與物理學家探討遨遊宇宙

Kylelong：當今世界上最先進的火箭推進器是固體化學燃料推進器嗎？

Physicist：對。科幻中可以有金屬氫（hydrogenium）燃料的火箭推進器，也稱火箭發動機（rocket engine）。當然，目前已經實現「儲氫合金（hydrogen storage metal）」的火箭發動機，但還不是金屬氫燃料的火箭發動機。

目前人類宇宙飛船達到的最大速度，也只有15萬千米/秒。到最近的恆星比鄰星周圍飛一個來回，仍需要十幾年到幾十年的時間，到天狼星則要十幾年到一百多年，而到距地球分別為16.63和26.3光年（light-year）的牛郎星和織女星，則需要上千年的時間，要繞銀河系一圈更是需要不可想象的近20萬年的時間。因此，要實現宇宙航行的理想，還需尋找新的動力來加快航行的速度。

Kylelong：固體化學燃料與金屬氫燃料的推進原理是否一樣？

Physicist：嗯，完全一樣。火箭發動機是噴氣發動機的一種，都是依靠化學能的轉化，將推進劑箱或運載工具內的反應物料（推進劑）變成高速射流，產生大量膨脹氣體而產生反作用的推力，即由於牛頓第三定律而產生推力。

Kylelong：核動力艦船依靠的是核能，這個核能是否也可以用於宇宙飛船？

Physicist：不能。核動力（nuclear power）艦船是以小型核裂變反應堆為技術基礎的、以核能轉化成電能為能源的艦船。實際上，核動力艦船最終的推力還是利用核能產生超高溫，再去產生水蒸汽而形成的動力。因此，需要大量的水，這在宇宙飛船上是非常不現實的。

當然，核物質裂變時，也可能產生高速的離子流。如果人類可以控制並利用這個離子流來作為飛船的動力，而不需要水，也許可以將核能作為動力。

Kylelong：聽說過20世紀60年代初，人類就開始研究電火箭。

Physicist：電火箭（electronic rocket）的關鍵設備是有一台發電機和一套電子加速器。它利用發電機產生的電能，以電子形式釋放出來，並在加速器中得到加速，最後從火箭尾部噴出，來產生推力。從理論上說，電火箭完全可以取得化學火箭的同樣效果。但實際上，由於電子的質量很小，它所產生的推力十分微弱，遠不能與化學燃料所產生的噴氣相比。若要讓它產生和化學火箭一樣大的推力，就要配備一套十分龐大而笨重的發電設備和電子加速裝置，這又將大大加重火箭的重量，顯然行不通。

Kylelong：我還聽說過美國有太陽能火箭。

Physicist：1988年，美國火箭達因公司試製成了世界上第一台太陽能火箭（solar energy rocket）的樣機，並在愛德華茲空軍基地進行了地面試驗。

與太陽能汽車、太陽能飛機不同，太陽能火箭不是首先把太陽能轉化為電能，再由電能去驅動電動機，帶動火箭飛行；而是利用太陽能直接加熱被稱為工作介質的氫，使氫受熱膨脹，從噴管中迅速噴出來，產生推力，推動火箭飛行。因此，這種火箭無需攜帶笨重的電動機，更無氧化劑與燃燒室的裝置。它的關鍵設備是在內腔室里裝有一個盤狀的錸管吸熱器。錸是一種十分稀有的貴金屬，它具有3180℃的高熔點，能保證它在高溫條件下仍能正常地工作。

太陽能火箭的另一關鍵設備是太陽能採集器（solar collector）。美國已研製出一種薄膜製成的膨脹式拋物面反射鏡，在太空中展開后它的直徑可達30米，聚焦以後可提供800千瓦的熱能。一枚太陽能火箭將設有兩個這種反射鏡，其聚焦后的陽光通過一個石英製成的窗口，照射到錸管上，可把管內的氫氣加熱到2500℃左右噴出。

與電火箭相比，太陽能火箭的推力雖然有所提高，但目前仍然無法達到化學火箭的功效。因此，它也無法用作載火箭，僅適宜在太空中把大型的航天器從這一軌道轉移到另一軌道。

Kylelong：科幻中的「質子火箭（proton rocket）」是否可以實現？

Physicist：工業革命300年，是分子發動機的300年。而真正的突破，早在上世紀90年代就完成了，即「離子發動機（ion engine）」。離子發動機不但已經完成，而且還應用在航天領域，即利用放射性元素的衰變放出的自由態離子工作。這種發動機的原料貴得驚人，1克的短周期衰變元素價值是千萬甚至過億美元。

