艾星雨

從長度單位看宇宙的浩瀚

想要了解秒差距，就要先了解宇宙的浩瀚。請?jiān)囍鴮⒁幻队矌欧旁谀愕拿媲?。假設(shè)這枚小小的硬幣就是我們的太陽，并以這樣的“比例尺”創(chuàng)建一幅銀河系三維地圖。那么，我們就需要在大約563千米之外放上另一枚硬幣，以表示距離太陽最近的一顆恒星，399233億千米（4.22光年）之外的比鄰星。當(dāng)你試圖擴(kuò)展這幅地圖，模擬更大范圍內(nèi)的宇宙空間時(shí)，會更為麻煩。依照同樣的比例尺，在這幅地圖上，銀河系的直徑大約是1200萬千米。而銀河系只是億萬星系中微不足道的一個(gè)。

正如這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)展示的那樣，宇宙的尺度是驚人的，幾乎沒有辦法用我們生活中所熟知的長度單位，比如厘米、米和千米加以衡量。幸好，天文學(xué)家在長期的工作中，已經(jīng)找到了一些專門用于丈量宇宙尺度的長度單位。

天文單位（AU），指地球與太陽之間的平均距離，其具體數(shù)值經(jīng)過了多次修訂。2012年9月，在北京舉行的國際天文學(xué)聯(lián)合會大會上，將AU精確測定為149597870700米。AU一般用于測量太陽系內(nèi)天體之間的距離，比如土星距離太陽9.5個(gè)天文單位。

在更大的尺度上，科學(xué)家又定義了光年（light-year），它是個(gè)頑皮的長度單位，有善于欺騙人的外表，雖然有個(gè)“年”字，但它不是時(shí)間單位，而是長度單位，它是指光在真空中沿直線傳播一年的距離。光在真空中的速度為每秒299792458米，計(jì)算下來，1光年約為9.46萬億千米，即約為63239.8個(gè)天文單位。比如，銀河系直徑為12萬光年，可觀測的宇宙半徑約為400億光年。此外，還有光分和光時(shí)的說法，如太陽距離地球8光分，距離冥王星5光時(shí)。

秒差距（pc）也是天文學(xué)上的一種長度單位，它的定義是建立在三角視差的基礎(chǔ)上的。我們觀察一個(gè)宇宙目標(biāo)（如一顆恒星）時(shí)，以地球公轉(zhuǎn)軌道的平均半徑（一個(gè)天文單位）為底邊，宇宙目標(biāo)為頂點(diǎn)，可以形成一個(gè)三角形，頂點(diǎn)所在的內(nèi)角就是視差。當(dāng)這個(gè)角為1角秒時(shí)，地球到這個(gè)恒星的距離就稱為1秒差距。1秒差距約等于3.26光年。

隨著距離的增加，我們在地球上進(jìn)化出的適用于短距離的感官放在宇宙的范疇，早就不夠用了。然而，在測量和描述遙遠(yuǎn)星系時(shí)，秒差距依然太小，天文學(xué)家不得不用千秒差距（kpc，約等于3260光年）和百萬秒差距（Mpc，約等于3260000光年）為單位來描述距離。有時(shí)，還要用到比Mpc大1000倍的單位，即吉秒差距（Gpc，約等于3260000000光年）。

你不必花心思去數(shù)這些數(shù)字后面有多少個(gè)零，你只需要從這些長度單位中直觀感受一下宇宙有多么浩瀚。然后再想想，去那里容易嗎？

?秒差距簡單示意圖

?地球與火星看似很近，實(shí)則很遠(yuǎn)

到宇宙深處到底有多難？

很早的時(shí)候，古人就注意到了火星。近代，由于火星與地球之間存在許多相似之處，一直被認(rèn)為是人類最為理想的移民星球，也是人類下一個(gè)要登陸的星球。在很多人的想象中，火星離地球很近。然而，事實(shí)并非如此。

?光是宇宙中最快的“使者”

