SpaceX或将很快再发射星舰，星际移民还有多久能实现？

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2023-05-03 10:05

2023年4月20日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的巨型运载火箭“星舰”发射失败，升空后不久发生爆炸。图源：SpaceX webcast

导读：

《华尔街日报》4月28日报道，美国国家航空航天局负责人称SpaceX准备很快再次尝试发射星舰，将在夏初前做好第二次发射的准备。

“星舰”是SpaceX设计的一种完全可重复使用的运输系统，计划将航天员和货物运送到地球轨道、月球、火星等地。此前的4月20日，“星舰”的无人试飞在发射后不久爆炸。

虽然“星舰”试射失败，但无论是SpaceX内部还是外界，都对此次发射任务给予积极评价。SpaceX创始人埃隆·马斯克表示，这是一次令人振奋的试射，“我们为几个月后的下一次试射学到了很多。“

关于探索太空，SpaceX的员工实际上比我们现在看到的更为疯狂，他们不仅正在严肃对待将人类送往火星，还畅想着发展新技术用于宇宙旅行、星际移民。

《赛先生》今日特推荐SpaceX项目经理、美国麻省理工学院航空航天博士安德鲁·雷德（Andrew Rader）的新书《人类的探索》。关于星际移民，本文并没有给出一个真正可行的方案，但是所有的讨论都是基于现实的物理，这让我们看到了人类的局限，也对于超越个体生命的未来充满了期待。

安德鲁·雷德｜撰文

如果以在高速公路上的速度行驶，你需要5000万年才能到达离地球最近的恒星比邻星。但是，假定你可以猛踩油门，把时速提高至38000英里，所需时长会有什么变化呢？在太空中跑得最远的人造物体是旅行者1号，目前正以难以想象的速度飞向太空深处。不过，即使旅行者1号能够瞄准最正确的方向（当然事实上并没有），也难以在75000年之内到达比邻星。人类制造过的最快的物体是帕克太阳探测器，目前正在以越来越快的速度朝着太阳冲刺，最终时速将达到惊人的43万英里，比疾驰的子弹还要快几百倍。即便是这个让人难以置信的速度，也仅仅是光速的0.064%。以这个速度前往比邻星，所需时间也超过6500年。

一道由物理学构成的高墙牢牢地挡在面前，让人类很难在自己的生命周期中前往另一颗恒星。物体的动能和速度的平方成正比，因此如果我们想要达到比帕克太阳探测器还快1000倍的速度—即便不考虑加速和减速过程，也需6年半的时间才能到达比邻星—就需要多100万倍的能量。想要让航天器在50年之内到达另一颗恒星，所需要的能量比全美国一整年消耗掉的能量还多，而且还得想办法把这些能量塞进航天器的油箱。所以，这不仅仅是增加燃料的问题。我们必须承载着这些燃料的全部质量，增加上行时所需的推力，而且不断减少的燃料最终会导致返程时出现致命的螺旋飞行。常规火箭的性能之所以会受到限制，是因为它们通过化学键获取能量，而油箱的燃料容量是有限的。如果想要在一个合理的时长内抵达另一颗恒星，我们必须采取全新的推进形式。

那么，可用的推进形式都有哪些？离子引擎可以利用电场将带电的推进剂粒子提升到极高的速度。许多星际航天器都配备了离子引擎，它们的效率极高，可以实现长时间（通常为数天至数周）的推进工作，同时不会消耗很多燃料。不过离子引擎也有一些缺点。它们的推力非常低（相当于在一张纸上呼吸），还会耗费大量电力，在星际旅行当中仍然会受到资源供给的限制。此外，核热引擎也具有可行性，它可以把推进剂在热核反应堆中加热到极高温度，然后通过火箭喷嘴把这些推进剂以极高的速度喷射出去。核热引擎从未投入实际应用，不过科学家们已经在20世纪50年代至70年代初期之间进行了几次测试，甚至曾计划将其用于成功登月的土星5号火箭的变体身上。

