涂润生 （torunshine@163.com）　2008.10.06 18:47:07

航天器的速度能否突破光障？→ *

涂润生

（湖北省黄冈市产品质量监督检验所，黄冈438000）

曲元春

（贵阳市白云区尖山路15号，3单元1号，贵阳550014）

摘要：无论是在相对论的理论框架之内还是之外，都可以用简单的例子说明航天器的速度障碍是加速时所带燃料的多少而不是“光障”，一旦具有能量密度足够大且足够多的燃料，航天器的速度可以突破光速。根据物质和能量的循环原理可知，在开放体系中完成的时间顺流过程不可能在一个封闭的体系中连续地逆转。洛伦兹变换的局限性被明显地揭示出来了。

关键词：航天器；光障；超光速；星际旅行；相对论

中图分类号：P14; O413.1

我国的“神州六号飞船”的试验成功，再次让我们想到了超光速飞行的问题。以前有不少人根据相对论得出了“宇宙飞船的速度不能超过光速”的结论。可是，那只是简单分析的结果（或者是错误地划定相对论或洛伦兹变换的适用范围得到的结论）。即使是在相对论的理论框架之内，经过仔细地分析也可以得到“只要将能量密度低的化学燃料换为能量密度特别高的反物质燃料就可望突破光障”的结论。爱因斯坦的“不可能存在任何大于光速的运动”的结论是将狭义相对论的适用范围无限扩大（或总是作牵强附会式分析）导致的。若狭义相对论只能适用于描述低于光速的运动，则超光速运动就只能由其他理论来描述。采用“加速度的Lorentz变换”的方式，或者考虑到随着飞船速度的增加，飞船内的燃料、飞船的尾气和飞船主体三者的质量以相同的速率增加，当飞船主体的质量趋于无穷大时，飞船受到的推力也趋于无穷大。在这几种情况下，飞船的加速过程就不会有“光障”的限制。飞船中的观察者只能观察到因燃料耗尽而中止加速的现象，而绝对不会观察到因“光障”而中止加速的现象。如果在地球上认为飞船只能因“光障”而中止加速，那么，同一艘飞船就有两个不同的中止加速的时刻——燃料耗尽的时刻和达到光速的时刻。当这两个时刻不一致时，相对论不能作出选择。再举一个例子，时间顺流时人是“吃饭拉屎”，当时间倒流时，就应该是“吃”屎“拉”饭。就像电影胶片倒带一样。在超光速飞船中的人以前拉的屎不知在何处，所以，绝对完不成“吃”屎“拉”饭的过程。

宋健院士在第242次香山会议上宣读了题为《航天、宇航和光障》的科学报告。其中指出，整整100年前，爱因斯坦在他发表的那篇震惊世界科学界的关于狭义相对论的论文中，曾经提出过一句名言：“不可能存在任何大于光速的运动。”当今的科学界将此称为“光障”。然而，这个“外推”至今并没有任何直接试验的证明。近年来航天技术的发展，已经促使科学家们细察和反思：为什么飞船不能超过光速呢？目前飞船的最高速度为每秒16公里，即使再提高两个数量级，达到每秒3000公里，往返离太阳系最近的另一个类似太阳的半人马座比邻星，起码需要400年！宋健等航天科学家们心里清楚，飞船速度必须接近或超过每秒30万公里的光速，人类才有可能在3至5年内完成这段4.2光年的宇宙往返旅程，否则就永远只能在太阳附近打转转。实现星际旅游是人类的高级飞天梦想。要实现这个梦想只有突破光障。

0.5克物质与0.5克反物质相遇而湮灭所释放出的能量是同样重的氢气燃烧所释放出的化学能的10⁹倍（1克氢气燃烧所放出的化学能约为10⁵焦，而0.5克氢气与0.5克反物质湮灭所释放出的能量为10¹⁴焦）。就是说，将现在利用的化学燃料换成反物质燃料，推进和加速的功效可以提高10⁹倍，携带与“神六”同样重的反物质燃料可以使加速过程维持10⁸小时。“神六”的平均加速度值为（7.8公里/秒）/0.5小时=15.6公里/分钟² 。30万公里是15.6公里的19231倍，就是说，经过19231小时的加速，飞船可以达到光速。19231小时是801天，约两年另72天。同样大小的加速过程还可以维持10⁵天。飞船最终可以达到2倍于光的速度。宇航员的生活垃圾也可以作为与反物质湮灭的燃料（此举与“生活用水再生”举措一起可以避免携带的物质过重的问题），随着飞船重量的减轻，加速度还可以增大。所以，只要宇航员能承受更大的加速度，飞船达到和超过光速的时间还可以大大缩短（例如3～4个月）。

