Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 我们会抵达恒星吗？（二）
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月01日17:37:01 星期天), 站内信件


　　我们不妨想象一下，到一个距离地球100光年、我们认为可 
能有生命存在的恒星系统去旅行，旅行速度为 0．95c（这就是 
说，光速的95％）。单程旅行需要105年才能完成。幸亏根据狭 
义相对论的奇特效应，旅行只是对于那些在地球上的人来说是 
105年。因为种种原因，我们旅行的速度越快相对时间就流逝得 
越慢，对飞船上的人来说，这105年将只是31年多一点而已。 

　　不用说，时间还是太长，行不通。即使我们能够研制出一个 
有效的生命暂停系统，让飞船上的人睡眠，明显地减缓他们的新 
陈代谢，鉴于许多感情的、实际的、道德的和商业的原因，来回 
62年的航程（再加上在目的地停留的时间）也是不会受欢迎的。 
就像研制反物质驱动装置带来的问题一样，休眠和生命暂停等技 
术方面的困难最终必将被克服，但具体运用却障碍重重。 

　　派去做这种长途旅行的人返回地球时可能发现整个政治结构 
已经彻底改变。出资赞助旅行和研制支撑技术的组织和机构已不 
复存在。飞船上归来的人几乎可以肯定他们的亲人早已故世（因 
为地球上已经过了 2×105年——两个多世纪，而他们只过了62 
年），他们曾经熟悉的一切几乎全都变得难以辨认。即使只有30 
年（上述旅行的一半时间），发生的变化也会超出人们最初的想 
象。试想英国1966年最后赢得世界杯冠军时和现在之间的差别吧。 
当时，甲壳虫乐队身穿画着地图的衣衫和超短裙，流行蓄长发， 
这些在现在，其实算不了什么；毕竟，我们大多数人至少是能够 
认同这些的。流行有重复自己的习性。比较重要的是社会态度的 
变化，机构的性质，以及政府的作用和性质的变化。然而，比这 
些影响更大的是两个时代之间技术上的差异。1966年离开地球的 
旅行者返回地球时，他们所使用的设备即使以我们今天的眼光来 
看也已陈旧不堪。请记住，这儿所举的例子是在20世纪后半叶一 
个相对而言比较短的时间范围内。技术正以几何级数式的速度发 
展。随着它的发展，许多曾经一度被视作神圣的社会传统和个人 
态度也随之迅速改变。如果这种几何级数式的变化继续下去，在 
未来几个世纪里，30年的差异将会变得更加明显。 

　　除此以外，还有领导结构和经费问题。任何历时超出（比方 
说）10年的旅行都很容易产生问题，因为机构和领导的改变，政 
府的起落，和重心的转移等，这些使长时期的航天飞行几乎没有 
可能进行。更何况，任何努力都需要在一个合理的时间范围内见 
到对投资者的回报，当然是在投资者的有生之年。由于长期旅行 
不能满足这个条件，它必须依靠慈善事业，所以问题必然会产生。 

　　亚光速旅行的唯一可能的其他选择——“太空方舟”长期以 
来一直是科幻小说的主题。太空方舟的想法是建造一艘硕大的宇 
宙飞船，在可能持续几百年甚至几千年的整个飞行期间，旅行者 
可以一代又一代地在里面生活。这必须是一艘硕大的宇宙飞船， 
它必须能够在几千年的时间里，维持人数众多的机组人员和乘客 
的生活需求。速度倒不需要特别快。如果飞行设计为5000年，距 
离250光年，速度可以定在5％的光速（略大于4000万千米／小 
时）。当然，建造这样一艘能够维持这么多人的宇宙飞船，用我 
们今天的技术是无法完成的。其实，我们无须去考虑这些困难， 
因为在设计者动笔之前，需要考虑克服的障碍实在太多了。 

　　首先，还是时间长短的问题。世界联合政府（因为一国政府 
要作此努力简直难以想象）愿意出资进行这种飞行的唯一理由， 
是为了避免全球性的灾难。换句话说，它将真的是《圣经》里所 
说的那种方舟，由全球性的大灾难触发建造，且被认为是人类唯 
一逃避灭顶之灾的方法。世界上的人只有一小部分能够乘上飞船 
飞向那茫茫宇宙。 

