

《三體2》這樣描述了磁約束聚變發(fā)動機試驗失敗的場景：

在人類太空艦隊的發(fā)展方向確定為無工質(zhì)輻射推進后，大功率反應(yīng)堆開始進行太空實驗。這時地面上的人們常常能看到三萬公里的高空發(fā)出炫目的光芒。這被稱作“核星”的光芒是失控的聚變堆失控產(chǎn)生的。核星爆發(fā)并不是聚變堆發(fā)生爆炸，只是反應(yīng)器的外殼被核聚變產(chǎn)生的高溫?zé)哿?，把聚變核心暴露出來。聚變核心像一個小太陽，地球上最耐高溫的材料在它面前就像蠟一般熔化，所以只能用電磁場來約束它。（《三體2》242頁）

磁約束聚變或許是核能發(fā)電的最佳方式，但未必適用于用于太空飛行。要約束住高溫等離子體，必須安裝一個磁場發(fā)生裝置。這種裝置由永久磁鐵和電磁線圈組成，體積龐大，重量驚人。這意味著火箭發(fā)動機必須造得很大。

大劉的態(tài)度很明確：小說中，首次實現(xiàn)可控核聚變發(fā)電后，物理學(xué)家丁儀對章北海說：“我早就感覺到托卡馬克方式是一條死路，方向?qū)α?，突破肯定會產(chǎn)生?！保ā度w2》220頁）

這里的托卡馬克方式就是磁約束聚變。

（2）、慣性約束聚變發(fā)動機

慣性約束聚變也被稱作脈沖性聚變，利用激光或者粒子束來照射核燃料球產(chǎn)生超高溫，生成比磁約束聚變時密度更高的離子體，從而引發(fā)聚變反應(yīng)。

由于此時反應(yīng)時間非?？?，小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應(yīng)，所以無需強磁場束縛。

在太空的真空環(huán)境中使用粒子束比在地球上具有明顯的優(yōu)勢，可以不受大氣分子的干擾。從這一點來說，此方案更為可行。

不過，采用慣性約束還需安裝激光器或粒子束發(fā)生器，并且需要給它們提供能量。航天器的尺寸、結(jié)構(gòu)與功能也得在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有很大提升。雖然如此，此方案很可能比磁約束聚變發(fā)動機要輕。

穩(wěn)定功率輸出的可控核聚變雖然還未實現(xiàn)，但其原理是明確的，障礙只存在與技術(shù)領(lǐng)域。假以時日，定能取得突破。

目前的聚變反應(yīng)堆容器非常大而且重，這使得其并不好用于星際旅行，在未來如磁約束或慣性約束和等離子不穩(wěn)定性等技術(shù)問題解決后，小型的聚變反應(yīng)堆有可能被設(shè)計制造出來。

在探測三體艦隊虛實的“階梯計劃”進行的同時，人類開始研究太陽系防御事宜。首當其沖的問題就是，用什么動力推進龐大的太空戰(zhàn)艦？核聚變是當時人類最有可能掌握的高密度能源，該怎樣使用核聚變能呢？

固守化學(xué)燃料火箭思路的航天界實力派主張研發(fā)工質(zhì)推進飛船，以核聚變能推動有質(zhì)量的工質(zhì)，產(chǎn)生反推力推進飛船。而太空軍則力主研發(fā)不需要工質(zhì)的輻射驅(qū)動飛船。

要理解二者的分歧所在，需要考察核火箭的發(fā)展歷程。

一種核聚變發(fā)動機設(shè)計圖

2、工質(zhì)推進，還是無工質(zhì)推進？

工質(zhì)推進也許并不被看好

核能推進的設(shè)想最早是由參與曼哈頓工程的斯塔尼斯拉夫·烏拉姆（Stanis?aw Marcin Ulam）和弗雷德里克·霍夫曼（Frederic de Hoffmann）在1944年提出的。后來，美國原子能委員會與NASA聯(lián)合實施了NERVA（火箭飛行器用核發(fā)動機）項目，該項目主要研究工質(zhì)推進核火箭，其原理是核反應(yīng)堆內(nèi)的核燃料產(chǎn)生熱量，推進工質(zhì)流經(jīng)反應(yīng)堆吸收熱量后，通過火箭噴嘴噴射出去。

