據英國廣播公司（BBC）網站報道，我們人類癡迷於追求更高的速度。運動員們不斷打破田徑領域的世界紀錄，而美國空軍則致力於開發能夠超過5倍音速的高超音速飛機。飛行速度可達每小時6100公裏。
不過，這架飛機不會有人駕駛。但之所以不載人，並不是因為人體無法承受如此高速的運動。事實上，人類此前已經以超過5馬赫的速度移動。但我們想知道的問題是，人類能夠承受的運動速度是否有極限？
目前人類運動速度最快的紀錄由三名美國宇航員保持。他們就是阿波羅10號的三名宇航員。1969年，當他們的飛船經過月球後麵時，他們相對地球的速度高達每小時39897公裏。美國太空設備供應商洛克希德馬丁公司的吉姆布雷說：“我認為100年前我們不會想象人類能夠以接近每小時4萬公裏的速度移動。”
但今天，我們甚至可以肯定地知道，這個紀錄很快就會再次被打破。巴裏是美國目前正在研製的下一代載人航天器獵戶座的項目總監。這種新型航天器旨在將宇航員送入近地軌道，將很有希望打破此前46年之久的人類飛行速度紀錄。
按照目前的計劃，用於發射獵戶座飛船的“太空發射係統”（SLS）火箭將於2021年發射，屆時它將搭載宇航員造訪一顆被拖入月球軌道的小行星。未來，它還將承擔發射載人飛船前往火星的任務。現階段，設計者預計航天器的常規最高速度約為每小時32000公裏。但即使是獵戶座飛船的基本配置版本，阿波羅10號飛船的飛行速度記錄也可能被打破。巴裏說：“獵戶座航天器的設計考慮到了它將在其整個生命周期中執行的多項任務。” “它可以飛得更快。”
但即使是獵戶座飛船也不能代表我們飛行速度的極限。巴裏說：“沒有任何特定的障礙可以阻止我們人類飛得更快，除了一件事：光速。”真空中的光速約為每小時10億公裏。那麼我們有沒有可能從目前每小時4萬公裏的記錄逐步提高，最終達到接近光速的水平呢？
有趣的是，速度本身就是我們對運動速度的衡量標準。我們的身體沒有限製的問題，隻要運動均勻且方向一致即可。因此，人體理論上可以承受接近光速的飛行。
然而，假設我們能夠克服建造超高速飛機的技術難題，我們的水體仍然會麵臨超高速條件下可能出現的許多問題。另一方麵，如果人類有一天能夠通過升級現有物理學或做出新發現，飛得比光速更快，他們可能會遇到意想不到的危險。
超載的威脅
還有很重要的一點是，雖然我們現在可以實現每小時4萬公裏的超高速飛行，但是我們還是要慢慢加速到這樣的速度，然後再慢慢減速。急加速或減速對人體來說是致命的：相信大家都見過兩輛高速行駛的汽車正麵相撞時對車內人身體造成的傷害。但要知道，這款家用車無論開得多快，每小時也不過幾十、幾百公裏。
為什麼會出現這樣的情況呢？這就涉及到宇宙中一個非常重要的現象：慣性。任何有質量的物體都會抵抗其運動狀態的變化。牛頓第一定律很好地描述了慣性現象：任何物體都必須保持勻速直線運動或靜止，直到外力迫使它改變運動狀態。
巴裏說：“對於人體來說，勻速是一件好事，我們應該擔心的不是速度，而是加速度。”
大約一個世紀前，實用、堅固的飛機的出現使飛行員能夠高速機動，許多飛行員後來報告了與速度和方向變化相關的奇怪現象，包括短暫的視力喪失和感覺身體變得沉重或失重。這就是加速度的影響，或者可以直接用g的數量來表示。它代表的是施加在一定質量的物體（例如人體）上的加速度大小。顧名思義，一克相當於地球引力作用在人體上的加速度。所謂的重力加速度在海平麵上約為9.8m/s2。
g 的方向是垂直的，從頭到腳，反之亦然。這對於飛行員或宇航員來說絕對是個壞消息：當這種加速度（或“過載”）為負值時，血液從全身集中到人的頭部，導致頭部出現嚴重的腫脹感，這種情況很有可能發生。就像我們雙手倒立時的感覺一樣。這時，飛行員的臉就會變紅，眼珠子就會布滿血絲。相反，當這種加速度為正時，血液從頭部湧向腳部，極端情況下，眼睛和大腦會缺氧。此時，飛行員可能會出現視力模糊甚至暫時失明的情況。在最嚴重的情況下，可能會導致飛行員昏迷，這在技術上被稱為“過載引起的意識喪失”（GLOC）。許多航空事故都是由於飛行員暫時失明或昏迷造成的。
