不速之客太空來(lái)

黃德揆

2001年3月23日，北京時(shí)間下午13時(shí)44分，全世界都在以驚詫、焦慮的心情等待著前蘇聯(lián)“和平”號(hào)空間站脫離地球衛(wèi)星軌道，結(jié)束其15年輝煌的科學(xué)研究生涯，悲壯隕落地面的歷程。高速墜落的這個(gè)人造實(shí)驗(yàn)室會(huì)不會(huì)引起山崩海嘯、會(huì)不會(huì)砸中人、會(huì)不會(huì)造成環(huán)境污染都是人們擔(dān)心的由來(lái)。

在此之前，盡管俄羅斯的科學(xué)家們進(jìn)行了最精確地規(guī)劃、計(jì)算和電腦模擬，認(rèn)為“和平”號(hào)空間站在整個(gè)墜毀過(guò)程中，引起意外事故的可能性是1／1000，但是“和平”號(hào)的墜毀還是引起了日本、南太平洋各島國(guó)和環(huán)境保護(hù)團(tuán)體的擔(dān)憂。原因在于這個(gè)長(zhǎng)33米、體積約4000立方米、重137噸的龐然大物是以7900米/秒的高速度脫離運(yùn)行軌道，從300多千米高的太空俯沖下來(lái)的，它與地球大氣磨擦產(chǎn)生的高溫達(dá)1500℃，所以船體很快會(huì)燃燒爆炸成許多碎片撒落在新西蘭與南美洲之間的海域，稍有不測(cè)，“和平”號(hào)的碎片就有可能撞到其他的地方，引起毀滅性的災(zāi)難。要知道，“和平”號(hào)著地時(shí)的碎片可穿透2米厚的混凝土。幸好一切都在俄羅斯科學(xué)家預(yù)料中，“和平”號(hào)空間站在世人矚目中完成了它最后的旅程，黑暗的南太平洋底又一次無(wú)奈地成為航天器的墳?zāi)?。不過(guò)，在地球漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷史當(dāng)中，遭受太空來(lái)客襲擊的事件經(jīng)常發(fā)生，地球上的生靈不是每一次都如“和平”號(hào)空間站墜毀這么幸運(yùn)的，悲劇時(shí)有發(fā)生，而這些都是有證可考的。

屢遭侵犯的地球

1999年7月7日，一顆突然闖進(jìn)地球引力場(chǎng)的小流星在新西蘭高空爆炸開(kāi)來(lái)，發(fā)出了奇異的、令當(dāng)?shù)鼐用裆返乃{(lán)色輝光，并把大量碎石拋向了地面。新西蘭國(guó)家天文臺(tái)的負(fù)責(zé)人菲爾德隨后證實(shí)，這顆流星是由金屬和石塊組成的，它的體積和一輛小型汽車相當(dāng)，幸運(yùn)的是這顆流星沒(méi)有撞到地面上的人，否則新西蘭人就不會(huì)像現(xiàn)在這樣輕松地談?wù)摯耸铝恕Ｒ驗(yàn)樵诿ＣＳ钪嬷?，做沒(méi)有休止的馬拉松長(zhǎng)跑的小流星、彗星、石頭等小天體，時(shí)常改變運(yùn)行軌道，掉頭沖向地球，很明顯，地球不是每次都能夠非常幸運(yùn)的避開(kāi)的。例如在6500萬(wàn)年以前，一顆直徑約10千米的小行星碰撞了我們地球，造成了恐龍的滅絕和恐龍時(shí)代的結(jié)束。1908年，發(fā)生在俄羅斯西伯利亞的通古斯大爆炸，經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的認(rèn)真分析和研究，已經(jīng)證實(shí)是一顆直徑約80米左右的小行星從太空直接沖刺到通古斯卡河谷，大碰撞產(chǎn)生的沖擊波摧毀了2000平方千米以內(nèi)的所有動(dòng)植物。天體物理學(xué)家考證認(rèn)為，30億年以來(lái)，小行星、彗星等小天體襲擊地球撞成直徑大于0.8千米的隕石坑超過(guò)15萬(wàn)個(gè)，直徑大于10千米的隕石坑有3000個(gè)，直徑大于30千米的也有200多個(gè)。美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在計(jì)算機(jī)上得出的最新模擬結(jié)果顯示，一顆直徑為5千米的隕石沖擊到地面，哪怕是濺落在大西洋中，僅產(chǎn)生的海嘯就足以淹沒(méi)美國(guó)東北沿海和法國(guó)、葡萄牙沿海地區(qū)，其能量之大可略見(jiàn)一斑。