火箭对牛顿第三定律的应用—相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反——从根本上讲和枪支的后坐力没有什么不同，这就像向后划水向前游泳一样。不过太空中没有什么东西可以向后推，所以我们只好以向后喷射推进剂的方式推动火箭前行。化学火箭会喷射出大量的推进剂，产生很大的推力。而离子引擎和核热引擎会以较高的速度喷射较少的推进剂，虽然由此产生的推力较小，但随着时间的推移，其效率会逐渐达到最大化。不过，这两个引擎也会受到油箱尺寸的限制。因此，尽管它们非常适合在太阳系巡游，但并不适用于前往另一颗恒星这样的航天任务。总而言之，现有的火箭没有任何办法携带充足的燃料。

我们能不能彻底抛弃引擎呢？在1610年一封写给伽利略的信中，开普勒提到，一颗彗星的尾巴并没有背离其运动方向，而是背离太阳的方向。这说明太阳会制造某种“神风”，可以帮助人类在虚无的空间中航行。没错，这的确是人类能够加以利用的一个物理现象。即使是没有帆的航天器也能感受到来自太阳光的压力，以至于我们在规划航天器轨道时必须考虑这种效应的影响。可是这种力实在过于微小，一平方英里大小的太阳帆所接收到的光压加在一起还不到一磅。因此我们在制作太阳帆的时候采用了跟头发丝一样细的薄膜材料，使其质量最小化。一个大型的太阳帆能够在几年的时间内将飞行器送往木星。不过，太阳帆必须安全抵达轨道，之后还要通过机械手段展开，这两点已经超出人类目前的技术能力。

理论上来说，我们可以利用金属锂（最轻的固体元素）制造一个超薄太阳帆，其厚度仅有现有太阳帆的10%（一张纸厚度的1/5000）。利用这样的太阳帆，航天器可以在一两年之内抵达冥王星。但是对于星际航行来说，这里存在一个问题：随着航天器朝着太空深处飞去，它接收到的光照量也会迅速变少，甚至连离开太阳系都是一个问题。

既然如此，我们能不能自己创造一个“风”替代太阳？利用一束聚焦于太空深处的激光，即便太阳光消失了，我们也可以让航天器继续前进。这个激光发射装置必须很小，而且需要大量的能量才能聚焦至太空当中。在最理想的情况下，我们可以让一颗非常小的探测器在50年之内到达比邻星，但是这需要我们制造出一张直径62英里的帆布，还需要一个耗能 26000000000000（一共12个0）瓦特的激光发射器，这大约是地球全部发电量的两倍。

目前只有一种技术手段能够在较为合理的时长内把人类送到另一颗恒星，不过乍一听会感到有些古怪。早在20世纪50年代，科学家们就研究了使用核弹推动航天器的可能性。这个项目被称为“猎户座计划”，其原理非常简单：人们乘坐一个经过特殊设计的推进平台，并在身后引爆大量核弹，利用爆炸产生的冲击波前行。这个方案的优点就是加速所需的能量并不来自化学键，而是直接来自核反应，后者释放的能量是前者的几百万倍。而且依靠核动力前行的航天器不会受到设计尺寸的限制，因为更大的航天器能携带更多的核炸弹，抗冲击能力也会更强。根据从事“猎户座计划”的科学家的设想，行星飞船最终将进化为星际飞船，其尺寸将和城市相仿。可惜1963年出台的一项法案，禁止了各国在太空中引爆核武器的念想，这个计划也因此早早夭折。当然还有可能是因为其成本过于夸张，就连阿波罗计划都已经让美国不堪重负，更别提再建造一个城市大小的核动力飞船所需的开销了。不过不管怎么说，这个计划的基本原理是靠谱的，这样一艘核动力飞船能够达到光速的5%，在100年之内就能到达另一颗恒星：这个时间仍不算短，但多多少少也就顶多是人一辈子的时光。当然我们还有一种听上去就危险万分的办法，即向太空发射大量小型高能核武器。虽然这种推进方式在技术上是可行的，但很难想象世界上的政治家们很快就能同意这一设想。

假设我们就是不愿意利用核弹前往其他恒星，那还有其他办法吗？核聚变反应所产生的能量可以达到普通化学反应的几千万倍。理论上来说，核聚变可以持续不断地提供清洁能源，彻底解决地球上所有的能源问题。唯一的问题就在于，我们还没有完全掌握这项技术。至少我们还做不到让反应所产生的能量大于该反应必需的启动能量，这是一项至少需要20年才能实现的技术。不过，如果我们真的掌握了核聚变技术，那我们就可以把它应用到火箭身上。根据反应堆类型的不同，核聚变火箭既可以为高效的离子引擎提供充足的能源，也可以直接把反应堆产生的废料通过火箭尾部排出以驱动火箭前进。总会有一天，核聚变火箭能够载着我们前往另一颗恒星，不过这趟旅程仍然会花上几十年的时光，并且必须携带数千吨的氢燃料：其重量和一艘小型海军军舰相当，足以让当前全球各国完成一整年的发射任务。

