超光速和宇宙航行

2004年宋健院士论述了超光速对未来人类宇宙航行的意义，他谈到：按钱学森先生的建议，在太阳系以内飞行叫“航天”，到太阳系以外的银河系是 “宇航”。若干年后，将会有第一批宇航员飞出太阳系并安全返回，那将是一个新的宇航时代的开始。可以预想，一旦人们更大地开阔了眼界，在太阳系以外会发现比过去更多的未知现象，从而进一步丰富我们的科学知识，审视和改进已经掌握了的科学定律，使人类科学技术事业迈进一个新的时代。

对大自然的探幽析微不能没有人的直接参与，机械和仪表不能完全代替人的智慧。20世纪60～70年代的载人和无人探月收获的悬殊差别就是佐证。

飞出太阳系是人类伟大的理想。要实现太外飞行有四大理论和技术问题要一步一步解决。它们是：①精察太阳附近的天体分布，绘出实用的宇图；②设计喷气速度接近光速的火箭发动机；③建造和实验长期宇航的生命保障系统；④克服光障。对这些问题科学界已开始研究和开展前期工作。

宋健院士指出：从技术科学角度来看，爱因斯坦在1905年论文中的推测：“不可能存在超光速运动”，是对命题范围以外的想象：如果光线没有回波，那就是不存在。这个推测，当时还无法在物理实验中加以检验，只能诉诸以后的实践。所以，今天很多理论物理学家们认为 “狭义相对论并不能排除超光速运动的存在”。在没有经过实验直接获得证据以前，不应当把它当作一条科学定律来引用。

近40年来航天技术的实践和测量技术的进步，情况与20世纪初有了很大变化。过去是以地面观察为主，飞行器上的设施配合地面观察，这符合狭义相对论的技术定义。现在的导弹、卫星和飞船已能独立自主飞行，带有全套的计时、定向、定位、遥测、通讯能力，装备有原子钟、惯性导航仪表、光学天文导航和雷达设备，地面观测变为辅助性的。至少在理论上，它无需靠地面观测来飞行。航天和技术科学的进步提供了新的角度和可能性去考查检验相对论及其推论的意义。

相对论出现后的100多年来，直到今天仍有很多物理学家以各种方式对它的推论进行讨论和检验。各国航天界正在进行大规模的飞行实验来检验某些推论的正确性。科学史表明，一种科学概念和假说从来不会是一开始就完美无缺，总需要后人去继承、修正和发展，这是科学技术得以持续进步的必由之路。

电磁波传播速度的有限性也限制了超光速双向宇航通讯的可能性，地面站用电磁波无法向以接近或超过光速c运动的飞船发出指令或建议。航天技术呼唤实验物理学家们寻找传播速度大于c的信号源。只要能找到这种新的信号源，以光速或超光速作宇宙航行的可能性就会大为增长。物理学中现存的很多关于因果律的争论、各种佯谬都可以迎刃而解。

宇航的光障问题使人回想起20世纪航空工程中出现过的关于声障问题的经历。超音速飞机出现以前，很多人曾设想，当飞机速度接近声速时，在空气中以常速传播的声波会聚集在前面成为密度很大的激波，飞机无法穿过。硬要穿过，要么机毁人亡，要么失稳失控。

对于靠声波认识世界的某些生物如蝙蝠、白鳍豚等，声速是不能超过的。但是，航空科学家和工程师们为攻克音障而投入了战斗，经过数十年的理论分析和风洞实验，人们彻底弄清了激波的物理性质和结构。当飞机速度接近声速时，前面的激波是流体方程的一个不连续解，形成很薄的一层高温高压气体，那里的压力（P）和温度（T）的升高大约正比于马赫数的平方。弄清了这些问题以后，航空界立即开始设计建造超音速飞机。在人类第一次实现空中飞行的44年后，美国空军于1947年10月14日实现了首次超音速飞行。第二年，苏联的La-176飞机也超过了音速。从此，新的超音速军用飞机如雨后春笋，又有了协和号客机于1969年首飞，以2倍音速商业飞行了24年（1979～2003）。

关于光障问题是否也会有类似的前景？人们拭目以待。