恒星际飞行

Ｂ．Ａ．勃龙施亭　И．Д．诺维科夫

从恒星际飞行器窗口所看到的宇宙

在光子火箭发动机停车后，火箭中的旅客一点也没有感觉到火箭是以巨大的速度在恒星际空间中飞行。很有可能，宇宙航行家将从代替火箭窗口的电视机屏幕上看到了宇宙空间。初看来，似乎宇宙航行家根据恒星的位移，立刻就可以发觉他们是以多么快的速度在太空中疾驰。要知道，火箭是以十分钟便掠过从地球到太阳的距离的那种巨大速度飞行的。其实呢，即使相距一光年的两颗相邻恒星，在飞行三小时以后总共才只偏移了角度1分，也就是只偏移了用肉眼勉强能分辩清楚的一个微小的量。

但宇宙航行家还是有可能相信自己正在作神速的飞行，而且不必呆坐着作长期观察，也不必小心奕奕地进行测量，而只须根据火箭周围星空的情况立刻就可以得出。

我们都非常清楚，雨滴垂直下降在奔跑的火车车厢窗口上时，所遗留下来的雨迹是倾斜的。这是由于雨滴下降速度和列车运动速度相叠加的缘故。雨迹对雨滴的倾斜角朝列车运动的方向偏斜。

正好就是这样，恒星向运动着的地球投射的光线就有些偏斜，因而我们所看到的星星是朝着我们地球运动方向倾斜的。这种现象叫做光行差。地球的速度跟光速比较起来并不大，所以恒星光行差偏移是极不明显的，其最大值可达20弧度秒。

如果火箭以接近于光速的速度运动，那么宇宙航行家便将看到一幅不平凡的图画。在我们看来，星星似乎是相当均匀地散布在整个苍穹中。可是，现在不同了，它们像是朝着火箭运动方向的那一片天空奔驰，同时在这个方向上天空密密麻麻地布满了星星，跟相反方向比较要稠密得多。

但对于星空情况有更大影响却是另一种现象，那就是多普勃效应。当火箭迎着光波运动时，光的频率将更大，于是光变得更加紫，若当反向运动时，光便成为红色。如果光线不是沿着运动方向投影，而是成为某一角度，若此角度愈接近于直角，则光波频率的变化也愈小。天文学家对于多普勃效应已有很好的研究，他们借助于多普勃效应可以求得离开或接近远天体的速度。

如果这速度接近于光速，那么除了这种效应以外，还应添加下述现象。所有这些星星相对于火箭，实际上以速度250，000公里/秒运动着，这也就是说，对于那些旅行家而言，这些星球上的时间要过得缓慢些。原子中电子更缓慢地振动，就是说光波以较低的速度进行辐射。由此可知，即使处于火箭路线垂直方向上的星光显然要变红些。

在宇宙旅行家前面便展开了一幅奇异的星空图。他们最初看到在火箭对准它飞行的那一点周围区域密集地布满了紫色的星星。然后随着离开此点之距离的增加，其附近这片天空中星星便逐渐稀少。它们的色彩由蓝变红，接着其亮度急速减弱，几乎在火箭后面的半片天空中完全看不到星星，也可能最明亮的恒星是例外情况，不过这时已成为弱红的火花。

如果他们能够用超级强力望远镜观察远离天体所发生的过程，那么在宇宙航行家面前展开了更加令人惊异的图画。

既然星星相对于火箭是以250，000公里/秒的速度运动着的，所以它们在火箭运动方向上将缩短44%，因而看起来不是球形，而是椭球体。如果星球转轴不跟火箭运动方向重合，那么星球便一面绕轴旋转，而另一方面则改变着自己的形状，好像它们表面上的各点不断受到压扁作用。如果火箭在某行星系平面上方飞过，那么对于宇宙航行家来说，行星的圆形路径也成为扁的，椭圆形的。行星同样也转变成椭圆体，也像恒星一样地奇怪旋转着。天体中所演变的一切过程也将减慢44%。

