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1707613540 把这个公式运用到火箭参照系中,τ就是宇航员所感受到的时间流逝。很显然,火箭的速度越接近光速,宇航员所感受到的时间流逝也就越缓慢。考虑到这个因素,宇航员是不是有可能在自己的有生之年到银河系中心、仙女座星云、甚至室女座星系团去旅行呢?下面我们就来计算一下。
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1707613542 我们考虑一个非常简单的情形,即火箭始终处于匀加速过程中。当然这个匀加速度是在火箭参照系中测量的。为了让宇航员有“宾至如归”的感觉,我们把加速度选为与地球表面的重力加速度一样,即g。用数学语言表示:
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1707613547 把这一加速度变换到静止参照系(地心参照系)中可得
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1707613552 由此积分可得
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1707613557 只要加速的时间足够长(即gt>>c),上式可近似为x≈ct。这表明在地心参照系中,经过长时间加速后飞船基本上是以光速飞行的。但是我们感兴趣的是宇航员所经历的时间,即“本征时间”τ,这是很容易利用上式——τ的定义——计算出的,结果为(请读者自行验证)
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1707613562 我们可以从τ和x的表达式中消去t,由此得到
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1707613567 如果x<>c2/g,即飞行距离远大于1光年,上式可以近似为τ≈(c/g)ln(2gx/c2)。下面我们将只考虑这种情形。考虑到抵达一个目的地后,通常还要做一些考察研究、拍照留念的事情,因此火箭不能一味加速,而必须在航程的后半段进行减速,从而旅行所需的时间应当修正为(最右侧表达式中τ以年为单位,x以光年为单位)
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1707613572 由这一公式不难看到:倘若旅行的目的地是银河系的中心,x=30 000光年,则τ〜20年。这就是说,在宇航员看来,仅仅20年的时间,他就可以到达银河系的中心,即使考虑到返航的时间,前后也只需40年的时间,他就可以衣锦还乡了。这就是相对论的奇妙结论!只不过,当他回到地球时,地球上的日历已经翻过了整整6万年,他的孙子的孙子的孙子……(如果有的话)都早已长眠于地下了[13]。
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1707613574 运用同一公式,我们还可以计算出到达仙女座星云所需的时间约为29年,到达室女座星系团所需的时间约为36年……(在这里,读者们对于对数函数的增长之缓慢大概会有一个深刻印象吧。)倘若一个宇航员20岁时坐上火箭出发,如果他可以活到80岁,那么在他有生之年(不考虑返航——“壮士一去兮不复返”),他可以到达10 000 000 000 000(10万亿)光年远的地方。这个距离已经远远远远地超过了可观测宇宙的线度。因此,这样一位宇航员在其有生之年可以到达宇宙中任意远的地方!
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1707613576 由此看来,星际旅行似乎并不像人们渲染的那样困难。倘如此,则我们也就不必费心讨论什么虫洞(wormhole)和生命传输机(transporter)了,直接坐上火箭遨游太空就是了。事情当然并不如此简单,别忘了在我们的计算中火箭是一直在加速的(否则的话,那个帮了我们大忙的对数函数就会消失),那样的火箭所耗费的能量是惊人的(究竟要耗费多少能量呢?运用本文给出的结果,读者可以自己试着计算一下)[14]。不过这种能量耗费所带来的困难比起建造虫洞所面临的困难来终究还是要小得多。因此,运用那样的火箭探索深空也许真的会成为未来星际旅行家们的选择。唯一的遗憾是,他们只要走得稍远一点,我们就没法分享他们的旅行见闻了。
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1707613578 因为相对论只保佑他们,不保佑我们。
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1707613580 2003年10月14日写于纽约
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1707613582 2013年7月13日最新修订
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1707613584 [1]本文发表之后数小时,北京时间2003年10月15日早晨9时整,“神舟五号”飞船载着宇航员杨利伟从酒泉卫星发射中心发射升空。飞船升空587秒后与火箭分离,进入轨道倾角为42.4度、近地点高度为200千米、远地点高度为350千米的预定椭圆轨道。飞船飞行至第五圈时变轨进入高度为343千米的近地圆轨道。北京时间2003年10月16日早晨6时23分,飞船在环绕地球14圈后在内蒙古四子王旗北部的主着陆场安全着陆,不久杨利伟自主出舱。至此,我国第一次载人航天飞行取得圆满成功。杨利伟成为我国第一位进入太空的宇航员,我国成为继苏联与美国后第三个独立掌握载人航天技术的国家。“神舟五号”的发射是人类历史上的第241次载人航天飞行。杨利伟是人类历史上进入太空的第952人次。
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1707613586 [2]大气层与行星际空间是连续衔接的,所谓“穿过大气层”指的是穿过厚度在百余千米以内的相对稠密的大气层。
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1707613588 [3]当然,这里我们要忽略空气阻力,并且还要忽略地球表面的地形起伏。
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