（几乎）与光一样快！

4
（几乎）与光一样快！

“千年隼号”飞船在不到12秒差距内完成了“科舍尔航程”。我已经将帝国的星球舰队甩在了后面！我指的不是那些商船，它们只是一个玩笑。我说的是快速的皇家战舰！这对你来说够快了吧，老人家？

——汉·索洛^[1]

[1]《星球大战》中的主要人物之一。

大爆炸之后，宇宙逐渐膨胀，在暗能量的推动下，如今的宇宙浩瀚无边，布满了数以千亿的星系，这些星系里又充满了密集的恒星和行星。当我们想象在宇宙中旅行时，当我们的目光离开了自己的小星球，转向永恒的、遥远的宇宙时，便能直观感受到它的浩瀚。目前的航天器，如果只配备了常规的发动机，是很难实现太阳系内的星际旅行的，更不用说前往太阳系外的目的地了。举个例子，20世纪70年代的“先锋号”探测器需要花大约一年半的时间从地球飞向木星，从宇宙巨大的空间尺度来看，这一目标并不算什么。然而，这些卫星只停留在离地球约10万千米的地方，如果要把它们送入行星轨道，需要花更多的时间。它们需要沿着特别的轨道行进，利用处于路程中间的行星（诸如火星）的引力，推动它们前行。正是由于这样的原因，“伽利略号”探测器花了大约6年的时间才到达木星，并从近距离观测它，而“卡西尼号”轨道飞行器花了7年时间才接近土星。人们注意到，地球和土星之间的平均距离仅为15亿千米，相当于约80光分。如果想要走出我们的太阳系，进入半人马座恒星附近冒险——它是离我们第二近的恒星——我们的旅程将会更长：大约7万年才能走完4.3光年的路程。这些天文数字让我们失去了拥抱宇宙的希望，哪怕只是拥抱其中的一小部分，我们只能在地球附近十分局限的一小块空间活动。

我们所熟知的银河系的其他恒星，在夜空中清晰可见，离我们的距离更加遥远：天狼星（8.6光年）、阿图罗（37光年）、参宿四（720光年）。再往远走，就是蟹状星云（6 500光年），它是一颗超新星爆炸的残余物，爆炸发生在公元1054年，被中国的天文学家所记录。然后我们就走到了银河系的中心，那儿有人马座A*（26 000光年），它是一个超大质量的黑洞，相当于约400万个太阳的质量。那么整个银河系的大小呢？如果把它看成是圆盘形的话，它的最长直径可超过10万光年，而厚度仅为5 000光年。

因此，很明显，从概念、技术、物理学甚至生物学层面来看，在行星之间、星系之间甚至跨越银河系的旅程会面临重重障碍，如果说得委婉一些的话，这样的障碍是难以逾越的。然而，多亏有了爱因斯坦的相对论，我们可以从一个新的角度，至少在理论层面上来处理这个问题。就像我们之前观察到的那样，因为有了接近光速c的相对速度，对于一个地球上的观察者和一个假想中的正在执行太空任务的宇航员来说，长度和时间是不同的——不仅仅看上去不同，根本原因是一个物体可以被加速到接近光的速度——但是永远达不到光速c，无论传递给它的能量有多高。这也就意味着，在接近光速的过程中，微小的增速都需要消耗巨大的能量。对于太空旅行者来说，他们会强烈感受到相对论所表现出的现象，即长度缩短、时间膨胀，这一缩短和膨胀的数值是相当可观的。

然而，如果从技术层面来看的话，需要考虑另外一个方面的因素。如果想要达到任意高的速度，需要通过火箭发动机的推进剂给航天器提速。就像停留在高速公路上的汽车一样：在发动机力量的推动下——即消耗汽油、消耗能量——车辆开始加速，直到达到理想中的速度。此后，可以熄灭发动机，挂上空挡，汽车将保持一个速度向前行驶。然而，这显然是不可能做到的，因为汽车会和路面的沥青摩擦，车辆内部机械的摩擦也会降低它的速度。

