恒星际航行与时间转换

凡　人

一个幻想了许久的宇宙航行时代正在人类面前展开，今天的科学技术水平以及它进一步发展使人类不仅成为地球的主人，而且能够成为更广阔的宇宙空间的主人。在不远的将来实现了太阳系内的行星际航行之后，人类将进一步从事路途更为遥远的恒星之间的航行。

漫长的旅程

我们的太阳系家庭是一个以太阳为中心、盘旋着九大行星的天体系统，它的空间直径约为一百亿公里。这个距离可以这样来表达：如果乘坐每秒行进十公里的火箭，那么走完这一路程大约需要三十二年的时间。然而在漫无边际的宇宙空间中，太阳系只是一个极微小的部份，宇宙中还有数不清的恒星系统、还有许许多多个在那深沉而遥远地方燃烧着、发出灿烂光芒的“太阳”，它们的体积有的大到足以盛装下我们这样大小的太阳二百亿个。仅就银河系就有一千五百亿个恒星，银河系的最大直径约为八亿光年，一光年是光线在一年中所走过的距离(接近十万亿公里)。不过，银河系也只是宇宙中一个很小的岛屿，已经发现，相互距离以百万光年度量的银河系多至一亿个以上，可见宇宙是多么辽阔广大和漫无边际！

那么，我们人类将怎么从事恒星际的航行，怎么能通过如此漫长的距离从一个恒星系到达另一个恒星系，怎么会拜访那里很可能有的高等生物呢？的确，路程是这么遥远，即使是离我们最近的一颗恒星——半人马座比邻星，光线走到那里也需要四年多的时间，如果人们乘坐速度为每秒一万公里的火箭，到达那里就需要一百二十多年，而到达离我们十六光年的牛郎星、二十七光年的织女星以及更远的恒星系又需要多少时间呢？！这样看来，人类能够胜利地完成恒星系之间航行的任务吗？

任务是可以胜利完成的！时间和空间的相对性原理给我们对这个问题的解决，指出一条康庄大道。

“奇怪”的时间

1881年著名的实验家迈克尔逊作了一个重要实验，再三反复的实验结果，证明了宇宙中的光速是不变的，不论光源或接受光的物体的运动速度如何，它永远以每秒钟约三十万公里的速度在真空中传播(此速度以符号C表示，下同。)

由此能引出什么结果呢？

我们研究一个简单的例子。一架以速度V前进的飞机从机场A的上空掠过，当它和机场重合的瞬间它们同时向前方发出闪光。我们看，经过10秒钟的时间后光线过去的距离是多远？显然，这是10C公里而不会是10(C＋V)公里，许多科学实验和宇宙空间里的双星运动中的发光现象都证明了这一事实。这就是说，十秒钟以后，不论飞机还是机场发出的光线都不会到达图上的B点，而恰好到达B点(图1)。

图1

此外，还有另一件事情是值得注意的，那就是，经过十秒钟飞机已不再处于原来的位置A，而是前进到新的位置M(图2)。于是问题就发生了：MB不等于AB，就是说，10秒钟之后光线离开飞机的距离不等于光线离开机场的距离，可是根据前面提到的迈克尔逊实验和以后千百次其他实验得出的结论，我们知道、光速不论对于运动的飞机还是对于机场都是一样的，都是不变的常数C，那么就有如下事实出现，两个不等的路程被同一光速去除所得的时间显然是不同的：机场上的钟表走过的时间to=AB/C=10秒，飞机上的钟表走过的时间t=MB/C<10秒，t

图2

A：发光点，B：10秒钟后光线到达点，M：光线到达B时，飞机所处的位置。

有人会觉得这个结论是奇怪的，事情怎么会这样？它怎么能与我们素日的时间观念、我们的常识、我们的习惯相容呢？是的，情形正是这样的，它同我们的常识抵触，然而常识在这里却是错误的。我们可以说，为什么运动物体的时间缩短比不缩短更奇怪呢？在高速运动中，钟表的时间和物体的长度是不能用低速(速度远小于光速)状况下关于时间和空间的概念去理解的。

这种思想首先是二十世纪最卓越的科学家爱因斯坦在1905年提出的。根据爱因斯坦相对论，同样两件事情之间的时间间隔以及同样两个物质质点之间的距离，对于不同的运动系统而言是不相同的，当人们从一个运动系统(例如地球)过渡到另一个系统(例如飞机或宇宙飞船)上时，时间间隔和空间距离都要按一定的规律进行转化。在前例中，如果飞机的速度是每秒钟20万公里，机场上的钟表走过10秒钟时，飞机上的钟表走过的时间可按转换公式

求出，它等于7.5秒钟。

相应地，又发生了“迟和早”的问题。有一个在空间的不同点延续的事件，当它完结的时候，对于不同的运动系统就不是同时的，对一个系统会迟些，对另个系统会早些。我们仍然用同一架飞机，现在它是从机场A出发飞往另一个距离为72000万公里的机场Do50分钟以后，对于飞机来说(按飞机上的钟表)它已经到达目的地并在那里停留了5分钟，对于地面的机场(按地面的钟表)，这时飞机并没到达而是继续在途中飞行，只有再过10分钟它才能飞到新的机场。因为它走完这个全程共需