NERVA采用氫氣作為工質(zhì)兼冷卻劑。氫氣具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，在高溫低壓狀態(tài)下容易離解為原子氫，并吸收大量的熱，而且氫的導(dǎo)熱性能可與金屬材料相媲美，是最好的冷卻介質(zhì)之一，同時由于其分子量小而成為最優(yōu)良的推進工質(zhì)。

1955年到1968年間，美國政府投資15億美元，在內(nèi)華達州核試驗場進行了多次核火箭測試，最后制出了重200千克、推力達到100噸的核火箭發(fā)動機，可使宇航員乘坐通勤飛船在24小時內(nèi)到達月球或從月球返回地球。

然而，就在功率4000兆瓦的核火箭發(fā)動機開始測試時，阿波羅登月計劃遭到了尼克松政府大幅度的預(yù)算裁減，將更多的宇航員送上月球和載人火星計劃被無限期推遲。1972年，已無用武之地的NERVA計劃被取消。

后來，航天工程師，載人火星計劃的大力鼓吹者羅伯特·祖布林（Robert Zubrin）又提出了一種核鹽水火箭的構(gòu)思。這種火箭以溶解了含有钚或鈾235的鹽水作為燃料。這些含核燃料的鹽水存儲在特殊設(shè)計的容器內(nèi)，通過幾何構(gòu)造或中子吸收的方法來保證其不達到核反應(yīng)所需的臨界質(zhì)量。推力通過加熱這些放射性鹽水來產(chǎn)生核裂變，并通過噴嘴排出產(chǎn)生推力。水在這里既作為中子減速劑也被當作推進工質(zhì)。

無論是用氫還是鹽水，工質(zhì)核火箭都無法擺脫工質(zhì)的束縛。核動力雖給飛船帶來持久的續(xù)航力，但工質(zhì)的消耗卻令飛船難以遠離補給站，就像蒸汽時代的鐵路機車無法擺脫加水站一樣。

正是在這種情況下，太空軍的靈魂人物章北海激憤地如是說：

“工質(zhì)推進飛船不過是個大火箭，要用超過三分之二的運載能力運載推進工質(zhì)，且工質(zhì)消耗很快，這種飛船只能以行星基地為依托，在太陽系內(nèi)航行。這樣做，是在重復(fù)甲午戰(zhàn)爭的悲劇，太陽系就是威海衛(wèi)！”（《三體2》221頁）

無工質(zhì)核動力推進

《三體2》中對“自然選擇”號的描寫令人神往。大劉設(shè)想把核聚變產(chǎn)生的輻射能直接導(dǎo)向飛船后方，用反沖作用推進飛船前進。

如果說太陽帆飛船是借助太陽的輻射飛行，那么無工質(zhì)核動力推進就是把“小太陽”帶在了身上：

“自然選擇”號是亞洲艦隊第三分艦隊的旗艦，擁有最新一代的無工質(zhì)聚變推進系統(tǒng)，全功率推進時，可以加速到光速的百分之十五。它的艦內(nèi)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)十分完美，能夠進行超長時間續(xù)航。（《三體2》327頁）

其實，早在四十年前，就有人提出了速度類似“自然選擇”號的無工質(zhì)核聚變推進飛船構(gòu)想。

1970年，美國內(nèi)華達大學(xué)的弗里德瓦特·溫特伯格（Friedwardt Winterberg）提出了用高能電子束引發(fā)核聚變（即“慣性約束”）的思路。他設(shè)計的火箭發(fā)動機在每次核聚變時可釋放出約100億焦耳的能量，可實現(xiàn)每秒300公里的高速飛行。

幾年后，參與“代達羅斯計劃”的前羅爾斯-羅伊斯公司火箭工程師阿蘭·邦德率領(lǐng)13人的研究小組提出了核聚變火箭的構(gòu)思。這種核聚變火箭內(nèi)有一個磁場構(gòu)筑的燃燒室，通過向燃燒室的核燃料球發(fā)射電子束，產(chǎn)生高溫等離子體，這些等離子體就是推力來源。

