4 空间和时间旅行①

齐然尔曼

自读提示

这是一篇科普文章，以星际和星系之间的旅行为话题，阐释了有关空间和时间旅行的知识。本文具有很强的科学性，又充满了大胆的、甚至是神奇的想象，洋溢着热爱科学、追求真理的执着与热情，阅读时要认真体会。

到其他行星上旅行

让我们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开始我们的旅行。踩油门以60英里每小时的速度行驶，要用半年的时间才能到月球；在火星与地球间隔距离最近时（每26个月出现一次），要用 93年的时间才能达到火星；需要6800年的时间才能到达太阳系最外处的冥王星。 半年的时间并不糟糕，然而又有谁会花93年的时间去宇宙的某个地方？即使我们能到达火星，那时也得让重孙原来安葬我们。到达冥王星需要6800年，相当于最早的文明时代延续至今的年数。很显然，以时速60英里的速度，不能进行星际旅行。好在我们有时速更快的飞行器。

1947年，美国空军飞行员查理斯·耶格尔首次突破声音的障碍，以超过670英里每小时（1078公里）的速度飞行。 6年后，他创造了新的飞行纪录，比以前的速度快2.5倍。在这之后，1969年“阿波罗 10号”指挥舱内宇航员的速度为时速24791英里（39896公里），这是人类旅行的最高速度。不载人的宇宙飞船的速度更快。其中，以115200英里每小时（185391公里）或32英里每秒（51公里）的巡航速度绕太阳飞行的美国宇航局的德国建造的太阳神探测器是速度最快的宇宙飞船（在离太阳最近时，速度可达到44英里每秒，但这个速度不是常量）。只有这个速度才能满足我们到遥远星球上去的需要。因此，我们停好车，登上太阳神探测器（其实我们无法登上这个无人驾驶的飞行器）。以32英里每秒的速度旅行，13分钟可绕地球飞行一周，2小时到达月球，18天到达火星，3.5年到达冥王星。

到其他恒星上去

人类到其他恒星上去可不是一件大美差。半人马座比邻星是离我们最近的恒星（这里当然不包括我们自己的太阳）之一，与地球相距25万亿英里远，即地球到冥王星距离的 7000倍。我们乘坐太阳神探测器到达半人马座比邻星，要用25000年。我们星系中的其他恒星都比半人马座远成百上千倍。其他星系就更远了。我们的银河系有数百颗以巨大的螺旋形排列的恒星。我们所看到的空中的恒星只是该螺旋形的一部分。其他星系更遥远，若不用高倍望远镜，就辨不出其中的各颗恒星（在宇宙的万亿个星系中只有5个能够用肉眼看到，它们在天空中分别只有一个小黑点）。

由于恒星和星系之间相距遥远，英里这一测量单位很快变得不实用。天文学家改用光年（ly）。光年是光在真空中传播一年的距离，约为5.9万亿英里（9.5万亿公里）。半人马座离地球约4.2光年，即从地球到半人马座，光约需要4.2年。上面已谈到，太阳神探测器的速度是光速的千分之六，飞完这段距离需要25000年。光穿过银河系的螺旋形，需要10万年；太阳神探测器需要6亿年。这个距离实在让人吃惊。我们能够在有生之年到达银河系中最近的恒星吗？

加快速度

显而易见，即便以32英里每秒的速度进行星际旅行还不够快。光的速度最快，它在空间等真空的速度为每秒 186300英里（299800公里每秒）。问题在于在连续的时间段要能够提供足够的推力。推力产生加速度，进行星际旅行的飞船所需加速度为1个重力加速度（lg）或接近五个重力加速度，这是地球和物体之间的重力产生的自由落体加速度（不考虑空气阻力）。这个速率为32英尺/秒（9.8米/秒2）。即岩石从高层建筑物上落下时，l秒钟后速度达到五英尺/秒，2秒钟后为64英尺／秒，3秒钟后为96英尺/秒，依此类推每秒钟增加 32英尺。如果飞船能做到以这个速率加速，一年后能达到光速！

但我们现在还做不到这一点。我们现在所用的化学推进火箭不能提供完成远程飞行所需的推力。火箭发动机中的燃烧是非核燃烧，燃料的燃烧效率很差，不能提供足够力量。火箭燃料箱不能携带足够的燃料。 核推进系统就强多了，而这种系统正在研究中。裂变反应堆释放能量的方式与原子弹和核电厂一样，采用现代技术就可以实现。它们提供的加速度将远远高于光速的1％。在3－4星期中可到达地外行星，用400年的时间大批大半人马座。

核聚变是实现核推进的另一种更好的方法，这是太阳、其他恒星和氢弹释放能量的方式。遗憾的是，在受控核聚变中，现有技术也不能释放足够的能量。未来的宇宙飞船可能根本不必携带燃料。例如，帆船或宇宙飞船配有直径为数百英里的帆，在飞行过程中可以从太阳风（太阳发出的高能、高速带电粒子流）获取能量。从理论上说，这类宇宙飞船能达到飞往恒星所需的lg加速度。梦想家们也在设计其他的异想天开的技术，例如物质—反物质发动机（一种能将在空间中广泛分布的氢原子聚集和集中起来用作核燃料的新发明）。

