爱华网《秘境追踪》第五季《禁止入内》之星际飞行（3）
2008年9月10日15点30分，欧洲核子研究中心启动世界最大的强子对撞机上演了微缩版的“宇宙大爆炸”，重现了宇宙诞生时的形态。这个史上规模最大的科学计划，使人类进入了物理学的全新领域。有科学家大胆预言，它有可能是世界上第一台时间机器。人类跨星系旅行的梦想有可能变为现实。
人类梦想有一天能穿越茫茫时空，进行跨星系的太空旅行。这个梦想似乎还很遥远，但我们不妨先想象外星人已经把它变为了现实。
我们设想，科学家在沙漠中找到了一艘被外星人遗弃的飞船，地球的物理学家和工程师们正在试图弄清它的内部构造。在飞船的内部，我们发现了反物质反应堆，惯性消除器和抗引力推进装置。这些超过人类成千上万年的技术使飞碟能够穿梭于茫茫太空，并在地球的大气层中神出鬼没，来去自如。
很多人认为飞碟来自太阳系以外的外太空，因为人类已经证实，除了地球人，在太阳系的所有星体中，没有别的高等智慧的生命体，更没有另一个繁盛的文明。
据科学家乐观的估计，离地球最近的适宜像人类这样的生命体居住的行星，大约在距地球四十五光年远的地方。我们所处的银河系，仿佛是一个涌动着激流的巨大无比的漩涡，无数恒星依靠引力在这里聚拢，在银河系中像太阳一样的恒星约有2000亿个，而宇宙中的星系，以人类目前的观测大概是500亿到1000亿个，宇宙实在是太大了，令人叹为观止。
研究者认为：我们经常说宇宙无边无际，要有多大就有多大，甚至我们说是无限的宇宙，但是我们讲太空是要分层次的。比如说讲太阳系、讲银河系、讲总星系有多大？太阳系就在我们身边，太阳离地球的距离也不过是一亿五千万公里，有九大星系，但是像太阳这样的行星，在银河系里边有超过一千亿个，银河系的直径有好亿、好几十亿光年，但是银河系又在总星系里边，这个总星系有数百亿个像银河系这样的东西，它的这个宽度有大概150亿光年，但是人类现在也就能够用我们的望远镜去观察到150亿光年以外的星体。
150亿年前，在猛烈的一瞬间，热与光的爆发之中，时空从此开始，这就是创世大爆炸。大约46亿年前，太阳系诞生了。我们的太阳只是银河系中的一两千亿个恒星中的一个，实在是微不足道。像我们银河系同类的恒星系还有千千万万。那些遥远的星系还在不断地远离我们而去，离我们越远的星系，飞奔的速度越快，整个宇宙都在膨胀。
除了太阳以外，离地球最近的恒星在半人马座星系，距离我们超过四光年远。也就是说，即使飞船能够以光速前进，每秒速度达到30万公里，从地球到达半人马座也需要四年多的时间。
如果古希腊人在5000年前的荷马时代就向半人马座发射了一个太空飞行器，速度和人类目前最快的飞行器旅行者号相同，那么它还需要七万年才能够到达。现在它的飞行距离还不到总距离的百分之一。
探测木星和土星所使用的旅行者号探测器是目前速度最快的人造物体，速度是每秒钟16公里。以这样的速度，我们到达离地球最近的恒星需要7.5万年左右。难以想象穿越如此遥远的距离和如此长时间的飞行会需要多少燃料，所有这些燃料也会极大增加飞船的重量，并降低它的速度。
外星飞船以一种的奇特的方式穿梭于银河系乃至整个太空。就人类现有的知识来看，光速是宇宙中速度的极限，任何物体的运动速度只能无限接近光速，不可能超过光速。
研究者认为：实际上光速是我们现在能达到的极限，这个结论既不是理论推导出的，也不是实验证明了的，这是一个假定。这个假定是爱因斯坦在他提出相对论的时候提出的，问题是没有什么实验能够否认这个假定。所以我们现在都是接受这个假定。但是要明确的是它是相对论所需要的那些前提假定之一。
作为现代物理学最重要的思想家，阿尔伯特·爱因斯坦的名声早已超过同时代的任何一位科学家，成为超高智慧的代名词。相对论让爱因斯坦名扬天下。
年轻的爱因斯坦最喜欢观察树林中的光影，狭义相对论的核心是光速恒定，它认为不论光源以多快的速度移动，也不论观察者以多快的速度向什么方向移动，光速永远不变。所有的运动，甚至时间本身都必须与之相对应，由此爱因斯坦首次提出时间是相对的。他告诉我们虽然任何物体的运动速度不可能超过光速，但当它接近光速时，时间就会变慢，距离就会变短。越接近光速，时间越慢，距离越短。
