光子火箭的奇迹

尹怀勤

相信看过本期《那会是另一个“地球”吗?》文章的读者一定会有这样的问题：如果科学家在宇宙中发现有生命迹象存在的类地行星，如何去实地考察一番呢?如果行星的主人是高级智慧生命，那么地球人如何前去拜访呢?这一切有待于光子火箭奇迹的产生。

2009年4月21日，瑞士日内瓦大学的迈克·马约尔等人宣布，通过欧洲南方天文台安装在智利的3.6米太空望远镜，天文学家发现了质量最小的太阳系外类地行星。它虽然不适于地球上的生物生存，但是证明科学家们在寻找系外类地行星过程中正取得进展。这一消息再次引起了人们对寻找系外类地行星和地外生命的兴趣。

考虑到恒星对其行星孕育和存活生命的重要影响，此前科学家就认为，只有类似太阳的恒星才能使其位于宜居带的类地行星孕育出生命。这样的恒星约占银河系3000亿颗恒星的1％，即30亿颗左右。而类日恒星中，拥有宜居带类地行星的约占1／5，即近6亿颗。据美国天文学家阿西莫夫推算，6亿颗宜居带类地行星中，可能具有智慧生物和文明社会的约近0.1％，即50多万颗。这是以太阳系地球人类发展过程为依据得出的推论，真实情况如何，尚待未来的探测结果来证明。如果真的发现了地外文明，人类如何飞出太阳系与其主人见面，这就涉及到航宇技术了。实际上，此乃航天深空探测下一步的创新范畴，最重要的是只有研制成功光子火箭，才能实现两个星球高级智慧生物的直接沟通。

光子火箭的基本原理

按照我国著名科学家钱学森的见解，人类在太阳系内的活动称为航天，而到太阳系外的活动则称为航宇。由于银河系恒星之间距离遥远，如有地外智慧生物被发现，人类要去探视他们，目前使用的火箭推进技术就显得速度太慢了，必须采用光子火箭作动力、以接近光速的速度飞行才能实现。

光子火箭属于非常规推进技术，是未来实现星际航行的动力装置。它建立在正物质与反物质相遇时会立即发生质量湮灭过程并产生大量光子流的原理上并被认为可行。其发动机依靠向后喷射的定向光子流而产生向前的反作用推力，在理论上具有最高的效能和比冲。换句话说，光子火箭发动机采用光子作为工质，当光子流以每秒30万千米的速度向后喷射时，它在反作用力的推动下，就能以接近光速或达到光速的速度向前运动。发动机所需要的大量光子可从正物质和反物质连续发生的质量湮灭过程中获取。

科学家们设想中的以光子火箭为推进动力装置的载人航宇飞船，主要由三部分组成。其最前端是座舱，装有生命保障系统和必备的各种科学仪器，是航宇员工作和生活的场所；其中部是发动机的燃料贮箱，贮存作为推进剂的正物质和反物质，箱体结构必须密封可靠，不能有任何泄漏；其尾部是作用相当于发动机燃料室的大型凹面反射镜，用来反射光子流，促其向后喷出，以产生反作用推力，推动飞船高速前行。拟用氢和反氢作为火箭发动机的推进剂，分别贮存在高度密封的容器之中。火箭启动工作时，氢和反氢通过各自的导管被导向反射镜的焦点处，两者在此相遇而发生质量湮灭，产生的光子流经反射镜反射喷向火箭后方，从而使飞船获得向前的推动力。氢和反氢发生湮灭时，两者质量全部消失，转化成为光能放出。由于湮灭过程释放的能量，比同样质量的氢发生热核反应产生的能量还要大1000倍，故而光子流能以每秒30万千米的速度向后喷射，使航宇飞船以接近光速的速度前行。

目前仍处于探索阶段的光子火箭技术，虽然理论上可行，但是诸如如何获取大量反物质和怎样贮存它们等问题尚无法解决。只有等到科学家们攻克了这些难关之后，光子火箭才能在工程层面上予以实现，并被用作开展恒星际问载人航行的动力装置。

航宇飞行创造的奇迹

和任何重大技术发明与创新必然给人类生活来来重大影响一样，光子火箭的问世将会创造出出乎人们意料的奇迹。当航宇员乘坐以光子火箭推进的载人飞船在广袤无垠的太空航行时，由于飞船速度接近或达到光速，其飞行时间和地面上生活的人们的时间长短就不一样了，两者的计时值会出现巨大差异。这是爱因斯坦的相对论揭示的时间也有相对性、时间随速度变化而改变给出的答案。这种迹象在一般速度包括目前使用的运载火箭飞行速度在内的情况下都显示不出来，只有在接近光速运动时才能明显地体现出来。好在速度越高时间就变得越慢，不然的话，人类探视遥远的地外智慧生物的夙愿就只能停留在想象之中了。

飞船在极高速度的状态下运行时，它上面的时间变慢情况是可以计算出来的。依照相对论给出的公式，若飞船上的钟表测得的时间间隔为t₀，地面上的钟表测得的时间间隔为t，则它们之间的关系是t=0₀／根号下1一(V／C)²，武中的v为飞船运动速度，c为每秒30万千米的光速。如此可知，飞船速度v数值越大，根号内的数值越小，t₀的值也随之变小。如v为O时，t₀=t；如v为光速的一半，即每秒15万千米时，t₀=0.866t；若v非常接近光速，比如为每秒29.97万千米时，t₀=0.045t。

相对论揭示的时间的相对性，在未来的恒星际航行中会引发怎样的神奇景象呢?我们可以用设想的一个具体实例来说明。假如今后在葛利斯581d上发现了高级智慧生物，人类派出两名航宇员乘坐以光子火箭推进的飞船去探访，我们可以推演一下他俩的往返情况。由于目标星体距离地球20.5光年，约194亿万千米，当飞船以非常接近于光速的0.9999999999c的速度飞行时，由计算可知，完成全程航行只需2.5小时。考虑到起飞后的加速和降落时的减速过程，单程飞行也就是3个小时。就是说，两名航宇员在地球上用过早点后上午8点动身的话，11点即达目的地。葛利斯581d上的主人迎接后交谈1小时到12点接待他俩午餐。下午1点半到5点双方会谈，互相介绍情况，以加深了解，然后共进晚餐。到下午6点半，他俩握别主人，乘船返回，晚上9点半即可回到地球。虽然两名航宇员仅仅感到只用了1天的时间，但是回到家后却惊讶地发现，自已的子女已经超过了自己的年龄，因为地球上已经过去了41年的时间。这种“山中方一日，世上已千年”的境遇实在令人称奇。

这种美好的前景，不仅促使人类不必为宇宙的浩瀚和本身生命的短促而叹息，而且更增添了寻找地外文明并与之主人交往的勇气。

责任编辑庞云