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标  题: 地外文明探秘· 第八章 我们会抵达恒星吗？
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年07月19日14:01:20 星期五), 站内信件


　　　　　　 第八章 我们会抵达恒星吗？

　　　　“太空茫茫，横无际涯。你简直无法想象它多么　　辽阔，巨大，浩瀚。
你会认为成为化学家要走过一段　　漫长的道路，与太空相比，这太微不足道
了。”　　——道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）　　 《搭车人银河系指南》

　　宇宙茫茫，浩瀚无垠。事实上，我们绝大多数人根本无法去想象宇宙究竟有
多大。许多人混淆了行星际距离、恒星之间的距离，他们无法想象星系之间难以
想象的间距。

　　评论员们经常把我们太阳系称做“外层空间”。这种说法实际上是荒谬的。
顾名思义，我们的太阳系是当地的一个行星家族。它所有的行星都在不同的距离
上环绕太阳转动。水星最靠近太阳，平均距离为4500万千米，冥王星离太阳最远，
距离太阳大约d亿千米。①地球，还有水星、金星和火星被称做内层行星，而木
星、土星、天王星、海王星和冥王星称为外层行星。

　　现在，说起上亿千米令人咋舌。这种距离对我们今日而言确实相当惊人。其
实，我们太阳系的大小与星际旅行的距离相比实在是微不足道。让我们作个比拟。
设想一个气泡，比方说，直径3~ 4厘米。再想象这个气泡是一群微小生物的家，
它们就生长死亡在这个气泡里。现在假想这个气泡随溪水流人河流再汇人大海，
最后落在太平洋当中。这就好比我们太阳系的大小（气泡）在我们这个星系——
银河系（整个太平洋）里的情况。现在再来想象那些小得难以置信的生物（它们
的整个太阳系就在气泡里面），正试图抵达大洋里某个地方的另一个气泡，比方
说，距离它5千米以外。这就相当于我们旅行到距离最近的恒星那儿去，它距离
我们地球大约4光年。

　　这个类比旨在说明恒星之间的距离要比行星之间的距离大得多。星系之间，
进而是星系家族（或者星系团）之间的间隔，乃至整个宇宙的规模，按比例而言
更是巨大无比。

　　星际旅行（我们极有希望有朝一日能够掌握这种技术）的主要问题在于距离、
时间和能源。由于恒星之间的距离大得难以想象，星际旅行所需的时间相应地就
很长久，任何可望克服这一限制的系统都需要对我们而言大得切实际的巨额能量。

　　问题始于爱因斯坦的狭义相对论。它发表于1905年，当时爱因斯坦正在位于
伯尔尼的瑞士专利局工作。狭义相对论引用了两个早已公认的科学原理，得出了
另外一个原理。这个原理被许多科学家和不是科学家的人认为是整个科学世界里
最不可思议的创见。

　　这些原理的第一条来自牛顿的研究成果。牛顿在17世纪80年代证明，对任何
相对于另一观测者作匀速运动的观测者来说，物理定律相同。因此，如果一辆汽
车里的司机和乘客在另一辆车旁行驶（或者相对行驶），两辆车都以均匀的速度
前行，那么两辆车里的司机和乘客所见的宇宙运动变化的方式便彼此相同。这看
似浅显，却包含了重要的结果。

　　图14 天文学中的“大小顺序”：从我们所在的太阳系到尚未观测到的宇宙
极限。

　　第二个事实是在比较近的时间得出的：光在真空中的速度始终保持不变。这
个速度用符号“c”来表示，等于每小时10亿千米有余。更为重要的是，它与观
测者的速度无关。

　　根据常识，如果飞船A以0．75c的速度朝一个方向运动，飞船B从对面方向飞
来，速度也是0．75c，那么它们的相对速度应为1．5c。但实际上却不是这样。
根据爱因斯坦的公式，两艘飞船上的人会看见对面的飞船，但速度不是光速的
1. 5倍而是略小于1c（确切地说应为0．96c）。