　　这个想法听起来非常激动人心，很浪漫，除了技术上的困难 
难以想象之外，究竟还有什么不好呢？飞船上的人如何在物质上 
和心理上自己维持下去呢？ 

　　我们必须假设，有能力建造一艘可容纳几千名旅行者的飞船 
的任何文明早就克服了技术上的障碍——自我维系的方法，食物 
的生长，水和食物循环使用的方法。⑤但是在某种意义上来说， 
心理上的考虑可能比技术上的问题更加困难重重。方舟上前几代 
人没有希望看见一个新世界，他们不停地飞行，只知道他们遥远 
的子孙后代有可能到达一颗遥远的行星。然而，我们只需看一下 
人类在地球上罪恶地忽视环境保护，对子孙后代的生活质量和健 
康漠不关心，就会明白这一动机是很难维持长久的。 

　　比心理问题更严重的是，反对采用方舟（除非是世界毁灭这 
最后一种情况）的最有说服力的论据是“速度指数曲线”的想法。 

　　这是一张简单的图，它说明我们这个文明旅行技术的发展随 
着时间的推移而按指数规律变得越来越快。在人类社会进步的最 
初10万年里，我们可以达到的最快速度大约为15千米/小时—— 
狩猎者奔跑的速度。大约4000年前，随着马的驯化，这个速度翻 
了一倍多。到了19世纪末，由于火车和汽车的发明，速度又翻了 
一倍。在接下来的50年里，飞机的发明使速度增加了3~4倍。喷 
气飞机的问世又增加了几倍。最后，在过去40年里，宇宙飞船的 
建造使人类旅行的最大速度再次加快4倍（大约可达40000千米/ 
时）。这个变化可以画一张指数函数曲线图，如果曲线继续下去， 
可以看见到2140年人类的速度可以达到光速的5％，而到22世纪 
末可以达到光速的10％。 

　　虽然这听上去像是好消息，可对方舟里的人来说，它彻底摧 
毁了他们存在的理由，因为早在他们抵达目的地之前，他们几乎 
肯定会被他们离开时留在地球上的那些人的后代超过。后来的这 
些人将乘坐最新设计的宇宙飞船旅行，以比他们快许多倍的速度， 
从他们旁边掠过。 

　　方舟想法的另一种形式是长期殖民。物理学家蒂普勒也曾借 
助于这种想法：我们有朝一日能够通过“行星跳”的方式殖民银 
河系。他这种想法的依据是南太平洋的岛民利用“岛屿跳”的办 
法散布到太平洋的各个小岛，然后再巩固下来。采用这种模式， 
他认为有两个时间因素要考虑。其一是星际旅行所需的时间 
（t1），其二是建立一个殖民地和准备下一次跳跃所需的时间 
（t2）。旅行所需的时间，保守些的估计是在1000~10 000年的 
范围内。殖民化和巩固的合理时间大约要延续100代人。 

　　利用这个系统，即使旅行速度比较适中（毕竟，他把星际旅 
行的时间安排在 1000~10 000年的范围里），由于速度按指数规 
律增长，人类将在短得惊人的时间里在整个银河系殖民。第一批 
人经过长期旅行从地球到达行星A。这批登陆者将安营扎寨，经 
过约100代人的时间，他们将会积累足够的资源发射两艘新的飞 
船。这次是在行星B和行星C上着陆，如此周而复始。请记住旅行 
者的技术将不断改进，因为知识没有理由失传，很可能旅行时间 
（以及巩固阶段）将随着技术的进步而显著地缩短。这将使银河 
系的殖民化更加迅速。 

　　即使我们假设每一步所需的时间是一个常数，旅行时间和巩 
固时间合在一起的平均值为 10 000年（t1＋t2＝10 000）；假 
设在一个平均大小的星系里有10亿颗合适的行星,那么所有这些 
行星将可以在不到100万年的时间里抵达并被殖民（见第十章）。 

　　有一种很清醒的想法，认为地球也可能曾经是殖民地，不知 
因为什么缘故，殖民进展不是很成功。殖民化的“波”往前推进， 
把我们留在后面（见第九章）。如果情况真是这样，那么这种殖 
民化的过程可能意味着我们银河系中所有的人类生命都来自一个 
母行星——人类的发源地。人类可能在一颗行星上形成，在那儿 
比其他的星球上更早开始进化。抑或，这种殖民过程将在未来由 
我们自己来完成，地球将是人类的老家，也许是独一无二的家， 
在未来的几千年里，我们将遍布整个银河系甚至于更加遥远的星 
系。⑥ 

