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宇宙比你想象中更大 如何在浩瀚的星空中玩穿越

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发表于 2016-3-10 22:47:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
从长度单位看宇宙的浩瀚
想要了解秒差距,就要先了解宇宙的浩瀚。请试着将一枚硬币放在你的面前。假设这枚小小的硬币就是我们的太阳,并以这样的“比例尺”创建一幅银河系三维地图。那么,我们就需要在大约563千米之外放上另一枚硬币,以表示距离太阳最近的一颗恒星,399233亿千米(4.22光年)之外的比邻星。当你试图扩展这幅地图,模拟更大范围内的宇宙空间时,会更为麻烦。依照同样的比例尺,在这幅地图上,银河系的直径大约是1200万千米。而银河系只是亿万星系中微不足道的一个。
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正如这个思想实验展示的那样,宇宙的尺度是惊人的,几乎没有办法用我们生活中所熟知的长度单位,比如厘米、米和千米加以衡量。幸好,天文学家在长期的工作中,已经找到了一些专门用于丈量宇宙尺度的长度单位。

天文单位(AU),指地球与太阳之间的平均距离,其具体数值经过了多次修订。2012年9月,在北京举行的国际天文学联合会大会上,将AU精确测定为149597870700米。AU一般用于测量太阳系内天体之间的距离,比如土星距离太阳9.5个天文单位。
在更大的尺度上,科学家又定义了光年(light-year),它是个顽皮的长度单位,有善于欺骗人的外表,虽然有个“年”字,但它不是时间单位,而是长度单位,它是指光在真空中沿直线传播一年的距离。光在真空中的速度为每秒299792458米,计算下来,1光年约为9.46万亿千米,即约为63239.8个天文单位。比如,银河系直径为12万光年,可观测的宇宙半径约为400亿光年。此外,还有光分和光时的说法,如太阳距离地球8光分,距离冥王星5光时。
秒差距(pc)也是天文学上的一种长度单位,它的定义是建立在三角视差的基础上的。我们观察一个宇宙目标(如一颗恒星)时,以地球公转轨道的平均半径(一个天文单位)为底边,宇宙目标为顶点,可以形成一个三角形,顶点所在的内角就是视差。当这个角为1角秒时,地球到这个恒星的距离就称为1秒差距。1秒差距约等于3.26光年。
随着距离的增加,我们在地球上进化出的适用于短距离的感官放在宇宙的范畴,早就不够用了。然而,在测量和描述遥远星系时,秒差距依然太小,天文学家不得不用千秒差距(kpc,约等于3260光年)和百万秒差距(Mpc,约等于3260000光年)为单位来描述距离。有时,还要用到比Mpc大1000倍的单位,即吉秒差距(Gpc,约等于3260000000光年)。
你不必花心思去数这些数字后面有多少个零,你只需要从这些长度单位中直观感受一下宇宙有多么浩瀚。然后再想想,去那里容易吗?
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秒差距简单示意图
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地球与火星看似很近,实则很远

到宇宙深处到底有多难?


很早的时候,古人就注意到了火星。近代,由于火星与地球之间存在许多相似之处,一直被认为是人类最为理想的移民星球,也是人类下一个要登陆的星球。在很多人的想象中,火星离地球很近。然而,事实并非如此。
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光是宇宙中最快的“使者”

到宇宙深处到底有多难?我们不妨以火星为例探究一番。地球和火星都围绕太阳运动,但它们的速度不同,围绕太阳的路径(椭圆形)和长度也不同,所以相对位置总是在变化。当火星与地球位于太阳的同一侧,三者基本呈一条直线,且火星位于近日点而地球位于远日点时,火星与地球的距离最近(古代占星家称之为“冲”),约5600万千米;当火星和地球在太阳两侧,三者基本呈一条直线,且火星和地球都位于远日点时,火星距离地球最远(古代占星家称之为“合”),约4亿千米。但这里所说的距离,都是直线距离,而从地球到火星的航线,不可能是直线,只可能是弧形的或者椭圆形的路线。显然,火地相冲与火地相合时,去火星的航线也是不同的。
具体而言,从地球到火星,有3条路线可以选择:


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宇宙比你想象的更浩瀚

第一条路线叫霍曼转移轨道,是一个叫沃尔特·霍曼的数学家发现的。这条航线呈巨大的椭圆形,开始一端与地球相切,末尾一端与火星相切。宇宙飞船在火地相合时出发,因为这时出发,宇宙飞船的前进方向与地球的前进方向相同,能够获得地球约30千米/秒的速度,所以是最节省燃料同时也是难度最小的航线,唯一的问题是耗时比较长。
第二条路线叫冲点航线。如果我们把太阳系想象成一张动态的平面图,中心是太阳,八大行星绕着它不停转圈,就会比较容易理解这条航线了。宇宙飞船在火地相冲时出发,却不是向外直奔火星,而是向内飞向太阳,飞过金星和水星的轨道,以极快的速度从太阳旁边绕过。这时,太阳对宇宙飞船会有巨大的加力,形成“引力弹弓”效应,就好似太阳把宇宙飞船“抛”出去,其速度远远超过发动机所能提供的动力。然后,只需略做调整,飞船会反向掠过水星、金星和地球的轨道,直抵航线的终点,也就是火星。这条路线是所有路线中最长、最复杂、最危险的,但也是速度最快、耗时最短的路线。


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  穿过“虫洞”,抵达完全陌生的世界

第三条路线叫快速合点航线,这是霍曼转移轨道的改进路线。与霍曼转移轨道相比,快速合点航行需要宇宙飞船在中途用发动机改变航线,相当于多用点儿燃料来“抄近道”。这条航线比第一条航线近,所花费的时间也少一些,相较第二条航线更为安全。
不管是哪条航线,用现有的火箭技术所花时间都要超过180天。而且,去往火星之路不仅漫长,而且充满了意外和危险。苏联向火星发射了20多颗无人探测器,全部以失败告终,美国人的运气要好得多,但成功率也不到50%。这就是为什么我们1969年就登陆了月球,但至今没有登陆火星的原因。
想想看,去火星都那么困难,去往太阳系内的其他星球,乃至太阳系之外、银河系之外、本星系群之外……又有多么困难呢?


穿越茫茫宇宙的种种可能:宇宙的浩渺有时会让人绝望。幸好我们还有科幻


在科幻里,作家为跨越茫茫星空,提供了种种超光速穿越宇宙的奇妙方案。第一种叫时空虫洞。根据爱因斯坦的理论,“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。就好比是虫子在苹果里打的洞,物体通过“虫洞”,好比虫子沿着洞向苹果表面爬,其抵达苹果另一面的时间显然比在苹果表面爬要少得多。据科学家猜测,宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”,把“虫洞”打开,并强化它的结构,使其稳定,就可以使太空飞船通过,进而在瞬息之间达到遥远的地方。科幻电影《星际穿越》就利用了“虫洞”探索太空。
第二种叫曲速引擎,原先出现在科幻影片《星际迷航》中。所谓曲速引擎,其实是一种以反物质作为燃料的发动机,它能在运动物体周围制造一个人工的曲力场,使物体能在这个扭曲的时空“气泡”中以几十倍于光速的速度移动。曲速就是衡量在这个时空泡里运动的物体的速度。打个通俗的比方,一辆汽车速度不变,但是由于将道路长度进行了大幅压缩,使路程相应缩短,行驶的时间会大大缩短。

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《星球大战7:原力觉醒》中的“千年隼”,可以实现超空间跳跃

第三种是《宇宙战舰大和号》中提到的波动引擎。电影中,波动引擎的设计图来自外星球,其原理人类并不是很了解。简单地说,就是将飞船在眨眼间转变为“波”态,而波态飞船不受时空限制,瞬息之间就能到达指定地点。

第四种叫超空间跳跃。在《星战7》中,汉·索罗一拉手闸,传奇货运飞船千年隼号前方的光线就变得异常强烈,随即飞船被淹没在强光里,等强光消失,飞船已经到了另一个空间。这就是超空间跳跃。在电影中,正是靠着超空间跳跃,各种飞船在不同星球之间任意穿梭,这也是距离遥远的星球之间能够发生战争的根本原因。那么科幻中是如何描述超空间跳跃的呢?原来,人们运用巨大的能量场(如重力场或强磁场),使飞船(包括在其范围内的物体)瞬间进入与本身的三维空间完全不同的超空间,在超空间中飞行一段距离后,再回到三维空间中,这样,飞船就抵达了另一颗星球。由于在超空间中,不存在所谓的时间,或者时间的流逝速度只是三维空间的1/1000万倍,所以在超空间之外的人看来,飞船是在瞬间从甲星球抵达乙星球的。科学家斯蒂芬·霍金在其著作《时间简史》《果壳中的宇宙》中,均讨论了超空间跳跃的可能性,他的“弦理论”认为运用足够的能量,就可以制作出一个能量巨大的“弦”,将太空船带入超空间跳跃航行。因此可以说,霍金对超空间跳跃的情况在理论上是肯定的。

比起宇宙的浩瀚无垠,也许人类的想象力更加无边无际。在未来,还会有更多的可能性,想想这是多么美妙啊!
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电影《星际迷航》中,曲速引擎的出现,大大缩短了行驶的路程
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