光子火箭的奇跡

尹懷勤

相信看過(guò)本期《那會(huì)是另一個(gè)“地球”嗎?》文章的讀者一定會(huì)有這樣的問(wèn)題：如果科學(xué)家在宇宙中發(fā)現(xiàn)有生命跡象存在的類地行星，如何去實(shí)地考察一番呢?如果行星的主人是高級(jí)智慧生命，那么地球人如何前去拜訪呢?這一切有待于光子火箭奇跡的產(chǎn)生。

2009年4月21日，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的邁克·馬約爾等人宣布，通過(guò)歐洲南方天文臺(tái)安裝在智利的3.6米太空望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量最小的太陽(yáng)系外類地行星。它雖然不適于地球上的生物生存，但是證明科學(xué)家們?cè)趯ふ蚁低忸惖匦行沁^(guò)程中正取得進(jìn)展。這一消息再次引起了人們對(duì)尋找系外類地行星和地外生命的興趣。

考慮到恒星對(duì)其行星孕育和存活生命的重要影響，此前科學(xué)家就認(rèn)為，只有類似太陽(yáng)的恒星才能使其位于宜居帶的類地行星孕育出生命。這樣的恒星約占銀河系3000億顆恒星的1％，即30億顆左右。而類日恒星中，擁有宜居帶類地行星的約占1／5，即近6億顆。據(jù)美國(guó)天文學(xué)家阿西莫夫推算，6億顆宜居帶類地行星中，可能具有智慧生物和文明社會(huì)的約近0.1％，即50多萬(wàn)顆。這是以太陽(yáng)系地球人類發(fā)展過(guò)程為依據(jù)得出的推論，真實(shí)情況如何，尚待未來(lái)的探測(cè)結(jié)果來(lái)證明。如果真的發(fā)現(xiàn)了地外文明，人類如何飛出太陽(yáng)系與其主人見(jiàn)面，這就涉及到航宇技術(shù)了。實(shí)際上，此乃航天深空探測(cè)下一步的創(chuàng)新范疇，最重要的是只有研制成功光子火箭，才能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)星球高級(jí)智慧生物的直接溝通。

光子火箭的基本原理

按照我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森的見(jiàn)解，人類在太陽(yáng)系內(nèi)的活動(dòng)稱為航天，而到太陽(yáng)系外的活動(dòng)則稱為航宇。由于銀河系恒星之間距離遙遠(yuǎn)，如有地外智慧生物被發(fā)現(xiàn)，人類要去探視他們，目前使用的火箭推進(jìn)技術(shù)就顯得速度太慢了，必須采用光子火箭作動(dòng)力、以接近光速的速度飛行才能實(shí)現(xiàn)。

光子火箭屬于非常規(guī)推進(jìn)技術(shù)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)星際航行的動(dòng)力裝置。它建立在正物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)立即發(fā)生質(zhì)量湮滅過(guò)程并產(chǎn)生大量光子流的原理上并被認(rèn)為可行。其發(fā)動(dòng)機(jī)依靠向后噴射的定向光子流而產(chǎn)生向前的反作用推力，在理論上具有最高的效能和比沖。換句話說(shuō)，光子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用光子作為工質(zhì)，當(dāng)光子流以每秒30萬(wàn)千米的速度向后噴射時(shí)，它在反作用力的推動(dòng)下，就能以接近光速或達(dá)到光速的速度向前運(yùn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的大量光子可從正物質(zhì)和反物質(zhì)連續(xù)發(fā)生的質(zhì)量湮滅過(guò)程中獲取。

科學(xué)家們?cè)O(shè)想中的以光子火箭為推進(jìn)動(dòng)力裝置的載人航宇飛船，主要由三部分組成。其最前端是座艙，裝有生命保障系統(tǒng)和必備的各種科學(xué)儀器，是航宇員工作和生活的場(chǎng)所；其中部是發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料貯箱，貯存作為推進(jìn)劑的正物質(zhì)和反物質(zhì)，箱體結(jié)構(gòu)必須密封可靠，不能有任何泄漏；其尾部是作用相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料室的大型凹面反射鏡，用來(lái)反射光子流，促其向后噴出，以產(chǎn)生反作用推力，推動(dòng)飛船高速前行。擬用氫和反氫作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑，分別貯存在高度密封的容器之中?；鸺龁?dòng)工作時(shí)，氫和反氫通過(guò)各自的導(dǎo)管被導(dǎo)向反射鏡的焦點(diǎn)處，兩者在此相遇而發(fā)生質(zhì)量湮滅，產(chǎn)生的光子流經(jīng)反射鏡反射噴向火箭后方，從而使飛船獲得向前的推動(dòng)力。氫和反氫發(fā)生湮滅時(shí)，兩者質(zhì)量全部消失，轉(zhuǎn)化成為光能放出。由于湮滅過(guò)程釋放的能量，比同樣質(zhì)量的氫發(fā)生熱核反應(yīng)產(chǎn)生的能量還要大1000倍，故而光子流能以每秒30萬(wàn)千米的速度向后噴射，使航宇飛船以接近光速的速度前行。