沒(méi)有抵達(dá)終點(diǎn)的沖刺

現(xiàn)在科學(xué)家們開(kāi)始關(guān)注一個(gè)有趣的現(xiàn)象，這就是在向著地球俯沖過(guò)來(lái)的太空來(lái)客。這些太空來(lái)客在未抵達(dá)地面終點(diǎn)之前發(fā)生了爆炸，像1999年7月發(fā)生在新西蘭上空的小流星一樣，從而使我們這顆孕育有生命的地球，避免了一次次從天而降的大小災(zāi)難。太空來(lái)客在地球大氣層爆炸的天象，最早是一群分布在地球同步軌道上的間諜衛(wèi)星偶然拍攝記錄到的。這些間諜衛(wèi)星在3.6萬(wàn)千米高空，在監(jiān)視其他國(guó)家的軍事秘密時(shí)意外記錄到一些發(fā)強(qiáng)光的不明飛行物，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)分析確認(rèn)它們不是人造衛(wèi)星爆炸，而是一些尚未沖刺到地面的太空來(lái)客在大氣層燃燒爆炸的實(shí)況?？茖W(xué)家們的計(jì)算表明，在多數(shù)情況下這些太空來(lái)客爆炸產(chǎn)生的能量與幾枚戰(zhàn)術(shù)原子彈相當(dāng)。從1975年～1992年，美國(guó)的間諜衛(wèi)星共拍攝到136次流星在大氣層中爆炸的天象?？茖W(xué)家們的研究告訴我們，我們這個(gè)充滿生機(jī)的星球周圍，有一層稠密的大氣層屏障，所以高速撞來(lái)的太空來(lái)客，無(wú)論它是像“和平”號(hào)空間站那樣的人造航天器，還是像流星、彗星那樣的天外來(lái)客，都會(huì)遭遇到大氣層強(qiáng)有力的阻撓，都會(huì)因與空氣猛烈磨擦而產(chǎn)生極高的溫度，科學(xué)家們做過(guò)這樣的計(jì)算，以30千米/秒速度闖進(jìn)大氣層的流星，因?yàn)榕c大氣摩擦產(chǎn)生熱能，足以使流星溫度升高到4000℃，以接近8千米/秒速度進(jìn)入大氣層的“和平”號(hào)空間站，也會(huì)升溫到1500℃。再說(shuō)因劇烈摩擦造成的振動(dòng)，均是使太空來(lái)客在沖刺到地面終點(diǎn)前爆炸成碎片的催化劑。說(shuō)到這里，我們能不為時(shí)刻保護(hù)著地球生靈的大氣層感到慶幸嗎？地球周圍稠密的大氣不僅直接參與了孕育地球生命的過(guò)程，還在時(shí)時(shí)捍衛(wèi)著我們地球上的一切生命。

天體物理學(xué)家們的研究揭示，除了少數(shù)人造天體外，每天幾乎還有2000多個(gè)大大小小的石塊正對(duì)著地球沖過(guò)來(lái)，幸虧有大氣層屏障，使它們中大多數(shù)都在距離地面80千米～120千米處燃燒爆炸，能沖刺到地面終點(diǎn)的僅有千余顆，而且它們也被地球大氣磨礪得小多了，危險(xiǎn)性自然也大大降低。