另一種可能已經完成研製並應用的離子發動機可能是俄羅斯的質子火箭發動機。從名字上推斷它可能是離子發動機。因為質子發動機，應該是噴射出質子來推動。如果是這樣，那麼，它就是離子發動機。但是，有一點疑問：如果是質子發動機，那麼，成對立出現的應該是遊離電子，在一個封閉系統中，質子工作用於推動力，而電子唯一的出路就是形成電子罩，包裹火箭。

Kylelong：質子火箭發動機與金屬氫燃料的火箭發動機一樣嗎？

Physicist：不一樣。前者是質子離子流，後者是分子氣體流。質子與氫，其本質完全不一樣。氫核多了一個中子，比質子重一倍，可是速度不到質子的萬分之一。

離子發動機與分子發動機實質上是不同的：分子發動機利用分子工作產生推力，離子發動機利用原子工作產生推力（離子就是原子，少了平衡的電子而帶電荷）。通常情況下，原子的速度是分子的600倍。按照能量等級標準，離子發動機所產生的推力就是分子發動機的30萬倍。當然，這是理論值，實際應用極限很難達到30％。預計達到10％－30％之間，就是三千到三萬倍，是有可能的。

Kylelong：光子火箭的原理是否也一樣呢？

Physicist：光子火箭發動機（photon rocket engine），實際上就是激光火箭發動機。其原理與離子發動機原理完全不一樣。光子火箭發動機的主要部件是一個巨大的凹面反射鏡，面積可達幾十平方千米。在凹面反射鏡的焦點處有光子發射器，它產生的光子由凹面反射鏡反射，並形成向後噴射的光子流，推動宇宙飛船高速飛行。

各種反粒子組成反物質（antimatter）。而正電子與反電子一旦相遇，就會湮滅，放出光子，同時釋放出大量的能量。光子火箭就是利用正電子和反電子的湮滅來產生光子。根據相對論能量定律，即質量和能量不僅相聯繫而且不可分割，質量可以全部轉化為能量。當正反電子相互湮滅時會產生光子，並以接近光速的速度前進，從而產生推力。

Kylelong：這麼說，光子火箭發動機利用的是物質與反物質？

Physicist：對。雖然目前只在實驗室實現了，但真正運用光子火箭發動機，還需要時間。

還有一種具體的設計，即γ量子火箭發動機（γ量子就是光子）。這個設計原理是這樣的：在磁場感強度處於臨界值的時候，真空產生的正負電子對E=mc2瞬時轉變成旋轉的能量。根據動能理論的預言，真空產生的粒子達到一定的密度，它們內部的正負電子場就會超過「E臨界」。接著真空就會產生強大的等離子振蕩，磁場中的等離子受到擠壓力的作用。根據牛頓第三定律，將產生大小一樣方向相反的反作用力。此時，等離子從磁場中被拋出，並湮滅，形成γ量子。

Kylelong：科幻中有一種「反地心引力」的動力裝置，是否真的存在？

Physicist：很多人的確在研究什麼「反地心引力」。如果解釋為與地心引力（gravity）相反的力，應該被稱為「地心斥力（Antigravity）」。地心引力是一種萬有引力，「地心斥力」應該叫做「萬有斥力」。

統一場論，是指從相互作用是由場（或場的量子）來傳遞的觀念出發，統一地描述和揭示基本相互作用的共同本質和內在聯繫的物理理論。迄今人類所知的各種物理現象所表現的相互作用，都可歸結為四種基本相互作用，即強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。

假如該理論建立完善的話，可以得出宇宙中萬有斥力的存在，即宇宙中物質和反物質之間還存在著萬有斥力。物質宇宙和反物質宇宙之間是相互排斥的。這也使得萬有斥力與萬有引力、電磁引力與電磁斥力，對稱存在，更符合宇宙規律。遺憾的是，目前還沒有任何研究成果證實這一理論是成立的，也就是說，「萬有斥力」並不存在，當然也就不能應用在宇宙飛船上。

Kylelong：物質與反物質已經被證實，那麼，「暗物質」是什麼呢？

Physicist：在宇宙學中，暗物質（dark matter）又稱為暗質，是指無法通過電磁波的觀測進行研究，也就是不與電磁力產生作用的物質。人們目前只能通過重力產生的效應得知，而且已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。

現代天文學通過重力透鏡、宇宙中大尺度結構的形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所認知的部分，即重子（加上電子），大致占宇宙的4％，而暗物質則佔了宇宙的23％，還有73％是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量（dark energy）。暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性，對結構形成也非常地關鍵。暗物質很有可能是一種（或幾種）粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。對暗物質（和暗能量）的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。