　　综观这里提供的各种实际的星际旅行方法，前景似乎十分平 
淡。当然，假设我们能够生存下来，那么人类将会在1~2个世纪 
的时间里使整个太阳系成为我们的家。在我们的孙子一代，我们 
应当能够享受到月球上去的周末旅行，到火星上去度假。开采小 
行星的矿藏将在并不遥远的将来为我们提供实际的矿产资源，即 
使太阳系的更遥远的地方，边远的行星——天王星、海王星和冥 
王星有朝一日也将被彻底地探测。在未来1000年的时间里，几乎 
可以肯定人类将生活在太阳系的每一颗行星上。这件事本身十分 
激动人心，但是对于寻找外星生命，尤其是智慧生命，并与他们 
沟通却没有提供什么希望。要寻找外星生命，我们必须冒险到那 
些星球上去，必须以比我们今天能够想象的更快的速度到达那里。 
到那些星球的旅行时间应该至多是几个月时间而不是在几千年里 
完成。从事星际旅行研究的理论家认为（即使最前瞻的理论家也 
不例外），只有两种方法可能达到这一点。 

　　这些想法都试图改写物理法则（而根据定义，它们是不可违 
背的）。它们都属于新兴的、或者说边缘物理学的范畴，而且纯 
粹是理论上的；这两种想法不论从哪一方面来说在可预见的将来 
都是不切实际的。尽管如此，这些概念也许蕴含着希望的种子， 
有朝一日，我们遥远的后代将能够利用这些方法轻松地穿越上千 
万光年，就像我们今天横跨大西洋一样。 

　　第一个设想是一种称作“蛀洞”的理论结构可能是通向群星 
的途径。蛀洞的想法是从早已被公认并被反复验证的现已被视为 
传统物理学的理论——爱因斯坦的广义相对论推论出来的。但是， 
要想勾画一幅图画来说明蛀洞如何存在，并且如何把它作为一种 
可能的星际旅行手段，则要求将广义相对论扩展到极限（有人说 
超出了极限）。 

　　长期以来，科学家认为当一颗恒星燃料耗尽时，便开始衰亡， 
衰亡的方式取决于它的质量大小。如果它的质量是我们太阳质量 
的3倍左右或者更大，那么它开始收缩，产生冲击波，结果引起 
巨大的爆发——自从大爆炸以来最剧烈的爆发。这就称为超新星。 
即使这时，因为这颗恒星开始收缩时十分巨大，所以超新星核心 
仍剩有某些残存物质。它开始坍缩，迫使物质变得更加稠密，以 
至于将亚原子粒子维持在一起的那些强大的力占了压倒优势，这 
颗恒星变成了一大锅沸腾的基本物质和能量。这就是黑洞。其所 
以这么称呼，是因为它的质量非常大，密度非常高，甚至连光都 
无法逃离它的引力场。 

　　爱因斯坦的广义相对论于1916年发表。它是比较局限的狭义 
相对论的推广。狭义相对论只考虑了以恒速运动的观察者。但是， 
在这一理论发表后，爱因斯坦开始研究物体不断加速时的情况。 
他设想一架处于自由落体状态下的电梯，一束光线进人墙上的一 
个小孔。电梯里的人觉得光沿直线行进。但是，对于电梯外面的 
观测者来说，光却是沿曲线行进的。爱因斯坦指出这一弯曲是由 
于电梯正在加速引起的。他接着说，由于引力是一种形式的加速， 
光会因此而弯曲。 

　　在爱因斯坦之前，物理学家以三维的眼光看待宇宙，时间被 
视为一个额外的量。在广义相对论里，时间是一维，就像长度、 
宽度或高度一样，现代的观点认为宇宙实际上存在于所谓的“四 
维时空”中。 

　　我们能使四维宇宙形象化的唯一方法是在三维中表达它。想 
象一下一张平摊的橡皮垫。现在，在它中间放一个重球——球周 
围的垫子因此而变形。同样，时空在一个像恒星这样大质量的物 
体周围扭曲。让一颗小石子在靠近重球的橡皮垫上滚动。它沿着 
一条曲线滚动，恰似恒星附近的光一样。黑洞质量非常之大，它 
的引力场非常之强，它使空间严重扭曲，以至于在它里面形成了 
一个“奇点”。在这个点上时空的弯曲变得无限尖锐，以至所有 
的物理学定律全都不再有效。正如许多科学家[ 包括最先提出蛀 
洞的两名科学家——加州理工学院的索恩（Kip Thorne）和莫里 
斯（Michael Morris）]所推理的那样，当两个奇点互相“发现” 
对方，并且相互连接在一起时就形成了蛀洞。 

　　只要设想蛀洞的一端在地球附近（例如，正好在太阳系的边 
缘），而另一端开口在某一遥远的地方，也许离我们上万光年之 
遥，就会明白为什么蛀洞对星际旅行者来说很有用了。由于时空 
弯曲的特性，蛀洞提供了一条捷径，免去了用常规方式从A点 
（靠近地球）到B点（蛀洞的另一端）之间的旅行。许多光年的 
一次星际旅行所需要的只是先做一次短途旅行到蛀洞口（这种旅 
行利用原子聚变发生器只需要几星期而利用反物质驱动只需几天 
时间），而后从蛀洞另一端出去，再做短途旅行即可到达目的地。 