但是，当论及航天器的时候，情况又不相同了。在虚无的宇宙空间中，没有任何形式的摩擦（除了相互邻近的天体之间的引力以外），也没有其他的作用力。正因如此，在加速阶段之后，一旦发动机熄灭，受“惯性”的作用，一艘宇宙飞船可以继续保持最高速度飞行。根据这一原理，人类几十年前发射的、用于探索太阳系外行星的太空自动探测器将会继续飞行，它们将飞向无尽的宇宙，而不需要任何燃料补给。

在宇宙飞船的加速阶段，由于发动机的推动力，宇航员处于超重状态，他们仿佛与飞船飞行的方向相反，承受着巨大的压力，而在惯性飞行中，他们体验到飘浮的感觉——不受制于任何力的作用——对于地球的任何观察者来说，他们的速度几乎是独立的、绝对的：假设他们能以光速的99%飞行！根据爱因斯坦的等效原理，人们对于加速度的感知和他们在重力场中下落的感觉一模一样：比如，对于一个自由落体的跳伞者，或者一个在地球轨道上运行的空间站内的宇航员来说，他们的感觉是一样的，即使空间站处于一个稳定的轨道上，宇航员仍旧会感觉朝地球持续下落。

现在，我们可以想象着策划一次向遥远天体飞行的旅行，以相对论速度前行，从而产生了相对论的效应，这样便能克服遥远的距离障碍，解决由于飞船船员时间相对有限而造成的难题。首先，我们必须看到宇宙中天体之间的相对速度，如我们星系以及附近其他星系的恒星和行星的相对速度，和光速相比，完全可以忽略不计。也就是说，虽然天体能达到最高每秒数百千米或数千千米的速度，和每秒30万千米的光速比，还远远不够。这意味着，一艘假想的在宇宙两个天体之间飞行的飞船，如果以相对论速度飞行，只需对其路线进行微小的调整，宇航员就可以感觉到是在两个天体之间移动。

我们需要考虑的第二个方面更加复杂，它涉及在技术层面上解决向遥远的目的地出发的难题。假设我们的首要目标是靠近距离地球第二近的恒星，也就是上文提到的半人马座恒星。我们的飞船必须具有相当大的规模和质量，因为在它上面安装了各种动力系统，它也要具备足够的屏蔽系统，用来屏蔽快速、高能粒子对它的破坏——比如微型陨石——经过数理分析，它很可能在漫长的星际旅行中袭击飞船。飞船还要为漫长的太空旅程提供足够的空间，这样可以让宇航员在活动的时候感觉舒适，太空生活充满生机。正是由于这些原因，这样的宇宙飞船必须在太空中完成组装，可能的话，在一个环绕地球轨道的空间站附近完成组装。

飞船出发时，推进器开始产生持续的加速度，等同于重力加速度（1g），也就是9.8 m/s²。这意味着1秒之后速度为9.8 m/s，两秒之后速度为19.6 m/s，3秒之后速度为29.4 m/s，以此类推，速度呈线性增长。宇航员们会感知到他们身体的重量和环绕在他们四周的物体的重量，这个重量等同于在地球上的重量。然而，到了一定时刻之后，爱因斯坦的相对论开始发生作用：对于地球上的观察者来说，当飞船的速度的极限值接近光速的时候，速度将不会再增加；尽管持续地消耗能量和加速，飞船的速度只能无限趋近光速，而不能到达光速。与此同时，宇航员们能持续感觉到一种加速度，而且他们能够目睹时间的膨胀、长度的缩短，这种效应会越来越明显。就像我们之前谈到的那样，只要微小的速度变化，比如从光速的90.4%提升至90.5%，就会产生实质性的结果，而伴随这一速度提升的是巨大的能量消耗。