沖出地球

當(dāng)人類剛剛步入20世紀(jì)時(shí)，空間科學(xué)的先驅(qū)、俄國(guó)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基已經(jīng)預(yù)言：“人類首先是小心翼翼的穿越大氣層，接著去征服太陽(yáng)系?！弊?0世紀(jì)50年代以來(lái)，第一顆人造地球衛(wèi)星進(jìn)入了地球軌道；接下來(lái)人類又飛出地球，將人類腳印永久地留在月球表面；在隨后的日子里，我們又將攜帶有地球人祝福的名片送向遙遠(yuǎn)的太空。在21世紀(jì)曙光照亮地球之時(shí)，由多個(gè)國(guó)家合作研制的太空國(guó)際空間站開(kāi)始緊鑼密鼓地進(jìn)行安裝、調(diào)試，事實(shí)證明，刻意飛出地球的人類，開(kāi)發(fā)和探索太空的決心是不可動(dòng)搖的。

人類要掙脫地球引力場(chǎng)束縛，飛出地球的關(guān)鍵問(wèn)題是物體運(yùn)動(dòng)速度要快，要比地球上大多數(shù)物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度都要快得多!為了比較清楚地說(shuō)明該問(wèn)題，我們看看世界上頂尖運(yùn)動(dòng)員在短跑中的速度是多少：10米/秒。這個(gè)速度快不過(guò)非洲獵豹，后者的速度為30米/秒，12級(jí)臺(tái)風(fēng)的速度是32米/秒，聲音的傳播速度是340米/秒，現(xiàn)代超音速飛機(jī)的速度為5倍音速，不久前剛剛墜毀的前蘇聯(lián)“和平”號(hào)空間站，接到地面指令后，是以7935米/秒的速度脫離衛(wèi)星軌道的，所以“和平”號(hào)的碎片到達(dá)地面時(shí)，可以擊穿2米厚的鋼筋混凝土。除“和平”號(hào)空間站外，以上述速度運(yùn)動(dòng)的任何物體，均不能穿越大氣層，當(dāng)然也就不能飛出地球了，最終都將會(huì)被地球引力拉回地面。因?yàn)橐霋昝摰厍蛞κ`，直奔太空的速度不能小于7900米/秒，科學(xué)家們把這個(gè)速度叫第一宇宙速度；要想和地球平起平坐，成為和地球一樣繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的人造行星，其運(yùn)動(dòng)速度則不能小于11200米/秒，科學(xué)家稱它為第二宇宙速度；人造飛船要想飛出太陽(yáng)系，必須達(dá)到16700米/秒，這是第三宇宙速度。迄今為止，人造航天器要想達(dá)到這些速度都是依靠液體燃料火箭燃燒時(shí)產(chǎn)生的巨大推力實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)今世界上各大航天中心，都是利用運(yùn)載火箭將人造衛(wèi)星、太空飛船送入地球同步軌道或太陽(yáng)系其他空間的。像國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)上的歐洲阿麗亞娜火箭、美國(guó)大力神火箭、俄羅斯質(zhì)子火箭及我國(guó)的長(zhǎng)征系列火箭，都是有競(jìng)爭(zhēng)力的運(yùn)載工具。當(dāng)然火箭的速度與光速相比仍然差之甚遠(yuǎn)，光的傳播速度為300000千米／秒，光1秒鐘可繞地球7.5圈，8分鐘就可從太陽(yáng)抵達(dá)地球。相對(duì)論發(fā)現(xiàn)者愛(ài)因斯坦曾經(jīng)預(yù)言：光速是不可能達(dá)到的，也就是說(shuō)，任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物體的速度均慢于光速。

未來(lái)的人造太空飛船要實(shí)現(xiàn)星際旅行，飛出太陽(yáng)系乃至銀河系，需要解決的還是速度問(wèn)題。速度提高了，困難就減少了?，F(xiàn)在的航天器，到達(dá)距離地球較近的火星，仍需要11個(gè)月的時(shí)間，單向行程為7億多千米。以這樣速度航行的宇宙飛船，要飛抵1億光年距離的行星，需要12000年的時(shí)間，這需要數(shù)百代人像參加接力賽一樣，一棒接一棒地去完成。在廣袤宇宙，1億光年的距離實(shí)在算不了什么！2000年底，天文學(xué)家在檢查哈勃望遠(yuǎn)鏡送回的照片時(shí)，又發(fā)現(xiàn)兩顆新行星，它們離地球的距離都在300光年左右。要是人類發(fā)明了光子火箭，使太空飛船和光比翼雙飛該有多好！經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的仔細(xì)計(jì)算，認(rèn)為光子火箭從理論上講是行得通的，定量計(jì)算也表明，太空飛船在宇宙中不斷以重力來(lái)加速，也就是以近似10m/s2的加速度緩慢加速，1年之后就可以達(dá)到光的速度。

