深度長文：去往1400光年外的開普勒452b要多久？一種方式只需6年

在浩瀚無垠的宇宙中，人類從未停止過對(duì)“另一個(gè)地球”的追尋。

從古代的星象觀測(cè)到現(xiàn)代的太空探測(cè)，我們始終在尋找一顆能夠承載生命、與地球有著相似環(huán)境的系外行星。而在眾多已發(fā)現(xiàn)的系外行星中，開普勒452b是最耀眼的一顆——它被科學(xué)家們稱為“地球2.0”，是目前為止人類發(fā)現(xiàn)的各方面最接近地球的系外行星，承載著人類對(duì)星際生命存在的無限遐想。

開普勒452b于2015年7月23日由美國國家航空航天局（NASA）的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，它位于天鵝座方向，距離地球約1400光年。

這顆行星的各項(xiàng)參數(shù)都與地球有著驚人的相似之處：它的直徑比地球大約60%，體積約為地球的5倍，質(zhì)量推測(cè)在地球的5倍至10倍之間，屬于“超級(jí)地球”類別。更重要的是，它圍繞其母恒星開普勒452運(yùn)行的軌道半徑，與地球圍繞太陽運(yùn)行的軌道半徑極為接近，公轉(zhuǎn)周期約為385天，僅比地球的公轉(zhuǎn)周期長20天。

面對(duì)這個(gè)充滿未知的“孿生兄弟”，人類自然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大膽的想法：既然我們無法通過遠(yuǎn)距離觀測(cè)獲得更多信息，那么我們可不可以發(fā)射一個(gè)像“新視野號(hào)”探測(cè)器那樣的星際探測(cè)器，飛到開普勒452b附近，近距離觀察它的真實(shí)面貌，一探究竟呢？這個(gè)想法看似簡(jiǎn)單，卻面臨著一個(gè)難以逾越的障礙——距離。

首先我們需要明確一個(gè)概念：1400光年到底有多遠(yuǎn)？光年是天文學(xué)中常用的距離單位，指的是光在真空中一年內(nèi)傳播的距離。

光的速度約為30萬公里/秒，一年的時(shí)間約為31536000秒，因此1光年的距離約為9.46萬億公里。而開普勒452b距離地球1400光年，也就意味著，即使是速度最快的光，從地球出發(fā)飛到開普勒452b，也需要整整1400年的時(shí)間。

而人類目前制造出的最快飛行器，與光速相比，簡(jiǎn)直是“龜速”。

1976年發(fā)射的太陽神2號(hào)太陽活動(dòng)探測(cè)器，是人類迄今為止速度最快的飛行器，它的最大速度高達(dá)70.22千米/秒。

不過，太陽神2號(hào)的速度之所以能達(dá)到這么高，是因?yàn)樗\(yùn)行在水星軌道之內(nèi)，距離太陽非常近，能夠借助太陽的引力進(jìn)行加速。如果是向太陽系外發(fā)射的探測(cè)器，速度就會(huì)大打折扣——1977年發(fā)射的旅行者1號(hào)，是目前人類飛得最遠(yuǎn)的星際探測(cè)器，它的飛行速度約為17.06千米/秒，目前已經(jīng)飛出了太陽系的日球?qū)樱M(jìn)入了星際空間，但它想要飛出太陽系，還需要數(shù)萬年的時(shí)間。

那么，難道人類就只能永遠(yuǎn)隔著1400光年的距離，遠(yuǎn)遠(yuǎn)觀望這顆“地球?qū)\生兄弟”嗎？有沒有什么“黑科技”能夠幫助人類突破速度的限制，在可接受的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)開普勒452b呢？

科學(xué)家們?yōu)榇颂岢隽硕喾N設(shè)想，其中最具代表性的就是核聚變引擎、曲速引擎、反物質(zhì)引擎，以及利用蟲洞進(jìn)行空間穿越。

核聚變引擎，是目前人類最有希望在未來幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)，它的核心原理是利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量，推動(dòng)火箭前進(jìn)。

我們都知道，太陽之所以能夠持續(xù)發(fā)光發(fā)熱，就是因?yàn)槠鋬?nèi)部不斷發(fā)生著氫核聚變成氦核的反應(yīng)，這種反應(yīng)能夠釋放出驚人的能量——1克氫核發(fā)生核聚變反應(yīng)釋放的能量，相當(dāng)于1噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的能量的1000萬倍。

核聚變反應(yīng)的本質(zhì)，是將輕核（如氫的同位素氘和氚）在極高的溫度和壓力下，被迫進(jìn)行聚合，形成重核，同時(shí)釋放出大量的能量和高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。如果科學(xué)家能夠掌握受控核聚變技術(shù)，就能夠?qū)⑦@些高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子控制起來，讓它們從火箭的噴口高速噴射而出，根據(jù)牛頓第三定律，火箭就會(huì)獲得巨大的反推力，從而實(shí)現(xiàn)高速飛行。

