宇宙和生命-第839部分

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　　火星的表面面积。这个想法看上去似乎不可能做到，其实镜子只

　　需几个原子那么厚，也许可以用特殊制备的金属箔制成。它们的

　　作用是使到达火星表面的太阳辐射量翻倍，并相应地升高火星表

　　面的平均温度。

　　还有一种想法是使火卫一引发某种特殊的“慢燃烧”。它能

　　够产生的热量大约等于从太阳到达火星表面的热量的1／10。经

　　过几个世纪，火星的温度可能升高到接近地球的平均大气温度。

　　虽然这些系统将能提供合适的表面温度，但是还必须采用其

　　他技术以提供可以呼吸的大气。目前，火星大气的氧浓度约为人

　　类探险者能自由舒适地走动和工作所需的1／100左右。要创造大

　　气，必须在火星引力场的范围内找到和捕获几十亿吨的氧和氮。

　　在火星表面下或许存在着大量的水，但是即使将它释出变成

　　氧和氢，那么最乐观的估计也只能提供所需的氧的一小部分。自

　　由氧可能曾经在火星上很丰富，可它们大多在很久以前就被俘获

　　变成土壤中的碳酸盐和大气层里的二氧化碳了。虽然很难将它们

　　释放出来，但有一种很激进的提议试图用几百万颗高效热核弹来

　　释放所需的氧。这么做并非易事，特别是如果考虑到等这个计划

　　能够付诸实施的时候，居住在火星上的人口已经相当多了。

　　一个看来似乎很妙的办法是把气体带到火星上去。这可以通

　　过捕获一颗小行星来实现。有许多小行星都含有巨量冰冻的水。

　　小行星被导人适宜的轨道后，将进人火星大气层碎裂，并化作冰

　　块撒落在火星表面。冰块蒸发，然后分解产生氢和氧。另一个想

　　法是把一颗彗星（主要也由冰构成）导人轨道，让它缓慢地下降

　　进人大气层，在那里瓦解。

　　这些想法看上去纯粹是科学幻想，就目前而言，也确实如此。

　　但是整个原理还是符合物理学定律的，仅仅是个范围的问题。要

　　使一颗行星的环境发生这样翻天覆地的变化所需要的技术，也许

　　在未来几千年才能达到。真正付诸行动以后，则需要更长的时间

　　才能实现这样的变化。可是有朝一日，如果我们希望如此的话，

　　火星将会是一个碧绿苍翠的世界，就像我们地球现在一样。人类

　　和“火星人类”（Martian　Humans）将在田野上漫步，在河流中

　　荡桨。这些田野和河流全是由于人类（我们的后代）的介入而创

　　造出来的。我们知道，在地球上，我们也在穿越田野，胜过河流，

　　它们说不准也是由与我们差别不大的生物“播种”，并步入自我

　　维系之路的。

　　____________

　　①原文如此，其实火星与地球之间的最大距离可达约2．5亿

　　英里（4亿千米）。——译者

　　②火星的近日距（最接近太阳时的距离）等于1．28亿英里

　　（2．07亿千米）；远日距（距离太阳最远时的距离）为1．54亿

　　英里（2．49亿千米）。地球的轨道几乎是圆的，地球到太阳距

　　离的平均值为0．93亿英里（约15亿千米），上下浮动仅为150万

　　英里（约240万千米）。

　　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。

　　





　　正文　第八十九章　地外文明探秘（2）

　　

　　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