根据爱因斯坦的理论，越接近光速，飞船上的钟表走动的速度就会越慢，因此时间过得也就越慢。如果飞船以光速飞向半人马座，到达时，在地球上已经过去了好几年的时间。但是对飞船来说，时间仅仅过去了几个星期。机组成员的年龄只增加了几个星期而已。飞行时间记录器上显示的数字也会表明，这只不过是个短期旅行。这就是所谓的“时间膨胀”现象。
时间是一种带着我们从过去走向未来的无情力量。大家仿佛都知道时间是什么，但却无法确定的定义时间。时间是神秘的，从古希腊甚至更早的时候，人们就对时间进行了很多种思考，但是真正从科学上把时间和空间联系在一起，并提出一种时空理论，还是从1905年爱因斯坦的狭义相对论开始。
他首次提出一个概念，时间和空间这两者不是彼此无关的。比如说随着人们运动状态的改变，时间和空间在不同的参照系里可能会有意想不到的变化，相对论的提出推动了20世纪物理学的革命，为人们研究星系宇宙奠定了理论基础。
著名物理学家卡尔·萨根在影片《宇宙》中，把相对论的公式进行了形象地展示。影片中保罗与他的弟弟和朋友们道别，开始了他的光速旅行。保罗正以光速的一半前进时，奇妙的事情出现了，保罗前面的光波被压缩，他的影像变成了蓝色，同时，他疾驰而去时自己的光波会延伸在身后，由于长光波是红色的，他后面的影像就会变红。当保罗加速到接近光速，他身后的一切都压缩到前方的隧道中去了，中间出现蓝影，周围出现红影。
接近光速最奇特的现象，就是时间会减慢。所有时钟，不论是机械钟还是生物钟，接近光速时都会减慢，但静止的时钟，则像往常一样运作。若我们以接近光速的速度前进，衰老的速度会比正常人缓慢。保罗的手表和他的感觉显示，他仅仅离开了几分钟，但在朋友眼中，保罗已经离开了几十年，只有年迈的弟弟仍然耐心地等候着他，他们体验到时间膨胀的奇怪现象，这就是爱因斯坦所说的狭义相对论。
当然，影片中的一切只是理论上的假想，但是在1971年，物理学家理查德·基廷和乔伊·哈夫勒验证了这个假想。他们将4个极为精确的原子钟放在一架普通航行的飞机上。飞行之后，这些原子钟与放在地面的原子钟相比的确慢了59纳秒。它不仅证明狭义相对论完全正确，也说明人们通过坐飞机来长寿，理论上是可行的，所不同的是效果太微弱了。一个人在飞机上飞行80年的时间一共可以赚得400微秒。400微秒实际上只是0.0004秒。
但是在粒子加速器里，狭义相对论所预言的时间膨胀效应就不那么微弱了，在美国费米试验室长达40公里的粒子加速器中，次原子粒子可以被加速到光速的90%以上，在这样的速度下，时间的变化明显出现了。在正常情况下寿命很短的粒子，存在的时间大大延长。这证明对这些粒子来说，时间变慢了。
从理论上看，如果乘坐非常接近光速的飞船，茫茫的太空之旅并不需要多么漫长的时间。然而，爱因斯坦并没有让光速旅行一帆风顺。相对论还预言了另一个重要的问题。当物体的速度越来越接近光速的时候，它们就会变得更重。
研究者认为：我们要想把一个物体加速的话，本身就需要很大的能量，但是当它越接近光速的时候，它所呈现出来的质量就变得越大。由于在爱因斯坦相对理论的体系里，他假定光速是不能达到的，所以说如果我们把一个东西加速到光速的时候，这个东西的质量会变得无穷大，这同样是一个假设。因为它就是建立在光速是不可超越的这个前提之上的，它也是假设。也是无法验证的，因为人类现在根本没有能力把这个东西加速到光速。
既然任何物体都不可能加速到光速，那么光子为什么可以以光速行进呢？
研究者认为：光子的速度并不是加速的结果，它一直就是这个速度，其实并没有经历过一个加速的过程。任何以光速传播的东西，比如说无线电波也是用光速传播，这些东西都不是我们加速的结果，等于它天生就是这个速度。
自从爱因斯坦在一个世纪以前提出速度和质量之间的这种关系，整个人类世界都在苦苦探索问题的解决方案。看上去这似乎也是外星人进行星际旅行的路障。但事实并非如此。
也许有一些方法可以绕过光速这个问题。请释放你的想象力，跟随科学家继续外星飞船的探秘。一艘外星人的宇宙飞船被遗弃在地球，科学家正在努力弄清楚这艘飞船的构造原理。