與目前人類使用的化學(xué)火箭相比，核聚變引擎有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)：化學(xué)火箭的燃料效率極低，大部分燃料都用于克服自身重量，能夠用于推進(jìn)的能量占比非常小；而核聚變引擎的燃料效率極高，少量的核燃料就能產(chǎn)生巨大的能量，能夠讓火箭達(dá)到更高的速度，并且能夠持續(xù)飛行更長的時(shí)間。

根據(jù)科學(xué)家的測(cè)算，一旦受控核聚變技術(shù)成熟，核聚變引擎能夠推動(dòng)二級(jí)火箭達(dá)到光速的12%。這個(gè)速度雖然聽起來不算特別快，但已經(jīng)是目前人類飛行器速度的數(shù)千倍。采用核聚變火箭推進(jìn)的宇宙飛船，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)飛抵離地球最近的恒星系——比鄰星（距離地球約4.2光年），如果燃料充足，所需時(shí)間僅為幾十年。

但遺憾的是，這個(gè)速度對(duì)于距離地球1400光年的開普勒452b來說，仍然太慢了。

按照光速12%的速度計(jì)算，飛船從地球飛到開普勒452b，需要的時(shí)間約為11667年（1400÷0.12≈11667）。而且，這個(gè)時(shí)間還沒有考慮飛船加速和減速的過程——想要達(dá)到光速的12%，飛船需要漫長的加速時(shí)間；而在接近開普勒452b時(shí)，為了能夠進(jìn)行觀測(cè)和探測(cè)，飛船又需要漫長的減速時(shí)間，這會(huì)讓整個(gè)航行時(shí)間進(jìn)一步延長。

此外，核聚變引擎還面臨著一個(gè)巨大的問題：燃料的攜帶和補(bǔ)充。雖然核聚變?nèi)剂系男屎芨撸胍瓿砷L達(dá)一萬多年的星際航行，仍然需要攜帶大量的燃料，這會(huì)極大地增加飛船的重量，影響飛船的速度和機(jī)動(dòng)性。

目前，人類在受控核聚變領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，各國都在積極開展相關(guān)研究，比如國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)可控核聚變的穩(wěn)定運(yùn)行。但想要將核聚變技術(shù)應(yīng)用到星際航行中，還需要解決一系列技術(shù)難題，比如如何實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的穩(wěn)定控制、如何將反應(yīng)產(chǎn)生的能量高效轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力、如何解決燃料的儲(chǔ)存和補(bǔ)充等。

預(yù)計(jì)，至少還需要幾十年甚至上百年的時(shí)間，人類才有可能真正實(shí)現(xiàn)核聚變引擎的星際應(yīng)用。

如果說核聚變引擎是“腳踏實(shí)地”的探索，那么曲速引擎就是“天馬行空”的幻想——至少在目前看來是這樣。曲速引擎最早出現(xiàn)在美國經(jīng)典科幻美劇《星際迷航》中，最初只是一個(gè)為了推動(dòng)劇情發(fā)展而設(shè)定的科幻概念，用來實(shí)現(xiàn)星際飛船的超光速航行，當(dāng)時(shí)并沒有任何科學(xué)理論作為支撐。

但誰也沒有想到，這個(gè)看似不切實(shí)際的科幻概念，在1994年迎來了科學(xué)上的突破。

理論物理學(xué)家米給爾·阿庫別瑞在一篇論文中，提出了一種以他名字命名的引擎——阿庫別瑞引擎，這種引擎的工作原理與《星際迷航》中的曲速引擎極為相似，能夠讓超光速航行變得在理論上可行，并且不會(huì)違反廣義相對(duì)論中“沒有物體可以局域地比光速還快”的核心定律。由于原理相近，人們也常常將阿庫別瑞引擎稱為曲速引擎。

這個(gè)概念后來也被中國著名科幻作家劉慈欣寫進(jìn)了《三體》系列小說中，成為了人類對(duì)抗三體文明、進(jìn)行星際移民的重要技術(shù)支撐。

阿庫別瑞引擎的核心原理，并不是讓飛船本身以超過光速的速度飛行，而是通過改變飛船周圍的空間結(jié)構(gòu)，讓空間“帶著”飛船前進(jìn)。

具體來說，阿庫別瑞提出，我們可以制造一種能夠讓飛船前方的空間收縮、后方的空間膨脹的引擎，這種引擎會(huì)在飛船周圍形成一個(gè)“曲率泡”——飛船被包裹在這個(gè)曲率泡中，前方的空間不斷收縮，后方的空間不斷膨脹，從而推動(dòng)曲率泡和飛船一起以超光速的速度前進(jìn)。

