第七章第九节宇宙航行
从量天尺看宇宙的大小
谈宇宙航行，就得了解宇宙。
什么叫宇宙？按传统的解释就是空间和时间的总和，这在现代物理学中就是四维时空（三
维空间加一维时间）。
时空是在物质的变化和运动中体现出来的。现代宇宙观认为，宇宙是在100亿～200亿年前
的一次大爆炸中诞生的，从而也诞生了时间、空间和物质。爱因斯坦广义相对论就是研究时
间、空间和物质之间相互关系的学说。他的结论是，物质使时空弯曲，弯曲时空告诉物质如
何运动。
宇宙无所不包，内涵太丰富了，这里无法说清其万一，仅就与宇宙航行密不可分的宇宙的大
小、宇宙的结构和宇宙的形状稍作说明。
不过，宇宙的大小仍然是一个难以说准确的问题。为便于理解，我们从科学家确定的“量天
尺”来看宇宙的大小。
在地球上，我们用“千米”来量长度，北京到上海的航线距离为1 178千米，地球的半径为6
378千米。但是，离开地球到太阳系空间，“千米”这把尺子用起来就很不方便，如冥王星
到太阳的平均距离为5 900 224 000千米，以彗星活动范围计算太阳系的半径为
34 410 000 000 000千米，这真是个天文数字。于是，科学家便采用另一把尺子来量天，叫
“天文单位”，就是以地球到太阳的平均距离149 600 000千米为1天文单位。这样，冥王星
到太阳的距离
为3944天文单位，以彗星活动范围计算的太阳系半径为23万天文单位。
但是，冲出太阳系到银河系空间，“天文单位”这把尺子用起来又不方便了，如离太阳最
近的恒星比邻星的距离也有约265600天文单位，而银河系的直径达6 324 000万天文单位。
于是，科学家又启用一把新的量天尺，叫“光年”，就是光行进1年的距离。我们知道，光
行进的速度为30万千米/秒，那么，1光年的距离为94 608亿千米或63 240天文单位。这样，
太阳与比邻星的距离为42光年，银河系的直径约10万光年。
那么，以光年计算，宇宙的尺度有多大？目前还无人能说准确。不过从理论上说，既然宇
宙是在100亿～200亿年前的大爆炸中诞生的，空间从零以光速扩展，光是球形传播的，那么
，现在宇宙的半径尺度应是100－200亿光年。实际情况是不是这样，还不得而知。
泡沫状结构宇宙
开车要了解路况，在江河湖海上航行要了解航线情况，宇宙航行同样要了解宇宙中物质
的分布情况。
在宇宙大爆炸中形成的物质，主要是氢和氦，它们开始弥漫在宇宙中。随着宇宙的膨胀
和温度的逐渐降低，在重力作用下收缩成一大团一大团氢氦云。重力作用下的继续收缩，大
云团逐渐分裂成较小的云团，物质密度逐渐增加，云团因相互之间的重力作用而旋转。这样
不断分裂——收缩，在氢氦云团的内部，因物质重力作用的相互挤压，温度不断升高，当温
升高到能使氢发生聚变反应时，它便成为一颗恒星。有些恒星在旋转中甩出一些物质，则逐
渐集合成行星和卫星。宇宙中的主要可见物质，就是这些恒星，以及由它演变而来的其他天
体，如黑洞等。宇宙中物质的这种发展过程，形成宇宙的泡沫状大结构。
这里，要从探测的角度，倒着来说宇宙的泡沫状大结构。太阳是颗单星，但宇宙中的多
数恒星常常是两颗、三四颗、十几颗到几十万颗聚集在一起，分别叫双星、聚星和星团。所
以恒星并不是均匀分布在宇宙中的。
单星、双星、聚星和星团也不是均匀分布的，它们分别聚集在一起形成星系，任凭宇宙
膨胀也不散开。太阳所在星系叫银河系，共有1 000多亿颗恒星，其中包括约1 000个星团。
在宇宙中，共有1 000多亿个像银河系这样的星系，此外还有一些独立的星团和星云。星
系和独立的星团、星云还不是均匀分布的，它们又分别聚集成星系群或星系团。银河系所在
的叫本星系群，半径约300万光年。
星系群和星系团仍不是均匀分布的，它们又分别聚集成超星系团。本星系群属本超星系
团，半径约3亿光年。
探测表明，超星系团还不是最大的群体，在距银河系约2亿光年的地方有一个巨大的引
力源在牵引着本超星系团。这个大牵引者可能是许多超星系团组成的超星系团集团。