，而飞机，按计算，只要45分钟就够了。这样就出现了一个既发生过了又没发生的事件。

按飞机上的时间计算，飞机已经到达机场五分钟

按机场上的时间计算，飞机在十分钟后才能到达机场

沿运动方向的物体的长度发生了什么变化呢？同一个东西会不会既是长的又是短的呢？我们假定，某瞬间机场A发出闪光，当这个光亮传到机场D的时候，地上的钟表走过的时间是=2400秒=40分钟，飞机上的钟表走过的时间是30分钟。可是，光速是相等的！因此AD间的距离对于飞机就不是72000万公里而是30×60秒×30万公里/秒=54000万公里，长度缩短了。

(注：物体长度缩短可按公式计算，其中to是原长、t是缩短后的长度。)

不仅如此，当我们乘坐飞行器从地球上起飞之后，以极高的速度运行时，地面上的人们就全觉得我们在上面所从事的一切工作、活动，我们的心脏跳动、呼吸和其他各种生理作用都迟缓下来，毫无例外，所有事物、所有过程都按同一规律变得缓慢了，虽然我们自己，处于运动中的成员，却丝毫也感觉不到这些，对于我们这一切，不论运动和休息、消化和任何生命活动依然如常，正如飞行器上的钟表指出的那样。不过我们会看到从前方迎来的物体长度比原来短了，如果可能，也会看到地球上所进行的各种现象和过程都加快了速度。随着飞行器的速度愈向光速接近，上述情形就变得愈加厉害，如果它的速度V1=299999公里/秒，那么它上面的钟表走过一天的时间，地球上的钟表却走过了一百三十五天。假使飞行器达到速度V2=299999.999米/秒，当旅行家们刚刚渡过一个月的生活的时候，地球上的人们已经生活过了整整一千年！如果它的速度继续接近以至等于光速，钟表的行进就更为缓慢直到完全停止下来，而沿运动方向的任何物体的长度都将缩至最短一直到零。但是相对论本身已经确定：即使能够把物体加速到非常接近于光速但却永远不能达到光速。

旅行时间缩短了

从相对论原理出发我们得到如下结论：虽然恒星之间的距离极其遥远，虽然光线从一个星系到另一个星系需要几年、几十年以至千万年的时间，但是当我们以稍低于光的速度前进时，我们却能在很短的时间内完成恒星际的航行。

如果一个离开地球的宇宙飞船速度很快就达到V1，那么经过十天半的时间它就可以飞到人马座比邻星，经过四十二天半到达牛郎星，为了飞到织女星附近，只要七十二天就够了，可是我们知道，光线走到这颗星球还需要二十七年的时间哩。

假如从开始很快就能获得V2的速度，那么飞船只需六年零五个月的时间就能横穿银河系的最大直径，若能使速度再作极微小的增加，按计算，可在几年内航行到距离我们一百五十万光年的另一个银河系，这就是离我们最近的一个河外星系。

但是，怎样能达到这样高的速度，如何能把载人的宇宙飞船加速到接近于每秒三十万公里，如何积累起这样多的对于现代生产竟是难以想象的巨大的能量供航行之用呢？无疑，这是一个极困难的任务。但是却不能认为是永远不可克服的，相反，今天的科学技术的迅速发展的每一步都在接近着这个问题的解决。自然，这样高的速度既不是化学火箭也不是核子火箭所能达到的，唯有借助于光子火箭才能获得，这就是利用向后喷射光子流来加速自己达到接近于光线速度的光子宇宙飞船。

为了使乘员们在长期的旅途生活中得到与地球上相似的生活条件，飞船应以10米/秒2的加速度从地球附近开始加速。经过346天，它的速度便可以达到V1。减速也需要同样长短的时间。在我们前面提到的每次航行的时间中，都必须考虑进去加速与减速所占的时间，但是应当注意，346天不是对飞船而是对地球上的钟表而言的，并且在这段时间内飞船已经行进了四万五千亿公里的路程。

进入未来的世界

相对论原理为人类开辟一条实现恒星系之间远航的新的途境，人们在未来的事业中不仅能进入别的恒星系而且能航行到时间的漫长的将来，——一个旅行者完成一次恒星际旅行返回到自己的星球上时，他很可能已经落进一个遥远的未来的世界上，在他的面前，整个地球都将呈现出经过后来的人类世代开辟成的全新的景象。

我们假定，若干年之后有两个工作队从地球出发，乘光子宇宙飞船到恒星际空间去进行科学考察。其中一个奔往织女星的考察团以速度V1行进，五年以后当他们回到地球上的时候，这里的人们已经生活过了五十八年。另一个负有更艰巨任务的科学考察团需要绕行我们这个铁饼形的银河系一周。他们乘坐的飞船经加速后达到V2。从离开地球的时候算起，经过二十二年的“野外”生活与忙绿，他们胜利地完成了任务重新返回地球。然而在走到地球附近的时候，即使他们先有准备也不能不为在他们面前所展开的各种事物而惊惑，是呵，他们航行的期间地球已经经历了怎样的变化？！他们已经不能认识自己行星上的人们生活和自然界的面貌，无论天空、大地、海洋和星际之间，到处都活跃着各种新颖的器械和人们的创造，人类已经在更广的范围内战胜了强大的自然力，他们已不仅生活在地球和附近的行星、卫星上，而且生活到其他的星系并与更多的星系建立了频繁的交往……因为，这已经是二十五万一千二百年以后的世界，这个考察团按着原来正确的计算、带着对人类进一步发展十分重要的科学资料，已经远远地航行到时间的未来了。