纪另外一位有影响的富有创新精神的物理学家狄拉克（paul

dirac），在1929年预言所有已知的亚原子粒子都有特性相反的

对应物。4它们被称为反粒子。

电子带负电荷，反电子（或正电子）具有相同的质量但是带

正电荷。一个反质子是带负电的。像质子一样，它存在于可被设

想为反原子的原子核里。但是对未来星际发动机工程师和设计师

来说，最重要的是当物质和反物质互相接触时，它们立即互相湮

灭同时产生能量。

在狄拉克时代，反物质只不过是一个理论概念，是他把量子

力学、电磁学和相对论的数学公式组合在一起时突然冒出来的。

因为它与物质一接触立即就湮灭了，所以在我们的宇宙中没有发

现自然状态的反物质；也一直无法通过实验来捕获它，直到最近

才有突破。今天，我们可以在粒子加速器里制造小批量的反物质

了。

要制造一个反质子，要把“正常的”质子送人粒子加速器环

里旋转。在加速器里，它们在强磁场中被加速，直到速度达到光

速的50％。然后，让它们与金属原子核相碰撞。这一过程产生粒

子和反粒子对（以及x射线和各种其他形式的能量）。然后，在

反质子和质子互相作用并彼此湮灭之前，将反质子与质子分离开

来。

然而，如此难于驾驭的稀有物质，怎么样才能用作推进剂呢？

显然，要利用这种资源，我们必须要能控制粒子和反粒子的互相

湮灭，并且利用这一过程产生的能量作为飞船的能源。实际上，

这样一个系统的简单装备早已在设计之中。其想法是将微量反物

质射人一个注满氢的中空的钨砖块里。粒子立即湮灭，释放的能

量使钨块加热。然后冷氢被挤压至该装置的中心，在那里被迅速

地加热到3000k，从发动机喷射出去，推动飞船前进。

图 17 反物质驱动装置。

反物质驱动的最大优点是只需很少的燃料即可产生有效的加

速度。最大的欠缺在于生产足够使用的反物质所遇到的困难。目

前在全球的粒子加速器里用以产生反物质的能量只有十万分之六

以获得粒子而告终。所以，它的制造效率低得可怜，它目前的市

场价值约为每一克 10 000 000 000 000 000美元（每克1亿亿美

元）。

要利用反粒子，我们还会遇到防护容器的问题。就像核聚变

产生的超热等离子体一样，必须发明特殊的磁防护容器系统防止

反物质在使用之前就与物质发生相互反应。

这些困难都不足以阻止高级的文明——我们未来的文明，或

银河系内外的其他高级文明使用反物质。我们只要回顾一下我们

自己的技术发展就会明白没有什么技术问题是不可逾越的。第一

次世界大战后不久，卢瑟福发现某些原子的核可以通过轰击而分

解。在稍多于四分之一个世纪的时间里，这项研究成果导致广岛

和长崎的原子弹爆炸。再想一想牛顿时代，自然哲学家们要想象

控制“土星5号”火箭的威力，或者设计一架喷气式发动机有多

困难就行了。

就目前的技术水平而言，反物质实在太昂贵，无法生产。但

是，这些技术问题在未来二三十年里肯定可以解决。如果我们视

野开阔些——相对于文明延续的时间以及高级文明在其他星球上

可能经历的年代而言，二三十年的时间实在算不了什么。回顾人

类千年来的历史，从第一颗原子弹到掌握反物质发动机之间只不

过是弹指一瞬间。对其他文明来说，情况可能也一样。

选择反物质推进系统为行星际旅行提供了希望。然而，即使

我们充分认识到这种技术的潜能，我们仍然不能绕过宇宙的自然

法则，仍将受到光速的限制，停留在亚光速上。这就意味着星际

旅行者要么接受以接近光速的速度旅行（对访问许多星球和在那

儿实行殖民的目的来说这一速度还是很慢的），要么以更慢的速

度，因而花费更长的时间到达太阳系以外的地方。

