展望未来宇宙探索

从量天尺看宇宙的大小   泡沫状结构宇宙  有限无边的宇宙   速度战胜距离

无法以超光速航行   天上方数日,人间几千年   人造重力真神奇

1g加速宇宙航行   冲压喷气宇宙飞船   漆黑的宇宙背景   宇宙蜃景的蹊跷

宇宙礼花好壮观   喜见星虹和光塔   宇宙航行无易事 宇宙航行无小船   宇宙航行无私心

参考影视:宇宙探索

从量天尺看宇宙的大小

 

  谈宇宙航行,就得了解宇宙。

  什么叫宇宙?按我们老祖宗的解释就是空间和时间的总和,这在现代物理学中就是四维时空(三维空间加一维时间)。

  时空是在物质的变化和运动中体现出来的。现代宇宙观认为,宇宙是在100-200亿年前的一次大爆炸中诞生的,从而也诞生了时间、空间和物质。爱因斯坦广义相对论就是研究时间、空间和物质之间相互关系的学说。他的结论是,物质使时空弯曲、弯曲时空告诉物质如何运动。

  宇宙无所不包,内涵太丰富了,这里无法说清其万一,仅就与宇宙航行密不可分的宇宙的大小、宇宙的结构和宇宙的形状稍作说明。

  不过,宇宙的大小仍然是一个难以说准确的、十分茫然的问题。为便于理解,我们从科学家订定的“量天尺”来看宇宙的大小。

  在地球上,我们用“千米”来量距离和长度,北京到上海的航线距离为1178千米,地球的半径为6378千米。但是,离开地球到太阳系空间,“千米”这把尺子用起来就很不方便,如冥王星到太阳的平均距离为5900224000千米,以彗星活动范围计算太阳系的半径为34410000000000千米,这真是个天文数字。于是,科学家便采用另一把尺子来量天,叫“天文单位”,就是以地球到太阳的平均距离149600000千米为1天文单位。这样,冥王星到太阳的距离为39.44天文单位,以彗星活动范围计算的太阳系半径为23万天文单位。

  但是,冲出太阳系到银河系空间,“天文单位”这把尺子用起来又不方便了,如离太阳最近的恒星比邻星的距离也有约265600天文单位,而银河系的直径达6324000万天文单位。于是,科学家又启用一把新的量天尺,叫“光年”,就是光行进1年的距离。我们知道,光行进的速度为30万千米/秒,那么,1光年的距离为94608亿千米或63240天文单位。这样,太阳与比邻星的距离为4.2光年,银河系的直径约10万光年。

  那么,以光年计算,宇宙的尺度有多大?目前还无人能说准确。不过以理论说,既然宇宙是在100-200亿年前的大爆炸中诞生的,空间从零以光速扩展,光是球形传播的,那么,现在宇宙的半径尺度应是100-200亿光年。实际情况是不是这样,还不得而知。

泡沫状结构宇宙

 

 

 

 开车要了解路况,在江河湖海上航行要了解航线情况,宇宙航行同样要了解宇宙中物质的分布情况。

  在宇宙大爆炸中形成的物质,主要是氢和氦,它们开始弥漫在宇宙中。随着宇宙的膨胀和温度的逐渐降低,在重力作用下收缩成一大团一大团氢氦云。重力作用下的继续收缩,大云团逐渐分裂成较小的云团,物质密度逐渐增加,云团因相互之间的重力作用而旋转。这样不断分裂—收缩,在氢氦云团的内部,因物质重力作用的相互挤压,温度不断升高,当温度升高到能使氢发生聚变反应时,它便成为一颗恒星。有些恒星在旋转中甩出一些物质,则逐渐集合成行星和卫星。宇宙中的主要可见物质,就是这些恒星,以及由它演变而来的其它天体,如黑洞等。宇宙中物质的这种发展过程,形成宇宙的泡沫状大结构。

  这里,要从探测的角度,倒着来说宇宙的泡沫状大结构。太阳是颗单星,但宇宙中的多数恒星常常是两颗、三四颗、十几颗到几十万颗聚集在一起,分别叫双星、聚星和星团。所以恒星并不是均匀分布在宇宙中的。

  单星、双星、聚星和星团也不是均匀分布的,它们分别聚集在一起形成星系,任凭宇宙膨胀也不散开。太阳所在星系叫银河系,共有1000多亿颗恒星,其中包括约1000个星团。

  在宇宙中,共有1000多亿个像银河系这样的星系,此外还有一些独立的星团和星云。星系和独立的星团、星云还不是均匀分布的,它们又分别聚集成星系群或星系团。银河系所在的叫本星系群,半径约300万光年。

