4 空間和時(shí)間旅行①
齊然爾曼
自讀提示
這是一篇科普文章，以星際和星系之間的旅行為話題，闡釋了有關(guān)空間和時(shí)間旅行的知識(shí)。本文具有很強(qiáng)的科學(xué)性，又充滿了大膽的、甚至是神奇的想象，洋溢著熱愛科學(xué)、追求真理的執(zhí)著與熱情，閱讀時(shí)要認(rèn)真體會(huì)。
到其他行星上旅行
讓我們?cè)诘厍蛲ㄏ蛴钪嬷械娜魏涡行恰⒑阈呛托窍档挠钪娓咚俟飞祥_始我們的旅行。踩油門以60英里每小時(shí)的速度行駛，要用半年的時(shí)間才能到月球；在火星與地球間隔距離最近時(shí)（每26個(gè)月出現(xiàn)一次），要用 93年的時(shí)間才能達(dá)到火星；需要6800年的時(shí)間才能到達(dá)太陽(yáng)系最外處的冥王星。 半年的時(shí)間并不糟糕，然而又有誰(shuí)會(huì)花93年的時(shí)間去宇宙的某個(gè)地方？即使我們能到達(dá)火星，那時(shí)也得讓重孫原來(lái)安葬我們。到達(dá)冥王星需要6800年，相當(dāng)于最早的文明時(shí)代延續(xù)至今的年數(shù)。很顯然，以時(shí)速60英里的速度，不能進(jìn)行星際旅行。好在我們有時(shí)速更快的飛行器。
1947年，美國(guó)空軍飛行員查理斯·耶格爾首次突破聲音的障礙，以超過(guò)670英里每小時(shí)（1078公里）的速度飛行。 6年后，他創(chuàng)造了新的飛行紀(jì)錄，比以前的速度快2.5倍。在這之后，1969年“阿波羅 10號(hào)”指揮艙內(nèi)宇航員的速度為時(shí)速24791英里（39896公里），這是人類旅行的最高速度。不載人的宇宙飛船的速度更快。其中，以115200英里每小時(shí)（185391公里）或32英里每秒（51公里）的巡航速度繞太陽(yáng)飛行的美國(guó)宇航局的德國(guó)建造的太陽(yáng)神探測(cè)器是速度最快的宇宙飛船（在離太陽(yáng)最近時(shí)，速度可達(dá)到44英里每秒，但這個(gè)速度不是常量）。只有這個(gè)速度才能滿足我們到遙遠(yuǎn)星球上去的需要。因此，我們停好車，登上太陽(yáng)神探測(cè)器（其實(shí)我們無(wú)法登上這個(gè)無(wú)人駕駛的飛行器）。以32英里每秒的速度旅行，13分鐘可繞地球飛行一周，2小時(shí)到達(dá)月球，18天到達(dá)火星，3.5年到達(dá)冥王星。
到其他恒星上去
人類到其他恒星上去可不是一件大美差。半人馬座比鄰星是離我們最近的恒星（這里當(dāng)然不包括我們自己的太陽(yáng)）之一，與地球相距25萬(wàn)億英里遠(yuǎn)，即地球到冥王星距離的 7000倍。我們乘坐太陽(yáng)神探測(cè)器到達(dá)半人馬座比鄰星，要用25000年。我們星系中的其他恒星都比半人馬座遠(yuǎn)成百上千倍。其他星系就更遠(yuǎn)了。我們的銀河系有數(shù)百顆以巨大的螺旋形排列的恒星。我們所看到的空中的恒星只是該螺旋形的一部分。其他星系更遙遠(yuǎn)，若不用高倍望遠(yuǎn)鏡，就辨不出其中的各顆恒星（在宇宙的萬(wàn)億個(gè)星系中只有5個(gè)能夠用肉眼看到，它們?cè)谔炜罩蟹謩e只有一個(gè)小黑點(diǎn)）。
由于恒星和星系之間相距遙遠(yuǎn)，英里這一測(cè)量單位很快變得不實(shí)用。天文學(xué)家改用光年（ly）。光年是光在真空中傳播一年的距離，約為5.9萬(wàn)億英里（9.5萬(wàn)億公里）。半人馬座離地球約4.2光年，即從地球到半人馬座，光約需要4.2年。上面已談到，太陽(yáng)神探測(cè)器的速度是光速的千分之六，飛完這段距離需要25000年。光穿過(guò)銀河系的螺旋形，需要10萬(wàn)年；太陽(yáng)神探測(cè)器需要6億年。這個(gè)距離實(shí)在讓人吃驚。我們能夠在有生之年到達(dá)銀河系中最近的恒星嗎？
加快速度
顯而易見，即便以32英里每秒的速度進(jìn)行星際旅行還不夠快。光的速度最快，它在空間等真空的速度為每秒 186300英里（299800公里每秒）。問(wèn)題在于在連續(xù)的時(shí)間段要能夠提供足夠的推力。推力產(chǎn)生加速度，進(jìn)行星際旅行的飛船所需加速度為1個(gè)重力加速度（lg）或接近五個(gè)重力加速度，這是地球和物體之間的重力產(chǎn)生的自由落體加速度（不考慮空氣阻力）。這個(gè)速率為32英尺/秒（9.8米/秒2）。即巖石從高層建筑物上落下時(shí)，l秒鐘后速度達(dá)到五英尺/秒，2秒鐘后為64英尺/秒，3秒鐘后為96英尺/秒，依此類推每秒鐘增加 32英尺。如果飛船能做到以這個(gè)速率加速，一年后能達(dá)到光速！