　　这一令人吃惊的结果是：如果c是常数，那么时间和空间必须是相对的。换
言之，如果飞船A和飞船B上的乘客看见光以恒速从对面传来，不管他们自己的飞
船速度快慢如何，他们必须用不同的方法来测量时间——因此，当他们飞行速度
加快时，时间减缓了。此外，由于距离、时间和速度全是互相关联的，所以如果
时间减慢，那么距离的特性对飞行速度不同的观测者来说不可能相同。换言之，
在此情况下，如果我们改变时间，那么按照逻辑推理，测量结果也必然会改变。
旅行速度越快，距离就变得越短——1米的长度将根据观测者的速度而变化。观
测者运动的速度越快，距离就越短。最后，观测者运动的速度越快，他的质量就
变得越大。

　　所有这些的最终结果是：如果观测者能够以光速旅行，他们就会经历三件
事——时间变慢到停滞，他们缩小到没有了，而他们的质量却变得无穷大！

　　这决不是疯狂的理论或者没有丝毫根据的伪妄之说。爱因斯坦的狭义相对论
自1905年以来，已经被成千上万次实验所证实。你也许会问，为什么以前没有人
想到这个呢？为什么牛顿没有认识到爱因斯坦推论出来的原理呢？也许，更重要
的是，当我们在高速路上行进时，爷爷怎么没有突然变得像大象那么重，当人们
站在路旁或以不同的速度运动时，大家的手表怎么始终显示同样的时间呢？

　　这些问题的答案在于它们与速度的大小有关。我们之所以在日常生活中没有
注意到这种现象，是因为运动的速度还不够快。如果牛顿想到以接近光速的速度
旅行的话，他也许在17世纪就推论出相对论了。但是，当时连光速的大小也不知
道，所以我认为牛顿是可以原谅的。

　　最近在一艘飞船上进行的一项实验说明了狭义相对论的结果，显示当速度较
慢时这种效应多么微小。即使以每秒钟5英里（约8 千米）这样不算很慢的速度
在轨道上旅行，飞船上钟摆的节律也仅比地球上的钟慢不到千万分之一秒。

　　我们目前能够达到最接近光速的速度，不是用像宇宙飞船这样庞大的物体得
到的，而是用单个基本粒子获得的。在日内瓦附近的欧洲核子研究中心和芝加哥
的费米实验室的巨大粒子加速器里，将亚原子粒子加速到接近光速，结果发现它
们的质量增加恰如爱因斯坦的计算推测的那么大。

　　所以，爱因斯坦的这条定律，即没有任何物体能以光速旅行乃是无可辩驳的
法则——它是我们宇宙中的活生生的事实。因此，我们有朝一日有望飞越星际距
离的方法，要么是以与爱因斯坦的理论不相冲突的速度旅行，要么发明某种绕过
相对论而又不破坏其法则的巧妙旅行方法——人类在过去已证明自己擅长于此。

　　首先，我们考虑一下我们有朝一日能够以亚光速在恒星之间旅行。

　　在一个世纪的大部分时间里，这种可能性一直是科幻小说的主题之一。最近
几十年来，越来越多的科学家在考虑这种可能性。对于大多数航天工程师和空间
科学家来说，这是我们或宇宙中可能存在的任何其他文明能够跨越星际距离的唯
一切实可行的方法。

　　所有常规的空间推进系统（这里我指的是不利用空间本身的某些奇异特性——
诸如卷曲或蛀洞——的发动机），必须符合牛顿的第三运动定律。这条定律是：
“所有的作用力都存在一个大小相等、方向相反的反作用力。”在这方面，飞船
与喷气式飞机或气垫船没什么两样。喷气机尾部喷射燃气，推动飞机往前进——
原理很简单。对星际探索者来说，困难不在于这一系统本身，而是一个量值问题。
要在一个人的有生之年抵达最近的恒星，飞船必须由一个强大的装置提供必要的
加速度。

　　迄今为止，我们研究出来的空间交通工具全都采用化学推进——把燃料混合
在一起反应产生能量，喷射注入发动机一端的很小的小孔，推动飞船向前进。这
与喷气机的推进原理大同小异。