  星系群和星系团仍不是均匀分布的,它们又分别聚集成超星系团。本星系群属本超星系团,半径约3亿光年。

  探测表明,超星系团还不是最大的群体,在距银河系约2亿光年的地方有一个巨大的引力源在牵引着本超星系团。这个大牵引者可能是许多超星系团组成的超星系团集团。

有限无边的宇宙

 

  在宇宙中航行,应该了解宇宙的空间是有限的还是无限的,能否航行到宇宙的边缘。实际上这就是宇宙的形状问题。

  既然宇宙是在大爆炸中诞生的,那么,它的体积一定是有限的,因为光速虽然很快,但它仍然是有限的,光从大爆炸开始那一刻开始向四周传播,迄今只能达到一个有限的距离。

  既然光是向四周球形传播的,那么,宇宙很可能是球形的。

  如果宇宙是球形的,那么,它就是有限无边的。“有限无边”,这是许多科学家认为的宇宙的可能形状。

  我们可用地球表面来理解“有限无边”的含义。地球的表面积当然是有限的,这通过地球半径的长度数据,很容易就可计算出来。但是,地球表面又是没有边缘的,我们从地球表面上的任何一点向任何方向前进,在回到出发点的整个过程中,没有发现地球有任何边缘。我国古人将海南岛的天涯海角称之为大地的边缘,其实那只是陆地与海洋的分界线。如果到了那里以后,改乘船只继续沿原来的方向前进,仍然可以回到出发地。

  宇宙的“有限无边”与此同理,只不过地球表面是二维平面,宇宙是三维空间而已。在一个球体的内部,不管从哪一点向哪个方向前进,理论上也可以回到原来的出发点。

  符合“有限无边”条件的形状,并不只有球形一种,轮胎形和克莱因瓶形也符合“有限无边”的条件。宇宙到底是什么形状的,需要科学家努力从理论上去揭示。

  不过,“不识庐山真面目,只缘身在此山中”,人类永远无法用直接观测的方法将宇宙的形状“尽收眼底”。人类在冲出地球大气层进行航天活动时,回望地球,可以真真切切地证实地球是球形的。但对宇宙却不能,因为我们的时空不能延伸到我们的宇宙之外,我们永远不能跳到我们的宇宙之外去观看我们的宇宙是什么样子的。好在对宇宙航行来说,我们了解我们的宇宙是“有限无边”的就足够了。

 

速度战胜距离

 

  宇宙航行始终如一的一个依靠就是速度。人类先是用运载火箭产生的宇宙速度战胜地球引力,冲出地球大气层,进入太阳系空间活动,实现了宇宙航行第一阶段——航天的梦想。要冲出太阳系,在银河系乃至河外星系活动,将航宇的理想变成现实,依靠的仍然是速度,就是要以更高的速度去战胜星球之间的巨大距离。

  虽然地球引力和宇宙的广阔距离都依靠速度去战胜,但所需要的这两种速度是不能同日而语的。我们知道,克服地球引力的束缚,使载人飞船绕地球飞行的第一宇宙速度为7.9千米/秒;摆脱地球引力而飞离地球,环绕太阳飞行的第二宇宙速度为11.2千米/秒;理论上摆脱太阳引力的束缚,飞出太阳系的第三宇宙速度为16.7千米/秒。但是,实际上以第三宇宙速度是无法实现航宇理想的。

  我们知道,离太阳最近的恒星是半人马座比邻星,它们之间的距离为4.2光年,如果以第三宇宙速度航行,约需要8万年。而要飞出银河系更是不可能,因为离银河系最近的河外星系是仙女座星系,两者之间的距离为230万光年,以第三宇宙速度飞行需要430多亿年!

  怎么办?惟一的办法就是极大地提高速度,让宇宙飞船以接近光速(30万千米/秒)的速度航行。

  怎样提高速度?且不说目前还没有办法让宇宙飞船从地面起飞后很快就达到接近光速的速度,即使可能也不能采用,因为巨大的加速过载会立即使人“命丧飞船”。其实,宇宙飞船的结构也不能经受那种加速过载。

  解决的办法是让飞船在航程中逐渐加速。那么,用什么能源和动力设备使宇宙飞船加速呢?热化学能火箭显然不可能,因为它的效能低、作用时间短、质量大,要装载能将宇宙飞船加速到近光速的推进剂,其数量之大是飞船所无法承载的。因此,只能采用效能高、作用时间长和质量小的能源和动力设备。如核能火箭发动机、太阳能火箭发动机和反物质能火箭发动机,以及激光帆和微波帆等等。

  如果能在几年、十几年或几十年时间内将宇宙飞船加速到接近光速的速度,那么,就只要几年、十几年或几十年的时间就可飞到比邻星近旁了。飞到分别距太阳8.7、16.63和26.3光年的天狼星、牛郎星和织女星,也只不过十几年或几十年时间。当然,飞到仙女座星系仍需要230多万年。

  怎么办?是否能继续提高速度,让宇宙飞船以超光速航行呢?