目前仍處于探索階段的光子火箭技術(shù)，雖然理論上可行，但是諸如如何獲取大量反物質(zhì)和怎樣貯存它們等問(wèn)題尚無(wú)法解決。只有等到科學(xué)家們攻克了這些難關(guān)之后，光子火箭才能在工程層面上予以實(shí)現(xiàn)，并被用作開(kāi)展恒星際問(wèn)載人航行的動(dòng)力裝置。

航宇飛行創(chuàng)造的奇跡

和任何重大技術(shù)發(fā)明與創(chuàng)新必然給人類生活來(lái)來(lái)重大影響一樣，光子火箭的問(wèn)世將會(huì)創(chuàng)造出出乎人們意料的奇跡。當(dāng)航宇員乘坐以光子火箭推進(jìn)的載人飛船在廣袤無(wú)垠的太空航行時(shí)，由于飛船速度接近或達(dá)到光速，其飛行時(shí)間和地面上生活的人們的時(shí)間長(zhǎng)短就不一樣了，兩者的計(jì)時(shí)值會(huì)出現(xiàn)巨大差異。這是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論揭示的時(shí)間也有相對(duì)性、時(shí)間隨速度變化而改變給出的答案。這種跡象在一般速度包括目前使用的運(yùn)載火箭飛行速度在內(nèi)的情況下都顯示不出來(lái)，只有在接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)才能明顯地體現(xiàn)出來(lái)。好在速度越高時(shí)間就變得越慢，不然的話，人類探視遙遠(yuǎn)的地外智慧生物的夙愿就只能停留在想象之中了。

飛船在極高速度的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，它上面的時(shí)間變慢情況是可以計(jì)算出來(lái)的。依照相對(duì)論給出的公式，若飛船上的鐘表測(cè)得的時(shí)間間隔為t₀，地面上的鐘表測(cè)得的時(shí)間間隔為t，則它們之間的關(guān)系是t=0₀／根號(hào)下1一(V／C)²，武中的v為飛船運(yùn)動(dòng)速度，c為每秒30萬(wàn)千米的光速。如此可知，飛船速度v數(shù)值越大，根號(hào)內(nèi)的數(shù)值越小，t₀的值也隨之變小。如v為O時(shí)，t₀=t；如v為光速的一半，即每秒15萬(wàn)千米時(shí)，t₀=0.866t；若v非常接近光速，比如為每秒29.97萬(wàn)千米時(shí)，t₀=0.045t。

相對(duì)論揭示的時(shí)間的相對(duì)性，在未來(lái)的恒星際航行中會(huì)引發(fā)怎樣的神奇景象呢?我們可以用設(shè)想的一個(gè)具體實(shí)例來(lái)說(shuō)明。假如今后在葛利斯581d上發(fā)現(xiàn)了高級(jí)智慧生物，人類派出兩名航宇員乘坐以光子火箭推進(jìn)的飛船去探訪，我們可以推演一下他倆的往返情況。由于目標(biāo)星體距離地球20.5光年，約194億萬(wàn)千米，當(dāng)飛船以非常接近于光速的0.9999999999c的速度飛行時(shí)，由計(jì)算可知，完成全程航行只需2.5小時(shí)。考慮到起飛后的加速和降落時(shí)的減速過(guò)程，單程飛行也就是3個(gè)小時(shí)。就是說(shuō)，兩名航宇員在地球上用過(guò)早點(diǎn)后上午8點(diǎn)動(dòng)身的話，11點(diǎn)即達(dá)目的地。葛利斯581d上的主人迎接后交談1小時(shí)到12點(diǎn)接待他倆午餐。下午1點(diǎn)半到5點(diǎn)雙方會(huì)談，互相介紹情況，以加深了解，然后共進(jìn)晚餐。到下午6點(diǎn)半，他倆握別主人，乘船返回，晚上9點(diǎn)半即可回到地球。雖然兩名航宇員僅僅感到只用了1天的時(shí)間，但是回到家后卻驚訝地發(fā)現(xiàn)，自已的子女已經(jīng)超過(guò)了自己的年齡，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)過(guò)去了41年的時(shí)間。這種“山中方一日，世上已千年”的境遇實(shí)在令人稱奇。

這種美好的前景，不僅促使人類不必為宇宙的浩瀚和本身生命的短促而嘆息，而且更增添了尋找地外文明并與之主人交往的勇氣。

責(zé)任編輯龐云