　　我们制造的空间交通工具的最大能量需求是逃离地球引力所需的能量——要
达到所谓的逃逸速度（从地球逃逸的速度大约为11千米／秒）。这是“土星5号”
火箭运送有效负载进人地球轨道，顺利实现抵达月球的第一步所需的能量，或者
说是将航天飞机或“阿利亚娜号”火箭以及它们的有效负载送人轨道所需要的能
量。一旦进人太空，那里几乎呈真空状态，引力也弱得多，事情就好办多了，例
如飞往月球的阿波罗飞船一旦进人轨道，就只需要相对较小的发动机和推进器从
它们的排气口排出热气，调节航线就行了。不然的话，飞船将完全任凭地球大气
层外的引力摆布。

　　这种形式的推进代表我们今天的水平。一些无人驾驶的飞船利用太阳能或小
型核反应器产生能量发动飞船上的机器，但化学能目前仍然是推进系统的主要能
源形式。尽管如此，下一步更精湛的技术水平——很可能就在不远的将来——将
是某种形式的人工操纵的裂变动力装置宇宙飞船发动机。

　　核裂变是地面核反应堆和核潜艇的动力源，是最早的原子弹爆炸释放巨大能
量的罪魁祸首。当大量不稳定的原子核衰变时，我们就说它们经历了核裂变，结
果是释放出能量。这一能量的大小取决于发生裂变的材料的质量大小。这可以用
堪称历史上最著名的公式计算出来（也是爱因斯坦导出的）：E＝mc2，其中m等
于物质的质量，而c为光速。

　　核裂变是我们今天掌握的、能够控制的最强大的能源。它在生产供家庭、办
公室和工厂用电的能源中所占的百分比日益增加。虽然它有一定的危险性，特别
是其废料（主要是钚239，它的半衰期为 24 000年）。②尽管发生灾难事件的风
险始终伴随着核裂变，它却是一种非常适用的有潜力的能源。由于核裂变永远无
法满足在恒星之间实际旅行所需的巨大能量，因此在关于空间飞行能源需求的探
讨中，核裂变只能在其起步阶段——行星之间旅行时起重要作用。

　　让我们回到气泡的比拟上来。核裂变可以帮助生活在气泡中的微小生物抵达
气泡里面的任何地方，但是，如果它们想要越过海洋抵达另一个气泡，核裂变的
价值就很有限了。如果它们漂浮在什么地方（比方说斐济附近），却要抵达美国，
那么核裂变就彻底地无济于事了。

　　即使在我们太阳系以内旅行，采用核裂变也决不是一蹴而就的事。发动飞船
所需的燃料量非常之大，使飞船几乎没有可载人或装货的地方。此外，一旦发生
事故，就像前苏联的切尔诺贝利核电站（1986年8月6日出事爆炸，后果严重）事
件那样，核能的潜在致命射线更增加了空间旅行的危险。不妨想象一下，运气不
佳的航天飞机“挑战者号”把核原料运到轨道上，作为一架正在建造的飞往火星
的大飞船的能源。尽管可以研究出比较安全地运输到轨道的技术，但多数人肯定
会对这种计划感到不舒服。

　　一种更加强大的核能形式来自所谓的核聚变过程。早在1989 年，两位科学
家，弗莱施曼（Martin Fleischamnn）和庞斯（Stanley Pons）宣布他们发明了
一种称作“冷聚变”的技术。它只需一对电极和一些装在罐里的普通化学试剂就
行了。消息传来，人们为之兴奋不已。不幸的是，他们的实验证明是不可重复的，
人们的注意力再度回到研究核聚变的常规努力上来。

　　聚变机制是太阳或任何恒星的动力源。在实验室里，聚变过程把像氘和氚
（它们是氢的重同位素）这种小的原子核聚合在一起，产生巨额的能量。③

　　在几乎长达50年的时间里，科学家一直致力于研究核聚变——至今只取得了
很有限的成功。核聚变有许多工作要做。它是一种相对说来比较洁净的能源，因
为它不使用像铀238这样危险的放射性元素。铀238在现代快中子增殖反应堆里转
变成钚239，它具有产生远比核裂变的能量大得多的潜力。这些是该系统的优点，
不利之处是如何控制和效率的问题。

