尹懷勤

相信看過本期《那會是另一個“地球”嗎?》文章的讀者一定會有這樣的問題：如果科學家在宇宙中發(fā)現(xiàn)有生命跡象存在的類地行星，如何去實地考察一番呢?如果行星的主人是高級智慧生命，那么地球人如何前去拜訪呢?這一切有待于光子火箭奇跡的產(chǎn)生。

2009年4月21日，瑞士日內(nèi)瓦大學的邁克·馬約爾等人宣布，通過歐洲南方天文臺安裝在智利的3.6米太空望遠鏡，天文學家發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量最小的太陽系外類地行星。它雖然不適于地球上的生物生存，但是證明科學家們在尋找系外類地行星過程中正取得進展。這一消息再次引起了人們對尋找系外類地行星和地外生命的興趣。

考慮到恒星對其行星孕育和存活生命的重要影響，此前科學家就認為，只有類似太陽的恒星才能使其位于宜居帶的類地行星孕育出生命。這樣的恒星約占銀河系3000億顆恒星的1％，即30億顆左右。而類日恒星中，擁有宜居帶類地行星的約占1／5，即近6億顆。據(jù)美國天文學家阿西莫夫推算，6億顆宜居帶類地行星中，可能具有智慧生物和文明社會的約近0.1％，即50多萬顆。這是以太陽系地球人類發(fā)展過程為依據(jù)得出的推論，真實情況如何，尚待未來的探測結(jié)果來證明。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見面，這就涉及到航宇技術了。實際上，此乃航天深空探測下一步的創(chuàng)新范疇，最重要的是只有研制成功光子火箭，才能實現(xiàn)兩個星球高級智慧生物的直接溝通。

光子火箭的基本原理

按照我國著名科學家錢學森的見解，人類在太陽系內(nèi)的活動稱為航天，而到太陽系外的活動則稱為航宇。由于銀河系恒星之間距離遙遠，如有地外智慧生物被發(fā)現(xiàn)，人類要去探視他們，目前使用的火箭推進技術就顯得速度太慢了，必須采用光子火箭作動力、以接近光速的速度飛行才能實現(xiàn)。

光子火箭屬于非常規(guī)推進技術，是未來實現(xiàn)星際航行的動力裝置。它建立在正物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時會立即發(fā)生質(zhì)量湮滅過程并產(chǎn)生大量光子流的原理上并被認為可行。其發(fā)動機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)動機采用光子作為工質(zhì)，當光子流以每秒30萬千米的速度向后噴射時，它在反作用力的推動下，就能以接近光速或達到光速的速度向前運動。發(fā)動機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。

科學家們設想中的以光子火箭為推進動力裝置的載人航宇飛船，主要由三部分組成。其最前端是座艙，裝有生命保障系統(tǒng)和必備的各種科學儀器，是航宇員工作和生活的場所；其中部是發(fā)動機的燃料貯箱，貯存作為推進劑的正物質(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；其尾部是作用相當于發(fā)動機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，推動飛船高速前行。擬用氫和反氫作為火箭發(fā)動機的推進劑，分別貯存在高度密封的容器之中?；鸺龁庸ぷ鲿r，氫和反氫通過各自的導管被導向反射鏡的焦點處，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力。氫和反氫發(fā)生湮滅時，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，使航宇飛船以接近光速的速度前行。

目前仍處于探索階段的光子火箭技術，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。只有等到科學家們攻克了這些難關之后，光子火箭才能在工程層面上予以實現(xiàn)，并被用作開展恒星際問載人航行的動力裝置。

航宇飛行創(chuàng)造的奇跡

和任何重大技術發(fā)明與創(chuàng)新必然給人類生活來來重大影響一樣，光子火箭的問世將會創(chuàng)造出出乎人們意料的奇跡。當航宇員乘坐以光子火箭推進的載人飛船在廣袤無垠的太空航行時，由于飛船速度接近或達到光速，其飛行時間和地面上生活的人們的時間長短就不一樣了，兩者的計時值會出現(xiàn)巨大差異。這是愛因斯坦的相對論揭示的時間也有相對性、時間隨速度變化而改變給出的答案。這種跡象在一般速度包括目前使用的運載火箭飛行速度在內(nèi)的情況下都顯示不出來，只有在接近光速運動時才能明顯地體現(xiàn)出來。好在速度越高時間就變得越慢，不然的話，人類探視遙遠的地外智慧生物的夙愿就只能停留在想象之中了。

飛船在極高速度的狀態(tài)下運行時，它上面的時間變慢情況是可以計算出來的。依照相對論給出的公式，若飛船上的鐘表測得的時間間隔為t₀，地面上的鐘表測得的時間間隔為t，則它們之間的關系是t=0₀／根號下1一(V／C)²，武中的v為飛船運動速度，c為每秒30萬千米的光速。如此可知，飛船速度v數(shù)值越大，根號內(nèi)的數(shù)值越小，t₀的值也隨之變小。如v為O時，t₀=t；如v為光速的一半，即每秒15萬千米時，t₀=0.866t；若v非常接近光速，比如為每秒29.97萬千米時，t₀=0.045t。

相對論揭示的時間的相對性，在未來的恒星際航行中會引發(fā)怎樣的神奇景象呢?我們可以用設想的一個具體實例來說明。假如今后在葛利斯581d上發(fā)現(xiàn)了高級智慧生物，人類派出兩名航宇員乘坐以光子火箭推進的飛船去探訪，我們可以推演一下他倆的往返情況。由于目標星體距離地球20.5光年，約194億萬千米，當飛船以非常接近于光速的0.9999999999c的速度飛行時，由計算可知，完成全程航行只需2.5小時?？紤]到起飛后的加速和降落時的減速過程，單程飛行也就是3個小時。就是說，兩名航宇員在地球上用過早點后上午8點動身的話，11點即達目的地。葛利斯581d上的主人迎接后交談1小時到12點接待他倆午餐。下午1點半到5點雙方會談，互相介紹情況，以加深了解，然后共進晚餐。到下午6點半，他倆握別主人，乘船返回，晚上9點半即可回到地球。雖然兩名航宇員僅僅感到只用了1天的時間，但是回到家后卻驚訝地發(fā)現(xiàn)，自已的子女已經(jīng)超過了自己的年齡，因為地球上已經(jīng)過去了41年的時間。這種“山中方一日，世上已千年”的境遇實在令人稱奇。

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主人交往的勇氣。

責任編輯龐云