　　我说“所需要的只是……”，但事实是要到达蛀洞口——即 
使它就在我们太阳系的边沿，恰恰就是我们的问题所在。虽然蛀 
洞的想法免去了穿越成千甚至上万光年的正常空间所需的时间， 
因而这种想法显而易见极具吸引力，但实际障碍却是巨大的。 

　　首先，蛀洞目前仍然纯粹是揣测。它们并非与已知的宇宙法 
则相悖，但也不能肯定就一定存在。就算它们确实存在，必定也 
十分罕见。第二个问题是，在利用蛀洞之前，无法知道该蛀洞和 
宇宙的哪个部分连在一起。更何况，即使它能为我们所用，它也 
只能提供非常有限的服务，连接起点到一个固定的目的地。这就 
有点像连接伦敦和某个神秘地点的公路，一路上没有岔道也没有 
拐弯。 

　　即使我们忽略不计这一弊端，我们也还必须考虑这种联接的 
性质，从我们对于黑洞的了解来看，“天然”蛀洞实际上提供的 
是一条变幻莫测的通道。黑洞里面可能是宇宙中条件最险恶最不 
适宜居住的地方。那儿的引力作用会立即把任何物体分解成某种 
由基本粒子和能量组成的“汤”——即使能抵御这些力，一旦陷 
入黑洞的桎梏，就将无法逃逸。因此，利用把宇宙中两个不同地 
点的黑洞连成蛀洞的想法似乎并不切合实际。唯一的可能途径是 
宇宙中某处存在着某种可以通过的黑洞，但它们也许很难找到。 

　　有可能绕过这一难题的一种方法是关于“白洞”的想法。恰 
如它的名称，这些理论上的天体与黑洞正好相反。根据理论家们 
的看法，白洞不吸收物质和能量，而像是完美无缺的发射器，或 
者说像是“宇宙自喷井”。因此，如果黑洞和白洞相接，它们就 
可以像一个单程蛀洞，回避从蛀洞“远端”冒出来的逻辑推理问 
题。不幸的是，关于这一方案的详细数学分析表明，这样的系统 
将是不稳定的，白洞将很快消亡，飞船无法通过。 

　　除了利用天然蛀洞，对热衷于此的人来说，寄于厚望的是人 
造蛀洞。 

　　自从索恩和莫里斯于1987年在《美国物理学杂志》的一篇论 
文中首次提出蛀洞以来，⑦世界上有成百上千位理论物理学家在 
研究这一设想，并不断地围绕这些超前的数学结构理论添加新的 
理念。其中受到该领域研究人员怀疑的一项结论是：为了构造一 
个可以工作的蛀洞必须满足一组很严格的条件，其中包括一些很 
明显的事实，即蛀洞的结构必须符合广义相对论，蛀洞内的“潮 
汐力”必须保持在最小值。他们还提出了蛀洞必须符合的形状和 
创造蛀洞所需的物质材料的质量。不幸的是，数学证明为了制造 
一个人造蛀洞，需要所谓的“特异物质”，它具有“负质量”这 
一异乎寻常的特性。 

　　虽然热衷于蛀洞的人坚持认为这种不可思议的想法可以在物 
理定律的框架内实现，大多数科学家如今却摒弃了这一想法。如 
果他们是正确的话，那么看来蛀洞就永远不能制造了——无论文 
明变得如何先进，因为物理法则是不能违背的。如果他们错了， 
而蛀洞的支持者是对的话，那就必须找到特异物质，并在建造和 
使用蛀洞之前大批量地制造这种特异物质。 

　　第二种可能的方法是伸展或扭曲物理法则，这可能比人造蛀 
洞的想法更加不着边际。这就是卷曲驱动的想法，或者说“超空 
间”旅行。就像方舟的想法一样，这种假想的星际旅行方法俘获 
了科幻作家和爱好者的想象，它是电视连续剧《星际迷航》的重 
要想法之一。 

　　卷曲驱动曾被形象化为这样一种装置——它使航天飞机能够 
避开必须以亚光速旅行的规定，免去必须符合物理定律的麻烦。 
即使这样，它仍戏剧性地伸展了某些传统的物理概念。 

　　也许能更确切地描绘卷曲的另一个名称是“冲浪”。这是因 
为它建立在巧妙地操纵时空本身的基础上，从而使太空车在某种 
“波浪”上运动。宇宙飞船应该能够改变时空：位于飞船后面的 
时空膨胀，而飞船前面的时空则收缩。这就意味着即使飞船本身 
的运动比较慢，出发点也会被往后“推出”巨大的距离，而目的 
地则被向前“拉近”了。 