 

无法以超光速航行

  人们希望宇宙飞船能以超光速航行,以便彻底战胜宇宙的辽阔尺度,实现航宇的理想。但这个美好的愿望与现实存在着巨大的鸿沟。

  是什么现实阻挡了这个美好愿望的实现?

  这个现实就是爱因斯坦狭义相对论的一个重要推论:质量与能量等价。一切物质都潜藏着质量(M)乘以光速(C)平方的能量(E),即著名方程E=MC2。一个静止的物体,它的所有能量都包含在它的静止质量中;物体一旦运动,就会产生动能,这个动能也会加到质量上去,运动速度越高,动能越高,物体质量越大。

  质能等价是现实吗?日本高能物理研究所曾用加速器将电子加速到光速的99.999999987%,结果,电子的质量比静止时增加6万倍。欧洲基本粒子研究中心用加速器将电子加速到光速的99.999999996%,电子质量增加10万倍,验证了质量与能量等价是一个现实。在自然界也有质能等价的事例。如铀原子核在裂变为两个较轻的原子核时,它们的质量之和比铀核小,正是损失了的那些质量转变成了巨大的能量。再如在太阳内部的氢聚变反应中,每秒钟有400万吨质量转变成能量,以光和热的形式辐射出来。还有,宇宙线与高层地球大气作用产生的一种叫μ介子的粒子,它本来只能存在50万分之一秒就会衰变,由于高速运动,它实际上可存在万分之一秒,寿命增加50倍。

  那么,质能等价是如何不允许宇宙飞船以超光速航行的呢?由于能量与质量等价,物体运动中所具有的能量,会加到它的质量上去,也就是说,运动会使质量增加。远低于光速的物质运动,其质量的增加微乎其微,如以10%光速运动的物体,质量只增加0.5%,这没有实际意义。但随着运动速度接近光速,其意义就显现出来了,如达到90%的光速时,其质量增加1倍多。如要保持原来的加速度值,则需要更多的能量。随着速度趋近于光速,质量随速度的增加而直线上升。到无限接近光速时,质量则趋向无限大。要加速这质量无限大的物体,则需要无限多的能量。因此,任何物体(当然也包括宇宙飞船)的运动速度,永远不可能达到光速,更不可能超过光速。只有质量为零的粒子(如光子)才能以光速运动。

  当然,有人认为超光速是可能的。只能另作讨论了。

 

天上方数日,人间几千年

  由于质量与能量等价,使宇宙飞船无法以超光速航行,这是不是说,爱因斯坦的狭义相对论阻断了宇宙航行之路?不,正好相反,正是狭义相对论开通了宇宙航行之路。

  且不说无法创造超光速的速度,即使可以,超光速几倍、十几倍、上万倍也是于事无补的。因这样到最近的仙女座星系,仍需要几百、几十万和上百万年,更不必奢望穷极宇宙了。

 

  爱因斯坦狭义相对论虽然断言宇宙中物质的运动以光速为极限,任何物体的运动速度都不可能达到光速,但当一个物体高速运动时,会产生一种速度效应,即运动的尺子会变长,时钟会变慢;而对相对静止的物体来说,长度则收缩,时间则膨胀。运动速度越高,速度效应越显著,当无限接近光速时,运动的尺子变得无限长,运动的时钟几乎停摆;相对静止的物体则长度收缩为零,时间膨胀为无限大。

  速度效应是事实吗?是的,前面提到的μ介子就是自然界的证据。天然的μ介子一般在离地面10千米高度上生成,按光速飞行计算,在它衰变之前只能走过600米的距离,远不能到达地面。但由于速度效应使时间膨胀(寿命延长),它实际上能到达地面。物理学家还将μ介子放在粒子加速器中进行加速实验,也使它的寿命延长了几十倍。其它粒子的加速实验结果,同样证明了速度效应的存在。

  当速度远低于光速时,时间膨胀效应几乎测量不出来,如坐在以1000千米/小时的速度飞行的飞机上飞行60年,时间只膨胀了千分之一秒。而当达到90%的光速时,时间膨胀了两倍多;达到99%的光速时,则膨胀了7倍多;达到99.9%的光速时,膨胀22倍多;达到99.9999999%的光速时,膨胀2000多倍。当达到小数点后面10个9的光速时,时间膨胀了64000倍,如果宇宙飞船以这种速度航行,则只要36年的时间就可到达仙女座星系。

  如果进一步提高宇宙飞船的速度,让时间膨胀182.5万倍,则只要1年多一点时间就可飞到仙女座星系,要飞到更远的星系也就成为可能了。而时间膨胀182.5万倍是个什么概念呢?那就是宇宙飞船上的5天,相当于地球上的5000年。这正是“天上方数日,人间几千年”。

 