　　要产生核聚变，温度必须达到1000万摄氏度左右（相当于太阳核心的温度），
这样才能迫使带正电荷的原子核克服它们之间的静电排斥力。这种聚变物质以过
热等离子体的形式存在。它无法保存在任何形式的物理容器里。此外，迄今引起
聚变所需要的能量比由此获得的能量还要远远大得多，这就意味着目前它的效率
是负的。

　　尽管有这一条公认的严重缺点，核物理学家还是希望能在不远的将来解决这
个问题。核聚变被视作最有希望解决日渐严峻的地球资源危机的方法。可惜，即
便是这一能源对于从地球出发的恒星际旅行者来说用途也很有限。即使要达到光
速的某个很小的百分比，所需的聚变材料数量也大得惊人，根本无法实现。

　　据计算，要使一艘飞船加速到光速的5％所需的燃料几乎是其质量的8倍。这
还只是加速一次。如果飞船要停靠在目的地，它将需要使用更多的燃料——整个
质量再增大4倍。如果我们假设往外飞行使用了一半燃料（质量为飞船生活舱和
货舱质量的4 倍），另外还需要4倍于飞船质量的燃料。那么一次起飞和停泊就
需要[8×4×飞船主体质量（不包括燃料）]——或者说生活舱加货舱质量32倍的
燃料。

　　图15 使用核裂变和核聚变的飞船尺度大小比较。

　　绕过这个问题的一种可能的方法是采用聚变冲压式喷气发动机。虽然我们把
太空视为完全真空的，但实际上它含有氢原子，它们稀疏地分布在恒星和行星之
间。因此从理论上说，可以建造一艘宇宙飞船，其一端附有很大的扇斗，收集氢
原子作为燃料。

　　乍一看这个设计似乎根本不切实际。因为氢的分布非常稀薄——太空中的物
质太少，不能产生足够的动力。但是，假如飞船运动得非常快，它就会像人在小
雨中奔跑那样，淋得湿透，因为他们一面奔跑一边迎着雨滴。或者说，像大海鲸
一样一边游泳一边吞食浮游生物。这样的交通工具看上去很笨拙，却能够为自己
提供动力，并以对行星际旅行来说相当可观的速度飞行。

　　因此，核聚变被视为我们有朝一日在太阳系的行星之间定期旅行时最有可能
采取的方法——假如控制和能源效率的

　　 图16 聚变冲压式喷气发动机。

　　问题能够解决的话。它是一种适合在行星之间旅行时（要求速度在每小时几
十万千米）使用的燃料，使我们能够在几星期内到达火星。但是，正如我们前面
所述，行星之间的距离（在气泡里旅行）与恒星之间的距离（在大海中旅行）是
不可同日而语的。利用聚变动力达到的速度，比方说，250 000千米／小时，我
们可以在2年左右的时间里到达我们太阳系的外缘。而要到离我们最近的恒星则
需要1000代人的时间才能完成单程旅行。即使这一相对说来很平常的速度要维持
这么长的时间，单是燃料需求就使它绝无可能了。

　　除了比较常规的关于使用原子能的想法——核裂变和核聚变都算在内，在近
几十年里还有过几次试图发明不同寻常的系统，以利用核技术（归根结底，核技
术是我们掌握的最先进的能源）来产生高速度的尝试。其中之一是想利用核爆炸
的能量来推动飞船向前进。

　　有人设计一种从理论上考虑的称做“奥利安”（Orion）的飞船，它利用一
组热核弹头，分别以每3秒钟一次的频率从飞船的后面推动。爆炸将产生一种热
离子，它冲击所谓的“推进板”，推动飞船向前进。虽然这种方案还是在我们太
阳系的范围内进行核爆炸（假设确有办法使这种装置非常安全的话），估计这一
系统的效果最多可望达到光速的3％（2500万千米／小时）。要获得这一速度，
几乎需要300000枚一吨级的炸弹，这就使它几乎完全不切实际了。

　　这些尝试中比较有希望的，可能是利用所谓反物质的奇特材料。

　　宇宙中所有的物质都是由原子组成的。这些原子又由被称作亚原子粒子的物
质——中子和质子构成，它们全都存在于原子核中，而电子则包围着原子核。这
在20世纪初就已广为人知。这应归功于诸如卢瑟福（Ernest Rutherfold）、查
德威克（James Chadwich）、普朗克（Max Plank）和其他先驱者的研究。20世
纪另外一位有影响的富有创新精神的物理学家狄拉克（Paul Dirac），在1929年
预言所有已知的亚原子粒子都有特性相反的对应物。④它们被称为反粒子。