發(fā)動機工作時，每秒鐘向燃燒室發(fā)射250顆核燃料小球。在第一顆核燃料小球射入的時候，分布于燃燒室內(nèi)腔的幾十個電子束發(fā)生器射出電子束，轟擊核燃料小球，氘和氦-3等核燃料發(fā)生每秒250次的核聚變反應(yīng)，瞬間產(chǎn)生巨大的能量，推動火箭高速向前飛行。

當?shù)谝患壔鸺ぷ魍戤吅髸詣用撀洌诙壔鸺又^續(xù)工作，這兩級火箭可工作近4年的時間，能使火箭達到36000公里/秒的速度。

如果只是高速掠過目標恒星，不采取減速措施，該火箭可以在一個人的有生之年——五十年——之內(nèi)，抵達距地球5.9光年的巴納德星。

《三體》中，為了確立無工質(zhì)發(fā)動機的發(fā)展方向，章北海使用了極端手段：狙殺固守工質(zhì)推進思路的領(lǐng)頭人，并偽裝成隕石襲擊

3、巴薩德沖壓發(fā)動機，吞云吐霧遨游星際

在太陽系中，光壓和太陽風(fēng)無處不在，光帆飛船可以暢游無阻；在遠離太陽的航天基地附近，核燃料可以適時補充，核動力飛船的巡航半徑可以預(yù)期。要航行更遠的距離，比如從“三體行星”到地球的4光年航程，途中既沒有充足光照，也沒有燃料補給站，上面兩種推進方式就不再是合適的選擇。滿懷雄心、想要征服地球的三體艦隊究竟采用了什么辦法驅(qū)動龐大的太空船呢？

大劉直接給出了答案。地球“三體組織”領(lǐng)袖葉文潔被捕后接受審訊時透露：

“三體飛船推進的動力是正反物質(zhì)的湮滅，飛船前方有一個巨大的磁力場，形成一個漏斗形的磁罩，用于收集太空中的反物質(zhì)粒子，這種收集過程十分緩慢，經(jīng)過相當長的時間，才能得到供飛船進行一段時間加速的反物質(zhì)數(shù)量，因此艦隊的加速是間斷進行的，很長時間的收集后才能進行一次。”（《三體1》245頁）

葉文潔的“供述”對于21世紀的地球保衛(wèi)者沒有多少價值，因為早在“紅岸基地”尚未立項的1960年，人類就參透了三體第一艦隊的動力之謎。那一年，在美國洛斯阿拉莫斯實驗室工作的物理學(xué)家羅伯特·巴薩德（Robert Bussard）發(fā)表了一篇名為《星際物質(zhì)與星際飛行》的論文，里面構(gòu)想了一種全新的航天器推進方式——飛船前方漏斗狀的收集器收集星際物質(zhì)中的氫元素，氫元素可作為飛船核聚變發(fā)動機的燃料使用。飛船飛行速度越高，收集效率也越高，這就像是藍鯨張開大口過濾海洋中的浮游生物一樣。

這種航天發(fā)動機被后人命名為“巴薩德沖壓發(fā)動機”，其理論基礎(chǔ)是在恒星間并非完全的真空，通常都有一種稀薄的氣體彌漫其間，這就是星際物質(zhì)。雖然這種物質(zhì)密度極低（每立方厘米約有100個氫原子），但聊勝于無。如果能采集無處不在的星際物質(zhì)作為發(fā)動機燃料，則飛船的理論續(xù)航能力可以達到無限遠。

巴薩德沖壓發(fā)動機想象圖

工作原理和重重障礙

目前得到公認的巴薩德沖壓發(fā)動機是一種沖壓核聚變反應(yīng)堆，它利用巨大的電磁場（直徑從數(shù)公里至數(shù)千公里不等）作為“漏斗”來收集并壓縮星際物質(zhì)中的氫，飛船前方的漏斗吸入沿途的星際物質(zhì)，極高的相對速度和磁場作用使反應(yīng)物質(zhì)在核反應(yīng)腔中壓縮，直到溫度和密度足以發(fā)生核聚變。這樣產(chǎn)生的巨大能量再通過另一個磁場導(dǎo)引至發(fā)動機的排氣方向，并借反作用力原理推進飛船。

如果該飛船能夠保持10米/秒2的加速度（略大于地球表面的重力加速度），不到一年時間，速度即可達到光速的77%。在《三體》中，三體第一艦隊正是使用了巴薩德沖壓發(fā)動機，才能以十分之一光速飛行。