這種航行方式的最大優(yōu)勢(shì)在于，它不會(huì)違反廣義相對(duì)論的限制。因?yàn)轱w船本身在曲率泡內(nèi)部并沒有進(jìn)行加速，處于一種慣性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以不會(huì)受到廣義相對(duì)論中“速度越快，質(zhì)量越大”的制約，也不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間變慢、長度收縮等相對(duì)論效應(yīng)。

舉個(gè)例子，如果有一艘裝備了曲速引擎的飛船，以單程兩星期的速度飛到電影《阿凡達(dá)》中的潘多拉星球，再用兩星期的時(shí)間返回地球，那么飛船上的乘員的年齡只會(huì)增長四星期，與留在地球上的人衰老速度完全一樣，不必?fù)?dān)心出現(xiàn)所謂的“雙生子悖論”——即飛船上的人回到地球后，發(fā)現(xiàn)地球上的親人已經(jīng)衰老去世，而自己卻只老了幾歲。

懷特表示，一旦曲速宇宙飛船真正面世，其速度將會(huì)達(dá)到驚人的水平——僅需兩周時(shí)間，就能到達(dá)距離太陽最近的恒星系南門二（距離太陽約4.37光年）。

按照這個(gè)速度推算，從地球飛到距離1400光年的開普勒452b，只需要6年多的時(shí)間，這甚至比“新視野號(hào)”探測(cè)器從地球飛到冥王星（約9年時(shí)間）還要短。這個(gè)消息無疑讓人類看到了星際旅行的希望，也讓曲速引擎成為了最受關(guān)注的星際推進(jìn)技術(shù)。

但曲速引擎的實(shí)現(xiàn)，仍然面臨著巨大的技術(shù)難題。首先，制造和維持曲率泡需要巨大的能量，根據(jù)阿庫別瑞的理論，維持一個(gè)能夠包裹飛船的曲率泡，需要的能量相當(dāng)于整個(gè)木星的質(zhì)量（根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量），這在目前人類的技術(shù)水平下，是完全無法實(shí)現(xiàn)的。

其次，曲速引擎需要使用一種具有“負(fù)能量密度”的奇異物質(zhì)，這種物質(zhì)在自然界中是否存在，目前還沒有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)，只能在理論上進(jìn)行推測(cè)。此外，曲速引擎的航行過程中，還可能會(huì)對(duì)周圍的空間造成擾動(dòng)，甚至可能引發(fā)時(shí)空悖論，這些問題都需要科學(xué)家們進(jìn)一步研究和解決。

除了核聚變引擎和曲速引擎，反物質(zhì)引擎也是科學(xué)家們提出的一種極具潛力的星際推進(jìn)技術(shù)。

反物質(zhì)最神奇的特性，就是它與普通物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)發(fā)生“湮滅”反應(yīng)——正反物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)全部轉(zhuǎn)化為能量，按照愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2釋放出巨大的能量。

這種能量釋放效率是目前人類已知的所有物理反應(yīng)中最高的：正反物質(zhì)湮滅所釋放的能量，是氫氧化學(xué)反應(yīng)的100億倍，是太陽核心熱核反應(yīng)（核聚變）的300倍。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，一片阿司匹林那么大的反物質(zhì)，與普通物質(zhì)發(fā)生湮滅反應(yīng)，產(chǎn)生的能量足以讓一艘星際飛船巡弋?dāng)?shù)百光年的距離。

反物質(zhì)引擎的工作原理，就是利用正反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的巨大能量，推動(dòng)飛船前進(jìn)。與核聚變引擎相比，反物質(zhì)引擎有著明顯的優(yōu)勢(shì)：首先，反物質(zhì)的能量效率極高，少量的反物質(zhì)就能產(chǎn)生巨大的能量，不需要攜帶大量的燃料，能夠極大地減輕飛船的重量；其次，反物質(zhì)與普通物質(zhì)的湮滅反應(yīng)可以自發(fā)發(fā)生，不需要像核聚變反應(yīng)那樣需要極高的溫度和壓力，因此不需要龐大的反應(yīng)堆，飛船的結(jié)構(gòu)可以更加緊湊。

根據(jù)科學(xué)家的測(cè)算，如果以反物質(zhì)為動(dòng)力，星際飛行器的速度可以接近光速，最高能夠達(dá)到光速的70%。按照這個(gè)速度計(jì)算，從地球飛到開普勒452b，需要的時(shí)間約為2000年（1400÷0.7≈2000）。

雖然2000年的時(shí)間對(duì)于人類而言，仍然太過漫長，無法讓單一個(gè)體完成整個(gè)航行，但對(duì)于人類文明而言，2000年的時(shí)間是可以接受的——我們可以采用“世代飛船”的模式，讓飛船上的人類世代繁衍，一代代人接力完成這段星際旅程，最終抵達(dá)開普勒452b。