　　电子带负电荷，反电子（或正电子）具有相同的质量但是带正电荷。一个反
质子是带负电的。像质子一样，它存在于可被设想为反原子的原子核里。但是对
未来星际发动机工程师和设计师来说，最重要的是当物质和反物质互相接触时，
它们立即互相湮灭同时产生能量。

　　在狄拉克时代，反物质只不过是一个理论概念，是他把量子力学、电磁学和
相对论的数学公式组合在一起时突然冒出来的。因为它与物质一接触立即就湮灭
了，所以在我们的宇宙中没有发现自然状态的反物质；也一直无法通过实验来捕
获它，直到最近才有突破。今天，我们可以在粒子加速器里制造小批量的反物质
了。

　　要制造一个反质子，要把“正常的”质子送人粒子加速器环里旋转。在加速
器里，它们在强磁场中被加速，直到速度达到光速的50％。然后，让它们与金属
原子核相碰撞。这一过程产生粒子和反粒子对（以及X射线和各种其他形式的能
量）。然后，在反质子和质子互相作用并彼此湮灭之前，将反质子与质子分离开
来。

　　然而，如此难于驾驭的稀有物质，怎么样才能用作推进剂呢？显然，要利用
这种资源，我们必须要能控制粒子和反粒子的互相湮灭，并且利用这一过程产生
的能量作为飞船的能源。实际上，这样一个系统的简单装备早已在设计之中。其
想法是将微量反物质射人一个注满氢的中空的钨砖块里。粒子立即湮灭，释放的
能量使钨块加热。然后冷氢被挤压至该装置的中心，在那里被迅速地加热到
3000K，从发动机喷射出去，推动飞船前进。

　　 图 17 反物质驱动装置。

　　反物质驱动的最大优点是只需很少的燃料即可产生有效的加速度。最大的欠
缺在于生产足够使用的反物质所遇到的困难。目前在全球的粒子加速器里用以产
生反物质的能量只有十万分之六以获得粒子而告终。所以，它的制造效率低得可
怜，它目前的市场价值约为每一克 10 000 000 000 000 000美元（每克1亿亿美
元）。

　　要利用反粒子，我们还会遇到防护容器的问题。就像核聚变产生的超热等离
子体一样，必须发明特殊的磁防护容器系统防止反物质在使用之前就与物质发生
相互反应。

　　这些困难都不足以阻止高级的文明——我们未来的文明，或银河系内外的其
他高级文明使用反物质。我们只要回顾一下我们自己的技术发展就会明白没有什
么技术问题是不可逾越的。第一次世界大战后不久，卢瑟福发现某些原子的核可
以通过轰击而分解。在稍多于四分之一个世纪的时间里，这项研究成果导致广岛
和长崎的原子弹爆炸。再想一想牛顿时代，自然哲学家们要想象控制“土星Ⅴ号”
火箭的威力，或者设计一架喷气式发动机有多困难就行了。

　　就目前的技术水平而言，反物质实在太昂贵，无法生产。但是，这些技术问
题在未来二三十年里肯定可以解决。如果我们视野开阔些——相对于文明延续的
时间以及高级文明在其他星球上可能经历的年代而言，二三十年的时间实在算不
了什么。回顾人类千年来的历史，从第一颗原子弹到掌握反物质发动机之间只不
过是弹指一瞬间。对其他文明来说，情况可能也一样。

　　选择反物质推进系统为行星际旅行提供了希望。然而，即使我们充分认识到
这种技术的潜能，我们仍然不能绕过宇宙的自然法则，仍将受到光速的限制，停
留在亚光速上。这就意味着星际旅行者要么接受以接近光速的速度旅行（对访问
许多星球和在那儿实行殖民的目的来说这一速度还是很慢的），要么以更慢的速
度，因而花费更长的时间到达太阳系以外的地方。

　　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（t
1），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


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