我们不妨想象一下，到一个距离地球100光年、我们认为可

能有生命存在的恒星系统去旅行，旅行速度为 0.95c（这就是

说，光速的95％）。单程旅行需要105年才能完成。幸亏根据狭

义相对论的奇特效应，旅行只是对于那些在地球上的人来说是

105年。因为种种原因，我们旅行的速度越快相对时间就流逝得

越慢，对飞船上的人来说，这105年将只是31年多一点而已。

不用说，时间还是太长，行不通。即使我们能够研制出一个

有效的生命暂停系统，让飞船上的人睡眠，明显地减缓他们的新

陈代谢，鉴于许多感情的、实际的、道德的和商业的原因，来回

62年的航程（再加上在目的地停留的时间）也是不会受欢迎的。

就像研制反物质驱动装置带来的问题一样，休眠和生命暂停等技

术方面的困难最终必将被克服，但具体运用却障碍重重。

派去做这种长途旅行的人返回地球时可能发现整个政治结构

已经彻底改变。出资赞助旅行和研制支撑技术的组织和机构已不

复存在。飞船上归来的人几乎可以肯定他们的亲人早已故世（因

为地球上已经过了 2x105年——两个多世纪，而他们只过了62

年），他们曾经熟悉的一切几乎全都变得难以辨认。即使只有30

年（上述旅行的一半时间），发生的变化也会超出人们最初的想

象。试想英国1966年最后赢得世界杯冠军时和现在之间的差别吧。

当时，甲壳虫乐队身穿画着地图的衣衫和超短裙，流行蓄长发，

这些在现在，其实算不了什么；毕竟，我们大多数人至少是能够

认同这些的。流行有重复自己的习性。比较重要的是社会态度的

变化，机构的性质，以及政府的作用和性质的变化。然而，比这

些影响更大的是两个时代之间技术上的差异。1966年离开地球的

旅行者返回地球时，他们所使用的设备即使以我们今天的眼光来

看也已陈旧不堪。请记住，这儿所举的例子是在20世纪后半叶一

个相对而言比较短的时间范围内。技术正以几何级数式的速度发

展。随着它的发展，许多曾经一度被视作神圣的社会传统和个人

态度也随之迅速改变。如果这种几何级数式的变化继续下去，在

未来几个世纪里，30年的差异将会变得更加明显。

除此以外，还有领导结构和经费问题。任何历时超出（比方

说）10年的旅行都很容易产生问题，因为机构和领导的改变，政

府的起落，和重心的转移等，这些使长时期的航天飞行几乎没有

可能进行。更何况，任何努力都需要在一个合理的时间范围内见

到对投资者的回报，当然是在投资者的有生之年。由于长期旅行

不能满足这个条件，它必须依靠慈善事业，所以问题必然会产生。

亚光速旅行的唯一可能的其他选择——“太空方舟”长期以

来一直是科幻小说的主题。太空方舟的想法是建造一艘硕大的宇

宙飞船，在可能持续几百年甚至几千年的整个飞行期间，旅行者

可以一代又一代地在里面生活。这必须是一艘硕大的宇宙飞船，

它必须能够在几千年的时间里，维持人数众多的机组人员和乘客

的生活需求。速度倒不需要特别快。如果飞行设计为5000年，距

离250光年，速度可以定在5％的光速（略大于4000万千米／小

时）。当然，建造这样一艘能够维持这么多人的宇宙飞船，用我

们今天的技术是无法完成的。其实，我们无须去考虑这些困难，

因为在设计者动笔之前，需要考虑克服的障碍实在太多了。

首先，还是时间长短的问题。世界联合政府（因为一国政府

要作此努力简直难以想象）愿意出资进行这种飞行的唯一理由，

是为了避免全球性的灾难。换句话说，它将真的是《圣经》里所

说的那种方舟，由全球性的大灾难触发建造，且被认为是人类唯

一逃避灭顶之灾的方法。世界上的人只有一小部分能够乘上飞船