他们攻入了飞船的电脑引导系统，发现似乎有一张全宇宙的地图。这是一个具有突破性的发现。两点之间并不一定是直线最短。如果想要了解外星飞船如何来到地球，我们必须再次请教爱因斯坦。
20世纪以前的物理学建立在牛顿绝对时空观的基础上。时间永恒地均匀流逝，空间是不动的舞台，两者相互独立并且不受物质的影响。爱因斯坦的革命性发现是：时间和空间是不可分割的统一体，时空告诉物质如何运动，而物质告诉时空如何弯曲。
在爱因斯坦的理论中，两个物体间的相互作用并不像牛顿所描述的那样，是彼此直接产生引力，而是由每个物体对周围的时空产生影响，它们在时空中造成凹陷或扭曲，一个物体经过另一个物体的旁边，路径就会受到扭曲而偏向，这就好像是物质互相吸引一样。
如果我们举例描述广义相对论：放在橡胶膜上的重物代表恒星或整个星系，网格代表时间和空间，重物的质量越大，空间和时间凹陷的程度也越深，那些从附近经过的东西，也就越难逃脱坠落在这个大质量物体上的命运。这个形象实际就是空间弯曲的形象，把一个铁球想像为地球或者太阳或者某个天体，只要它有巨大的质量，那么它就能够产生这个空间的弯曲。理论上小的质量也能产生弯曲，问题那就小得无法看到，不仅感官不能感知，也检测不到。
为什么时间和空间会是弯曲的呢？这要先从平直空间说起。古希腊的欧几里德发展了一套几何理论，后人称为欧几里德几何学，他从几个定义和公设出发，可以推导出一系列定理。在欧几里德几何学里，有一个第5公设，根据这个公设，我们可以推论出三角形的三个内角，加起来总和是180度。因为平面上的图形显然满足这个性质，所以我们把符合欧几里德几何学的空间称为平直空间。
十九世纪初，法国数学家高斯、匈牙利数学家鲍耶、俄国数学家罗巴切夫斯基等人认识到，除了平直空间以外，没有第5公设的非平直空间在逻辑上是可能的。在这样的空间中，三角形的内角之和未必是180度。描述这种空间的几何学叫做非欧几何。
在球面上，三角形的三个角加起来超过180度，在双曲面上，三角形的三个角加起来小于180度。当然，在这些曲面上并没有真正的直线，但是比方说一只蚂蚁，被局限在曲面上，那么这就是它的直线。同样，人也被局限在生活的三维空间中。爱因斯坦的相对论证明，在大质量物体附近的时空需要非欧几何来描述。这就是所谓弯曲时空。
一个有大的质量的东西就有引力，这时候它会让周围的空间弯曲，实际上这种弯曲度是非常微小的，在我们日常的感官中是感觉不到的。那么对比如说太阳这么大的一个质量，它能够使它周围的空间弯曲，在一定条件下进行天文观测是可以观测到的。
当1916年爱因斯坦发表了广义相对论时，那还只是一个推测，爱因斯坦需要证据，为此他需要一次完整的日食。
如果爱因斯坦的推测是正确的，那么某个星球发出的光，在到达地球之前，从太阳附近通过的时候，实际上是沿着空中的一条曲线在运动，由于我们认为，光是沿着直线运动的，那么我们从地球上看到的情况是这个星球处在距离太阳很远的b点。
如果爱因斯坦的推测是错误的，星球将一直处于A点。通常情况下，我们不会看到太阳附近有另一个星球的存在，因为太阳太亮了，但有一种情况下，我们能看到这个星球的存在，那就是发生日全食的时候，爱因斯坦预测到这个时候星球会按照广义相对论所叙述的方式运动，那么他需要的是有人在日全食时候拍到的照片。
这个人就是阿斯爱丁顿，一位著名的英国天文学家，他相信爱因斯坦的理论，并且迫切的想证明爱因斯坦的推测是正确的。
1919年5月，他组织两个远征队，分赴巴西东北海岸外的索布拉尔岛和西非几内亚湾的普林西比岛进行观测，希望能够看到一次日全食的过程。远征队在发生日食的时候拍摄了太阳的照片。当月亮遮挡住太阳，在一片黑暗中，太阳附近开始出现星星。他看到了太阳后面的星星，太阳周围巨大的引力让这些星星的光线发生了弯曲。
半年以后，英国皇家学会正式宣布，他们的观测结果符合爱因斯坦的预言！这个消息立刻轰动了世界。阿斯爱丁顿的发现确定了爱因斯坦作为物理学之父的地位。广义相对论从此得到科学界公认。
