伴随着悠扬的《蓝色多瑙河》圆舞曲，空间站的巨轮优雅地缓缓自转，仿佛舞池中少女旋转的裙摆。这是当代最有代表性科幻电影《2001：太空漫游》中的经典场景之一。

　　1968年，科幻作家阿瑟·克拉克与斯坦利·库布里克共同创作的这部电影因大量运用象征、隐喻手法而使科幻片从“谁都看不起”一下子跃入“谁都看不懂”的境界。

　　2013年，核动力电池、生物材料以及更多如梦似幻的航天技术，将“玉兔”载入月球，“好奇号”登上火星，近地轨道开发景区……这是一个承上启下的时代，相比那些具有高度智慧的苍老的宇宙文明，我们正处于最好的时代——因为我们知道宇宙年轻时的模样，并为之无限靠近。

“科学 ”年终特别活动第三波讲述——

太空狂想曲：

　　12月28日晚，由省科协、浙报集团主办，浙江日报、省科技馆和果壳网承办的“科学+”年终特别活动特别邀请到科学松鼠会两位成员赵洋、Shelon为我们讲述“向太空去”。

　　此刻，亦是新旧年交替时，“科学+”带您一起仰望太空：人类正把整个太阳系开拓为家园，拓展相当于十万个地球的生存空间，绝不仅仅是一个虚无缥缈的梦想，而是在理论和技术上都可能实现的宏愿。

　　这就是科学的力量。愿在未来的岁月中，就像科幻作家所说的那样，这场展望式的倾听引领着更多人超越“老婆孩子热炕头”的局限，建立更宏伟的人生理想，开拓未来新世界。

　　太空电梯：

　　扶摇直上九万里

　　科幻：所有的太空电梯都只铺设了一条初级导轨，与设计中的四条导轨相比，运载能力小许多，但与化学火箭时代不可同日而语，如果不考虑天梯的建造费用，现在进入太空的成本已经大大低于民航飞机了。

　　进展：今年8月，清华大学化工系教授魏飞带领的化工系与微纳米力学中心联合研究团队成功制备出世界上最长的、单根长度达半米以上的碳纳米管，这也是目前所有一维纳米材料长度的最高值。

　　魏飞他们所制备的碳纳米管具有完美的结构、优异的力学性能和宏观的长度。这项工作将为太空天梯的制备开启一线曙光。

　　赵洋、Shelon：天空电梯，源自西方一个古老的梦想——用天梯链接地面与天空，人可以通过此梯往返天地之间。

　　1979年科幻大师阿瑟·克拉克出版了《天堂的喷泉》一书。该书讲述了人类靠一种强度极大但质量极轻的碳纤维材料把地球和同步轨道卫星连接起来的故事。这听起来更像天方夜谭而非务实的太空计划。

　　但工程师经过论证发现，以现有技术为基础，太空电梯的梦想是能够实现的。太空电梯的本质是建设一座永久性的“缆绳”式建筑，碳纳米管的发明使人们看到了希望。碳纳米管非常细小，但强度可与金刚石媲美，而且柔韧性很好，可制成纤维。理论上说，宽1米、像纸一样薄的碳纳米管织成的缆带就可以支撑13吨的重量。

　　为避免太空电梯的缆绳被自身重量压垮，工程师想出了一个主意，从同步轨道卫星上垂下36000千米长的缆绳，直达地面，在缆绳的另一头还有“平衡锤”。平衡锤以极大的速度绕地球运转，因为离心作用的缘故，它能给缆绳加很大的拉力，确保缆绳绷紧。

　　为了避开太空垃圾，天梯的缆绳将锚定在赤道附近海域的移动平台上。这个移动平台就像放大版的海上石油钻井平台。移动平台上装有推进器，可以来回变换位置，从而挪动太空电梯，避开来袭的太空碎片或陨石。

　　据太空电梯研究者布拉德利·爱德华兹估算，太空电梯建造成本不会低于100亿美元。虽然其建造与维护耗资巨大，但投入运行后，它与传统航天器相比在运输成本上有巨大优势。尽管电梯舱上升速度比火箭慢，但它却能将每千克货物的发射成本从现在的22000至44000美元降到900美元左右。

　　几百年后，当太空电梯这道通往宇宙的桥梁造好后，地球上的居民大规模向外层空间移民，在地球的外围建立数以万计的大大小小的空间城。与地球相似，太阳系中其他有人居住的星球也可以在自己的赤道上安装天梯，这将是太空居民点之间往来的桥梁。