制造一个95%的重量是燃料的足够大的飞船（取名“星际1号”）。燃料中一部分是反物质，一部分是普通物质，正反物质燃料的总质量与神六携带的燃料的总质量相当。让飞船以25.6 km/min²的加速度加速飞行 。当它接近光速时以“正反物质湮没产生的热使物质气化，气化物从尾部喷出产生推力”的方式加速。根据相对论的计算可知：当飞船的速度接近光速时，飞船质量、燃料质量和喷出物质量以相同的速率变得很大，飞船获得的反冲动量也同时变得很大。从F = ma的加速度定律可以看出，当质量m和力F同时趋于无穷大时，加速度a可以是一个非零常数。这就告诉我们，只要飞船的质量和喷出物的质量以几乎相同的速率接近无穷大，即使飞船非常接近光速，它仍然可以继续加速，最终必然会达到和超过光速，直至燃料枯竭。照上面设定的加速度计算，经过11719小时（即488天）的加速，飞船可以达到光速，继续加速可以超过光速。即使飞船的速度达到了光速，飞船的质量为无穷大，飞船上的宇航员根据动量守恒定律仍然可认定飞船能被继续加速，直至燃料耗荆客观的加速度不可能被Lorentz变换消除，只能被广义坐标变换变换为引力常所以宇宙飞船系中的加速度不能被地球系中的观察者否认。就是说，相对论设置的光障，根据相对论的理论计算又可以被突破。根据相对论可知，当一个实物体的速度达到光速时，该实物体的质量就是无穷大。如果人工可以制造无穷大的质量（即超级黑洞）就是以有限的燃料实现了无限的质量，这不符合能量守恒定律和相对论推崇的质-能相当性。如果说，惯性质量与引力质量不相等，又破坏了广义相对论的基石之一——“等效原理”。如果说相对论只是近似成立，而质量与速度有关、时间与速度有关都是实事，那么，这两种关系中的系数在精确意义上就不可能是Lorentz变换或闵可夫斯基（Micowski）四度空间描述的。以上分析表明，很有可能不是超光速不能达到，而是人们将超光速解释成了非超光速。超光速的事实很有可能是被洛伦兹变换和既定思想观念消灭的。

现在我们在相对论的理论框架之内讨论“星际1号”飞船的加速情况。根据前面的分析可知，如果“星际1号”采用25.6 km/min²加速度，“星际1号”中的宇航员根据能量守恒定律、动量定律和感受到加速度产生的压力可以推知，在加速了11719小时（约488天）达到（或超过）了光速之后，反物质燃料还剩大半，只要不熄火，飞船的加速过程就不会停下来。在“不将一个加速过程变换为引力潮的前提下，一个加速度经过Lorentz变换之后仍然是一个加速度，利用Lorentz变换将 “与在起飞后过了11719小时的时刻的‘星际1号’飞船相联系”的惯性系中的加速过程变换到地球系之中，地球系中的观察者同样相信：在飞船起飞后的11719小时左右的一段时间内，“星际1号”飞船仍然是在加速飞行；“星际1号”的加速过程只能被燃料的枯竭中止，而不能被“光障”中止。可见，在相对论的框架之内，除了“考虑到飞船内的燃料、飞船的尾气和飞船主体三者的质量以相同的速率增加”之外，选择“加速度的Lorentz变换”的方式也可以得到光速可以突破的结论。

假定相对论是正确的，“神六”5天的飞行，宇航员的表比地面上的钟要慢多少呢？已知：飞船的速度为7.8公里/秒，约2.6×10^-5c，飞船的飞行时间为5×24×60×60=432000秒。t[1—]=432000[1—]≈0.00015秒。假定飞船速度为0.5c时，宇航员的生命进程减慢到静止时的≈ 0.866倍。当飞船的速度为0.866c时，宇航员的生命进程减慢到静止时的一半。当飞船的速度为0.99c时，宇航员的生命进程减慢到静止时的0.14倍，地球上过了801天，宇航员只过了112天（约4个月）。

当飞船的速度大于或等于光速时，相对论不能计算钟慢效应，我们必须另想它法。根据质能相当定律、力的定义和动量的定义可以得到时间延缓的公式为t₀=t exp(υ²/2c²) ^[1]（在速度小于0.5c时，该公式的计算结果与相对论的计算结果一致）。根据这个公式计算，当飞船的速度为光速时，航天员的生命进程延缓至静止时0.6倍。当飞船的速度达到了两倍的光速时，宇航员的生命进程延缓至静止时的0.135倍。飞到离太阳系4.2 光年的半人马星座只需要两年，而宇航员在飞船中只过了284天。可大大减少宇航员生活必需品的数量，使星际旅行在理论上可行。作者之一在文[1]和文[2]中描述的绝对静止系存在的理由与本文的结论相互呼应。