飞向那茫茫宇宙。

这个想法听起来非常激动人心，很浪漫，除了技术上的困难

难以想象之外，究竟还有什么不好呢？飞船上的人如何在物质上

和心理上自己维持下去呢？

我们必须假设，有能力建造一艘可容纳几千名旅行者的飞船

的任何文明早就克服了技术上的障碍——自我维系的方法，食物

的生长，水和食物循环使用的方法。5但是在某种意义上来说，

心理上的考虑可能比技术上的问题更加困难重重。方舟上前几代

人没有希望看见一个新世界，他们不停地飞行，只知道他们遥远

的子孙后代有可能到达一颗遥远的行星。然而，我们只需看一下

人类在地球上罪恶地忽视环境保护，对子孙后代的生活质量和健

康漠不关心，就会明白这一动机是很难维持长久的。

比心理问题更严重的是，反对采用方舟（除非是世界毁灭这

最后一种情况）的最有说服力的论据是“速度指数曲线”的想法。

这是一张简单的图，它说明我们这个文明旅行技术的发展随

着时间的推移而按指数规律变得越来越快。在人类社会进步的最

初10万年里，我们可以达到的最快速度大约为15千米/小时——

狩猎者奔跑的速度。大约4000年前，随着马的驯化，这个速度翻

了一倍多。到了19世纪末，由于火车和汽车的发明，速度又翻了

一倍。在接下来的50年里，飞机的发明使速度增加了3~4倍。喷

气飞机的问世又增加了几倍。最后，在过去40年里，宇宙飞船的

建造使人类旅行的最大速度再次加快4倍（大约可达40000千米/

时）。这个变化可以画一张指数函数曲线图，如果曲线继续下去，

可以看见到2140年人类的速度可以达到光速的5％，而到22世纪

末可以达到光速的10％。

虽然这听上去像是好消息，可对方舟里的人来说，它彻底摧

毁了他们存在的理由，因为早在他们抵达目的地之前，他们几乎

肯定会被他们离开时留在地球上的那些人的后代超过。后来的这

些人将乘坐最新设计的宇宙飞船旅行，以比他们快许多倍的速度，

从他们旁边掠过。

方舟想法的另一种形式是长期殖民。物理学家蒂普勒也曾借

助于这种想法：我们有朝一日能够通过“行星跳”的方式殖民银

河系。他这种想法的依据是南太平洋的岛民利用“岛屿跳”的办

法散布到太平洋的各个小岛，然后再巩固下来。采用这种模式，

他认为有两个时间因素要考虑。其一是星际旅行所需的时间

（t1），其二是建立一个殖民地和准备下一次跳跃所需的时间

（t2）。旅行所需的时间，保守些的估计是在1000~10 000年的

范围内。殖民化和巩固的合理时间大约要延续100代人。

利用这个系统，即使旅行速度比较适中（毕竟，他把星际旅

行的时间安排在 1000~10 000年的范围里），由于速度按指数规

律增长，人类将在短得惊人的时间里在整个银河系殖民。第一批

人经过长期旅行从地球到达行星a。这批登陆者将安营扎寨，经

过约100代人的时间，他们将会积累足够的资源发射两艘新的飞

船。这次是在行星b和行星c上着陆，如此周而复始。请记住旅行

者的技术将不断改进，因为知识没有理由失传，很可能旅行时间

（以及巩固阶段）将随着技术的进步而显著地缩短。这将使银河

系的殖民化更加迅速。

即使我们假设每一步所需的时间是一个常数，旅行时间和巩

固时间合在一起的平均值为 10 000年（t1＋t2＝10 000）；假

设在一个平均大小的星系里有10亿颗合适的行星,那么所有这些

行星将可以在不到100万年的时间里抵达并被殖民（见第十章）。

有一种很清醒的想法，认为地球也可能曾经是殖民地，不知

因为什么缘故，殖民进展不是很成功。殖民化的“波”往前推进，

把我们留在后面（见第九章）。如果情况真是这样，那么这种殖