　　这听上去十分荒唐，可它在广义相对论法则的范围内又是可 
能的。困难不在于理论上不可能，而在于在可预见的将来实际上 
行不通，因为要做到这一点需要的能量超出了人们的想象。 

　　对太阳的观测表明它的质量使时空弯曲，它使光线正好偏折 
1／1000度。对于想要利用时空扩张和收缩的宇宙飞船来说，时 
空扭曲的程度必须远大于此。在某些方面来说，飞船就有点像一 
个黑洞。以此为依据计算所需要的能量，结果听起来照样令人沮 
丧。要制造一个典型飞船大小（比方说一个直径为20米的盘状体） 
的黑洞，我们大约需要将 30 000个地球的质量压缩到这个狭窄 
的空间中去。用能量来表示，这大约相当于太阳一生输出的全部 
能量。 

　　那么我们对推进系统的这番审视得出了什么结论呢？说我们 
永远也不可能到达别的恒星系统显然是荒谬的——将近两个世纪 
以前，在史蒂文森的“火箭号”机车首次实验之前，一位著名的 
物理学家发表了一个严正声明，说人类的身体无法承受每小时30 
千米以上的速度，火车上的乘客将会粉身碎骨。只要人类的态度 
不出现戏剧性的逆转，我们天生的发现欲望不泯灭，我们就将继 
续去面对和克服摆在我们面前的技术难题，无论是地球上的或者 
是在空间探索领域中的困难。然而，空间研究耗资巨大——尽管 
它本身魁力无穷，相当多的人对它并不熟悉，他们把它看成是浪 
费金钱，而没有认识到我们早已在30多年的空间探索中获益匪浅。 
基于这些事实，至少在不远的将来，发展将会很缓慢。 

　　我们很可能将探索我们太阳系最遥远的幽深之处，但是，正 
如此处强调的那样，要抵达遥远的恒星则需付出坚持不懈的巨大 
努力。最终，所有的问题将会被克服。也许最初到其他恒星系统 
的飞行将是速度很慢的无人驾驶飞船，宛如一头老牛拉着一辆破 
车在通往目的地的旅途上颠簸，一路上它不断地被比它先进的车 
辆超过。 

　　无论采用哪种方法，人类终有一天会站在环绕另一颗恒星转 
动的行星上，感受到那颗恒星的热量。不仅如此，总有一天，我 
们将研究出能够产生以接近光速的速度旅行的宇宙飞船所需的巨 
大能量的方法，甚至还可能设法绕过爱因斯坦和其他科学家揭示 
的法则造成的限制。当那一天到来时，我们将开始进行真正的星 
际旅行。 

　　但是，也很可能早在那一天到来之前，来自其他星球的生命 
将先行抵达地球——也许他们只比我们先走了很微小的一步。说 
不定他们早已来过……而又悄然离去。 

____________ 
　　①据最近宣布，与“先驱者号”的通信联系已被切断，因为 
它传回的信息不值得运转接收器去接收。无人驾驶的卫星“先驱 
者10号”目前正以每小时28000英里（约45000千米）的速度行进， 
与太阳的距离为冥王星的2倍。它以此速度到达那儿花了25年时 
间。从先驱者送回地球的信号以光速旅行到地球需要9个小时。 

　　②半衰期指一放射性物质源衰减到其原有质量之半所需的时 
间。 

　　③重同位素指一种原子在其原子核里中子数目比平常多。最 
普通形式的氢原子核里只有1个质子而没有中子。氢的第一个重 
同位素氘有1个质子和1个中子。最重的同位素氚有1个质子和2个 
中子。 

　　④当时人们只知道质子和电子。中子直到3年后（1932年） 
才被发现。 

　　⑤对这种想法感兴趣的读者，我推荐他们去读克拉克 
（Arthur C．Clark）著的科幻小说《与拉玛相会》。 

　　⑥对于那些对这个假说感兴趣的人，我推荐另外一本科幻著 
作，阿西莫夫的《基地》三部曲，若需更加详尽的分析，则请看 
我本人所著的作者传记--《阿西莫夫：独立特行的一生》。 

　　⑦索恩为他的朋友萨根发明了蛀洞的想法。当时，萨根正在 
写一本小说《接触》，讲述的是人类与外星人通信联络的故事。 
萨根写信给索恩，请他提出一种科学上貌似真实的方法，外星人 
可以用这种方法，在一段切实可行的时间内，跨越恒星际距离。

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