本文来自微信公众号：SF中文（ID：kexuejiaodian），作者：SF
太空旅行在很多科幻电影中已经是非常简单的事情了。在电影《流浪地球》中，人类能够在地球上漫步。虽然科幻作品中的描述总是有些夸张，但事实上，这并非完全没有科学依据。现在，有一项新技术有望带你进入未来的广阔太空。
文字|梅林
你认为现在人类已经实现了太空旅行，去太空并不奇怪吗？如今的航天器主要利用火箭产生的动力飞向太空，登陆月球和火星，甚至飞向太阳系边缘。但如果想要飞出太阳系，前往深空旅行，火箭似乎就没有多大用处了。以火箭为动力的航天器，即使是当今最快的航天器，也需要八万年的时间才能飞到距离地球最近的星系。
为此，一些科学家想到了离子发动机技术。他们认为，离子发动机可以让航天器飞得更快，在大约100 年内到达银河系外缘到最近的星系。
科学家之所以选择离子发动机，是因为它具有火箭发动机所不具备的优点。
在火箭发动机中，一些易燃化学物质，如氢气，与氧气燃烧，产生大量高温高压气体。这些气体从排气口喷出，为航天器提供动力。离子发动机的基本原理与火箭发动机完全相同。离子发动机利用电场对离子进行加速，然后将高速离子从喷嘴中喷出，推动航天器前进。
从燃料效率来看，火箭将燃料中所含能量转化为推力的效率不高，只有35%，而且燃料消耗很快，限制了航天器的飞行距离。否则必须携带大量燃料，不利于航天器的长距离太空旅行。与火箭相比，离子发动机产生的推力很小，加速也很慢，但其燃料消耗也较慢，因此可以用更少的燃料飞得更远更远。
现在，离子发动机已广泛应用于航空航天领域。科学家希望将离子发动机应用到飞机上。 2018年，麻省理工学院（MIT）空气动力学家史蒂文·巴雷特（Steven Barrett）领导的团队测试了一架由离子发动机驱动的飞机。飞机通过橡皮筋弹射起飞，在55米高空平稳飞行12秒。然而，实验室测试的飞机非常小且轻，科学家目前还没有办法制造出离子发动机来让更大、更重的飞机飞行。
现在看来离子发动机只停留在理论水平。最近的一项新结果使量子发动机看起来比离子发动机更可行。
近日，来自日本冲绳科学技术研究所、德国凯泽斯劳滕大学和斯图加特大学的科学家利用量子力学原理设计并制造了量子发动机。与传统发动机不同，这种量子发动机不依赖化石燃料的燃烧来产生能量并提供动力。这与离子发动机是一样的。
那么，量子引擎是如何利用量子力学原理工作的呢？根据量子性质的差异，自然界中的所有粒子可以分为两种类型：玻色子和费米子。在非常低的温度下，玻色子的能态比费米子低。量子发动机利用粒子在这两种能量状态之间的转换来发电。
在量子引擎中，费米子和玻色子这两种具有不同能态的粒子具有不同的量子特性。其中，费米子的尺寸较大，因此这两种粒子的相互转换可以产生电力。 （图片来源：Mirijam Neve，OIST）
传统发动机依靠燃料燃烧产生热量来工作，其间大部分热量被浪费掉，真正用于提供动力的热量很少。然而，在不依赖热量的量子引擎中，就不存在如此大的能源和效率浪费。更高更环保（不使用化石能源，不释放热量）。与离子发动机相比，量子发动机产生的动力足够强大。未来利用量子发动机来推动飞机、汽车、航天器等将更加可行。
