• ​在美国，《星球大战》中的超光速驱动器似乎描述了一种穿越太空的超相对论运动，速度非常接近光速。根据相对论，如果具有质量的物体既不能达到也不能超过光速。但是可以接近光速。

暗物质完全符合我们实现这个科幻梦所需要的条件。暗物质是现代科学中最大的谜团之一。从低质量的星系到最大的星系团，从宇宙微波背景到追溯宇宙结构的宇宙网，我们在大的宇宙尺度上观察到的每一个地方，都能看到它存在的印记和影响。每一个质子的质量相当于正常物质的质量，而暗物质的质量是普通物质的5倍，它们的质量和引力都超过了构成我们所直接探测到的一切的传统物质。

尽管我们还没有直接探测到它，尽管我们不确定它真正的属性是什么，暗物质对人类的未来有着巨大的希望。暗物质无处不在，遍布整个银河系，它可能是使我们的星际梦想成为现实的完美燃料。

• ​距离的对数图，显示旅行者号宇宙飞船，我们的太阳系和最近的恒星。如果我们希望穿越浩瀚的星际空间，这将需要一种比化学火箭更先进的技术，希望这将包括一种燃料的发现，这种燃料可以在我们穿越银河系时得到补充。

每当人类把目光投向探索太空深处时，总有一些约束是我们无法避免的：物理定律。为了使航天器或任何质量加速，你必须给它一个冲量，以改变它的动量。冲量越大，就越能改变物体的速度。决定脉冲大小的是施加了多大的力以及你施加了多长时间。

在传统火箭中，这种冲量是由火箭燃料提供的，燃料经过燃烧反应，以推力的形式产生冲量。虽然这是人类迄今为止为太空旅行想出的最好方法，但它的限制却令人难以置信。不幸的是，我们过去和现在所有的火箭都是基于化学物质的，这对我们能够走多远造成了巨大的限制。

• ​2015年的发动机测试显示，SpaceX的猛禽发动机依靠一种极其强大和省油的反应点火。不幸的是，这仍然是一个基于化学的反应，并且只能将燃料质量的百万分之一转化为能量。如果我们想在人类一生的时间尺度上实现星际梦想，我们必须做得更好。

这样做的原因很简单：为了产生推力。，为了给你的飞船提供一个动力——你必须把燃料中储存的化学能转换成推动飞船前进的动能。然而，为了产生这种能量，你必须消耗掉你随身携带的一些燃料。

获得大量推力和加速的关键是燃料效率。某些类型的燃料比其他类型的燃料更节能，这意味着我们可以从某些类型的燃料中获得更多的能量(以及推力和加速度)，比如从1kg的燃料中。一个简单的方法是通过爱因斯坦最著名的方程：E=mc^2。如果你有一个完美的，理想的燃料，它会把你的燃料的100%的质量转化为能量，使你能使最有效的燃料想象。

• ​1997年10月15日，卡西尼号发射。这张壮观的照片是在卡纳维拉尔角空军基地的机库拍摄的，前景是一艘固体火箭助推器回收船。在地球上的所有历史中，我们到达太空的唯一途径就是使用化学燃料。

不过，化学反应的效率至多在0.0001%左右。原因如下：化学反应依赖于原子和分子之间的电子跃迁。原子的大部分质量是以质子和中子的形式存在的，每一种质子和中子的质量都包含约10^9 eV的能量。然而，电子跃迁的阶数只有几个(通常是1-10个)eV。即使我们可以运用所有基于化学的技巧，也没有已知的反应能让我们改进这一点。

当然，我们可以使用某种类型的核燃料，但这只是稍微好一点，达到了0.1%左右的效率。这是一个巨大的进步，如果我们能意识到这一点，但仍然存在一个根本性的问题，那就是加速到可以让你在合理的时间尺度上进行星际旅行的速度。

• ​需要用齐奥尔科夫斯基火箭方程来描述航天器燃烧部分燃料产生推力的速度，从而最终能以多快的速度穿越宇宙。就我们在星系间空间旅行的速度而言，必须自带燃料是一个严重的限制因素。

关键的问题是：无论什么时候燃烧燃料，必须加速整个航天器的质量，包括任何仍在飞船上的燃料。

换句话说，让我们想象一下你能以令人难以置信的速度从你的车里排出废气：每小时10万英里，相对于火箭本身。如果你从一个99%的初始质量是燃料的火箭开始，并且假设你的燃料是100%完全有效的，你最终的速度将达到46万英里每小时。即使以这个创纪录的速度，要到达最近的恒星也需要数千年的时间。

• ​所有曾经设想过的火箭都需要某种类型的燃料，但如果制造出暗物质引擎，只要在星系中穿行，就总能找到新的燃料。因为暗物质(大多数情况下)不与普通物质相互作用，而是直接穿过普通物质，所以在特定的空间中收集暗物质不会有任何困难；当你在星系中移动时，它总是在那里。