1974年，參與“代達羅斯”核聚變火箭計劃的阿蘭·邦德（Alan Bond）提出了巴薩德沖壓發(fā)動機的改進方案“RAIR”。該方案將收集到的氫作為反應(yīng)物質(zhì)而不是推進工質(zhì)。進入發(fā)動機的質(zhì)子流被減速到一兆電子伏，然后引導(dǎo)質(zhì)子流轟擊鋰-6或硼-11。鋰-質(zhì)子聚變或硼-質(zhì)子聚變不但更容易發(fā)生，而且釋放的能量高于其他種類的核聚變。聚變產(chǎn)生的能量被導(dǎo)入前方漏斗吸入的物質(zhì)中，被“加熱”的物質(zhì)高速噴出，驅(qū)動飛船前進。

“RAIR”另一種改型——“催化RAIR”發(fā)動機的效率更高。當進入收集器的物質(zhì)流被壓縮后，人為加入一小塊反物質(zhì)。與核聚變相比，這種湮滅反應(yīng)的反應(yīng)截面更小，所需溫度也更低。據(jù)計算，要驅(qū)動一萬噸重的飛船以1g加速度飛行，所需的反物質(zhì)催化RAIR發(fā)動機直徑僅為3.5米！當然，乘這種“微型”發(fā)動機遨游宇宙，得自備足夠的反物質(zhì)供催化用。

巴薩德最初的設(shè)想是用機械方式收集氫。根據(jù)他的計算，為達到理想的1G加速度，質(zhì)量一千噸的飛船前方需要有面積達一萬平方公里的收集器。即便未來的材料科學(xué)取得巨大進步，這么大面積的收集器也將十分沉重——即使收集器采用10毫米厚的Mylar制作，質(zhì)量也將達到二十五萬噸。

而且巴薩德假設(shè)星際物質(zhì)都是離子化的，本身帶有電荷，容易被磁場捕獲。實際上，恒星間的星際物質(zhì)主要是中性的原子與分子，磁場對它們毫無作用。解決方案是先用大功率激光將飛船前方的氫原子離子化。

離子化的氫失去電子成為單個質(zhì)子（帶正電荷），可以被收集器產(chǎn)生的磁場收集。如果采用這種電磁方式收集，那么收集器甚至不必做成純固體形態(tài)（可以是網(wǎng)狀的），收集器的實體面積也可以大大縮小，只要保證磁場范圍很大就可以了。

即便如此，依然存在困難。生成激光和磁場都需要巨大能量，這個能量得事先預(yù)備。

磁漏斗也不像聽起來那么簡單。因為磁力線匯聚于漏斗進口處，它們會把進來的帶電粒子彈開，而不是將其拽入漏斗。結(jié)果就是，磁收集器就像一個磁瓶，收集了飛船前方圓錐區(qū)域的粒子，卻阻礙其進入反應(yīng)堆。解決方案之一是制造脈動磁場，模擬“張嘴”和“吞咽”的過程，但操作起來并不容易。

還有個問題是，大部分收集進來的都是氫離子，它不像氘和氚那么容易發(fā)生核聚變。

最后，巴薩德發(fā)動機只能在飛船達到一定速度時使用，只有做高速飛行時，收集器才能收集足夠多的燃料供沖壓發(fā)動機啟動。因此，需預(yù)先啟動一個助推發(fā)動機使飛船達到巴薩德發(fā)動機點火的臨界速度——約為光速的6%——然后更具效率的沖壓發(fā)動機才能正常運轉(zhuǎn)。

星際間的塵埃顆粒對高速飛行的飛船船體是一個巨大威脅，除此之外，星際物質(zhì)中的帶電粒子也會給船員的健康和電子設(shè)備帶來致命的損傷。具體來說，以光速30%運動的一千克物體蘊含的動能相當于百萬噸TNT炸藥的能量；以亞光速飛行的飛船，撞上靜止的塵埃顆粒也會因巨大的相對速度而被擊毀，而沒能被磁漏斗阻擋的帶電粒子則會形成高能粒子雨，損傷船員的DNA和精密電子設(shè)備。