即使我们能够以光速或接近光速旅行，旅行范围也限于我们在有生之年可进行探索的星体。在我们的银河系中最遥远的恒星离我们8万光年。麦哲伦星云是离我们最近的星系，有约17万光年之遥。宇宙中最遥远的星系距地球约有150亿光年。即使以光速旅行，也只能到达邻近星系中的几百个恒星。

难道只能如此吗？未必！ 时间旅行

运动物体接近光速会出现令人费解的现象。对随光一起旅行的任何物体和人员来说，时间慢了下来。这是爱因斯坦的狭义相对论的部分内容，利用原子钟进行的实验证明了这一点。并非只有时钟减慢，化学反应和生物过程也减慢了。这一现象叫时间膨胀。

运动速度和时间变化不是简单的线性关系。光速降到一半或四分之一时，时间变化率并没有分别降到一半或四分之一。只有速度十分接近光速时，时间膨胀才明显。时间膨胀成为现实，令人惊叹不已。速度十分接近光速时，空间旅行者袁老的速度是没有进行旅行的人的千分之一或万分之一。在地球上已过去了10万年，而我们的空间冒险者也许只长了10岁。地球上已经历数代沧桑，文明已经历多次兴衰，冰期出现又消失多次。这位空间冒险者在空间仅度过10年。人类在时间膨胀中生活，生命好像暂时停止了，实际上能够到遥远的恒星和其他星系中旅行。最主要的障碍是我们无法达到光速。

时间膨胀不仅为探索人类能力所不能及的宇宙提供了方法，它也是一种时间旅行（一种科学幻想活动，指人离开现在而置身于未来或过去——译注）。如果空间旅行者能活万岁，那么他们不就在未来旅行吗，体验未来吗？毕竟，他们在“过去”的9920年前就去世了（假定人的寿命为80岁）。

我们假定，时间膨胀的现象不是时间旅行——既不是未来时间的一部分，也不是过去时间的一部分。我们都知道即使用光速旅行也需要时间，旅行做不到即刻到达。例如，光从月球到地球需要1秒多钟。阳光到达地球需要约8分钟。半人马座比邻星约光到达地球需要4.2年，M104星系的光到达地球，需要4000万年。我们抬头看到的月亮是j秒多钟之前的月亮，太阳光是在8分钟前出现的，半人马座比邻星闪烁的光是4.2年前的。用功能很强的望远镜看到的 M104星系发出的光是4000万年前的。我们所见到的一切都是过去的。我们生活在过去。如果太阳突然爆炸并消失，我们仍能看到它在空中又持续闪耀8分钟。在这8分钟内，我们仍受到其重力的影响。

反之亦然。任何人从 M104星系来看地球，他所看到的是4000万年前的情景。

如果我们的光学望远镜的能力无穷大，对过去能看到多远？宇宙的外缘约为150亿光年之遥，即我们能看到这么远的过去。这是宇宙开始出现的时间，也就是常说的创世大爆炸。也没有比这更遥远的距离和过去了。事实上，当时尚不存在时间。回顾过去，我们看到的一切是炫目的白光，这种白光来自宇宙首次产生的光能。从技术上说，白光出现时间是在创世大爆炸之后约30万年，这一点是站得住的。我们确实无法超过白光的范围去看清楚每件事物的开始（天文学家所说的注意到“宇宙的边缘”时，并非指那么远。他们指的是创世大爆炸后的10亿一20亿年间，首批恒星和星系的形成）。

假定有一颗围绕M104星系中的某颗恒星运行的行星。这是一颗反射能力很强的行星，其表面是特别光滑和闪光的岩石。我们称之为镜子X行星。假定地球上的天文学家已经发明了功能很强大的大型光学望远镜来收集镜子X行星反射的光。就像您从镜子中看到自己的形象一样，地球上的天文学家把望远镜对准镜子X时，能看到自己的反射的形象。但镜子X必须是4000万光年之遥。光从地球到达镜子X需要4000万年，然后从镜子X到达X地球又需要的4000万年。这就是8000万年时间。

天文学家无法看到自己的反射形象；他们只能看到地球上到处出现的恐龙。那不是侏罗纪公园。

看到过去事物这种现象不是时间旅行。一些理论物理学家认为我们能够在时间上回到过去，但极其复杂，要设计出旋转黑洞、白洞、虫孔和超级绳索，能量比整个宇宙的能量可能还大。这肯定不是很近的将来会出现的技术，但现在可以作出大量的设想。

①选自《火星，我的第二家园》（江苏人民出版社1998年版）李明译。有删节。本文由巴里·齐然尔曼和戴维·齐然尔曼合著，他们都是当代科普作家。

练习

一 根据课文内容概括：

l.什么是空间旅行？

2.什么是时间旅行？

二 筛选文中有关语句，回答下列问题。

1.作者设想了哪些为飞船提供足够推动力的方法？

2.什么叫“时间膨胀”？

3.为什么说时间膨胀“为探索人类能力所不能及的宇宙提供了方法”？