另一方面，星际旅行还有另一种方法，原则上可以让我们的科幻梦想成真。如果你不随身携带燃料，而是边走边收集呢？通常，像这样的想法涉及到巨大的磁场，它将带电粒子引导到宇宙飞船的某种“陷阱”中，把原子核和电子放在一起，然后可以从中提取能量，并与它们进行进一步的反应。

但是暗物质在这方面比普通物质具有巨大的优势。为什么？因为你不需要做任何特别的事情来收集它。它几乎无处不在，分布在一个巨大的光环中，环绕着我们所知的每一个大星系，包括银河系。如果我们发现自己在星系的任何地方，周围一定有暗物质。

• ​虽然恒星可能聚集在盘中，正常物质可能被限制在恒星周围的一个邻近区域，但暗物质在光晕中延伸的程度是发光部分的10倍以上。在人类梦想在银河系旅行的任何地方，甚至在更远的地方，都能找到它。

第二个巨大的优势来自于从化学火箭向完美燃料的转变。对于化学火箭来说，0.0001%的能源效率是我们所能期望的最高效率。对于以核为基础的火箭，核裂变动力可能使我们的效率提高到0.1%，核聚变可能使我们的效率进一步提高：也许提高到0.7%。

理想的配置是使用物质-反物质湮灭，这是100%的能源效率。物质-反物质湮灭的负面影响伴随着可怕的代价，尽管：它需要大量的工作，能量，和努力来创造非常少量的反物质。如果你把地球上建造的所有粒子物理实验室和人类创造的所有反物质加起来，从费米实验室到欧洲核子研究中心，你得到的反物质会少于一微克。

• ​欧洲核子研究中心反物质工厂的一部分，在那里带电的反物质粒子聚集在一起，根据与反质子结合的正电子的数量，可以形成正离子、中性原子或负离子。如果我们能成功地捕获并储存反物质，这将是一个100%有效的燃料来源，但星际旅行将需要大量反物质，而不是我们创造的一克的极小部分。

当然，E=mc^2可能是从整个宇宙中提取能量最有效的方法，因为它代表着完美的效率。但是，即使你成功地控制和储存了反物质，并在适当的时候消灭了它，你仍然会有有限的燃料供应，而这需要大量的能量来收集。一旦你用完了这种完美的燃料，你就完了，你所能做的就是以恒定的速度在太空中无限长时间地旅行。即使我们可以产生任意数量的反物质，我们仍然会受到反物质火箭的基本限制。

这就是暗物质燃料来源的前景如此诱人的原因。暗物质不仅可能是一种不受限制的燃料来源(就其丰富程度而言)，我们不需要随身携带，而且它可能具有我们强烈渴望的那种完美的、100%有效的物质到能量转换潜力。

• ​我们的星系被认为嵌在一个巨大的漫射暗物质晕中，这表明一定有暗物质流经太阳系。尽管我们还没有直接探测到暗物质，但它在我们银河系内外的大量存在，可能为我们提供了一个可以想象得到的完美火箭燃料的完美配方。

有大量的实验在寻找暗物质与正常物质和自身的碰撞。一般来说，宇宙中有两种粒子：费米子(自旋为半整数)和玻色子(自旋为整数)。如果暗物质是一个没有电、没有颜色、没有弱电荷的玻色子粒子，那就意味着它表现得像它自己的反粒子。

如果你能收集两个暗物质粒子并使它们相互作用，它们湮灭的概率是有限的。当湮灭发生时，它们将以100%有效的方式产生纯能量：通过爱因斯坦的E=mc^2。换句话说，如果我们正确地理解暗物质，人类梦想去的任何地方都有一个自由、无限的能量来源。

• ​氙实验位于意大利LNGS实验室的地下。探测器安装在一个大的水盾内;它旁边的建筑容纳了各种辅助子系统。如果我们能够理解并测量暗物质的粒子特性，我们或许能够创造条件，诱使暗物质自行湮灭，通过爱因斯坦的E=mc^2释放能量，并发现一种完美的宇宙飞船燃料。

因为暗物质无处不在，我们甚至不需要带着它穿越宇宙。就我们所理解的而言——诚然，我们需要更深入地理解它——暗物质能够真正实现我们的终极燃料之梦。它在我们的银河系内外都很丰富，它自身应该有一个非零湮灭截面;当它湮灭时，它应该以100%的效率产生能量。

那么，也许我们大多数人一直在思考的那些试图直接探测暗物质的实验都是错误的。是的，我们想知道是什么组成了宇宙，以及宇宙中各种丰富成分的物理性质究竟是什么。但如果大自然对我们友善，那么科幻小说中的梦想就有可能实现：无论我们去银河系的哪个地方，无限的、自由的能量都在那里等着我们去驾驭。

掌握暗物质是一种努力，也许能让它成为现实。