正是由于這個原因，三體第一艦隊在穿越星際塵埃云時才會露出頹勢：

“隊形變得稀稀拉拉，潰不成軍，有一大半戰(zhàn)艦早就停止了加速，穿過塵埃時又減速了不少。”（《三體2》p280）

——這些艦只都在塵埃顆粒及高能粒子雨點般的轟擊下垮掉了。

科幻中的巴薩德沖壓發(fā)動機

盡管巴薩德沖壓發(fā)動機面臨諸多現(xiàn)實困難，但因其完全使用已知技術(shù)就可以達到亞光速，所以深得硬科幻作家的喜愛。科幻迷廣為知曉“巴薩德沖壓發(fā)動機”這個概念要拜美國科幻大師拉里·尼文所賜，他在系列科幻小說《已知宇宙》中使用了這種發(fā)動機。

在尼文筆下的文明世界，星際殖民的早期階段派出了裝備巴薩德沖壓發(fā)動機的自動探測器，隨著時間的推移，富人們也可以采購這種發(fā)動機，舉家搬離擁擠的地球。在他的另一部名著《環(huán)形世界》中，尼文則使用這種發(fā)動機做航程推進和位置維持用。

在《星際迷航》系列影片中，一種名為“巴薩德氫收集器”的裝置作為“正反物質(zhì)推進系統(tǒng)”的一部分出現(xiàn)在星艦上，它可以使星艦加速到超光速。這種收集器裝在曲速引擎的前方，當星艦中儲存的氘減少時，收集器就會采集星際物質(zhì)中的氫，并將其轉(zhuǎn)化為氘和反氘，供曲速引擎使用。在影片中，巴薩德氫收集器的低收集率和星際物質(zhì)拖曳問題都因為超光速飛行迎刃而解。

關(guān)于巴薩德沖壓發(fā)動機最瑰麗的幻想，則來自于波爾·安德森（Poul William Anderson）的小說《宇宙過河卒》（Tau Zero）。在這部作品中，安德森講到?jīng)_壓飛船“利奧諾拉-克里斯廷”號遭遇星際塵埃云后失去減速裝置，進入了無法停止的無休止加速狀態(tài)。在逐漸趨近光速的航程里，由于相對論的時間膨脹效應(yīng)，船員們發(fā)現(xiàn)他們已經(jīng)飛入了“未來”，并親眼見證了宇宙的瓦解和消亡。

這個小說的影響力非常之大，以至于美國國家航空航天局“突破推進物理項目”主管馬克·米利斯（Marc Millis）離開航天局創(chuàng)立了一個組織“τ0基金會”專門研究超光速飛行。

4、高速星際航行的防護措施

對于長期星際飛行來說，速度不是唯一需要解決的問題。由于代達羅斯在旅途中不能與地球進行實時通訊，其本身必須擁有足夠的應(yīng)變能力才能保證順利走完全程。其中一個最致命的問題是星際塵埃的轟擊。雖然塵埃的密度并不高，顆粒也很小，但是在0.12倍光速下，這一影響不可忽略。

在《三體》中，三體艦隊穿越星際塵埃時，飛船數(shù)量減少了，有的飛船掉隊了，這就是星際塵埃的阻滯力量?！按_羅斯”的解決方案是在飛船前方設(shè)置50噸重、7毫米厚的鈹質(zhì)防護罩，并可以通過攜帶的大量“塵埃蟲”微型機器人在母船前方200公里處生成高速運行的粒子防護云，以“自我犧牲”的方式掃除前進道路上的障礙。如果有個別“漏網(wǎng)之魚”撞到了飛船，還可以利用小型遙控機械裝置“看守”在途中隨時修復(fù)。這樣一來，就可以避免三體艦隊的厄運。

除了使用核聚變實現(xiàn)無工質(zhì)推進外，核裂變也可達到這一效果?！逗藙恿鸺鞣铡芬晃脑榻B了“乘坐”不斷引爆的原子彈上天的獵戶座核火箭，它就屬于無工質(zhì)核裂變脈沖推進。只不過這種推進方式有害輻射太多，屬于“臟”火箭，為珍惜生命和環(huán)境的人們所不齒。