以上分析表明，使飞船超过光速只有技术上的困难而没有理论上的障碍。在超过光速的条件下，Lorentz变换出现虚数并不能阻止实际的加速过程。即使相对论在超过光速的范围内也适用，也不会妨碍上面所述的加速过程不受光障影响地延续。相对论的等效原理认为不同系统是等价的，那么，在飞船上观察，根据动量守恒定律可知，只有燃料的枯竭才能中止加速过程（用相对论的话说是地球相对于飞船的加速过程），当相对速度接近光速的时候，地球相对于飞船的加速过程仍然继续，地球相对于飞船的速度就必然可以达到和超过光速。前面已经提到，当F和m同时趋于无穷大时，不能肯定F=ma中的a为无穷校在地球上观察，人们切实地感觉到了飞船在加速，当飞船的速度非常接近光速时，飞船的质量和燃料的质量同时（且以相同的速率）接近无穷大，飞船获得的反冲动量也为无穷大，飞船可以继续加速，最终必然会达到和超过光速。一方面根据相对论的Lorentz变换说一个实物体不能超过光速，一方面在相对论的框架内推测，又可以说一个实物体能达到和超过光速。这表明相对论存在矛盾。下面的分析还能表明，认为超过光速的体系中的时间倒流也是不正确的。

当上面所说的飞船达到了2倍的光速时，继续维持一段时间。利用回避虚数的Lorentz变换计算可知，时间逆流可以很快使宇航员回到刚出生时的状态，进一步地航行就可以回到出世前的状态。可是，宇航员的父母并没有与宇航员一起飞天，所以，宇航员不可能再回到他母亲肚子里，更不能回到受精前的精子和卵子状态。如果时间倒流，那么人体内在时间顺流时的生物化学反应（或新陈代谢过程）都必须逆向进行，这个过程由于反应物（或代谢产物）的丢失而不能完成。物别是与“吃饭拉屎”的正常生活过程相反的过程——“吃”屎“拉”饭——排泄物从肛门和毛孔进入体内而食物从口腔中流出的过程不能完成。“祖孙怪圈”（孙子回到过去而将未婚的祖父杀死，孙子怎么得来？）的设计和诠释都不能说明相对论是否正确。作超光速飞行时，只有宇航员返回过去而不是整过宇宙返回过去，所以返回过去的宇航员绝对不会见到他的未婚祖父。大的开放体系中的一个过程不可能在一个小的封闭的体系中逆转。显而易见，超光速时空中时间倒流的结论站不住脚。当时间顺流时，加速过程中的飞船中的燃料在不断减少，当时间倒流时，飞船中的燃料会不断增加。如果认为超光速的体系中时间倒流，那么就会出现“飞船在不断喷出气体时飞船的总质量不断增加”和“在同一时刻，地球上的观察者看到飞船因时间逆转而‘吸’气，但宇航员看到飞船喷气”的怪事。所以，在超光速的状态下，时间倒流的情况是不会出现的。除非时间倒流的过程是瞬时而不连续的。但是，根据Lorentz变换计算出的有限时间变化都是连续且可积累的。关于时间倒流，科学家应从科幻作家的误导下解放出来（科幻作家千篇一律地认为回到过去是瞬时的，只考虑时间倒流的结果而不考虑时间倒流的过程，且错误地认为过去的存在永远存在）。

综上所述，要实现星际超光速飞行的梦想，只剩下制造反物质这样一种技术困难了。在现阶段，人们已经可以制造出反物质原子和分子，只是不能大量生产反物质。一旦能够大量生产反物质，星际旅游的梦想就可以实现。

参考文献

[1] 涂润生. 地道的相对绝对论[J]，宁夏工学院学报，1997，9（3）:115～120.

[2] 涂润生，涂小红. 谁也没拖动的东西的运动路径一定是绝对静止的[J]. 大学时代（C版），2006，（7）：89，91

→ * 原载《科教文汇》2006年第5期和《发明与创新》2006年第11期。对于以内力推动的航天器，燃料质量与机体质量同步增减，不存在推力相对太小而被加速物体的质量对太大的问题。只有燃料耗尽之时才是停止加速的时刻，与相对论预言的达到光速时的停止加速时刻不一定一致。如果在达到光速时燃料未耗尽，航天器可继续加速从而突破光障。如果光速可以突破，相对论就没有办法挽救。

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