Kylelong：既然有暗物質和暗能量的存在，是否有可能製造出「暗能量火箭發動機」或「暗物質火箭發動機」？

Physicist：暗能量它是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量，宇宙中所有的恆星和行星的運動皆是由暗能量與萬有引力來推動的。在宇宙學中，暗能量是一種理論，指一種充溢空間的、具有負壓強的能量。按照相對論，這種負壓強在長距離類似於一種反引力（counterattraction）（即「斥力」，或叫「負引力」），但此反引力（counterattraction）並不是前面說的那個「反引力」（Antigravity）。這很可能就是傳說中外星人「UFO（飛碟）」的動力系統，只是目前人類還處於理論階段，更無法知道外星人是如何控制這個暗能量的。

Kylelong：「負引力」或者「負壓強」，就是「負能量」嗎？

Physicist：不是。「負引力」或者「負壓強」是暗能量的形式，是一種可以推算的真實存在。而負能量（negative energy）則是一種無法解釋的虛擬存在，而且是沒有真實的能量存在。

第一位探討負物質的科學家就是穩恆態宇宙論的創始人之一英國天文學家邦迪（H. Bendi）。他在1957年就證明了：物質以一個恆定的不斷增加的速度追逐正物質的概念是與廣義相對論一致的。真空中的量子漲落具有能量（零點能），如果某物質的能量低於周圍空間的量子漲落能量就說這個物質具有負能量。以真空中量子漲落能量為零點，高於的叫正能量，低於的叫負能量。

現在的宇宙大爆炸（大霹靂）理論認為，宇宙的能量之和是0。宇宙誕生的時候，產生了正能量和負能量，兩者相等。負能量可以理解為引力場的能量。正能量則產生了正反粒子。正反粒子的數量原本應該一樣，但是實際上可能一百億對粒子之外會多一個正粒子，於是經過正反粒子的湮滅，產生了大量的熱量並剩下了大量的正粒子。剩餘的熱量就是宇宙背景輻射，而剩餘的正粒子就形成了我們看到的這個物質世界。現在的科學家認為萬有引力是負能量的主要組成部分，但是由於對萬有引力的性質和宇宙的空間結構並不非常了解，因此還是個有待進一步研究的問題。不過現在的很多天文觀測結果和物理理論都非常支持上述觀點。這些是現在被廣泛接受的宇宙大爆炸理論的重要組成部分。 

但是，人類要利用負能量（萬有引力）進行宇宙遨遊，只能是利用引力而產生的慣性，而不是利用負能量作為飛船本身的動力系統。

Kylelong：負能量和暗能量有什麼區別？

Physicist：負能量：宇宙中目前最普遍存在最容易理解的負能量就是萬有引力勢能。負能量可以理解為引力場的能量。正能量則產生了正反粒子。引力場的能量就是負的，因為它在理論上是以無限遠處為0能量的，這個勢能就是負的。

暗能量：暗能量可以使物質的質量全部消失，完全轉化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質能量的14倍以上。丹麥哥本哈根大學的科學家們最近公布了他們的研究成果，認為宇宙暗能量事實上很可能就是「真空」，也叫「真空力」。

舉一個例子：人類經過多年潛心研究，終於發現：龍捲風中存在著一種神秘的能量！這種能量其實就是龍捲風中心那個低氣壓態的真空所具有的能量。正是龍捲風中心真空能所產生的作用力（真空力）才導致了以上龍捲風發生時所遇到的種種奇異現象。這種能量，很可能類似於導致宇宙加速膨脹的暗能量。雖然人類目前還不能控制暗能量，但龍捲風還是值得研究的一種動力系統。

Kylelong：我弄糊塗了。導致宇宙加速膨脹的到底是「暗能量」還是「負能量」呢？

Physicist：當然是「暗能量」。但是，在宇宙加速膨脹過程中，「負能量」具有引力場的作用，這種能量不可能被用做飛船的動力系統。從某種意義上講，「暗能量」和「負能量」一起，推動了宇宙星體的運動。

有一種理論認為，我們所居住的「萬有引力宇宙」（Universal of gravity）實際上是起源於「萬有斥力的反（能量）宇宙」（Universal of repulsive force）。而「萬有斥力」是與「萬有引力」相反之力，亦稱為「反引力」（Antigravity）。「反引力」是一股「內推（內斥力）」加「外拉（外斥力）」之力，其中「內斥力」即內含能量的「暗能量」，而「外斥力」為不含能量的「負能量」。

按照「M理論」的「11維超引力」理論：宇宙源於反（能量）宇宙。因為這股「內推外拉」的「反引力」遠遠大於本宇宙的「總引力」高達15.7倍，故足以推動本宇宙「大爆炸（大霹靂）創生」（big bang creation）以及之後的「宇宙大膨脹」（Universe inflation）。

