探索者的盛世——星际遨游指南

# 第一期：探索不息 2017-06-20 15:36 来源：华夏地理

漫游星际听起来像是痴人说梦，而人类有朝一日能够痴狂到将妄想变为现实吗？

22世纪之梦：以核聚变为动力的无人探测器从地球出发，以1.6亿公里的时速飞行几十年后，到达另一个恒星系统进行探索。

数千名地球移民生活在“五月花”号星际飞船上，进行世世代代的旅行。飞船有自己的生态系统，旋转的圆柱形船身产生人工重力。巨大的舷窗外隐现出另一艘飞船。

美国亚拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心停车场边上，矗立着一个时代的遗物，在那个时代里，人类看似未来必将成为一个遨游太空的物种，这一前景就如卡纳维拉尔角上空升起的火箭一样历历在目、宏伟光明。

“这可不是模型，”我与美国国家航空航天局（NASA）物理学家莱斯· 约翰逊一起凝视这座由管道、喷管和防护壳拼凑成的10米高器械，他说道，“ 这是个如假包换的核能火箭发动机。”曾几何时，NASA提议用两艘宇宙飞船将12名宇航员送上火星，每艘飞船都用三台此种发动机推进。马歇尔太空飞行中心负责人韦恩赫尔·冯·布劳恩于1969年提出这项计划，而此前两周他的土星5号运载火箭刚刚将首批宇航员运至月球。核能发动机已在地面完成各项测试，只等升空。

但登陆火星的计划却没能实现。三十年后，六月里一个空气湿润的早晨，约翰逊满怀憧憬地望着我们面前这台18吨重的仪器。莱斯·约翰逊目前是一个评估小组的组长，该小组负责对空间科技“先进理念”的可行性进行评估，而NERVA（火箭飞行器用核发动机）可能正符合这一标准。“如果我们打算把人类送上火星，就应该重新把这种机器列入考虑范围。”约翰逊说，“这种火箭发动机所需推进剂仅是常规火箭的一半。”NASA目前正在设计一种用来取代土星5号的常规火箭，但具体的飞行目的地尚未确定。火星5号于1973年最后一次载人登月之旅后不久退役，NERVA计划也于1973年终结，连飞行测试都没进行。在那以后的整个航天飞机时代里，人类再没有到达过离地球600公里以外的地方。

这一切可能让我和约翰逊那天早上讨论的问题（人类有朝一日能够实现星际旅行吗？）听起来有点不切实际。

为什么这种想法在半个世纪以前看起来却更加合理呢？“当然我们那时候是有些疯狂。”普林斯顿高等研究院物理学家弗里曼·戴森说道。20世纪50年代晚期，戴森为猎户座计划效力，该计划的目标是建造一艘载人航天器，前往火星以及土星的卫星。NERVA的工作原理是用核反应堆将液氢加热后经喷管向后喷出，而猎户座太空船则不同，它在飞行过程中每0.25秒左右会向后投掷一枚小型核弹，从而踩着火球前进。“这一计划在当时充满巨大风险，”曾计划亲自上土星的戴森说道，“而我们做好了心理准备。那时候的气氛与现在完全不同，大家都认同无风险的历险是不存在的。”猎户座计划终结之后几年，戴森在《今日物理》期刊中概述了核弹驱动的宇宙飞船进行星际旅行的原理。

而在当今，概述我们永远不会进行星际旅行的原因要更加容易：路途太远、资金不足。相比之下，有可能实现这一目标的原因则不那么有说服力，但它们正逐渐增强：天文学家在很多附近恒星周围发现了行星，用不了多久一定能找到一个像地球一样可以孕育生命的星体，那一刻起，他们便可以找到具有足够吸引力的目的地。同时，我们现在的科技水平也比20世纪60年代高出许多。那天早上，在莱斯·约翰逊的办公室里，他递给我一团像是蜘蛛丝一样的东西，实际上是制作大型光帆的碳纤维材料样本——这种光帆借助太阳光或者激光束的能量，可能将探测器运至比冥王星更远的地方。“别小看了它，”约翰逊说，“这种材料或许真的可以将我们送至遥远星际。”

若想实现星际遨游，我们需要许多新物质和发动机，但同时也需要一些来自旧时代的遐思，这些东西还没有消逝，实际上，2011年最后一艘航天飞机加入土星5号的行列退役成为博物馆展品后，更是给世人留下无尽的想象空间。如今在一些满怀梦想的科学迷的对话中，可以听出旧时代那种向往之情和冒险精神，那种对太空的古老狂想。

