相对论和太空旅行，如果人类可以太空旅行，会出现什么神奇的情况

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早在2011年12月5日，NASA宣布，该局曾通过开普勒太空望远镜，在太阳系外发现了第一颗最小的、类似地球的、可适合居住的行星——开普勒-22b。

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，并进而思考如果发现了地外文明，地球人怎样与其交往的问题。实际上，此乃下一步航天深空探测的创新范畴，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外星人的直接沟通。

新发现的类地宜居行星

这颗新发现的行星是通过凌日现象观测到的。天文学上所讲的凌日现象，是指一颗行星在观测者面前经过其环绕恒星时遮住部分光线而出现黑点影像的情景。地球上的人类用肉眼即能偶尔看到金星或水星运行到地球和太阳之间时形成的凌日现象。为了确认一颗新行星，科学家们必须观测到其出现3次凌日事件。开普勒太空望远镜于2009年3月发射升空（现已经退役），并最终定位于地球外侧150万千米的第二拉格郎日点，“上岗”收集数据后的第3天，科学家们就观测到了该行星的首次凌日事件。

开普勒-22b行星围绕一颗类似太阳的名为G的恒星运行，公转周期为290天。该行星大小是地球的2.4倍，其所属恒星距离地球600光年。它刚好位于其恒星宜居带的正中，其表面温度为温和的22摄氏度，非常适宜生命存活。科学家们表示，由其所处位置推测，这颗行星表面还可能有液态水，而液态水被视为生命存在的关键指标。宜居区所在的区域温度不太高，也不太低，允许液态水存在。

但凌日观察无法得出其质量，因此天文学家们使用其他望远镜来搜寻该行星的万有引力使其恒星颤抖的信息，但迄今为止都没有探测到这种颤抖，这意味着该行星的质量一定不会大过地球质量的36倍。NASA开普勒计划首席科学家比尔·博鲁奇表示，这一质量范围意味着该行星上可能有很多岩石，并可能有水。

科学家们已在另外两颗恒星的宜居带中发现了两颗类地岩石行星，但其恒星都比太阳冷，且它们都不位于其恒星宜居带的中央。专家们表示，直至目前已经确认了700多颗系外行星，但是仅有很少一部分位于宜居带范围之内。其中位于宜居带的类地行星仅有上述3颗，它们可能存在着生命。美国加州地外文明搜索研究所的吉尔·塔特表示，他们将使用艾伦望远镜阵列来观测新的地外行星，希望捕获地外文明发出的信号。如果真的发现了地外文明，人类如何飞出太阳系与其主人交往？这就涉及到宇航技术和时间相对论的范畴了。

探索中的光子火箭

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宇航。由于银河系恒星之间距离遥远，如有地外外星人被发现，人类要去探视他们，目前使用的火箭推动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而被认为可行。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具，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动力装置的载人宇航飞船，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，是宇航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,使宇航飞船以接近光速的速度飞行。

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，并被用作开展恒星星际间载人航行的动力装置，实现人类对地外文明直接进行访问的愿望。

时间变慢的宇航飞行

光子火箭的问世将会创造出出乎人们意料的奇迹。当宇航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的理论所给出的答案。这种迹象在一般速度，包括目前使用的运载火箭飞行速度中都显示不出来，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外星人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= t0/ ，式中的v为飞船运动速度，c为每秒30万千米的光速。如将上式写为t0= t，即可看出，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0时，v/c=0，t0=t；v为每秒15万千米时，v/c=0.5，t0=tx0.8658；v为每秒29.97万千米时，v/c=0.9999，t0=tx0.0447；以此类推。在飞行距离s固定的前提下，若按直线航程计算，t=s/v可以提前计算出来，再乘以，即能预测到飞完全程的t0值。

相对论揭示的时间的相对性，在未来的恒星星际航行中会引发怎样的神奇情况呢？我们可用新发现的类地行星作为设想的一个具体实例来说明。假如今后在开普勒-22b行星上发现了高级外星人，人类派出两名宇航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600光年，约5676.48万亿千米，当飞船以0.9999999999xc的速度飞行时，由计算可知，完成全程航行只需73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73.5个小时。这也就是说，两名宇航员周一在地球上用过早点后上午8点动身的话，周四的9点半即达目的地。开普勒-22b行星上的主人迎接后交谈2.5小时到12点接待他俩午餐。下午1点半到5点双方会谈和游览考察，互相介绍情况以加深了解，然后共进晚餐。到下午6点半，他俩告别主人，乘船返回，到周日晚上8点即可回到地球。虽然两名宇航员感到只用了7天时间，但是回到家后却惊讶地发现，家乡情况大变，已经没有自己认识的人了，因为地球上已经过去了1200年。这就出现了比古代神话小说描述的“天上方一日，地上已三年”的情景还要神奇的境遇。

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交往的勇气。


本文选自：今日头条