迄今為止，代達羅斯計劃仍是論證最完備的核聚變火箭方案。它的構(gòu)想影響了許多科幻影片：從《異形》到《阿凡達》，從《Wall-E》到《沖出寧靜號》，這些影片都把核聚變發(fā)動機作為推動龐大飛船的“常規(guī)”推進方式。

這也說明，科幻界認同這樣一個觀點：只要有足夠的資源和決心，“前進！前進??！不擇手段地前進?。?！”，造出核聚變火箭并非不可能的任務(wù)。

代達羅斯計劃飛船藝術(shù)圖。飛船使用核聚變推進，目標是6光年以外的巴納德星，并用50年的時間到達那里。

終極曲率驅(qū)動！

在《三體》小說引述的“紅岸工程”文件中，把科學(xué)基礎(chǔ)理論研究成果轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)分為兩種模式：漸進型和突變型。

其中，宇航技術(shù)的發(fā)展與突破屬于漸進性，核武器的出現(xiàn)屬于突變型（《三體1》p121）。這份文件載于20世紀60年代的《內(nèi)部參考》，受時代局限，科學(xué)家并未預(yù)料到宇航技術(shù)也可能迎來“基礎(chǔ)理論成果被迅速轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)”的突變。曲率驅(qū)動就是這樣一種突變。

來勢洶洶的三體第二艦隊之所以能夠后發(fā)先至，就是因為三體文明出現(xiàn)了技術(shù)突變，將曲率驅(qū)動技術(shù)實用化：

地球人“對三體第二艦隊的觀測表明，曲率驅(qū)動的宇宙飛行器加速到光速幾乎不需要時間，光速飛船有可能在幾十分鐘的時間里從地球航行到木星?！保ā度w3》p330）

利用時空特性進行光速乃至超光速飛行，絕非嶄新的概念。在20世紀60年代的科幻系列劇《星際迷航》中，超光速飛船的推進裝置叫做“曲速引擎”。

影片中，只見星艦艦長一聲令下，機器運轉(zhuǎn)，飛船前方的星星都被拉成細線。片刻之后，星艦出現(xiàn)在遙遠的目的地，速度比光速還快……

《星際迷航》中的曲率驅(qū)動飛船

曲率驅(qū)動的原理

要理解空間曲率（或曲速）驅(qū)動的原理，不妨設(shè)想這樣一幅場景：你和一只貓坐在一張地毯的兩端，貓以速度c（這也是它在地毯上奔跑能達到的最高速度）向你跑來，這時你以速度z猛然拽動地毯，把地毯和在地毯上跑動的貓一并拽到跟前。在拽地毯時，貓相對于你的速度是c+z——超過了c，但貓與貓腳下的地毯是一并移動的，它并沒有超過自己在那塊區(qū)域的速度極限。

現(xiàn)在，把貓?zhí)鎿Q成飛船，把地毯替換成宇宙空間，把拽地毯的動作替換成曲率驅(qū)動，把c設(shè)為光速，你就得到了曲率驅(qū)動的基本圖景。

曲速引擎的原理是將空間拉伸，這與蟲洞折疊空間正相反。

有趣的是，近年來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，科幻片中的曲速引擎竟然并不違反物理法則。

1994年，物理學(xué)家米基爾·阿庫別瑞（Miguel Alcubierre）提出可用波動方式拉伸空間，使飛船前方的空間收縮而后方的空間擴張，飛船在太空里“乘”著空間的“波浪”前進。

這個“波浪”區(qū)間叫做“曲速泡”，里面是一塊平坦時空。飛船在泡內(nèi)并非真的在移動，而是被泡帶著走，并不違反物理學(xué)中的“光速最快”限制。

目前還不知道怎樣引發(fā)這樣的波動，或是一旦引發(fā)了，飛船該怎么離開它，因此，阿庫別瑞發(fā)動機仍屬于理論概念范疇。

對此，美國國家航空航天局突破推進物理項目的前主管馬克·米利斯指出，在宇宙大爆炸后早期的快速膨脹期間內(nèi)，時空以遠高于光速的速度向往膨脹：“如果大爆炸能做到，為什么我們的飛船做不到？”