乘坐這樣的飛船飛到銀河系中心，約6萬(wàn)光年距離，再返回地球也只要40年時(shí)光。如果宇航員真的遇到這樣的問(wèn)題，當(dāng)他走下飛船時(shí)，使他感到如丈二和尚摸不著頭腦的問(wèn)題是：地球時(shí)間不是過(guò)去了40年，而仍然是6萬(wàn)年！這就是相對(duì)論所預(yù)言的運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短效應(yīng)，速度越臨近光速，該效應(yīng)越明顯!以光速飛行，在實(shí)際上卻行不通，首先是太空道路的路況不明，宇宙中的恒星、行星我們可以不去考慮，因?yàn)樾切窃诳臻g的分布密度太小，不大可能對(duì)高速飛行的飛船造成傷害。太空飛船不論向哪個(gè)方向飛行，也都不大可能與星星碰撞。然而宇宙空間還有大大小小的石塊、小流星、宇宙灰塵，對(duì)以光速飛行的太空飛船來(lái)說(shuō)，它們都有可能成為攔路虎，太空船一旦發(fā)現(xiàn)它們，想避讓已來(lái)不及，惟一結(jié)果就是同歸于盡。

即使上述情況沒(méi)有發(fā)生，以光速飛行的太空船也無(wú)安全可言。雖說(shuō)宇宙空間真空度很高，但仍然存在單個(gè)分子、原子。科學(xué)家的粗略計(jì)算顯示，在1立方米宇宙空間中，至少有一個(gè)氫原子，它將使一艘以光速飛行的太空船在1秒鐘內(nèi)遭受到100億億個(gè)氫原子的“狂轟濫炸”，使太空船上的每一件物品都著火燃燒，因此人類根本不可能實(shí)現(xiàn)以光或很接近光的速度飛行。不僅如此，以1／10光速飛行都難以實(shí)現(xiàn)，太空船用這樣的速度飛行，風(fēng)險(xiǎn)仍然太大。它要是遇到一粒砂子，就相當(dāng)于引爆了一個(gè)1噸TNT的炸藥包，導(dǎo)致同歸于盡?？梢?jiàn)速度太快也是行不通的。

美國(guó)科學(xué)家斯蒂文·斯?fàn)査诡D是科羅多拉州鮑爾技術(shù)公司的專業(yè)技術(shù)顧問(wèn)，長(zhǎng)期從事航空航天科學(xué)的研究，他提出未來(lái)的太空飛船以1／500光速飛行，即以600千米/秒的高速度飛行比較符合實(shí)際。太空飛船以這樣的速度飛行，無(wú)論是從燃料消耗，還是從太空“路面”的承受條件看都行得通。以這個(gè)速度航行的太空船，到達(dá)哈勃望遠(yuǎn)鏡新發(fā)現(xiàn)的離地球約300光年的“近鄰”，需要15萬(wàn)年時(shí)間和4000代人進(jìn)行前赴后繼的航行，才可實(shí)施完成這樣浩大的系統(tǒng)工程。而且這樣的太空船至少有100萬(wàn)名乘客，太空艙內(nèi)要設(shè)有人造重力和體育文娛活動(dòng)場(chǎng)所。事實(shí)上，這樣的太空船就是一個(gè)“現(xiàn)代大觀園”，科學(xué)家估計(jì)研制如此高速度的航天器，需要耗資20萬(wàn)億美元，耗時(shí)5個(gè)世紀(jì)。

雖說(shuō)制造這樣的太空船可能還很遙遠(yuǎn)，但仍然是人類一個(gè)美好的、可能實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)!

成冠倫圖