太空到底有多广阔?
我读小学时,有间教室的墙上挂着一张太阳系的图片。太阳位于中心,围绕太阳转动的行星散落分布于整面墙上。记得有一天我们学习有关行星的知识时,老师指出,墙上那张图并没有真实反映出行星之间的距离及其相对大小。我感觉受到了某种欺骗,但当时只有10岁,而且那时还没有互联网能够查询行星的大小以及相互之间的距离,我对此也无能为力。
时光流逝几十年后,有一天下午,有人让我思考这样一个问题:在一个科学博物馆中可以布置一个什么样的展览?提问者以为我会提出一些和蝙蝠有关的想法,因为当时蝙蝠是我的主要研究方向。但是,我的思绪又回到那张太阳系的图片上,如果博物馆里能展出一个符合真实尺寸比例的太阳系模型,那该有多酷!因此,我开始计算,如果用网球来表示地球的大小,这个模型会是什么样子。
地球的直径大约是12750千米,网球的直径大约是65毫米。这样,在我们假设的模型中,事情就变得简单了,因为1厘米相当于约2000千米。基于这样一个比例关系,月球就相当于一颗樱桃大小,在距离网球所代表的地球1.8米的轨道上运行。但是,一个大问题来了。在同样的比例关系下,太阳将是一个直径8米的球,而且需要放置于距离“地球”750米远的地方。显然,没有任何博物馆能容下这样一个展览,尺寸太大了。
不过,最近我又开始思考太阳系模型的问题。如果网球代表的地球距直径为8米的太阳750米远,那么其他星球会是什么情形?木星和它的多个卫星大概相当于一个直径72厘米的扁球形,距离太阳3.7千米。土星的距离是木星的2倍(7千米),直径约60厘米。距太阳最远的冥王星,直径大约只有1厘米多,位于令人难以置信的22.2千米之外。如果有人真的决定建造这样一个模型,一定会令人称奇。
那个模型将形象地展示出太空是多么广阔。
人类梦想着有朝一日能够在宇宙中旅行,遇见外星文明。然而,这一梦想遭遇了太空的大小这一非常实际的问题。距离太阳系最近的一颗恒星叫做半人马座比邻星,大约在4.2光年之外。那么,这个距离到底有多远?我们如何理解1光年的距离?想象一下我刚才描述的模型,直径为8米的太阳如果坐落于天安门广场上,代表地球的那个网球就在750米之外的故宫里。
22.2千米之外的冥王星,大约就在北京到天津距离的1/5处。在同一个模型中,你觉得半人马座比邻星应该在哪里?可能在上海?在香港?不,还要更远。在澳大利亚的悉尼?不,还不够远。在同样比例的模型里,半人马座比邻星将在月球上!另外,这还不是唯一的问题,因为半人马座比邻星周围没有外星人可以生存的行星。
简单的事实是,目前我们做不到。人类最快的太空飞船时速也不过5万千米。
这看起来相当快,因为它意味着1个小时之内就能绕地球运转1圈。但是,如果我们想行进20光年的距离,这个速度实际上慢得可笑。以5万千米/小时的速度行进的话,需要32万年才能到达那颗行星。考虑到现代人类(智人)也不过才存在了20万年,这是一段异常漫长的时间。这意味着,以目前可能实现的最快速度去往那个行星系,需要经历约16000代人。
人们将需要登上宇宙飞船,在里面生小孩,孩子们的一生也将在太空中度过,穿越太阳系和那个遥远行星系之间的无垠虚空。然后,孩子们再生小孩,这样的循环需要重复16000次。
自然,我们很可能会开发出速度比现在快得多的宇宙飞船。在这方面,利用氦3的聚变作为燃料源可能是最好的选择。
1978年,《英国行星际学会杂志》(Journal of the British Interplanetary Society)上发表的一项模拟演练显示,利用这种燃料能使宇宙飞船加速到光速的约10%。生产足够的氦3用于这样一艘宇宙飞船的聚变反应堆,成本将非常巨大,或许会超出当前全世界经济的总额。所以,现在事情开始进入完全不可能的范畴,但不是那种可笑、荒唐的“不可能”。
以光速的1/10运行的话,我们将在200年后到达目标星球。这也仍然需要几代人的一生都在太空旅行中度过,但至少当他们到达那里时,还仍然能被认出是人类。
但是,在这个为期200年的太空旅行计划里,我们又会遇到另一个问题。人们在宇宙飞船上吃什么?当飞到冥王星时,太阳的亮度已经只有地球上的0.1%。因此,人们无法在那里种任何植物,因为光合作用无法在如此低的光照水平下进行。
并且,在接下来的100年里,光线将逐年减弱,越来越黯淡。因此,不论谁去,都要带上旅程所需的充足的食物。另外,考虑他们到了目的地仍然没有食物可吃,还要带够在那颗行星上探索时需要的食物。这是巨量的食物。举个例子,假设飞船上有20个人,为了避免过度近亲繁殖,他们每一代都生育20个后代,那么需要准备够上百个人一生吃的食物。估算下来至少要3000吨,这些食物又将需要造价高昂的另外超过100艘飞船来运送。
此外,虽说食物可以冷冻保存,可是冷冻180年之后味道如何也是个问题。即使是深度冷冻的食物,也是有售卖期限的。
好吧,也许我们对自己的视野做了不必要的限制。将来某一天,也许人们真能造出接近光速的宇宙飞船。假如人类造出能以0.999999倍光速飞行的飞船,那么去那颗星球探索,在一个人的有生之年将是可行的。
他可以登上宇宙飞船,以光速旅行20年到达目的地,再花20年在那里探索并遇见外星人,然后花20年时间返回地球给大家讲述这个星际探险的故事。这样一来,各种问题当然就都迎刃而解了。首先,这不再是一次单程旅行,因此可以雇佣某个人或一小组人来完成。其次,人们也不需要在宇宙飞船上繁衍后代,或者将自己的一生作为人类文明一代代薪火相传的铺路石。另外,食物问题也变得相对容易解决。
但是,广袤的宇宙还给我们准备了最后一个残酷的考验——时间延缓。根据相对论的理论,你运动的速度越快,时间就会变得越慢。当你高速运动时,对于被你甩在后面的人来说,他们的时间会走得更快。当你以0.999999倍光速旅行1天,地球上的时间就会过去将近2年。所以,当你星际旅行60年(其中高速飞行40年)后回到地球时,地球上已经过去了将近3万年。你离开时所熟识的地球,已经变成了你完全不认识的样子。