正如我们已经知道，地球上的观察者认为同时发生的事件，而在火箭中飞行的字宙航行家则可能认为不是同时发生的。甚至可能出现事件次序在时间上发生颠倒的情况。我们可以假设，在太阳表面彼此相对两处发生日珥喷火，天文学家从地球上看到某一处比另一处早2秒钟，但火箭上的观察者，正好相反，他认为后一处却比前一处早2秒钟，而且对于这位观察家来说，现象的全部情况将比地球上的观察者放慢44%。同时还要记住，这两处日珥的亮度和色彩都同样地发生变化。由此看来，就不难了解未来宇宙航行家可能将看到十分奇突的图象。

时间的反常现象

假设宇宙航行家要想研究一下已离得很远的地球上所发生的事件，那末他会相信，在那边所有一切过程，包括人的生命在内，都要进展得慢1.8倍(即仅达原来的60%)。这是怎么一会事呢？看来，对于火箭上的观测者来说，地球上的过程较之火箭上所发生的过程应当进行得快些。

但是并没有这样。如果火箭对地球作匀速直线飞行，此时相对于火箭来说，也就是地球以同样的速度朝相反的方向运动。由此来看，不管是地球上的还是火箭上的观测者完全是一样的。虽然对于地球观测者来说，火箭上的时间进展得慢些，但就宇宙航行家而言，则地球时间走得慢些。看来好像再也避免不了矛盾。当火箭回到地球上时，究竟是谁渡过的时间要短些：是宇宙旅行者还是地球上的居民呢？

其实任何的矛盾都没有。在我们前面的讨论中不过是省略了一种重要的情况。为了回到地球上，宇宙航行家一定要开动火箭发动机，增大马力，向地球飞行。在火箭发动机作用的时间内，作加速飞行，所以它不是惯性系兢。在这种情况下对于火箭来说狭义的相对论定律就不适用了。地球的观测者并没有受到任何加速的作用，因而他所处的系统始终是惯性的，狭义相对论定律对他来说是正确的，因此他的结论当然认为恒星际旅行家回到地球以后显然要比地球上的同年人要年轻些，这完全是正确的。

当火箭在运动中，对火箭发生效力的是广义相对论定律，此定律不仅可用来研究直线的匀速运动，而且也可用来研究加速运动。

原来对时间的进展有影响的不仅是物体的运动，而且还有引力质量的邻域。在强引力场中，也就是引力位很大的地方(例如在太阳中)，时间进展得要比地球上慢。

飞向半人马座比邻星

就让我们研究一下本文开始所谈到的用光子火箭向半人马座比邻星飞行的具体实例吧。假设火箭上装有精密钟表以及能将时间信号发送到地球上的强力发讯机。地球上的观测者计算了从火箭到地球的无线电信号传播时间后，便能够估计火箭上时间的进展。

设若火箭增加速度和减少速度时作用于火箭内部所有各种物体上的加速度等于地球表面上的引力加速度。这对于乘员是最适当不过。

我们试跟地球上的观测者一起注意一下火箭上的钟表行程。当火箭增加速度时，火箭上的钟表就越走越慢，在火箭发动机停车的瞬间算出比地球钟表慢0.3年。接着火箭借惯性来飞行；火箭上的钟表对于地球上的观测者来说，走得要比地球钟表慢1.8倍。在火箭减速段上火箭上的钟表行程对于地球观测者来说，将逐渐加速。宇宙航行家在半人马座比邻星系的行星上着陆。当他们研究该系统时，他们的钟表走得跟地球钟表一模一样。然后宇宙航行家朝返回的路程出发，而火箭上的钟表行程变化情况便以颠倒的次序重复进行。在宇宙旅行者返回到地球上以后，根据地球上的钟表已经渡过13.5年，可是根据火箭上的钟表则仅渡过9.3年，那就是说宇宙航行家算出的时间要短4年多。

