光子火箭的奇跡

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。它建立在正物質與反物質相遇時會立即發(fā)生質量湮滅過程并產(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，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和反物質連續(xù)發(fā)生的質量湮滅過程中獲取。

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和反物質，箱體結構必須密封可靠，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。火箭啟動工作時，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，兩者質量全部消失，轉化成為光能放出。由于湮滅過程釋放的能量，比同樣質量的氫發(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。考慮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