一般人大致可以承受從頭到腳持續5克左右的超重，超過這個限度就會陷入昏迷。接受過專業訓練並穿著專業飛行耐壓服的飛行員，在高達9克的持續強大過載壓力下，仍能清晰地控製飛機。總部位於弗吉尼亞州的美國航空航天醫學協會執行董事傑夫斯文泰克（Jeff Sventek）表示：“在短時間內，人體能夠承受遠遠超過9克的過載壓力。但如果持續時間太長，那麼很少有人能夠承受這種壓力。”能承受。”
如果持續時間很短，我們的人體可以承受非常強大的過載而不會造成嚴重傷害。目前的紀錄保持者是美國空軍上尉小伊萊比丁。他曾在1958年的一次火箭發動機滑行實驗中記錄到了82.6克的驚人超載。當時，他乘坐的裝有火箭發動機的滑行器加速到了每公裏55公裏。 10 秒後1 小時。貝丁當場被撞昏迷不醒，但等他醒來後卻發現自己的背上隻有輕微的擦傷。這是人體承受能力的一個很好的證明。
飛入太空
根據執行任務類型的不同，宇航員也會經曆較高的過載環境：一般在火箭發射和航天器返回地麵時需要承受3至8克的過載。如果加速方向是從胸部到背部，較高的過載對人體的影響相對較小。因此，我們可以看到，大多數航天器設計都會將宇航員限製在座位上。使其麵向飛行加速度的方向，是非常科學的設計。一旦進入穩定巡航飛行階段，飛船的軌道速度約為每小時26000公裏，宇航員此時不會感覺到速度的存在，就像我們坐在高速客機裏很舒服一樣。
但如果過載可能不會對獵戶座的長期任務構成威脅，那麼小型太空岩石可能會造成威脅。這些微小的太空岩石顆粒可以達到驚人的速度，有的超過每小時30 萬公裏。為了保護飛船和裏麵的乘員，獵戶座飛船設計了厚度為18至30厘米的防護殼，以及其他防護措施和備用設備。巴裏說：“這樣我們就可以保證飛船不會丟失某些關鍵設備。對於整個飛船來說，我們必須考慮這顆太空微隕石可能撞擊的角度。”
事實是，太空微隕石的威脅並不是未來深空載人飛行麵臨的唯一問題。隨著載人航天飛行速度不斷提高，比如執行火星任務時，還必須關注其他問題，包括宇航員的食物問題以及長期接觸高濃度可能導致的癌症風險。宇宙射線的劑量。這些因素在短期太空飛行中基本可以忽略，但在長期飛行中這些問題卻不容忽視。
太空旅行的未來
我們對速度的追求將會給自己製造前所未有的障礙。可能打破阿波羅10號速度記錄的美國新型航天器的設計仍將盡可能使用經過驗證的可靠技術和材料，以及基於化學推進的發動機係統。這是人類自第一次太空飛行以來一直使用的解決方案。然而，這種傳統的解決方案在速度方麵存在嚴重的局限性，因為它們的推進效率非常低。
因此，為了實現人類前往火星等目的地的高效執行任務，科學家認為有必要開發其他更高效的推進係統。巴裏說：“我們今天擁有的設備足以讓我們實現這一目標，但我們仍然希望看到推進係統的革命。”
埃裏克戴維斯（Eric Davis）是美國德克薩斯州奧斯汀高等研究院的高級研究科學家，參與NASA的突破性推進物理計劃，這是一項正在進行的技術研究計劃，曆時6年，於2002年結束。這項研究整理了三項研究成果未來最有前途的推進解決方案基於傳統物理理論，如果成功，將使人類宇航員實現星際導航。簡單來說，這三種解決方案分別基於核裂變、核聚變和反物質推進。
第一種方法通過分裂原子來實現，就像商業核電站中發生的那樣。第二種選擇是聚變，它結合了原子核——，這是恒星能量的來源。這項技術目前還沒有被人類控製，未來50年或許就有可能。戴維斯說：“這樣的技術非常先進，但它仍然基於傳統的物理原理，並且從原子時代早期就被提出了。”從樂觀的角度來看，估計采用核裂變和核聚變技術的推進解決方案，理論上將能夠將航天器加速到光速的10%左右，也就是每小時1億公裏左右。
當然，最強大的推進方案是第三種，即利用物質和反物質的湮沒反應來實現推進。物理學原理表明，當普通物質和反物質相遇時，會發生湮滅反應，並釋放大量能量。如今，粒子物理學家已經實現了少量反物質的生產和儲存。不過，想要製造大量實用的反物質粒子，還需要等待下一代新的設備和技術，並將其轉化為實際的航天器推進技術，將極大考驗人類的工程技術。但戴維斯指出，工程師們已經提出了一些非常酷的想法。
