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        超光速和宇宙航行

        時間:2023-02-01 理論教育 版權(quán)反饋
        【摘要】:2004年宋健院士論述了超光速對未來人類宇宙航行的意義,他談到:按錢學(xué)森先生的建議,在太陽系以內(nèi)飛行叫“航天”,到太陽系以外的銀河系是 “宇航”。電磁波傳播速度的有限性也限制了超光速雙向宇航通訊的可能性,地面站用電磁波無法向以接近或超過光速c運動的飛船發(fā)出指令或建議。只要能找到這種新的信號源,以光速或超光速作宇宙航行的可能性就會大為增長。
        ●超光速和宇宙航行_超光速的誘惑

        2004年宋健院士論述了超光速對未來人類宇宙航行的意義,他談到:按錢學(xué)森先生的建議,在太陽系以內(nèi)飛行叫“航天”,到太陽系以外的銀河系是 “宇航”。若干年后,將會有第一批宇航員飛出太陽系并安全返回,那將是一個新的宇航時代的開始??梢灶A(yù)想,一旦人們更大地開闊了眼界,在太陽系以外會發(fā)現(xiàn)比過去更多的未知現(xiàn)象,從而進一步豐富我們的科學(xué)知識,審視和改進已經(jīng)掌握了的科學(xué)定律,使人類科學(xué)技術(shù)事業(yè)邁進一個新的時代。

        對大自然的探幽析微不能沒有人的直接參與,機械和儀表不能完全代替人的智慧。20世紀60~70年代的載人和無人探月收獲的懸殊差別就是佐證。

        飛出太陽系是人類偉大的理想。要實現(xiàn)太外飛行有四大理論和技術(shù)問題要一步一步解決。它們是:①精察太陽附近的天體分布,繪出實用的宇圖;②設(shè)計噴氣速度接近光速的火箭發(fā)動機;③建造和實驗長期宇航的生命保障系統(tǒng);④克服光障。對這些問題科學(xué)界已開始研究和開展前期工作。

        宋健院士指出:從技術(shù)科學(xué)角度來看,愛因斯坦在1905年論文中的推測:“不可能存在超光速運動”,是對命題范圍以外的想象:如果光線沒有回波,那就是不存在。這個推測,當時還無法在物理實驗中加以檢驗,只能訴諸以后的實踐。所以,今天很多理論物理學(xué)家們認為 “狹義相對論并不能排除超光速運動的存在”。在沒有經(jīng)過實驗直接獲得證據(jù)以前,不應(yīng)當把它當作一條科學(xué)定律來引用。

        近40年來航天技術(shù)的實踐和測量技術(shù)的進步,情況與20世紀初有了很大變化。過去是以地面觀察為主,飛行器上的設(shè)施配合地面觀察,這符合狹義相對論的技術(shù)定義。現(xiàn)在的導(dǎo)彈、衛(wèi)星和飛船已能獨立自主飛行,帶有全套的計時、定向、定位、遙測、通訊能力,裝備有原子鐘、慣性導(dǎo)航儀表、光學(xué)天文導(dǎo)航和雷達設(shè)備,地面觀測變?yōu)檩o助性的。至少在理論上,它無需靠地面觀測來飛行。航天和技術(shù)科學(xué)的進步提供了新的角度和可能性去考查檢驗相對論及其推論的意義。

        相對論出現(xiàn)后的100多年來,直到今天仍有很多物理學(xué)家以各種方式對它的推論進行討論和檢驗。各國航天界正在進行大規(guī)模的飛行實驗來檢驗?zāi)承┩普摰恼_性。科學(xué)史表明,一種科學(xué)概念和假說從來不會是一開始就完美無缺,總需要后人去繼承、修正和發(fā)展,這是科學(xué)技術(shù)得以持續(xù)進步的必由之路。

        電磁波傳播速度的有限性也限制了超光速雙向宇航通訊的可能性,地面站用電磁波無法向以接近或超過光速c運動的飛船發(fā)出指令或建議。航天技術(shù)呼喚實驗物理學(xué)家們尋找傳播速度大于c的信號源。只要能找到這種新的信號源,以光速或超光速作宇宙航行的可能性就會大為增長。物理學(xué)中現(xiàn)存的很多關(guān)于因果律的爭論、各種佯謬都可以迎刃而解。

        宇航的光障問題使人回想起20世紀航空工程中出現(xiàn)過的關(guān)于聲障問題的經(jīng)歷。超音速飛機出現(xiàn)以前,很多人曾設(shè)想,當飛機速度接近聲速時,在空氣中以常速傳播的聲波會聚集在前面成為密度很大的激波,飛機無法穿過。硬要穿過,要么機毀人亡,要么失穩(wěn)失控。

        對于靠聲波認識世界的某些生物如蝙蝠、白鰭豚等,聲速是不能超過的。但是,航空科學(xué)家和工程師們?yōu)楣タ艘粽隙度肓藨?zhàn)斗,經(jīng)過數(shù)十年的理論分析和風洞實驗,人們徹底弄清了激波的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。當飛機速度接近聲速時,前面的激波是流體方程的一個不連續(xù)解,形成很薄的一層高溫高壓氣體,那里的壓力(P)和溫度(T)的升高大約正比于馬赫數(shù)的平方。弄清了這些問題以后,航空界立即開始設(shè)計建造超音速飛機。在人類第一次實現(xiàn)空中飛行的44年后,美國空軍于1947年10月14日實現(xiàn)了首次超音速飛行。第二年,蘇聯(lián)的La-176飛機也超過了音速。從此,新的超音速軍用飛機如雨后春筍,又有了協(xié)和號客機于1969年首飛,以2倍音速商業(yè)飛行了24年(1979~2003)。

        關(guān)于光障問題是否也會有類似的前景?人們拭目以待。

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