恒星際飛行

Ｂ．Ａ．勃龍施亭　И．Д．諾維科夫

這是第一次恒星際飛行的起飛，這次飛行要越出太陽系的圈子，飛向半人馬座的比鄰星行星系。飛行速度慢慢地增加著，漸漸由原來的近太陽的軌道變成了雙曲線軌跡，經(jīng)過了兩個星期后便離開了太陽系。速度愈來愈增長，終于達到了每秒25萬公里(即為光速的5/6)。這時可使發(fā)動機停車。宇宙飛船就依靠慣性來飛行。

此時在宇宙航空家前面呈現(xiàn)出一幅完全異于尋常的圖畫：天空中的星星都像是朝著一個方向(即恒星際飛行的方向)奔跑。它們的色彩也出現(xiàn)了稀奇古怪的變化，有許多顆甚至完全隱沒不見。不妨用一架超級強力望遠鏡對準(zhǔn)最近的某一顆恒星看一看吧?？磥硭坪醪皇乔蛐危窍蝻w行方向壓扁！奇怪的是其它星星也是如此。

接著便到達半人馬座的比鄰星系，于是進行了最有價值的科學(xué)研究，然后作返回地球的飛行。逐漸向太陽系靠近，后來用眼睛就能看到了我們親愛的地球。

最后旅行人終于到達了地球！他們重新又見到了親屬、朋友和相識者。

——我們有許久沒有看到地球啦！——同行的旅伴們感嘆地說——有九年多了吧！

——我們沒有看到你們可要比你們沒有看到我們還要多四年哩——重逢的親友們說。

但是誰也沒有對這些談話驚異。大家都知道事情本來就是如此。親愛的讀者們，你們知道這個道理嗎？

乘著光線向宇宙飛行

有人如果想乘坐“普通的”行星際火箭到半人馬座的比鄰星，飛到那里就需要十萬年。完成恒星際飛行是非常困難的，即使不惜花費幾十年功夫來回一趟，那也需要以接近于光的速度來飛行。使飛行器獲得這樣的高速有沒有可能呢？答案是肯定的，乘坐所謂光子火箭便能做到這一點。

在這種火箭中以光子流代替噴氣來產(chǎn)生反作用加速度。所謂光子就是光的粒子，這些粒子也具有一定質(zhì)量，它們由物質(zhì)各種不同基本粒子轉(zhuǎn)化而成。除了質(zhì)子和電子外，現(xiàn)代物理學(xué)還發(fā)現(xiàn)在自然界中很少遇到的其它粒子，如具有質(zhì)子質(zhì)量但帶正電的正子，以及具有質(zhì)子質(zhì)量但帶負電的反質(zhì)子。它們互稱為反粒子。當(dāng)粒子與其反粒子相結(jié)合時便形成光子。

創(chuàng)造光子火箭勢必引起了許多的技術(shù)問題，這些問題都沒有得到解決。但我們可以設(shè)想，光子發(fā)動機已制成，它可使火箭獲得接近于光速的速度。那么究竟為什么從多年到半人馬座比鄰星旅行中回來的宇宙航行者在時間的計算上會跟地球上的居住者相差這許多年呢？相對論給我們揭開了這個現(xiàn)象的原因。

是否可能飛得比光還快呢？

大家都知道，機械的運動總是相對的。例如，坐在艙內(nèi)旅客不管如何都不會感到輪船的直線等速運動。非但如此，那怕是用任何的機械試驗也都不可能發(fā)現(xiàn)這種運動。這種作直線等速運動的物體便叫做慣性系統(tǒng)。

但是如果從力學(xué)轉(zhuǎn)到電動力學(xué)，問題好像就不同了。光線是一種電磁波，由理論和實際都證明了，光線以每秒30萬公里的速度在真空中傳播。看來，觀察者若以30公里/秒的速度迎著光線運動，光線相對于觀察者的速度便應(yīng)該是300，030公里/秒，但如果作反向運動，那么便應(yīng)該是299，970公里/秒。

可是，那怕是作最精密的試驗，也都不能證明這一點。已經(jīng)查明，光速完全與觀察者的直線等速運動無關(guān)。不管對那一個來說，光的速度始終等于300，000公里/秒。由此可見，無論是采取測量光速的方法還是用某種其它方法都不能發(fā)現(xiàn)物體在空中的直線等速位移。我們只能談?wù)撐矬w的相對運動。