人造重力真神奇

 前面曾经讲到,习惯于地球重力(引力)的人类,要保障走出地球以后的生命安全,在诸多需要解决的问题中,有一个重力适应问题。任何宇宙航行都是一个长时间的过程,其间也有重力适应问题,理想的情况就是创造与地球引力相当的人造重力。为了更好地了解人造重力问题,这里先对它的理论根据——加速度与引力等效稍作介绍。

  加速度与引力等效是爱因斯坦广义相对论的一个重要概念。广义相对论认为,任何加速度都相当于引力;引力作用可选择一个适当的加速度来消除。

  其实,加速度与引力等效并不是到广义相对论才出现的。大家都非常熟悉伽利略的比萨斜塔实验,它证明所有物体在地球引力作用下都以相同的加速度落向地面。根据相对论的观点,也可以看作是地面在加速向上运动,而物体是静止的。在这里,我们就看到了加速度与地球引力等效,只是在当时没有人能解释清楚这是为什么。

  在日常生活中,我们也能接触到加速度消除引力的事例。乘电梯时,电梯上升,感到身体变重;电梯下降,感到身体变轻。如果电梯的缆绳突然断开,电梯在地球引力作用下自由下落,即1g加速下落,会感觉失重飘浮,因地球引力被自由下落的加速度抵消了。还有飞机作抛物线飞行,在从最高点下落中的失重,也是飞机自由下落抵消了地球对它的引力。再如人造地球卫星和航天飞船绕地球飞行诱导产生的失重和微重力环境,也是它们的离心加速度与地球对它们的引力大小相等、方向相反而相互抵消形成的。对人造地球卫星和航天飞船的运动来说,由于离心加速度的参与,使它在地球引力作用下的简单下落,变成引力作用下沿圆形或椭圆形的轨道运动。

  根据加速度与引力等效原理,有人建议将载人火星飞行飞船的密封座舱分成两部分,在飞船惯性飞行时让两部分对称地绕飞船旋转,开始时旋转速度快一些,让其产生与地球重力相当的人造重力,沿途逐渐降低旋转速度,到接近火星时,让人造重力正好与火星重力相当,使人的生理逐渐过渡到与火星重力环境相适应。我们在讲太空城时,讲到用自旋产生人造重力,其理论根据正是加速度与引力等效。我们还将讲到,宇宙飞船加速度飞行可以创造人造重力。

 

1g加速宇宙航行

  从需要来说,宇宙飞船的加速度越大越好,这样可以缩短到达目的地的时间。但是,人的生理和心理已习惯于1g(地球重力加速度)重力,过大的加速度会产生过大的加速过载(超重),使人无法忍受,即使像现在用运载火箭发射载人飞船那样有4-5g的加速过载也不行,因为宇宙航行是长期飞行,人总被超重压得动弹不得,那将如何生活和工作?

  那么,多大的加速度合适呢?最聪明的也是最科学的做法就是顺其自然。那就是1g加速。

  1g加速,既能使人感到与在地球上一样舒适,也能使宇宙飞船的速度很快地提高。

  1g加速到底有多快,捷足者已为我们做了计算。现摘录其中的一些数据,列成下表,供大家品味其奥妙,思考其真谛。从中可以看出,1g加速1年后,飞船达到0.77光速的速度,飞过0.56光年的距离,地球上过去了1.2年;3年后,达到0.996光速的速度,飞过9.77光年的距离,地球上过去了10.7年;5年后达到0.999934光年的速度,飞过83.54光年的距离,地球上过去了84.5年。表中5年以后的飞船速度由于数字太长,没有列出,这并无大碍,因为大家都知道那是不断向光速极限逼近的数字。

 

1g加速宇宙飞船飞行时间、速度和距离表

飞船上的时间

飞船的速度(光速)

飞行的距离(光年)

地球上的时间(年)

1年后

0.77

0.56

1.2

2

0.97

2.91

3.8

3

0.996

9.77

10.7

4

0.9997

29.14

30.1

5

0.999934

83.54

84.5

6

 

263.31

237.3

7

 

665.24

666.2

8

 

1869.57

1870.5

9

 

5250.96

5251.9

10

 

14744.98

14746.0

11

 

41401.51

41402.5

12

 

116246.37

116247.4

13

 

326388.87

326390.0

14

 

916409.12

916410.7

15

 

2573019.