答案在于能量。宇宙大爆炸具有開天辟地的能量，如果人類也能掌握這種能量，拉伸空間就不是難事。

在《星際迷航》中，飛船首先使用曲速線圈產(chǎn)生“子空間場”，當其呈現(xiàn)不對稱蠕動形式并達到一定場強之后，會成為“曲速場”。此時飛船就處在曲速泡中，從而完成超光速的星際旅行。至于其中的具體技術(shù)細節(jié)，只有天知道。

細細推敲起來，《三體》中的曲率驅(qū)動與在《星際迷航》里出現(xiàn)、又經(jīng)阿庫別瑞闡發(fā)的曲速驅(qū)動并不完全一樣。大劉寫道：

“一艘處于太空中的飛船，如果能夠用某種方式把它后面的一部分空間熨平，減小其曲率，那么飛船就會被前方曲率更大的空間拉過去，這就是曲率驅(qū)動。曲率驅(qū)動不可能像空間折疊那樣瞬間到達目的地，但卻有可能使飛船以無限接近光速的速度航行?！保ā度w3》p301）

可見，《三體》里只承認“無限接近光速”的扭曲空間飛行，沒有涉及超光速的曲速飛行。

2008年7月，美國貝勒大學(xué)的兩名物理學(xué)家宣布，人類可以借助巨大的能量控制更高的維度，并最終開發(fā)出速度可以超過光速的曲率驅(qū)動飛船。

其中一位物理學(xué)家格羅德·克里夫（Gerald Cleaver）認為，可以根據(jù)廣義相對論和弦理論研制出這種曲率驅(qū)動飛船。宇宙大爆炸發(fā)生后的很短時間內(nèi)，空間構(gòu)造的運行速度比光速要快，航天工程師所要做的只是在飛船四周重建這個宇宙膨脹期而已。

盡管這個提法在理論上沒有破綻，但接下來的問題是如何擴充飛船后面的空間和縮小飛船前面的空間。

克里夫和他的合作者理查德·奧伯斯（Richard Obousy）認為，通過操控11維空間就可以構(gòu)造出這種能否拉伸的空間。11維空間是M理論（弦理論的后繼理論）中的一個特殊構(gòu)想。如果飛船背后的11維空間能縮小，那么就可以構(gòu)造出包含暗物質(zhì)的氣泡，這些暗物質(zhì)能隨著時間的推移而使宇宙加速運動。與此同時，在飛船前面擴充11維空間能夠降低光的速度。

這兩個步驟需要獨立進行，但是如何對11維進行擴充和縮小，目前還不得而知。

克里夫表示：“這些計算是基于一些相當超前和令人感到陌生的技術(shù)。使用這些技術(shù)并借助巨大的能量，我們就可以操控更高的維度。”

科學(xué)家們目前需要測算所需能量的大小，在技術(shù)允許的情況下，改變維度需要1045焦耳能量。根據(jù)公式E= mc2，這些能量需要將整個木星的質(zhì)量都化成純能量才能獲取，遠遠超出了當前人類能夠掌控能量級別。

內(nèi)在矛盾的局限性

曲率驅(qū)動堪稱“終極”航天推進方式。但完美之物并不存在，它也有發(fā)明者未曾預(yù)料的局限性，其中，航跡暴露便是大劉設(shè)想出的一個主要弊端。

防范三體人來襲的人類觀察者發(fā)現(xiàn)，三體艦隊顯然能夠在極短的時間內(nèi)達到或脫離光速，但它們卻不敢在三體星系或太陽系附近這么做。艦隊起航后，用了整整一年時以常規(guī)速度航行，直到與三體星系相距六千個天文單位時才進人光速;在距太陽系同樣距離處脫離光速降至常規(guī)推進速度。這段距離光速航行只需一個月，艦隊卻不惜再花一年的時間用常規(guī)推進航行。這樣，第二艦隊的航行時間比完全光速航行整整多出了兩年。（《三體3》p147）

能想到的解釋只有一個：這是為了避免四百一十五艘飛船進入光速時對兩個世界產(chǎn)生影響?！粋€顯而易見的事實：曲率驅(qū)動飛船在進人光速的加速段會留下航跡。三體第二艦隊用了一年時間進行常規(guī)航行，在距母星系遠達六千個天文單位時才啟動曲率引擎進人光速，是為了避免因曲率驅(qū)動航跡暴露母星文明。第二艦隊在距太陽系六千個天文單位的遠方就匆匆脫離光速也是這個原因。（《三體3》p335）