去年春天，总部设在洛杉矶附近的太空探索技术公司用自己的火箭将无人太空舱发送至国际空间站。太空探索技术公司正与另外几家公司展开竞争，希望把自己的太空舱用作空间站的供给船。在此之前一个月，一家名叫“行星资源”的公司宣布了要用无人航天器前往小行星开发贵金属的计划。该公司是由数位亿万富翁投资支持的，其中包括谷歌的拉里·佩奇和埃里克·施密特。行星资源公司与以太空旅游为主业的维珍银河公司合作，希望在未来的一到两年内能够将一台轻型望远镜送入近地轨道。“我们希望在2020年之前能够将初始目标确定下来，并开始勘察工作。”该公司创始人之一彼得·迪亚曼迪斯说。

“将来我们回首这十年时，会将它看作商业化太空时代的开端。”NASA首席技术专家梅森·佩克说，“大大小小的公司都在寻求将太空市场化的途径。我们现在看到的这种动力一一抱着商业目的探索太空的冲劲一一是以前从来没见到过的。”

长期以来，经济因素一直是地球上探索行为的推动力。中世纪商人不顾丝绸之路限险，一路跋涉到达中国的市场；15世纪的葡萄牙商船航行至未知世界，寻找的不是知识，而是黄金和香料。“从古至今，开拓新疆界的推动力一直都是为了找寻资源，”迪亚曼迪斯说，“与经济利益相比，科学与求知精神这些动力都显得太弱。要想真正开拓新空间，唯一的方法就是创造一个经济动力源，而这个动力源就是资源开发。”

迪亚曼迪斯与合伙创始人埃里克·安德森瞄准的一种资源是铂，这种金属在地球上十分稀有，如今价格已卖到大约每克55美元。将机器人送至距地球百万公里甚至更远的地方，让它们在小行星上接近零重力的环境下提取矿石并进行精炼，或者将某个小行星拉到离地球更近的地方，完成这些行为所需要的科技如今尚不存在。“我们很有可能会失败。”安德森说，“但我们相信，对星际探索进行尝试，让人们开始从不同的角度看待它，这是非常重要的。当然了，谁不想赚一大笔钱呢。”

41岁的埃隆·马斯克是PayPal特斯拉汽车公司和太空探索技术公司的创始人，他已经浄子一大笔钱，目前正将这笔钱中相当可观的一部分拿出来投资到自己的空间项目中去。他说，太空探索技术公司正在研发的“重型措鹰”运载火箭的载重量将达到航天飞机的两倍，并且只要大约五分之一的价钱。他的目标是研发出首批可全部循环使用的火箭，从而进一步降低发射成本。“要想实现这一目标非常困难，大多数人认为不可能，但我不这么看。”马斯克说，“如果飞机每飞一次就报废，就没有人会坐飞机了。”

对于马斯克来说，这一切为的都是实现一项更宏伟的计划：在火星上建立永久的人类定居点。NASA多次向火星发射无人探测器，取得了巨大成功，最近的一次是好奇号，但是他们反复将使用载人探测器探索火星行动的日期向后推。马斯克认为太空探索技术公司可在二十年内将宇航员送上火星——并在之后的几十年持续不断地向火星输送宇航员。

“我们需要的并不是一次小规模的火星探测行动，”他说，“最终的目的是要将数百万人、数百万吨的装备运上火星，在那里创建一个可以自给自足的文明社会。这将是人类历史上最艰难的任务，而且究竟能否实现如今也完全没有把握。

“我要强调一下，我们并不是在逃离地球，而是在创造一种多星球的生活方式，我们要开拓世界、探索星际。”

1976年为对太阳进行探测而发射的太阳神2号是迄今为飞行速度最快的航天器一一最高时速可达25.3万公里。按照这一速度，一架航天器若想到达离我们最近的恒星一一比邻星(距地球约4光年)，也得1.7万年的时间，而1.7万年前人类还处于山顶洞人时代。这些无法回避的事实让某些推崇航天事业的中坚分子也不甚乐观地推断，载人星际旅行将永远停留在科幻小说的国度里。“如果去不了火星，其他的更别想。”航天工程师路易斯·弗里德曼说道，他同时也是空间探索倡导团体——行星学会的创始人之一。

而有些科学家则认为，银河系这么大，如果我们将自己的眼界永远限制在两个小小的星球之内，也未免太令人沮丧了。“如果我们从现在开始行动，我相信我们能在百年以内实现某种形式的星际探索。”安德烈亚斯·奇奥拉斯说。奇奥拉斯是一名物理学家，曾在NASA担任研究员，现在伊卡鲁斯星际航行协会任领导，这个非营利组织的目标和宗旨是:“在2100年之前实现星际旅行。”