2573022

16

 

7224338

7224342

17

 

20283712

20283744

18

 

56951408

56951456

19

 

159902192

159902192

20

 

448963584

448963840

21

 

1260571900

1260571900

22

 

3539301120

3539303420

23

 

9937432580

9937436670

24

 

27901710300

27901718500

25

 

78339440600

78339505200

26

 

……

……


冲压喷气宇宙飞船

 

  对未来的宇宙航行加速动力,科学家们已有过许多具体设想。如在20世纪60年代,美国科学家在一个研究性计划中,用连续爆炸的小型氢弹产生核脉冲,推动名为“奥利安”号的宇宙飞船加速航行,飞向天狼星或别的恒星。

  在70年代,英国科学家在一个取名为“代达罗斯”的研究性计划中,也用氢聚变的核脉冲加速飞船,飞往巴纳德星。

  在80年代,美国科学家弗·迪森提出用微波帆使飞船加速的设想。随后,罗·福瓦特进行了研究性设计,在取名为“星束”号的宇宙飞船上设巨幅网帆,将地球轨道上卫星电站的电能转变为微波束,射向“星束”号的网帆(中途经聚焦),使飞船加速,用20年时间可飞达比邻星。由于电能既可转变为微波,也可转变为激光,因此,福瓦特又设计了用激光帆加速的“星束”号宇宙飞船,飞向E.E.星。

  后来,日本科学家又设想了1g加速的冲压喷气宇宙飞船。这个设想的巧妙和可贵之处在于返朴归真。1g加速的返朴归真,我们在前面已经说过了,它能使人感到始终像是生活在地球上。而冲压喷气则回复到航空时代,冲压喷气飞机就是用高速冲压,吸取空气,让汽油燃烧,产生高温高压燃气,向后高速喷出,产生反作用力,推动飞机前进。

  1g加速冲压喷气宇宙飞船的最大返朴归真,是利用宇宙中天然的能源。在广阔的宇宙空间,虽然是高度真空,但仍然散布着氢分子和氢原子,在星际分子云中每立方厘米达1万个左右。科学家们设想,在宇宙飞船的前端,安装一个巨大的漏斗形氢采集器,让它在飞船前进的过程中,将散布在宇宙空间中的氢收集起来,作为飞船的加速能源。

  氢的利用办法,一是让它进行核聚变反应,用它产生的高温加热工质,然后高速喷出,产生推力,使宇宙飞船加速。这就是核火箭发动机。二是将收集来的氢,与反氢相遇湮灭。氢与反氢在双双湮灭成光子的同时,放出大量热能,如果用这种热量加热工质,高速喷出,用反作力使飞船加速,那就是反物质火箭发动机。如果让光子在抛物面反射镜的焦点上产生,经反射镜反射后一致向后发射,也就是向后喷射光子,那就是光子火箭发动机。

  1g加速冲压喷气宇宙飞船还有一个最大的优点,那就是随着飞船速度的不断提高,收集的氢不断增多,这正好满足了因飞船质量不断加大,加速更困难,需要更多能源的需要。

 

漆黑的宇宙背景

  宇宙航行,美景无限。

  宇宙飞船启航,这时速度较慢,仍可定眼观看宇宙背景。嗬,好一幅美丽的画面。在太空真空中看星星,与在地球上看不同,由于没有大气层的影响,星星显示的都是它们本来的颜色,即由于它们的温度不同,而分别呈黄、红、蓝、白颜色。它们射出的光芒也没有大气折射造成的闪烁。没有了大气层的影响,宇宙背景呈深邃的黑色,使满天星斗像是在黑色天鹅绒上用一颗颗晶莹剔透的宝石镶嵌出的各种图案。飞船的运动,又使这一切具有动感,活像是在立体电影院中欣赏三维电影!

  欣赏之余,又会有这样的沉思浮现脑际:宇宙背景为什么是漆黑的?无限的宇宙有无限的恒星,即使每颗恒星的光是暗淡的,但无限多个暗淡的星光迭加起来,也会形成巨大的光芒。

  19世纪的天文学家H·奥伯斯,也曾为“夜空为什么是黑暗的”这个古老的问题困扰过。因此后来这被称为“奥伯斯佯谬”。

  根据热力学理论,无限个恒星把热和光辐射到空间,会使宇宙空间的温度不断升高,即使在经过100多亿年后,宇宙空间还没有达到恒星表面温度那样的热动平衡状态,也应该是几千K的温度,宇宙背景应该在这个温度上发热发光,它怎么会是漆黑的呢?

  现代宇宙学解开了这个佯谬。首先,恒星不是永恒地燃烧的,原始恒星和死亡了的恒星不发光,发光的主序恒星有一定的寿命;其次,宇宙不是静止的,而是在不断地膨胀着;最后,也是最根本的,宇宙不是无限的,它有有限的年龄,有有限数量的恒星。因此,有限的宇宙和有限数目的恒星的光的迭加,也是有限的,而且是很微弱的,因为宇宙的不断膨胀降低了温度和光芒。

  从热力学角度看,就是从宇宙诞生至今,还没有达到热平衡所需要的足够时间。而且,如果宇宙一直膨胀下去,也将是在很低温度的水平上的平衡。如果这样,不仅现在的宇宙背景是漆黑的,将来也会是漆黑的。

宇宙蜃景的蹊跷

 

 

 收起远望宇宙背景的眼光,低头近看宇宙空间,会发现有粟米大小的颗粒闪过宇宙飞船的舷窗。宇宙空间为高度真空,那会是些什么东西?