如果使用反物質推進發動機，航天器將能夠連續加速數月甚至數年，達到非常高的速度，同時將過載保持在宇航員可以承受的範圍內。然而，如此驚人的高速可能會給人體帶來全新的危險。
高速飛行的風險
當人們以每小時數億公裏的驚人高速飛行時，太空中的任何粒子，從氫原子到微隕石，實際上都會成為可能威脅航天器的“子彈”。 “當你以如此高的速度飛行時，這些粒子相對於你的速度變得非常高，”阿瑟埃德爾斯坦說，他的父親威廉埃德爾斯坦去世前是美國約翰霍普金斯大學醫學院的教授，父子倆於2012年聯合發表了一篇論文，描述了太空中的氫原子可能對高速航天器造成的風險。
盡管深空氫原子的密度僅為每立方厘米一個原子左右，但這些原子可以轉化為強烈的輻射。當與高速航天器接觸時，氫原子會分裂成許多亞原子粒子並穿透航天器，對宇航員和設備造成輻射損傷。當航天器達到光速約95%時，這種輻射暴露將達到致命的水平。此外，如此高速度飛行的航天器還會麵臨發熱問題。摩擦產生的高熱會熔化幾乎所有現有的傳統材料，宇航員體內的水也會沸騰。這些都將是極其困難的問題。
在2012 年的論文中，埃德爾斯坦夫婦提出了一項計劃，使用強大的“磁屏蔽”來保護航天器免受氫原子“雨”的影響。但即使采用磁屏蔽技術，航天器的飛行速度仍然無法超過光速的一半左右。如果超過，宇航員仍將麵臨致命輻射的風險。
馬克米利斯(Marc Millis) 擔任美國宇航局突破性推進物理計劃的主任。在他看來，埃德爾斯坦夫婦提到的高速風險還沒有達到需要在實踐中考慮的階段。他說：“按照我們目前的物理學水平，達到光速的10%已經非常困難了。我們還沒有達到會出現危險的地步。比如我們沒有辦法進入水中。” ……以前，我們不用擔心溺水。”
超越光速？
那麼假設有一天我們真的學會了遊泳，將來我們是不是也能學會衝浪時空呢？或者我們有可能飛得比光速更快嗎？
雖然超光速飛行的想法基本上是基於猜想，但也並非完全沒有根據。其中一種理論就是電影《星際迷航》中所謂的“曲速驅動”概念。從形式物理的角度來看，這款發動機的原理就是“Alcubierredrive”，主要涉及到在航天器前麵壓縮愛因斯坦理論中描述的正常時空，在航天器後麵壓縮。時間和空間釋放的過程。本質上，航天器正在穿過一團時空，就像一個“曲速氣泡”。這樣，光速的極限就被打破了。在這樣的時空跳躍過程中，航天器本身仍然安全地放置在自己的“正常時空”中，從而避免了突破宇宙光速的極限。 “如果說傳統飛行就像在水中遊泳，那麼阿爾庫別爾驅動器就像衝浪，乘風破浪，”戴維斯說。
但實現這項技術麵臨的最重要的問題是，它需要一種具有負質量的特殊物質來壓縮或擴展時空。戴維斯說：“物理學原理並不禁止負質量。但到目前為止我們還沒有發現真實的案例，而且在自然界中也從未觀察到過這樣的案例。”另一個問題，澳大利亞悉尼大學研究人員在2012年發表的一篇文章中指出，在這樣的飛行過程中，由於航天器所在位置具有正常時空特性的“曲率氣泡”將無法避免接觸與宇宙中的其他物質一樣，都會受到高能宇宙射線的嚴重轟擊。其中一些宇宙射線會進入氣泡內部並產生致命的輻射。
被困在亞光速水平？
那麼，由於我們的生物脆弱性，我們會永遠被困在亞光速嗎？這個問題的答案將直接關係到我們人類是否有朝一日能夠在銀河係中自由航行，以及我們人類未來是否能夠成為強大的銀河種族。如果我們以埃德爾斯坦夫婦提出的光速一半的速度飛行，那麼我們往返最近的恒星將需要大約16 年的時間。而且根據相對論，以接近光速運行的航天器所經曆的時間膨脹效應不會非常顯著。
但米爾斯仍然充滿希望。他相信，隨著人類研發出越來越先進的防超載服和微隕石防護技術，未來人類將能夠克服在日益高速的飛行環境中可能麵臨的困難。
他說：“如果未來的物理學能夠讓我們開發出令人難以置信的高速飛機，那麼我相信未來的物理學也將使我們能夠開發出令人難以置信的防護措施。”