爱因斯坦建立广义相对论后，立刻开始思索是否可以用它来研究整个宇宙的性质。在此之前，大家心目中的宇宙图像是牛顿的宇宙模型，时间和空间都是无限的，在其中均匀分布着静止的物质。但是，这个宇宙模型本身存在着内在的矛盾。一个矛盾是，由于宇宙无限大，物质无限多，物质产生的引力也变成无限大。由于万有引力的作用，牛顿宇宙中的物质难以保持静止，而会互相吸引，最后坠落到一起去。
爱因斯坦认为，利用非欧几何里的弯曲空间，可以解决这个问题。所以他在1917年，提出了一个宇宙模型。这个模型的空间部分是一个球面，弯曲的空间，使得宇宙看起来是有限的。因此可以避免引力变成无限大的问题。但是爱因斯坦发现，和牛顿的宇宙一样，这个模型里的物质也很难保持静止不动。
很快有人反对爱因斯坦的这个静态宇宙模型，第一个提出质疑的，是俄国学者阿列克谢·弗里德曼。在1922年发表的一篇论文中，弗里德曼求解了不包括宇宙学常数的广义相对论方程，发现宇宙不会静止不动，而是要么膨胀要么收缩。爱因斯坦看到弗里德曼的论文后，给发表它的杂志去信，说弗里德曼可能算错了。弗里德曼并没有屈服于爱因斯坦的权威，他详细写出了自己的计算过程给爱因斯坦寄去。后来，爱因斯坦在同一个杂志上发表声明，承认自己错了而弗里德曼是对的。
引力能够让空间发生弯曲，也许外星人正是利用了这个现象穿越了星系。这艘假想的飞碟中有一个空间弯曲引擎。它能够将后面的空间膨胀，前面的空间收缩，这样一来，从一个地方到另外一个地方的速度能够比光速还快。
更妙的是，飞船内的钟表会同外面的钟表保持同步， 它将处于平常的空间，不会因为高速而感觉到相对论的效果。
研究者认为：外星人怎么能够到地球来造访，也许他们能够克服光速、克服光障，也许他们有很长的寿命，也许他们有自动化的装置，摆在飞碟里边来和我们的地球的人类对话，这些都是有可能的。所以航天科技很有魅力，它对我们每一个人的精神层面、心理层面、心灵层面、智慧的层面和信仰的层面，都有极大的诱惑力，诱惑着我们向空间科学的深度和高度进军。
我们的工程师成功攻入了外星电脑系统，了解到关于飞船的更多知识。除了空间弯曲引擎还有一个更加成熟的装置，使飞船达到比光速还要快的速度。这个装置是一个虫洞开凿机器，能够将空间本身进行折叠。
拿一幅世界地图，标记为A的地方是纽约，标记为B的地方是巴黎。如果将地图折叠，这两个城市之间的距离并不遥远。所需要做的就是在地图上钻个洞，将这两个城市连接起来。这个通道就是一个虫洞。
广义相对论出现后产生的最重要的影响，就是提供了允许时空旅行的虫洞理论。按照《时间简史》中霍金对虫洞的描述：它是沟通宇宙之间的细长时空管道。虽然虫洞被形象地描画出来，但它其实只是一个数学模型，是1935年，爱因斯坦和罗森在论文中根据场方程推导出的通道，被称为爱因斯坦-罗森桥。但爱因斯坦也指出这座桥很难通过，因为它极不稳定，随时有断裂的危险。
研究者认为：在量子物理里所想到的虫洞通常都是很短寿的，虫洞这个东西到现在为止没有谁见过真的，它是一个理论上推导出来的，是根据爱因斯坦的引力场方程推导出来的一个结果。所以在理论上它可能存在，不过实际上谁也没有找到过。这个虫洞对于星际航行来说是最有吸引力的，因为哪怕离我们最近的恒星，我们用光速行驶也要四年以后才能到达，何况现在根据相对论我们也到不了光速。但是虫洞是另外一种东西，它意味着时空的扭曲，它让我们有可能瞬间就到达遥远的地方，或者说它根本就是超光速的，甚至就是速度无穷大的。那这样的话，对于星际航行的假想来说是富有诱惑力的。如果在恒星之间真的有星际航行存在的话，它们一定是超光速的，否则这么遥远的旅程是没有意义的。
外星飞船上的虫洞开凿机器一定有一个稳定器。也就是说，外星人能够开凿出一个虫洞，同时在飞船经过的时候保持虫洞的畅通。要想弄明白这艘飞船的飞行原理的确是个不小的挑战。我们必须将相对论的知识运用到极致，才能够明白来自外星球的这些访问者已经取得的成就。
也许在并不遥远的将来，我们能将这些超光速的技术运用到人类的飞行器中，能够穿越茫茫的空间和时间，去外星人的星球上与他们会面。然而，这一天的到来可能蕴藏危机，因为在这艘外星飞船中还隐藏着一个重大的秘密，科学家将继续为我们解密。