到宇宙深處到底有多難？我們不妨以火星為例探究一番。地球和火星都圍繞太陽運(yùn)動，但它們的速度不同，圍繞太陽的路徑（橢圓形）和長度也不同，所以相對位置總是在變化。當(dāng)火星與地球位于太陽的同一側(cè)，三者基本呈一條直線，且火星位于近日點(diǎn)而地球位于遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，火星與地球的距離最近（古代占星家稱之為“沖”），約5600萬千米;當(dāng)火星和地球在太陽兩側(cè)，三者基本呈一條直線，且火星和地球都位于遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，火星距離地球最遠(yuǎn)（古代占星家稱之為“合”），約4億千米。但這里所說的距離，都是直線距離，而從地球到火星的航線，不可能是直線，只可能是弧形的或者橢圓形的路線。顯然，火地相沖與火地相合時(shí)，去火星的航線也是不同的。

具體而言，從地球到火星，有3條路線可以選擇：

?宇宙比你想象的更浩瀚

第一條路線叫霍曼轉(zhuǎn)移軌道，是一個(gè)叫沃爾特·霍曼的數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)的。這條航線呈巨大的橢圓形，開始一端與地球相切，末尾一端與火星相切。宇宙飛船在火地相合時(shí)出發(fā)，因?yàn)檫@時(shí)出發(fā)，宇宙飛船的前進(jìn)方向與地球的前進(jìn)方向相同，能夠獲得地球約30千米/秒的速度，所以是最節(jié)省燃料同時(shí)也是難度最小的航線，唯一的問題是耗時(shí)比較長。

第二條路線叫沖點(diǎn)航線。如果我們把太陽系想象成一張動態(tài)的平面圖，中心是太陽，八大行星繞著它不停轉(zhuǎn)圈，就會比較容易理解這條航線了。宇宙飛船在火地相沖時(shí)出發(fā)，卻不是向外直奔火星，而是向內(nèi)飛向太陽，飛過金星和水星的軌道，以極快的速度從太陽旁邊繞過。這時(shí)，太陽對宇宙飛船會有巨大的加力，形成“引力彈弓”效應(yīng)，就好似太陽把宇宙飛船“拋”出去，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)動機(jī)所能提供的動力。然后，只需略做調(diào)整，飛船會反向掠過水星、金星和地球的軌道，直抵航線的終點(diǎn)，也就是火星。這條路線是所有路線中最長、最復(fù)雜、最危險(xiǎn)的，但也是速度最快、耗時(shí)最短的路線。

? 穿過“蟲洞”，抵達(dá)完全陌生的世界

第三條路線叫快速合點(diǎn)航線，這是霍曼轉(zhuǎn)移軌道的改進(jìn)路線。與霍曼轉(zhuǎn)移軌道相比，快速合點(diǎn)航行需要宇宙飛船在中途用發(fā)動機(jī)改變航線，相當(dāng)于多用點(diǎn)兒燃料來“抄近道”。這條航線比第一條航線近，所花費(fèi)的時(shí)間也少一些，相較第二條航線更為安全。

不管是哪條航線，用現(xiàn)有的火箭技術(shù)所花時(shí)間都要超過180天。而且，去往火星之路不僅漫長，而且充滿了意外和危險(xiǎn)。蘇聯(lián)向火星發(fā)射了20多顆無人探測器，全部以失敗告終，美國人的運(yùn)氣要好得多，但成功率也不到50%。這就是為什么我們1969年就登陸了月球，但至今沒有登陸火星的原因。