　　空天飞机：

　　往来于天地之间

　　科幻：1920年代，飞机刚问世不久。于是带有机翼的火箭便成了航天飞行的一种象征。所有的科幻作品开始想象进入太空。

　　进展：本月初，美国宣布进行一项名为“XS-1”的新型飞行器项目研究，将于2018年执行首次发射。

　　赵洋、Shelon：简而言之，空天飞机就是既能航空又能航天的飞行器，集喷气式飞机、运载火箭与航天飞机于一身，它既可以作为载人航天器，又可以完全重复使用。

　　空天飞机上同时有飞机发动机和火箭发动机，它起飞时也不使用火箭助推器，而是像普通飞机一样从跑道上凭借喷气式发动机起飞，在高空逐渐加速，以高超音速在大气层上层飞行。进入太空前，因为氧气稀薄，喷气式发动机切换为火箭发动机，以自带的氧化剂和燃烧剂助推进入太空，成为航天器。空天飞机降落时则可以像普通飞机一样在飞机场降落。

　　为了实现这一功能，工程师想到了一个可行的解决方法，就是使用超音速燃烧冲压喷气发动机作为空天飞机的引擎。这种发动机在升空时会从大气中吸入氧气。由于飞行时会捕捉空气也不用携带助燃剂，飞机起飞重量大大减轻。目前，世界上最先进的发射系统航天飞机，约有一半的发射重量来自液态氧与氧化剂。

　　目前，美国已完成一种超高音速飞机的革命性设计。这架原型机是用氢做动力，时速近11000千米，即10倍音速。这样的风驰电掣使其可在两小时内飞到全球任何位置。

　　这种飞机的与众不同在于它的飞行轨迹：它被设计成采用在大气层上缘飞行，像用石片打水漂一样在大气层上弹跳前进，轨迹类似一条正弦曲线。

　　按照设计师的构想，这种飞机首先穿越大气层到4万米的高空，关掉发动机靠重力与惯性降回大气层表面。此时再启动空天飞机发动机吸入空气推进助燃，再次升入太空。如此往复，不但燃料的燃烧效率得以提高，还减少了散热的麻烦。

　　时间旅行：

　　曲速驱动的视觉盛宴

　　科幻：在20世纪60年代的科幻系列剧《星际迷航》中，超光速飞船的推进装置叫做“曲速引擎”。影片中，只见星舰舰长一声令下，机器运转，飞船前方的星星都被拉成细线。片刻之后，星舰出现在遥远的目的地，速度比光速还快……

　　进展：今年7月，美国宇航局一个研究小组宣布已经开始利用极小的光子开展实验，他们试图通过改变一个光子的运行路径，将光子周围的时空扭曲，从而使其在不改变速度的情况下运行更远的距离。

　　赵洋、Shelon:所谓曲速，你可以这样理解：你和一只猫坐在一张地毯的两端，猫以速度c（这也是它在地毯上奔跑能达到的最高速度）向你跑来，这时你以速度z猛然拽动地毯，把地毯和在地毯上跑动的猫一并拽到跟前。在拽地毯时，猫相对于你的速度是c+z——超过了c，但猫与猫脚下的地毯是一并移动的，它并没有超过自己在那块区域的速度极限。

　　现在，把猫换成飞船，把地毯换成宇宙空间，把拽地毯的动作替换成曲速驱动，把c设为光速，你就得到了曲率驱动的基本图景。

　　事实上，科幻片中的曲速旅行并不违反物理法则。飞船在太空里“乘”着空间的“波浪”前进。这个“波浪”区间叫做“曲速泡”，里面是一块平坦时空。飞船在泡内并非真的在移动，而是被泡带着走，并不违反物理学中的“光速最快”限制。

　　有科学家认为，宇宙大爆炸发生后的很短时间内，空间构造的运行速度要比光速还快，制造曲速旅行，航天工程师所要做的只是在飞船四周重建这个宇宙膨胀期而已。接下来的问题就是要如何扩充飞船后面的空间和缩小飞船前面的空间。

　　一个糟糕的问题是，时空扭曲会使光线“弯曲”，透过曲速驱动航迹观察后方天梯，会产生哈哈镜一样的扭曲效果。这种扭曲将暴露曲率驱动飞船的航迹。

　　而科学家在进行曲率驱动发动机计算机模拟时发现，扭曲时空是有风险的。在超光速飞行时，与“曲速泡”所含能量相反的粒子将在泡前方堆积，有些粒子甚至会进入到曲速泡中，形成累积效应，曲速泡飞行的距离越长，前方堆积的粒子就会越多。

　　在未来到来之前，不如先来体验曲速旅行的视觉盛宴。想象一下，我们正以三倍光速在星空中旅行，前方的行星越来越亮，当我们无限接近它们时，它们就往两边跑。速度之快以致它们的颜色从红色逐渐变为蓝色，在广义相对论中，这就叫做蓝移效应。曲速旅行的一秒相当于实际旅行的十年，所以曲速旅行看起来似乎是静止不动的。那么，最后，曲速旅行的效果看起来就像在雾霾天里看太阳，所以恭喜大家天天都在享受曲速旅行当中带来的视觉盛宴。