若無「反引力」而僅有「引力」的話，我們的「宇宙」將永遠呈現為「緊縮態」（compactification state）的「宇宙大爆炸（大霹靂）奇異點」（singularity），那麼就永遠不可能發生宇宙「大爆炸（大霹靂）創生」。「反宇宙」是無限大的宇宙（Infinity Universe），是本宇宙的「背景時空」（background spacetime），亦是先於本宇宙而存在的「永恆宇宙」。在無限大的「反宇宙」中存在著無限多個「有限生命」的「正宇宙」，而本宇宙僅是無限多個「正宇宙」的其中一個。「萬有斥力中之-內斥力暗能量」加上「萬有斥力中之-外斥力負能量」，進而使給「大爆炸（大霹靂）奇異點」，由內向外推出並拉開，因此才會發生「宇宙大爆炸（大霹靂）創生」。

這個「M理論」，其實也是量子引力理論的一部分。量子引力是一個熱門且廣泛的研究領域，有時它被稱作萬有理論。一般來說，它是指企圖統一重力以及量子力學的理論，這兩門物理至今未能被完全整合。循環量子引力、超弦理論以及其繼任的M理論皆屬於這類的理論。

物理學家Dragan Slavkov Hajdukovic 提出，量子真空中的虛引力偶極能被鄰近重恆星與星系中的重子物質引力極化（gravitationally polarized）。當虛偶極排列時，它們能產生額外的引力場，能與恆星及星系所產生的引力場結合，在星系的旋轉曲線上產生相同的「加速」效應。

Kylelong：這個量子真空以及虛引力，是否就是傳說中的「黑洞（black hole）」？

Physicist：不全是。按組成來劃分，黑洞可以分為兩大類：一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋轉的巨大的暗能量組成，它內部沒有巨大的質量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉，其內部產生巨大的負壓足以吞噬物體，從而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基礎，也是星團、星系團形成的基礎。而物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成，具有巨大的質量。當一個物理黑洞的質量等於或大於一個星系的質量時，我們稱之為奇點黑洞。暗能量黑洞的體積很大，可以有太陽系那般大。奇點黑洞比起暗能量黑洞來說體積非常小，它甚至可以縮小到一個奇點。

天文學家們提出設想，既然宇宙中有黑洞，那麼一定存在「白洞（white hole）」。黑洞可以用強大的吸力把任何物體都吸進去，而白洞可以把這些東西都吐出來。科學家們設想，黑洞與白洞是連在一起的，黑洞把物質吸進去，物質在裡面會經過一個叫做奇異點的東西，然後物質就到達了白洞的「管轄範圍」，會被白洞「吐」出來。然後物質就到達了另一個宇宙（第一「平行宇宙」到達）。但是，如果白洞存在，所有的物體將會以極快的速度離開。不僅如此，無論什麼東西都有兩面性，黑洞和白洞一個能吸一個能吐，而在第二「平行宇宙」中的物質則通過白洞來到宇宙所以第一平行宇宙間的物質才不會全都消失。這在理論上是成立的。

另外，根據「量子引力理論」，兩個物質粒子之間的萬有引力相互作用也可這樣解釋，引力波（引力場的一種形式）系由許多實引力子組成，另一方面一個物質粒子可放出虛引力子，這放出的虛引力子為另一個物質粒子所吸收，其過程便是這兩個物質粒子之間的引力相互作用。

我們人類未來可以利用的動力，只有可能是暗能量黑洞，這個其實就是一種量子真空的虛引力子。外星人的飛碟（UFO）動力系統，很可能就是這個。

Kylelong：那麼，「時空穿梭（timeshift）」所採用的動力應該就是「暗能量黑洞」或者「虛引力子」了？

Physicist：可以這樣認為。「時空穿梭」、「時空隧道（cosmic tunnel）」、「高維空間」、「異次元空間（another dimension）」等等，都是一個意思，而「異次元空間」一詞來源於日語，中文含義為「平行宇宙」。根據「平行宇宙」理論，宇宙本身不是只有一個。而這個理論與相對論以及量子論有些差別。

「時空穿梭」的能量來源，很可能就是縮小版的「暗能量黑洞」或者「虛引力子」。因為「時空穿梭」是多維空間層面上的異動，時間和空間都產生了扭曲，而不是我們地球上所看能看見或感受的時間延續上的「公里」或者「光年」空間距離的意義，因此，不會產生因為快速運動而導致的人體變形、壽命延長等等之類的事件發生。

總之，「時空穿梭」，目前還只是一種理論或科幻。

Kylelong：謝謝！

Physicist：不客氣。

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