不過，反物質(zhì)引擎的實(shí)現(xiàn)，也面臨著兩個(gè)難以解決的問題。

第一個(gè)問題是反物質(zhì)的制造和儲(chǔ)存。目前，人類制造反物質(zhì)的能力非常有限，歐洲核子研究中心（CERN）每年只能制造幾納克的反物質(zhì)，而制造1克反物質(zhì)，需要消耗的能量相當(dāng)于全世界幾年的能源總量，成本極高。

第二個(gè)問題是反物質(zhì)的儲(chǔ)存——由于反物質(zhì)與普通物質(zhì)相遇就會(huì)發(fā)生湮滅，因此我們無法用普通的容器來儲(chǔ)存反物質(zhì)，只能采用磁場(chǎng)懸浮的方式，將反物質(zhì)與普通物質(zhì)隔離開來，但這種儲(chǔ)存方式需要非常復(fù)雜的技術(shù)，而且儲(chǔ)存時(shí)間也非常有限，目前還無法實(shí)現(xiàn)長期儲(chǔ)存。

如果說曲速引擎和反物質(zhì)引擎是通過提高速度來縮短星際航行時(shí)間，那么蟲洞就是通過改變空間結(jié)構(gòu)，為星際旅行提供一條“捷徑”。

蟲洞是廣義相對(duì)論中預(yù)言存在的一種特殊時(shí)空結(jié)構(gòu)，它可以將時(shí)空中的兩個(gè)點(diǎn)直接連接起來，不管這兩個(gè)點(diǎn)在空間距離上或時(shí)間間隔上相距多遠(yuǎn)。對(duì)蟲洞的簡(jiǎn)單理解，就如同一張紙上相隔較遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)，我們不需要沿著紙的表面慢慢移動(dòng)，而是可以將紙張折疊起來，讓兩個(gè)點(diǎn)直接重合，這樣就能瞬間從一個(gè)點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)點(diǎn)。

利用蟲洞的這種特性，人類就有可能在極短的時(shí)間內(nèi)完成遠(yuǎn)距離的空間旅行，甚至進(jìn)行時(shí)間旅行。如果能夠找到或者制造出一個(gè)連接地球和開普勒452b的蟲洞，那么我們不需要任何先進(jìn)的引擎，只需要穿過蟲洞，就能夠瞬間抵達(dá)開普勒452b，就像《星際穿越》電影中那樣，可能只需要坐一站公交的時(shí)間，就能完成這段1400光年的旅程。

著名天體物理學(xué)家霍金，對(duì)蟲洞的存在有著自己獨(dú)特的觀點(diǎn)。

他認(rèn)為，蟲洞其實(shí)就在我們身邊，只是它們的尺寸非常小，小到肉眼無法看見，甚至比分子、原子還要細(xì)小，它們存在于空間與時(shí)間的細(xì)微裂縫中。霍金將這種比分子、原子還細(xì)小的空間結(jié)構(gòu)命名為“量子泡沫”，而蟲洞就隱藏在這種量子泡沫之中。

不過，霍金也表示，這些天然存在的蟲洞非常微小，人類無法穿越，但有朝一日，人類也許能夠抓住一個(gè)蟲洞，通過先進(jìn)的技術(shù)將它無限放大，甚至建造一個(gè)巨大的蟲洞，用于星際旅行。

但蟲洞的存在，目前還只是一種理論上的推測(cè)，我們還沒有在天文觀測(cè)中找到任何蟲洞存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

而且，在理論上，制造和維持蟲洞也面臨著巨大的困難。首先，制造蟲洞需要具有負(fù)能量密度的奇異物質(zhì)，這種物質(zhì)能夠產(chǎn)生排斥引力，從而維持蟲洞的穩(wěn)定，防止其坍塌，但這種奇異物質(zhì)在自然界中是否存在，目前還沒有任何實(shí)驗(yàn)證明。

其次，即使我們能夠找到奇異物質(zhì)，制造出蟲洞，也很難維持蟲洞的穩(wěn)定——蟲洞非常脆弱，任何微小的擾動(dòng)都可能導(dǎo)致它瞬間坍塌，變成一個(gè)黑洞，從而將穿越蟲洞的飛船和人類徹底吞噬。

此外，蟲洞的存在還可能引發(fā)一系列時(shí)空悖論，比如“祖父悖論”——如果一個(gè)人通過蟲洞回到過去，殺死了自己的祖父，那么他自己就不會(huì)出生，也就無法回到過去殺死祖父。這些悖論的存在，也讓蟲洞的理論研究陷入了困境。