  那就是散布在宇宙空间的氢原子。

  可是,我们知道,氢原子的直径只有千万分之一(10-7)厘米,肉眼怎么能看得见呢?

  原来,在高度真空的宇宙空间,氢原子没有了外部压力,它的核外电子与原子核的距离,比在地球上拉大了百万倍,因而肉眼也能看得见了。

  如果在感叹之后再抬起头来,有可能观赏到宇宙蜃景。

  什么是“宇宙蜃景”?

  我们知道,在地球上的海岸边,可能看到“海市蜃楼”;在沙漠中则可能看到“沙市蜃楼”。“宇宙蜃景”就是“星市蜃楼”!

  根据爱因斯坦的广义相对论,一个恒星或星系发出的光线,在通过一个引力强大的天体时,会发生弯曲。如果从光源和这个引力强大的天体的正前方观察,在中间那个引力强大的天体的周围,会形成日全食一样的光环,或者形成对称的两个或四个光点。

  由于这是中间那个天体的强大引力造成的,所以叫作“万有引力幻景”。

  在这种现象中,中间那个引力强大的天体起着透镜的作用,所以又叫“引力透镜效应”。

  又由于这是爱因斯坦预言的,因而又分别被称为“爱因斯坦环”和“爱因斯坦十字”。

  中间那个引力强大的天体周围的光环或十字,就是后面那个发出光线的恒星或星系的放大图像。因而通过引力透镜效应,可以对遥远的恒星或星系进行探测。如果中间那个引力强大的天体是黑洞,那就构成了一架黑洞望远镜。

  宇宙航行,能在如此美景中漫游,真是美不胜收。星星伸手可摘,氢原子俯身可拾,宇宙蜃景似幻却真,使人真正融汇到奥秘无穷的宇宙之中了。千里碧空,闲庭信步,万里长宇,身心化尘。这就是天人一体的境界!

宇宙礼花好壮观

 

  前面说到的天人一体的感受,其实才刚刚开始,更令人身心化尘的宇宙美景还在后头。

  如果宇宙飞船航行在“宇宙空洞”之中,前面的“星系长城”清晰可见。“不到长城非好汉”,凡是到过我国雄伟的万里长城的人,此时站在长城之上的那种浮想联翩,心潮翻滚的心情,一定再次泛起。

  正当沉思之时,前面一颗恒星的亮度突然增大100万倍。那是一颗质量与太阳相当的老年恒星--红巨星的死亡。在天文学上叫“新星爆发”。那巨大的亮光不仅照亮了“宇宙空洞”,也使“星系长城”变得隐隐约约。而被炸碎的红巨星的外壳,则像礼花一样在“星系长城”之上绽放。

  而如果是质量更大的老年恒星--红超巨星死亡,则叫“超新星爆发”,亮度在顷刻之间增大几千万倍到上亿倍,同时释放出巨大的能量,每秒钟达1045-1052尔格。此时,“星系长城”则会被淹没在这巨大的光芒之中,而那“礼花”却更加灿烂辉煌。

  继续前行,还可看到更加壮观的宇宙景象,如类星体的中心喷流和光变。

  类星体中心向外喷射的高能气体喷流,长度达几千光年,甚至几百万光年。要知道,银河系的直径才10万光年呀。随喷流释放的电波能量,是银河系的100万倍。这喷流,像喷泉,更像连续施放的礼花。

  类星体的光变同样异常壮观,它在几十分钟之内光度可增加几倍。由于它本身的光度基数很大,是太阳光度的107亿倍,因此,在类星体的光度面前,超新星爆发的光度就是小巫见大巫了,只及其千分之一。类星体的光变,有如焰火施放间歇中的探照灯扫过夜空,令人遐思闪烁。

  类星体中心巨型黑洞的潮汐力,可以将靠近它的恒星撕裂,那种壮观场面更是空前的。当运行在轨道上的恒星逐渐靠近类星体中心和随后逐渐远离时,就像有一双无形的手,使恒星像揉面团一样不断地改变形状,最后变成雪茄形,在眼看就要远离时,雪茄形的恒星突然碎裂,成为类星体中心巨型黑洞的美食。但是,碎裂的恒星碎片并不直接落入黑洞,而是在黑洞上方形成一个吸积盘,由于温度高,吸积盘除放射X射线外,还发可见光,使吸积盘像一张巨大的光碟在空中旋转,煞是好看。

 

喜见星虹和光塔

 