但我們現(xiàn)在還做不到這一點(diǎn)。我們現(xiàn)在所用的化學(xué)推進(jìn)火箭不能提供完成遠(yuǎn)程飛行所需的推力�；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒是非核燃燒，燃料的燃燒效率很差，不能提供足夠力量�；鸺剂舷洳荒軘y帶足夠的燃料。 核推進(jìn)系統(tǒng)就強(qiáng)多了，而這種系統(tǒng)正在研究中。裂變反應(yīng)堆釋放能量的方式與原子彈和核電廠一樣，采用現(xiàn)代技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。它們提供的加速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光速的1％。在3－4星期中可到達(dá)地外行星，用400年的時(shí)間大批大半人馬座。
核聚變是實(shí)現(xiàn)核推進(jìn)的另一種更好的方法，這是太陽(yáng)、其他恒星和氫彈釋放能量的方式。遺憾的是，在受控核聚變中，現(xiàn)有技術(shù)也不能釋放足夠的能量。未來(lái)的宇宙飛船可能根本不必?cái)y帶燃料。例如，帆船或宇宙飛船配有直徑為數(shù)百英里的帆，在飛行過(guò)程中可以從太陽(yáng)風(fēng)（太陽(yáng)發(fā)出的高能、高速帶電粒子流）獲取能量。從理論上說(shuō)，這類宇宙飛船能達(dá)到飛往恒星所需的lg加速度。夢(mèng)想家們也在設(shè)計(jì)其他的異想天開的技術(shù)，例如物質(zhì)—反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)（一種能將在空間中廣泛分布的氫原子聚集和集中起來(lái)用作核燃料的新發(fā)明）。
即使我們能夠以光速或接近光速旅行，旅行范圍也限于我們?cè)谟猩昕蛇M(jìn)行探索的星體。在我們的銀河系中最遙遠(yuǎn)的恒星離我們8萬(wàn)光年。麥哲倫星云是離我們最近的星系，有約17萬(wàn)光年之遙。宇宙中最遙遠(yuǎn)的星系距地球約有150億光年。即使以光速旅行，也只能到達(dá)鄰近星系中的幾百個(gè)恒星。
難道只能如此嗎？未必！ 時(shí)間旅行
運(yùn)動(dòng)物體接近光速會(huì)出現(xiàn)令人費(fèi)解的現(xiàn)象。對(duì)隨光一起旅行的任何物體和人員來(lái)說(shuō)，時(shí)間慢了下來(lái)。這是愛因斯坦的狹義相對(duì)論的部分內(nèi)容，利用原子鐘進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。并非只有時(shí)鐘減慢，化學(xué)反應(yīng)和生物過(guò)程也減慢了。這一現(xiàn)象叫時(shí)間膨脹。
運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間變化不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。光速降到一半或四分之一時(shí)，時(shí)間變化率并沒(méi)有分別降到一半或四分之一。只有速度十分接近光速時(shí)，時(shí)間膨脹才明顯。時(shí)間膨脹成為現(xiàn)實(shí)，令人驚嘆不已。速度十分接近光速時(shí)，空間旅行者袁老的速度是沒(méi)有進(jìn)行旅行的人的千分之一或萬(wàn)分之一。在地球上已過(guò)去了10萬(wàn)年，而我們的空間冒險(xiǎn)者也許只長(zhǎng)了10歲。地球上已經(jīng)歷數(shù)代滄桑，文明已經(jīng)歷多次興衰，冰期出現(xiàn)又消失多次。這位空間冒險(xiǎn)者在空間僅度過(guò)10年。人類在時(shí)間膨脹中生活，生命好像暫時(shí)停止了，實(shí)際上能夠到遙遠(yuǎn)的恒星和其他星系中旅行。最主要的障礙是我們無(wú)法達(dá)到光速。
時(shí)間膨脹不僅為探索人類能力所不能及的宇宙提供了方法，它也是一種時(shí)間旅行（一種科學(xué)幻想活動(dòng)，指人離開現(xiàn)在而置身于未來(lái)或過(guò)去——譯注）。如果空間旅行者能活萬(wàn)歲，那么他們不就在未來(lái)旅行嗎，體驗(yàn)未來(lái)嗎？畢竟，他們?cè)凇斑^(guò)去”的9920年前就去世了（假定人的壽命為80歲）。