著名的物理學(xué)家阿爾培爾特·愛因斯坦綜合了這些研究結(jié)果，導(dǎo)出結(jié)論認為，作為整體的物質(zhì)系等速直線運動對于該系內(nèi)所發(fā)生的過程沒有任何影響。在任何慣性系統(tǒng)內(nèi)真空中的光速都為常數(shù)，而且也是極限速度。任何物體都不能以超過光速的速度來運動。愛因斯坦根據(jù)這些定律建立了特殊相對論，使我們更加深入地了解空間和時間的本性，并發(fā)現(xiàn)它們之間的相互關(guān)系。

相對論說明了什么

這個理論首先說明了同時性的概念，這個概念看起來似乎十分簡單明了，但其實它不像古典物理學(xué)所論述的那樣，并沒有絕對性特征的。

我們可以設(shè)想有相對于地球作直線等速運動的火箭。

火箭中間坐著一位宇宙航行家，由于他同時看到火箭尾部和頭部發(fā)生閃光，所以他認為這兩處的閃光是在同一瞬間出現(xiàn)的。另外有一位坐在地球上的觀察者，如果他跟疾馳而去的宇宙航行家坐在一起，那么同樣也會看到閃光是同時發(fā)生。但由于他坐在地球，所以認為尾部閃光要早些，因為火箭正在運動著；而在閃光時尾部離地球上的觀察者要比頭部近些。如果閃光不在火箭上而在地球上發(fā)生，那末宇宙航行家也會得到同樣的結(jié)果。

不但如此，看來，長度也似乎不是絕對的，它同樣也取決于相對運動。比方，根據(jù)宇宙航行家的測量，火箭長度等于100米。但是地球上的觀察者如果企圖同時標(biāo)記其兩端位置，則獲得較小的數(shù)值，例如99米。要知道，從宇宙航行家來看，這位觀察者測定頭部位置時要早些，測定尾部位置時要遲些，這一段時間中火箭已移動了1米。而觀察者本人則認為是同時測定的，因而就這一點來講，飛行中的火箭長度要短些。

時間的間隔同樣也具有相對性。把地球上和飛行火箭中的鐘表進度加以比較，地球上的觀察者就會發(fā)現(xiàn)，宇宙飛船中的時間要比地球上的時間走得慢些。

如此看來，在高速運動中的物體，其長度在運動方向上將有所縮短。當(dāng)運動速度接近于光速時，這種縮短程度將跟著飛快地增加。運動系統(tǒng)中的時間間隔同時地跟著減慢。

向著未來旅行

就像前面剛證明過的情況一樣，根據(jù)相對論定理，以準(zhǔn)光速飛行的火箭中時間間隔應(yīng)當(dāng)減慢。任何鐘表(不管是彈簧的還是石英的)、放射性時間基準(zhǔn)件以及人類心臟都向我們證明，在向半人馬座比鄰星的飛行時間以及返回地球的飛行時間內(nèi)，火箭中要比地球上少4年。

相對論最有價值的結(jié)果就是這樣。而是這不僅是純理論的推導(dǎo)。對于這個乍看起來像是不可思議的情況已獲得實際的驗證。

大家都知道介子的裂變發(fā)現(xiàn)。介子是質(zhì)量比電子大300倍的基本粒子。由觀察證明，在宇宙射線中形成的并具有高速的介子，其存在的時間正如相對論所推斷那樣地增加。

為什么在我們的生活中沒有感覺到時間的減慢呢？這是因為在低速(與光速比較)時，時間之差額是極其微小的。即使平均速度達到15公里/秒的飛行火箭，雖在一年的時間內(nèi)完成太陽系的飛行，但其鐘表時間與地球上的時間相差總共只不過0.015秒。如果速度增大到299，900公里/秒，那么在地球上渡過38個歲月時，而在火箭上才只過去一年。宇宙航行家認為只不過渡過不太久的旅行生活，可是地球上自己的孩子已成長為中年人，甚至孫子也已成長。而他們自己才只不過增加了一歲。當(dāng)然，運動速度愈接近光速，要達到這樣的速度也愈困難。不過在原則上這種速度是可以達到的。這就是說，向未來的旅行是可能的。(未完)