  随着宇宙飞船的飞行速度不断提高,从舷窗外闪过的星星,一个个变成向前倾斜的飞镖,它们在前进的水平方向上的尺度被压缩了,而在与前进方向垂直的上下方向上则被拉长了,因而由原来的圆形变成了弯勾形,而且向视野中心靠拢。

  这是为什么?圆形变弯勾形是由爱因斯坦广义相对论的速度效应造成的。而向前倾斜则是由光行差效应造成的。大家都会有这样的经验,在雨中行车,会感到雨滴是从前上方斜着落下来的,那就是光行差效应。

  在宇宙中高速航行,光行差效应和其它效应的组合,还会造成绝世美景。在飞船速度达到97%以上后,通过舷窗向后看,一个星星也看不到。原来,所与星星都跑到飞船前面去了,而且一个个都改变了原来的颜色,按蓝、白、黄、橙、红色,从正前方中心点向两边呈弯弓状排开,真像旧戏中主帅出场时,站在舞台两边跑龙套的队伍。其实,这些比拟都是蹩脚的,它就是用言辞难以形容的星虹!

  星星都跑到飞船前面去了,这当然是光行差效应,而星星改变颜色则是光的多普勒效应造成的。由于星光与宇宙飞船有相对运动,它们的波长和频率会发生变化。在飞船后面的星星,远离飞船而去,星光的波长变长,频率变小,因此,其光谱向红端移动,即发生“红移”,颜色逐渐变红;而在飞船前面的星星,高速向飞船靠近,星光的波长则缩短,频率增高,因此,其光谱向蓝端移动,即发生“蓝移”,颜色逐渐变蓝。由于在飞船正前方的星光,特别是视野中央最前方的星光,相对飞船而来的速度最高,蓝移最大,不管原来是什么颜色,都因蓝移而一律呈蓝白颜色。而飞船后边的星光,由于都以极高速度远离而去,则不管原来是什么颜色,都一律按远近距离呈黄、橙、红色排列,这就形成了星虹。

  在宇宙飞船的速度无限接近光速时,就像在地球上日落西山之后,天空逐渐变暗一样,在宇宙飞船前面的星虹逐渐消失,整个宇宙空间逐渐黑暗下来。

  就在这时,最后的奇迹出现了,在飞船前方出现一个光点,像是在黑暗中指引宇宙飞船前进方向的灯塔。

  这又是为什么?原来,这时在飞船前后的星光,都分别蓝移或红移出了可见光波段,看不见了,而宇宙大爆炸时遗留在空间的微波背景辐射却频移到了可见光波段,并集中在正前方形成一个亮点。

 

宇宙航行无易事

 

  宇宙航行景观确实美不胜收,但要享受到这种美景确非易事。就目前人类的科学技术水平来说,要实现航宇的理想,无论是生命需要的空气、水和食物供应,阳光照射,辐射防护和重力适应,还是加速动力,飞船规模和通信联络等等问题,件件都是难题。

  人类目前用无线电技术进行远距通信,如航天器上的无线电收发机,天文探测用的射电望远镜等。它们都需要强大的发射功率和巨大的天线。如世界上最大的阿雷西博射电望远镜,发射功率为150千瓦,抛物面天线直径305米。但这远不能满足宇宙航行有效通信的需要。

  据估计,要在1万光年距离内用21厘米波进行有效通信,发射功率应达2×1015千瓦,球形天线直径达1万千米,质量达5×1019吨。这个质量是地球质量的1/120,这些材料哪里来?还有,如果这种发射功率所需能量由核能产生,则每年所需核燃料1亿吨,这如何携带?来源也是问题。

  即使这样的发射设备能够制造出来,它仍然没有解决宇宙航行的通信问题,因1万光年在宇宙中只是很小的距离。即使将作用距离增加到3万光年也于事无补,而它需要的发射功率却应达到1023千瓦,球形天线的直径达3000万千米!这种发射功率消散到空间的能量达4×1037焦耳,大大超过宇航规定的允许值(恒星辐射能量的0.1%,在太阳系为3×1023焦耳)。

  即使无线电通信的作用距离能达到100亿光年,还有时间延迟的烦心事。我们知道,无线电波只能以光速传播,如果宇宙飞船已航行到仙女座星系的边缘,船上向地球发出报喜电报,电波要经过230多万年才能到达地球,那时还会有人负责接收这封电报吗?

  还有速度效应引起的时间延迟更烦人。假如宇宙飞船上的时间膨胀了3600倍,飞船上的电报员用每秒钟发10个字码的速度向地球发电报,若每5个字码组成一个汉字,一份300字的电报,他用两分半钟就发完了。但在地球上接收电报的人,则要每隔6分钟才能收到1个字码,半个小时收到一个汉字,整封电报需要6天6夜多才能收完。如果地球上的电报员以同样速度回电,飞船上收电报的人只能听到瞬间的一阵响声,电报嘀嗒的节律是一点也分辨不出来的,因为那里的时间间隔只是地球上的1/3600呀!