我們假定，時(shí)間膨脹的現(xiàn)象不是時(shí)間旅行——既不是未來(lái)時(shí)間的一部分，也不是過(guò)去時(shí)間的一部分。我們都知道即使用光速旅行也需要時(shí)間，旅行做不到即刻到達(dá)。例如，光從月球到地球需要1秒多鐘。陽(yáng)光到達(dá)地球需要約8分鐘。半人馬座比鄰星約光到達(dá)地球需要4.2年，M104星系的光到達(dá)地球，需要4000萬(wàn)年。我們抬頭看到的月亮是j秒多鐘之前的月亮，太陽(yáng)光是在8分鐘前出現(xiàn)的，半人馬座比鄰星閃爍的光是4.2年前的。用功能很強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡看到的 M104星系發(fā)出的光是4000萬(wàn)年前的。我們所見到的一切都是過(guò)去的。我們生活在過(guò)去。如果太陽(yáng)突然爆炸并消失，我們?nèi)阅芸吹剿诳罩杏殖掷m(xù)閃耀8分鐘。在這8分鐘內(nèi)，我們?nèi)允艿狡渲亓Φ挠绊憽?P>反之亦然。任何人從 M104星系來(lái)看地球，他所看到的是4000萬(wàn)年前的情景。
如果我們的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的能力無(wú)窮大，對(duì)過(guò)去能看到多遠(yuǎn)？宇宙的外緣約為150億光年之遙，即我們能看到這么遠(yuǎn)的過(guò)去。這是宇宙開始出現(xiàn)的時(shí)間，也就是常說(shuō)的創(chuàng)世大爆炸。也沒(méi)有比這更遙遠(yuǎn)的距離和過(guò)去了。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)尚不存在時(shí)間�；仡欉^(guò)去，我們看到的一切是炫目的白光，這種白光來(lái)自宇宙首次產(chǎn)生的光能。從技術(shù)上說(shuō)，白光出現(xiàn)時(shí)間是在創(chuàng)世大爆炸之后約30萬(wàn)年，這一點(diǎn)是站得住的。我們確實(shí)無(wú)法超過(guò)白光的范圍去看清楚每件事物的開始（天文學(xué)家所說(shuō)的注意到“宇宙的邊緣”時(shí)，并非指那么遠(yuǎn)。他們指的是創(chuàng)世大爆炸后的10億一20億年間，首批恒星和星系的形成）。
假定有一顆圍繞M104星系中的某顆恒星運(yùn)行的行星。這是一顆反射能力很強(qiáng)的行星，其表面是特別光滑和閃光的巖石。我們稱之為鏡子X行星。假定地球上的天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了功能很強(qiáng)大的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來(lái)收集鏡子X行星反射的光。就像您從鏡子中看到自己的形象一樣，地球上的天文學(xué)家把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)鏡子X時(shí)，能看到自己的反射的形象。但鏡子X必須是4000萬(wàn)光年之遙。光從地球到達(dá)鏡子X需要4000萬(wàn)年，然后從鏡子X到達(dá)X地球又需要的4000萬(wàn)年。這就是8000萬(wàn)年時(shí)間。
天文學(xué)家無(wú)法看到自己的反射形象；他們只能看到地球上到處出現(xiàn)的恐龍。那不是侏羅紀(jì)公園。
看到過(guò)去事物這種現(xiàn)象不是時(shí)間旅行。一些理論物理學(xué)家認(rèn)為我們能夠在時(shí)間上回到過(guò)去，但極其復(fù)雜，要設(shè)計(jì)出旋轉(zhuǎn)黑洞、白洞、蟲孔和超級(jí)繩索，能量比整個(gè)宇宙的能量可能還大。這肯定不是很近的將來(lái)會(huì)出現(xiàn)的技術(shù)，但現(xiàn)在可以作出大量的設(shè)想。
①選自《火星，我的第二家園》（江蘇人民出版社1998年版）李明譯。有刪節(jié)。本文由巴里·齊然爾曼和戴維·齊然爾曼合著，他們都是當(dāng)代科普作家。
練習(xí)
一 根據(jù)課文內(nèi)容概括：
l.什么是空間旅行？
2.什么是時(shí)間旅行？
二 篩選文中有關(guān)語(yǔ)句，回答下列問(wèn)題。
1.作者設(shè)想了哪些為飛船提供足夠推動(dòng)力的方法？
2.什么叫“時(shí)間膨脹”？
3.為什么說(shuō)時(shí)間膨脹“為探索人類能力所不能及的宇宙提供了方法”？