想想看，去火星都那么困難，去往太陽系內(nèi)的其他星球，乃至太陽系之外、銀河系之外、本星系群之外……又有多么困難呢？

穿越茫茫宇宙的種種可能

宇宙的浩渺有時(shí)會讓人絕望。幸好我們還有科幻。

在科幻里，作家為跨越茫茫星空，提供了種種超光速穿越宇宙的奇妙方案。第一種叫時(shí)空蟲洞。根據(jù)愛因斯坦的理論，“蟲洞”就是連接宇宙遙遠(yuǎn)區(qū)域間的時(shí)空細(xì)管。就好比是蟲子在蘋果里打的洞，物體通過“蟲洞”，好比蟲子沿著洞向蘋果表面爬，其抵達(dá)蘋果另一面的時(shí)間顯然比在蘋果表面爬要少得多。據(jù)科學(xué)家猜測，宇宙中充斥著數(shù)以百萬計(jì)的“蟲洞”，把“蟲洞”打開，并強(qiáng)化它的結(jié)構(gòu)，使其穩(wěn)定，就可以使太空飛船通過，進(jìn)而在瞬息之間達(dá)到遙遠(yuǎn)的地方。科幻電影《星際穿越》就利用了“蟲洞”探索太空。

第二種叫曲速引擎，原先出現(xiàn)在科幻影片《星際迷航》中。所謂曲速引擎，其實(shí)是一種以反物質(zhì)作為燃料的發(fā)動機(jī)，它能在運(yùn)動物體周圍制造一個(gè)人工的曲力場，使物體能在這個(gè)扭曲的時(shí)空“氣泡”中以幾十倍于光速的速度移動。曲速就是衡量在這個(gè)時(shí)空泡里運(yùn)動的物體的速度。打個(gè)通俗的比方，一輛汽車速度不變，但是由于將道路長度進(jìn)行了大幅壓縮，使路程相應(yīng)縮短，行駛的時(shí)間會大大縮短。

?《星球大戰(zhàn)7：原力覺醒》中的“千年隼”，可以實(shí)現(xiàn)超空間跳躍

第三種是《宇宙戰(zhàn)艦大和號》中提到的波動引擎。電影中，波動引擎的設(shè)計(jì)圖來自外星球，其原理人類并不是很了解。簡單地說，就是將飛船在眨眼間轉(zhuǎn)變?yōu)椤安ā睉B(tài)，而波態(tài)飛船不受時(shí)空限制，瞬息之間就能到達(dá)指定地點(diǎn)。

第四種叫超空間跳躍。在《星戰(zhàn)7》中，漢·索羅一拉手閘，傳奇貨運(yùn)飛船千年隼號前方的光線就變得異常強(qiáng)烈，隨即飛船被淹沒在強(qiáng)光里，等強(qiáng)光消失，飛船已經(jīng)到了另一個(gè)空間。這就是超空間跳躍。在電影中，正是靠著超空間跳躍，各種飛船在不同星球之間任意穿梭，這也是距離遙遠(yuǎn)的星球之間能夠發(fā)生戰(zhàn)爭的根本原因。那么科幻中是如何描述超空間跳躍的呢？原來，人們運(yùn)用巨大的能量場（如重力場或強(qiáng)磁場），使飛船（包括在其范圍內(nèi)的物體）瞬間進(jìn)入與本身的三維空間完全不同的超空間，在超空間中飛行一段距離后，再回到三維空間中，這樣，飛船就抵達(dá)了另一顆星球。由于在超空間中，不存在所謂的時(shí)間，或者時(shí)間的流逝速度只是三維空間的1/1000萬倍，所以在超空間之外的人看來，飛船是在瞬間從甲星球抵達(dá)乙星球的?？茖W(xué)家斯蒂芬·霍金在其著作《時(shí)間簡史》《果殼中的宇宙》中，均討論了超空間跳躍的可能性，他的“弦理論”認(rèn)為運(yùn)用足夠的能量，就可以制作出一個(gè)能量巨大的“弦”，將太空船帶入超空間跳躍航行。因此可以說，霍金對超空間跳躍的情況在理論上是肯定的。

比起宇宙的浩瀚無垠，也許人類的想象力更加無邊無際。在未來，還會有更多的可能性，想想這是多么美妙啊！

?電影《星際迷航》中，曲速引擎的出現(xiàn)，大大縮短了行駛的路程