 

宇宙航行无小船

  最理想的宇宙航行是1g加速,但那也是最难以实现的宇宙航行。困难在于要始终做到1g加速,最后达到以无限接近光速的速度航行是非常困难的,因为随着速度的增加,飞船的质量也增加,加速动力大都消耗在推动这增加的质量上了,会使飞船的加速度越来越慢。这很像逆水划船,许多动力用在抵消水流的速度上了。因此,宇宙航行,至少是早期的宇宙航行,是在远低于光速的速度下进行的。

  鉴于宇宙的广阔,每一次宇宙航行都有漫长的航程,少则几百、几千年,多则百万、千万年,这是需要几代、几十代和几万、几十万代人的生命接力才能完成的事业。

  如飞船的目的地是仙女座星系中的一个太阳系。我们知道,仙女座星系距我们230万光年,如果飞船从冥王星轨道处以第三宇宙速度启航,并开始加速,用现在可预见的技术,可在5万年内加速到40%的光速,然后以这样的速度向目的地飞行,在到达目的地的前5万年开始减速。这样,总共约需要500万年时间。人的工作寿命以50年计算,则需要10万代人的生命接力才能达到此次宇宙航行的目的。

  为了达到这个目的,保证人口质量是绝对需要的。其手段有二,一是防止近亲结婚,保障人的先天质量;二是加强后天教育,保障人的思想道德品质和科技文化素质。

  要防止近亲繁殖,以25年繁殖一代人计算,飞船启航时,需要几千个家庭同行,总人数达上万人。这上万人口在500万年时间内,可能增到10-50亿!

  要养活这些人口,宇宙飞船上要有规模不断扩大的农场、工厂、商店;要让这些人口活得愉快、健康,飞船上要有文娱、体育设施和医院;为了让这些人受到良好教育,飞船上要有学校和研究机构;为了管理这些人口,要有政府等社会管理职能机构……

  试想想看,这该需要多大的飞船!

  以上只是飞向最近的河外星系,要是更远的星系呢?宇宙航行无小船!

 

宇宙航行无私心

 

  宇宙航行是人类的最高理想。实现宇宙航行的理想,不仅需要有高度发达的科学技术,而且要有最高的思想境界。

  在航天初期,人们对航天员肃然起敬,称他们是“时代的宠儿”、“上帝的骄子”,主要在于他们献身人类航天事业的精神。美国为了与苏联搞载人航天竞争,1960年7月29日,艾伦·谢泼德等3名航天员被带去看火箭发射,本来是想让他们熟悉情况,树立信心,但火箭在起飞60秒钟后被炸得粉碎。1961年4月12日,苏联首先将加加林送入太空。这时美国的火箭技术仍未完全过关,4月25日,连续两枚携带飞船的火箭在发射时爆炸。可是,就在10天后,谢泼德泰然自若地坐在火箭顶端的飞船上等待亚轨道飞行。在许多美国人看来,这无异于坐在随时都可能发生爆炸的火药桶上,使他们产生这样的疑问:谢泼德到底是用什么材料制成的人,甘愿交出自己的生命,等待别人点火进行火箭试验!

  航天员的选拔,虽然对文化素质、身体素质和心理素质的要求很苛刻,但最后决定录取的关键因素是想思素质--是否愿意献身航天事业。

  迄今无论是在太空飞行,还是到达月面上的航天员,其思维状态和行事方式都与在地面时有很大的不同。他们所表现的和要求他们的都是工作上各尽所能,生活上各取所需,团结互助,分工合作,任务至上。与此相反的个人属性和诉求,都要暂时克制和搁置。

  未来的宇宙航行,更需要以上述思想行为做基础,因为任何一次宇宙航行都是长期的,一个人从踏上飞船的那刻起,就是踏上了一条不归路,就要求他一辈子都按上述思想行为行事。试想一想,在500万年飞向仙女座星系的航程中,在上万到几十亿人口中,如果个人利益至上,私欲成风,疯狂敛财,尔虞我诈,你争我夺,谁还去思考如何完成任务?可以断言,没有任何一艘宇宙飞船是经得起这种折腾的。有人已经指出,未来宇宙航行的最大困难不在科学技术方面,而在于让飞船上的人们始终记住他们是“从哪里来,到哪里去”,而万众一心地奔赴目的地。我国著名科学家钱学森曾经指出,要实现航宇的理想,人类的科学技术还必须有几次大的飞跃。从前面的介绍中,或许能使我们大致领会到其中的含义。不仅如此,这里还要套用一句:人类的思想面貌也需要有几次大的飞跃!

参考影视:宇宙探索

人类继续努力续探索宇宙的起源
人类对宇宙永无止尽的探索