光速與時(shí)間的奇跡

□尹懷勤

光速與時(shí)間的奇跡

□尹懷勤

2011年12月5日，美國宇航局宣布，該局通過開普勒太空望遠(yuǎn)鏡，在太陽系外發(fā)現(xiàn)了第一顆最小的、類似地球的、可適合居住的行星——開普勒-22b。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，并進(jìn)而思考如果發(fā)現(xiàn)了地外文明，地球人怎樣與其交往的問題。實(shí)際上，此乃下一步航天深空探測的創(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。

新發(fā)現(xiàn)的類地宜居行星

這顆新發(fā)現(xiàn)的行星是通過凌日現(xiàn)象觀測到的。天文學(xué)上所講的凌日現(xiàn)象，是指一顆行星在觀測者面前經(jīng)過其環(huán)繞恒星時(shí)遮住部分光線而出現(xiàn)黑點(diǎn)影像的情景。地球上的人類用肉眼即能偶爾看到金星或水星運(yùn)行到地球和太陽之間時(shí)形成的凌日現(xiàn)象。為了確認(rèn)一顆新行星，科學(xué)家們必須觀測到其出現(xiàn)3次凌日事件。開普勒太空望遠(yuǎn)鏡于2009年3月發(fā)射升空，并最終定位于地球外側(cè)150萬千米的第二拉格郎日點(diǎn)，“上崗”收集數(shù)據(jù)后的第3天，科學(xué)家們就觀測到了該行星的首次凌日事件，第三次則發(fā)生于2010年12月。

開普勒-22b行星圍繞一顆類似太陽的名為G的恒星運(yùn)行，公轉(zhuǎn)周期為290天。該行星大小是地球的2.4倍，其所屬恒星距離地球600光年。它剛好位于其恒星宜居帶的正中，其表面溫度為溫和的22攝氏度，非常適宜生命存活。科學(xué)家們表示，由其所處位置推測，這顆行星表面還可能有液態(tài)水，而液態(tài)水被視為生命存在的關(guān)鍵指標(biāo)。宜居區(qū)所在的區(qū)域溫度不太高，也不太低，允許液態(tài)水存在。

但凌日觀察無法得出其質(zhì)量，因此天文學(xué)家們使用其他望遠(yuǎn)鏡來搜尋該行星的萬有引力使其恒星顫抖的信息，但迄今為止都沒有探測到這種顫抖，這意味著該行星的質(zhì)量一定不會(huì)大過地球質(zhì)量的36倍。美國宇航局開普勒計(jì)劃首席科學(xué)家比爾·博魯奇表示，這一質(zhì)量范圍意味著該行星上可能有很多巖石，并可能有水。地面觀測將于2012年年中進(jìn)行，以確定其質(zhì)量以及組成。

2011年5月和8月，科學(xué)家們已在另外兩顆恒星的宜居帶中發(fā)現(xiàn)了兩顆類地巖石行星，但其恒星都比太陽冷，且它們都不位于其恒星宜居帶的中央。專家們表示，直至目前已經(jīng)確認(rèn)了700多顆系外行星，但是僅有很少一部分位于宜居帶范圍之內(nèi)。其中位于宜居帶的類地行星僅有上述3顆，它們可能存在著生命。美國加州地外文明搜索研究所的吉爾·塔特表示，他們將使用艾倫望遠(yuǎn)鏡陣列來觀測新的地外行星，希望捕獲地外文明發(fā)出的信號(hào)。如果真的發(fā)現(xiàn)了地外文明，人類如何飛出太陽系與其主人交往？這就涉及到宇航技術(shù)和時(shí)間相對(duì)論的范疇了。

探索中的光子火箭

按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森的見解，人類在太陽系內(nèi)的活動(dòng)稱為航天，而到太陽系外的活動(dòng)則稱為宇航。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，目前使用的火箭推動(dòng)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)量湮滅過程并產(chǎn)生大量光子流的原理上而被認(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，光子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用光子作為工具，當(dāng)光子流以每秒30萬千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)量湮滅過程中獲取。

科學(xué)家們?cè)O(shè)想中的以光子火箭為動(dòng)力裝置的載人宇航飛船，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，是宇航員工作和生活的場所；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；其尾部是相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料室的大型凹面反射鏡，用來反射光子流，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30萬千米的速度向后噴射,使宇航飛船以接近光速的速度飛行。

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題尚無法解決。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)，并被用作開展恒星星際間載人航行的動(dòng)力裝置，實(shí)現(xiàn)人類對(duì)地外文明直接進(jìn)行訪問的愿望。

時(shí)間變慢的宇航飛行

光子火箭的問世將會(huì)創(chuàng)造出出乎人們意料的奇跡。當(dāng)宇航員乘坐以光子火箭推進(jìn)的載人飛船在廣袤無垠的太空航行時(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的理論所給出的答案。這種跡象在一般速度，包括目前使用的運(yùn)載火箭飛行速度中都顯示不出來，只有在接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)才能明顯地體現(xiàn)出來。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。0

相對(duì)論揭示的時(shí)間的相對(duì)性，在未來的恒星星際航行中會(huì)引發(fā)怎樣的神奇情況呢？我們可用新發(fā)現(xiàn)的類地行星作為設(shè)想的一個(gè)具體實(shí)例來說明。假如今后在開普勒-22b行星上發(fā)現(xiàn)了高級(jí)智慧生物，人類派出兩名宇航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600光年，約5676.48萬億千米，當(dāng)飛船以0.9999999999xc的速度飛行時(shí)，由計(jì)算可知，完成全程航行只需73小時(shí)?？紤]到起飛后的加速和降落時(shí)的減速過程，單程飛行也就是73.5個(gè)小時(shí)。這也就是說，兩名宇航員周一在地球上用過早點(diǎn)后上午8點(diǎn)動(dòng)身的話，周四的9點(diǎn)半即達(dá)目的地。開普勒-22b行星上的主人迎接后交談2.5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)談和游覽考察，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，他倆告別主人，乘船返回，到周日晚上8點(diǎn)即可回到地球。雖然兩名宇航員感到只用了7天時(shí)間，但是回到家后卻驚訝地發(fā)現(xiàn)，家鄉(xiāng)情況大變，己經(jīng)沒有自己認(rèn)識(shí)的人了，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)過去了1200年。這就出現(xiàn)了比古代神話小說描述的“天上方一日，地上已三年”的情景還要神奇的境遇。

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交往的勇氣。