奇奥拉斯认为我们可以研发一种以核聚变为动力的星舰发动机。当质量小的原子，比如氢原子，发生原子核互相聚合作用，便会释放出巨大的能量一一比诸如铀等质量较大的原子核裂变释放出的能量要大得多，核电站和年事已高的NERVA使用的便是核裂变动力源。目前物理学家们已经建立起核聚变反应堆，但是还没找到使聚变所产生能量大于所消耗能量的方法。“我对我们的聪明才智有信心。”奇奥拉斯说。他指出，从发现亚原子粒子到打造出NERMA，中间只花了七十年的时间，他相信，到2100年，我们应该可以造出一台核聚变动力引擎，以最高可达光速的15%到20%的速度将飞船送入太空。

如此一来，这艘飞船在几十年内就可到达最近的恒星一一如果其机械寿命能维持那么久的话。“航天器稳定运作的时间上限大约是二十年。”菜斯·约翰逊说。NASA曾要求约翰逊评估一项时长为20年的计划，其目标不是某颗恒星，而是星际空间的边缘一名叫太阳风层顶的区域，比冥王星离地球的距离远几倍，是太阳风遭遇到星际介质而停滞的边界。“当时的想法是，别一张口就开始讨论怎么前往最近的恒星，”约翰逊说，“有超过4光年那么远呢，简直耸人听闻，无法想象。”约翰逊的任务是制定出一个现实可行的计划，用的是即便现在没有也起码即将诞生的技术——踏出迈向群星的一小步。

现在，核聚变动力引擎离诞生还很远，像NERVA那样的核发动机成本又太高，化学燃料火箭或许可以到达太阳风层顶，但携帯的燃料永远不可能将其在合理时间内送至某颗恒星。(旅行者号探测器如果方向正确，可能在74万年内到达比邻星。)最终，约翰逊的团队决定使用最新颖大胆的技术——太阳帆。太阳光与其他光源一样，由名叫光子的粒子构成，而光子可对其接触到的物体产生压力。由于地球离太阳太远，接受到的压力仅相当于将3克的重量平铺在一个足球场上。但是一张庞大、单薄的反光材料，在广阔太空中铺展开来，可以感受到这微薄之力并慢慢加速。

NASA于2010年释放子一张9平方米大的光帆，这张光帆在近地轨道中停留了几个月。NASA还计划于2014年放飞一张面积一千多平方米、重量只有30公斤的帆，该帆名为“太阳帆船”。帆角上装有可移动翼板，以便地面人员对其进行操控。这张帆将在为期一年的时间里迎着太阳飞过三百万公里的旅程。而若想到达260亿公里外的太阳风层顶，就需要打造一张直径450米的碟状光帆。航行一到两年之后，其时速可超过15万公里。

而比邻星比这距离还要远1500倍。“要想飞到另一个恒星，”约翰逊说，“我们需要一张面积相当于亚拉巴马州和密西西比州加起来那么大的帆。我们现在还不知道该怎么打造这样的一张帆。”另外，仅仅依靠日光是无法在人类一辈子甚至好多辈子的时间里将光帆带到恒星的，我们还需要能量强大的来自太空的激光。“如果将全人类的能量注入卫星上的激光源，”约翰逊说，“那么可以在几十年的时间里到达比邻星。而这里指的卫星是只有约翰逊的办公桌那么大的无人航天器。

那么需要全天候维持生命补给的人类怎么办？约翰逊两手一摊。“当你开始考虑为人类提供补给的问题，”他说，“还有为了搭载人类飞船得造多大、蓄有多少能量，那么你就进入了科幻小说的范畴。”

若想造出星际飞船，首先得打造出一个将科幻变为现实的未来，而要想完成这一使命，远远不止造火箭那么简単。我们的任务并不是马上就设计出一艘星际飞船，而是一步步地建设人类文明，以待终有一天，这文明中会孕育出一艘星际飞船。从这个更高远的视角去看，这一切似乎就没那么不可能了。但实现这一计划的过程可能是100年，也可能是500年，关键要看人类到底有多疯狂。约翰逊恐怕没有那么疯。

“我不晓得这世界500年后会是什么样子他说，'如果我们拥有核聚变反应堆，并在太空放置了可向下发射能量的太阳能板，同时对月球进行开发并在近地轨道建有工业基地——或许这样的一个文明可以实现我们的目标。人类文明首先要主扩张到整个太阳系，之后才有资格考虑星际旅行的问题。”