现在，假设我们不受动力系统和推进剂的限制（这是一个非常大胆的假设！），我们也可以忽略一个现实，那就是随着燃料的减少，宇宙飞船的质量会减轻。我们需要以1g的恒定加速度朝着半人马座恒星前行，直到走完一半的路程，即距离地球约2.15光年。在那一时刻，在那样的距离和加速度下，对于地球上的观察者和目标恒星来说，宇宙飞船已经达到了相对论速度，它非常接近光速：即光速的95%。那一刻以后，飞船必须熄灭发动机，以相对于地球来说恒定的速度飞行一会儿，然后扭转推力的方向，反向前行，也就是头朝地球向前飞行，并开始制动，在后半段行程中，以1g的数值减速。通过这样的方式，95%的光速将会降到足够低的速度——或者降到极限值零——这样就能恰好到达目标恒星附近，而不会完美地错过它。很明显，所有这一切过程都和飞行的第一阶段一样，需要消耗相似的能量。实际上，减速和加速一样，也需要消耗相似的能量。这自然会使宇航员的行程时间比到达恒星的预设时间更长，在预设时间内，在加速度下，宇航员一直以最快的速度前行。感谢奇妙的爱因斯坦的相对论，对于地球的观察者来说，这段星际之旅的去程只需要不到6年的时间，而对于宇航员来说，去程就更短了，只需要3年6个月。如果我们选择的加速度两倍于重力加速度（2g），除了一些不可忽略的细节，比如宇航员将感受到两倍于身体的重量，能量的消耗也会更多以外，旅程时间将会进一步缩短，对于地球的观察者来说只要大约5年的时间，而对于宇航员来说只要2年4个月。多亏了显著的相对论效应，在旅程的一半，飞船将会达到极快的速度，这促进了时间的缩短。

因此，很明显，对于距离地球相对较近的目的地来说，以接近光速的速度前行可以较好地解决旅程时间长的问题——你们回想一下，如果用传统的发动机，飞船到达半人马座恒星需要花7万年。然而，爱因斯坦相对论的真正优势在于：对于一段极长的太空旅程来说，相对论效应更加明显，在这种情况下，加速过程持续的时间更长，飞船的相对速度更接近光速，因此，长度缩短、时间膨胀的效应愈发明显。

让我们再想象一个前往银河系中心黑洞的任务，即前往人马座A*，它距离地球整整26 000光年。这段距离相当遥远，如果按照现在的标准来制造飞船，那么它将航行4亿多年才能到达目的地，这显然是一段不现实的科幻时间。如果飞船以恒定的加速度，也就是重力加速度前行的话，一切都将改变。多亏了加速过程的漫长时间，飞船行驶到一半路程的最快速度可十分接近光速，达到光速的99.999 999 7%，这真是不可思议啊。因此，相对论产生的效应将会非常明显：我们再重复一下之前的话题，对于宇航员来说，完成任务只需要19年8个月，而对于地球上他们的亲朋好友来说，从任务开始到结束需要26 000年。虽然前往半人马座恒星所耗费的3年和前往人马座A*所耗费的20年比，还存在一定的差距，但是在4.3光年和26 000光年的距离差距面前，这点时间差距真是微乎其微。对于地球上的观察者来说，宇航员的这点时间差距也可以忽略不计，因为他们观看到达半人马座恒星只需要6年时间，而观看到达人马座A*要足足等上26 000年。等到宇航员从人马座A*回归地球的那一刻，问题又产生了，他们老了大约40岁，而且他们看到的地球完全发生了变化，谁知道地球经过了52 000年后，又有什么生物会出现呢……

想象无极限，我们甚至梦想着去银河系的外部一探究竟，想象着一段前往其他星系的疯狂的旅程。对于宇航员们来说，这些旅程将持续几十年，甚至更多时间，他们在飞船上睡眠的时间也会很多，甚至，我们可以想象一代代小宇航员们出生并成长于宇宙飞船上。或许，还存在没有归途的旅程，仅仅因为人们想更加深入地探索未知世界。旅程是美梦还是噩梦，我们都可以根据科学原理推断出来。因此，让我们一起努力去策划星际旅行吧。首先要思考如何建造一艘宇宙飞船，设计合适的推进系统。我们会发现，尽管没有任何理论方面的障碍，我们仍旧会碰到一些技术难题，它决定了我们的星际之旅能否实现。