時空扭曲會使光線“彎曲”，透過曲率驅(qū)動航跡觀察后方天體，會產(chǎn)生哈哈鏡一樣的扭曲效果。這種扭曲將暴露曲率驅(qū)動飛船的航跡。

更可怕的是：

“在曲率驅(qū)動的航跡上，空間的結(jié)構(gòu)也被改變了，如果把同樣的第二艘曲率驅(qū)動飛船放在第一艘飛船的航跡范圍里，它將寸步難行?！保ā度w3》450頁）

這將使宇宙的空間結(jié)構(gòu)變得支離破碎，大大限制了曲率驅(qū)動的大規(guī)模應(yīng)用。

除了會在科幻小說的時空中留下雪泥鴻爪外，現(xiàn)實世界的科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)這種曲率驅(qū)動技術(shù)存在著不易克服的內(nèi)在矛盾。

2002年，有研究表明，對于進入曲率飛行狀態(tài)的飛船而言，無法向“曲速泡”的前方發(fā)送信號，這就意味著宇航員將無法操控飛船。

這還不是最糟糕的。更新的研究顯示，曲率驅(qū)動飛船很可能無法安全脫離超光速狀態(tài)。

2012年初，悉尼大學(xué)物理學(xué)院的幾位教授對阿庫別瑞曲率驅(qū)動發(fā)動機進行計算機模擬時發(fā)現(xiàn)，扭曲時空是有風(fēng)險的。在超光速飛行時，與“曲速泡”所含能量相反的粒子將在泡前方堆積，有些粒子甚至?xí)M入到曲速泡中，形成累積效應(yīng)，曲速泡飛行的距離越長，前方堆積的粒子就會越多。

當飛船最終到達目的地開始減速時，一路上積累的大量能量會在瞬間全部釋放，足以毀滅任何與其接觸的物體。

一直隱藏在曲速泡中的粒子也會對飛船本身造成威脅。比如，飛船在路過塵埃云時意外脫離了曲速泡，災(zāi)難性的碰撞就會發(fā)生；如果飛船在距離目標行星過近的地方減速，意外釋放的能量會在瞬間把這顆行星從星圖上抹去。

盡管如此，能夠達到甚至超越光速的曲率驅(qū)動堪稱航天推進皇冠上的寶石，足以誘惑一切有實力的技術(shù)文明去探索，何況，它還是主動逃脫“黑暗森林“打擊的最有效方式。

其實，星際飛船的速度越高，生存概率越高?！度w3》中有記載為證：亞光速的三體第一艦隊最終“建立了殖民地，就在距這里一百光年的范圍內(nèi)”。

還有：“金牛座附近爆發(fā)了一場大規(guī)模戰(zhàn)役，很慘烈，殘骸形成了一片新的塵埃云。我們可以肯定其中的一方就是三體第二艦隊，不知道另一方是誰，戰(zhàn)役的結(jié)果也不清楚?！?/p>

從這只言片語的描述可知，配備巴薩德沖壓發(fā)動機的三體第一艦隊盡管在塵埃云中損失慘重，但總算找到了生息之所；掌握曲率驅(qū)動技術(shù)的三體第二艦隊雖然航跡暴露，至少也獲得了面對敵人拼死一搏的機會。若如小說中的地球人一樣，固步自封、壓制技術(shù)發(fā)展，只能連逃生的機會都葬送掉。

至此，《三體》三部曲里陸續(xù)登場的關(guān)鍵航天技術(shù)已基本“考證“完畢。地球人與三體人從分子間作用（化學(xué)火箭）起步，進入原子核（核火箭）以及核子范疇（巴薩德沖壓火箭），最終達到物理學(xué)的基本層面——對時空本性的利用（曲率驅(qū)動）。隨著他們對物理原理的利用越來越高超，航天器的速度也越來越高，直至超越光速。

從現(xiàn)實向科幻一路走來，涉及的科技原理愈發(fā)天馬行空，有些在工程上或許永無實現(xiàn)的可能，但窮盡科技的種種可能性，探討人在其中的命運，恰是以《三體》為代表的科幻作品魅力之所在。