上述的不均匀分布形成了宇宙的泡沫状大结构。星系密集的地方是泡沫壁，即星系膜或
星系纤维，它们形成“星系长城”。而几乎没有星系的地方是泡沫结构中的大泡泡，被称为
“宇宙空洞”，宇宙空洞的直径达1亿～3亿光年。
宇宙的泡沫状大结构并不表示宇宙中的物质分布 不均匀。就宇宙整体而言，它在各
个方向上物质分布的均匀度达十万分之一。
速度战胜距离
宇宙航行始终如一的一个依靠就是速度。人类先是用运载火箭产生的宇宙速度战胜地球
引力，冲出地球大气层，进入太阳系空间活动，实现了宇宙航行第一阶段——航天的梦想。
要冲出太阳系，在银河系乃至河外星系活动，将航宇的理想变成现实，依靠的仍然是速度，
就是要以更高的速度去战胜星球之间的巨大距离。
虽然地球引力和宇宙的广阔距离都依靠速度去战胜，但所需要的这两种速度是不能同日
而语的。我们知道，克服地球引力的束缚，使载人飞船绕地球飞行的第一宇宙速度为79千
米/秒；摆脱地球引力而飞离地球，环绕太阳飞行的第二宇宙速度为112千米/秒；理论上
脱太阳引力的束缚，飞出太阳系的第三宇宙速度为167千米/秒。但是，实际上以第三宇宙
速度是无法实现航宇理想的。
我们知道，离太阳最近的恒星是半人马座比邻星，它们之间的距离为42光年，如果以
第三宇宙速度航行，约需要8万年。而要飞出银河系更是不可能，因为离银河系最近的河外
星系是仙女座星系，两者之间的距离为230万光年，以第三宇宙速度飞行需要430多亿年！
怎么办？惟一的办法就是极大地提高速度，让宇宙飞船以接近光速（30万千米/秒）的
速度航行。
怎样提高速度？且不说目前还没有办法让宇宙飞船从地面起飞后很快就达到接近光速的
速度，即使可能也不能采用，因为巨大的加速过载会立即使人“命丧飞船”。其实，宇宙飞
船的结构也不能经受那种加速过载。
解决的办法是让飞船在航程中逐渐加速。那么，用什么能源和动力设备使宇宙飞船加速
呢？热化学能火箭显然不可能，因为它效能低，作用时间短，质量大，要装载能将宇宙飞
船加速到近光速的推进剂，其数量之大是飞船所无法承载的。因此，只能采用效能高，作用
时间长和质量小的能源和动力设备。如核能火箭发动机、太阳能火箭发动机和反物质能火箭
发动机，以及激光帆和微波帆等。
如果能在几年、十几年或几十年时间内将宇宙飞船加速到接近光速的速度，那么，就只
要几年、十几年或几十年的时间就可飞到比邻星近旁了。飞到分别距太阳87、1663和26
3光年的天狼星、牛郎星和织女星，也只不过十几年或几十年时间。当然，飞到仙女座星
系仍需要230多万年。
怎么办？是否能继续提高速度，让宇宙飞船以超光速航行呢？
无法以超光速航行
人们希望宇宙飞船能以超光速航行，以便彻底战胜宇宙的辽阔尺度，实现航宇的理想。
但这个美好的愿望与现实存在着巨大的鸿沟。
是什么现实阻挡了这个美好愿望的实现？
这个现实就是爱因斯坦狭义相对论的一个重要推论：质量与能量等价。一切物质都潜藏着质
量（m）乘以光速（c）平方的能量（e），即著名方程E=mc2。一个静止的物体，它的所有
能量都包含在它的静止质量中；物体一旦运动，就会产生动能，这个动能也会加到质量上去
，运动速度越高，动能越高，物体质量越大。
那么，质能等价是如何不允许宇宙飞船以超光速航行的呢？由于能量与质量等价，物
体运动中所具有的能量，会加到它的质量上去，也就是说，运动会使质量增加。远低于光速
的物质运动，其质量的增加微乎其微，如以10%光速运动的物体，质量只增加05%，这没有
实际意义。但随着运动速度接近光速，其意义就显现出来了，如达到90%的光速时，其质量
增加1倍多。如要保持原来的加速度值，则需要更多的能量。随着速度趋近于光速，质量随
速度的增加而直线上升。到无限接近光速时，质量则趋向无限大。要加速这质量无限大的物
体，则需要无限多的能量。因此，任何物体（当然也包括宇宙飞船）的运动速度，永远不可
能达到光速，更不可能超过光速。只有质量为零的粒子（如光子）才能以光速运动。
当然，有人认为超光速是可能的。只能另作讨论了。
