4 空間和時間旅行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)空間和時間旅行的知識。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，閱讀時要認(rèn)真體會。
到其他行星上旅行
讓我們在地球通向宇宙中的任何行星、恒星和星系的宇宙高速公路上開始我們的旅行。踩油門以60英里每小時的速度行駛，要用半年的時間才能到月球；在火星與地球間隔距離最近時（每26個月出現(xiàn)一次），要用 93年的時間才能達(dá)到火星；需要6800年的時間才能到達(dá)太陽系最外處的冥王星。 半年的時間并不糟糕，然而又有誰會花93年的時間去宇宙的某個地方？即使我們能到達(dá)火星，那時也得讓重孫原來安葬我們。到達(dá)冥王星需要6800年，相當(dāng)于最早的文明時代延續(xù)至今的年數(shù)。很顯然，以時速60英里的速度，不能進(jìn)行星際旅行。好在我們有時速更快的飛行器。
1947年，美國空軍飛行員查理斯·耶格爾首次突破聲音的障礙，以超過670英里每小時（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”指揮艙內(nèi)宇航員的速度為時速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（185391公里）或32英里每秒（51公里）的巡航速度繞太陽飛行的美國宇航局的德國建造的太陽神探測器是速度最快的宇宙飛船（在離太陽最近時，速度可達(dá)到44英里每秒，但這個速度不是常量）。只有這個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，登上太陽神探測器（其實(shí)我們無法登上這個無人駕駛的飛行器）。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）之一，與地球相距25萬億英里遠(yuǎn)，即地球到冥王星距離的 7000倍。我們乘坐太陽神探測器到達(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（在宇宙的萬億個星系中只有5個能夠用肉眼看到，它們在天空中分別只有一個小黑點(diǎn)）。
由于恒星和星系之間相距遙遠(yuǎn)，英里這一測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5.9萬億英里（9.5萬億公里）。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，太陽神探測器的速度是光速的千分之六，飛完這段距離需要25000年。光穿過銀河系的螺旋形，需要10萬年；太陽神探測器需要6億年。這個距離實(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）。問題在于在連續(xù)的時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個重力加速度（lg）或接近五個重力加速度，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，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。火箭發(fā)動機(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。火箭燃料箱不能攜帶足夠的燃料。 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、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，在飛行過程中可以從太陽風(fēng)（太陽發(fā)出的高能、高速帶電粒子流）獲取能量。從理論上說，這類宇宙飛船能達(dá)到飛往恒星所需的lg加速度。夢想家們也在設(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在有生之年可進(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8萬光年。麥哲倫星云是離我們最近的星系，有約17萬光年之遙。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恒星。
難道只能如此嗎？未必！ 時間旅行
運(yùn)動物體接近光速會出現(xiàn)令人費(fèi)解的現(xiàn)象。對隨光一起旅行的任何物體和人員來說，時間慢了下來。這是愛因斯坦的狹義相對論的部分內(nèi)容，利用原子鐘進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。并非只有時鐘減慢，化學(xué)反應(yīng)和生物過程也減慢了。這一現(xiàn)象叫時間膨脹。
運(yùn)動速度和時間變化不是簡單的線性關(guān)系。光速降到一半或四分之一時，時間變化率并沒有分別降到一半或四分之一。只有速度十分接近光速時，時間膨脹才明顯。時間膨脹成為現(xiàn)實(shí)，令人驚嘆不已。速度十分接近光速時，空間旅行者袁老的速度是沒有進(jìn)行旅行的人的千分之一或萬分之一。在地球上已過去了10萬年，而我們的空間冒險(xiǎn)者也許只長了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10年。人類在時間膨脹中生活，生命好像暫時停止了，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法達(dá)到光速。
時間膨脹不僅為探索人類能力所不能及的宇宙提供了方法，它也是一種時間旅行（一種科學(xué)幻想活動，指人離開現(xiàn)在而置身于未來或過去——譯注）。如果空間旅行者能活萬歲，那么他們不就在未來旅行嗎，體驗(yàn)未來嗎？畢竟，他們在“過去”的9920年前就去世了（假定人的壽命為80歲）。
我們假定，時間膨脹的現(xiàn)象不是時間旅行——既不是未來時間的一部分，也不是過去時間的一部分。我們都知道即使用光速旅行也需要時間，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4000萬年。我們抬頭看到的月亮是j秒多鐘之前的月亮，太陽光是在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4000萬年前的。我們所見到的一切都是過去的。我們生活在過去。如果太陽突然爆炸并消失，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星系來看地球，他所看到的是4000萬年前的情景。
如果我們的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的能力無窮大，對過去能看到多遠(yuǎn)？宇宙的外緣約為150億光年之遙，即我們能看到這么遠(yuǎn)的過去。這是宇宙開始出現(xiàn)的時間，也就是常說的創(chuàng)世大爆炸。也沒有比這更遙遠(yuǎn)的距離和過去了。事實(shí)上，當(dāng)時尚不存在時間。回顧過去，我們看到的一切是炫目的白光，這種白光來自宇宙首次產(chǎn)生的光能。從技術(shù)上說，白光出現(xiàn)時間是在創(chuàng)世大爆炸之后約30萬年，這一點(diǎn)是站得住的。我們確實(shí)無法超過白光的范圍去看清楚每件事物的開始（天文學(xué)家所說的注意到“宇宙的邊緣”時，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)鏡對準(zhǔn)鏡子X時，能看到自己的反射的形象。但鏡子X必須是4000萬光年之遙。光從地球到達(dá)鏡子X需要4000萬年，然后從鏡子X到達(dá)X地球又需要的4000萬年。這就是8000萬年時間。
天文學(xué)家無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。
看到過去事物這種現(xiàn)象不是時間旅行。一些理論物理學(xué)家認(rèn)為我們能夠在時間上回到過去，但極其復(fù)雜，要設(shè)計(jì)出旋轉(zhuǎn)黑洞、白洞、蟲孔和超級繩索，能量比整個宇宙的能量可能還大。這肯定不是很近的將來會出現(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？
2.什么是時間旅行？
二 篩選文中有關(guān)語句，回答下列問題。
1.作者設(shè)想了哪些為飛船提供足夠推動力的方法？
2.什么叫“時間膨脹”？
3.為什么說時間膨脹“為探索人類能力所不能及的宇宙提供了方法”？