现在我们跟字宙航行家一起作宇宙旅行，并根据地球上所发出的无线电信号从火箭上听取地球上的钟表行程。当火箭作加速度飞行时，在火箭系统中有加速度所引起的相当于引力的力。但引力位愈大的地方钟表也就走得愈慢。位差取决于该力的大小以及两点之间的距离，而且在该力所指的方向上引力位增大。作用于火箭内各物体上的力则跟火箭加速度方向相反(你们一定记得，当火车出发时此力便将我们向后推)。在火箭起飞加速时该力的方向从火箭指向地球。由此可见，在地球钟表配置点上该力的位较大，而此钟表的行程要比火箭上的钟表慢。但这种效应极不明显，因为飞走的火箭和地球之间的距离还不大。因此位差和钟表行程的减慢都非常不明显。

当发动机停车后继续飞行时，地球上的钟表对于宇宙航行家来说，要走得比火箭上的钟表慢，在此阶段结束时要落后1.25年。最后，当在半人马座比邻星附近减速时由于加速度所引起的力，其方向从火箭指向地球。现在火箭钟表所处那一点上引力位较大，因而地球钟表就要走得比火箭上的钟表快些。在这种情况下虽然由于加速度所引起的力仍为原来的值，但钟表之间的距离非常巨大，这也就是说位差很大，因而钟表行程差也很大。对于宇宙航行家来说，地球上的钟表开始急速进行，以致非常迅速地消除在飞行前一阶段中时间上的落后，并向前追赶。对于宇宙航行家来说，在此时间中地球钟表走得几乎为火箭上的钟表的4倍。

在回来的路上钟表行程的情况依颠倒的次序重复进行。

于是获得了同样的结论。当火箭回到地球上时，根据地球上的钟表已渡过13.5年，但根据火箭上的钟表则仅渡过9.3年。可见，对于宇宙航行家来说；时间进展的情况完全不同于地球上的居民，虽然如此，但是并没有任何矛盾。

向仙女座星云飞行

虽然这种旅行非常引人入胜，但终归可以指出，人类即使以250，000公里/秒速度飞行，不能向着离太阳更远一些的近邻飞行再返回地面，例如向猎户座的α星飞行，那怕花去人类整整的一生，也还是不够的。

由此是否意味着，我们的后裔不可能实现И.叶飞列莫夫小说“仙女座星云”的英雄幻想以及达到其它银河了呢？德国物理学家Э.任杰尔对于这个问题给予了肯定的答复。原来，在27个火箭年中便可以达到离我们有1500光年的仙女座星云。

为此需要火箭有一半路程以加速度来飞行，有一半路程以减速度飞行。当然在旅途的中间将达到最大速度。达到旅行目的地的距离愈大，则火箭速度愈接近光速，这也就是说，火箭上的时间也就减慢愈甚。在这种情况下火箭飞行时间将仅取决于距离。这显然是在这种状态下到达我们银河中心的飞行要花费19.8火箭年，也就是相应于30，000的地球年，而到达仙女座星云的飞行则需27.2火箭年，或150万地球年。返回的路程也需要花费同样的时间。

当然叶飞列莫夫笔下的英雄并没有否认需要27个火箭年达到仙女座星云。但我们没有考虑到“燃料”的消耗——基本粒子的储备量。在这种情况下火箭初始质量和终了质量之比为2，500亿(2.5×1012)！若初始质量为250万吨，达到仙女座星云后仅为一克。若准备返回地面时，那么这个数(2，500亿)还必须二次方。至于在这个时间内地球上将渡过300万年。

作这样的飞行究竟有什么意义呢？关于这类问题尚有待于今后进一步的研究。

这样的飞行何时可以实现？

现在从我们想像中的旅行再回到现实的今日的地球上，同时还想回答一下一个最困难的问题：人类何时能够飞到恒星呢？

回答这个问题是不容易的。要知道有待于克服的困难实在不少。光子火箭——目前暂时还不过是一种发动机的原理。此外，还不应忘掉恒星际的气体，当火箭以近光速飞行时这些气体便转变成高能的粒子流，类似于最硬的宇宙射线。因而必须考虑到恒星际气体的阻力。

当然，大概还不能马虎地预料人类在本世纪就将飞到其它恒星去：因为我们对于太阳系还研究得很不够。不过我们确信，共产主义的人将会成功地解决这个问题。

(续完)