既然如此，我们为什么不干脆放弃用随船携带的氢气给核聚变反应堆供能，转而利用沿途收集的氢气呢？尽管太空中没什么东西，但它并不完全是空的。在星际空间当中，平均每立方厘米就会有一颗原子。虽然这个密度比大气密度的1/10还要小，但只要能够造一个大型勺状物，我们就能沿途收集氢原子，把它们用作核聚变反应堆的燃料。1960年，物理学家罗伯特·巴萨德提出了“巴萨德冲压发动机”的概念：利用一个绵延数千米的磁场把飘荡在宇宙中的氢原子收集起来，放到火箭巨大的“胃”里。尽管这项技术从理论上来讲是可行的，但我们不清楚深空之中是否有足够的氢原子维持核聚变反应堆的正常工作，也不知道这个冲压发动机是否能够抵住来自目标恒星的风。总而言之，核聚变火箭的可行性是“很可能行”，而星际核聚变冲压发动机的可行性只是“有可能行”。

反物质能够产生比核聚变反应高1000倍的能量。当反物质和正物质发生反应时，其能量将达到质能转换的极限（爱因斯坦提出的E=mc^2）。虽然听上去很奇怪，不过每个粒子都有与之对应的“反物质”。二者质量相当，但量子数相反。这些幽灵般的反物质会在自然界中偶发性出现，不过持续时间不长。因为只要正物质和反物质一相遇就会立刻发生湮灭反应，释放出猛烈的能量。就像核聚变反应一样，我们也可以利用反物质的能量驱动引擎。但要想让效率最大化，我们就必须找到一种办法，让反应产生的能量从火箭尾部喷射出去以产生推力。由于湮灭反应会以相对论性速度释放出能量，所以火箭速度也可以非常接近光速。这样一来，前往另一颗恒星只需要几年的时间，前提是我们解决了生产、控制、致命的伽马射线等一系列问题。以目前的科技水平，我们只能制造出几颗反物质原子，而且它们刚一问世就会和遇到的任何东西湮灭掉，因为除了它们自己是反物质，环境中全都是正物质。反物质是当前世界中最贵的东西。据NASA估计，生产1克反物质的成本高达60万亿美元，而我们需要的数量可比1克要多得多。

难道就没有办法让我们前往另一颗恒星的速度变得更快吗？以人类目前所掌握的物理定律来说，的确没办法，但是这并不意味着我们永远都无能为力。这个问题涉及一个很棘手的定律，即没有任何物质的速度能够超过光速。但我们可以想办法躲开这个定律，比如让星际飞船保持静止，然后扭曲它周边的空间。这正是《星际迷航》中所采用的办法。虽然小说中的描述很模糊，但这个办法的确和宇宙的一个特性相符合：宇宙的年龄“只有”138亿岁，但它的可见直径却高达930亿光年。这似乎暗示着宇宙的各个部分之间以某种莫名的方式，实现了超越光速的移动速度。实际上，这只意味着空间本身在逐渐扩展，而且不是以某个点为中心向外扩展，而是多个（可能是无限个）不同的位置同时向外扩展（想象一个由葡萄干和面团构成的“星系”。当你烘烤面团的时候，它会逐渐伸展开来，带动着“星系”朝着四面八方扩散）。既然空间可以被扩展和压缩，那我们是不是可以放弃超光速旅行，然后坐进一个气泡中，以压缩前方的空间、扩展身后的空间的方式前行？

1994年，墨西哥物理学家米格尔·阿库别瑞提出，我们可以生成一个能量密度比真空还要低的空间来创造一个“曲速泡”飞船。理论上来说，这确实可行，不过要依赖大量的负能量或者负物质，而这些东西可能根本不存在。除此之外，这一设想还面临着更多的难题，比如由于信息无法穿越气泡壁，我们无法操纵飞船，也无法让飞船停下，而且黑洞辐射会消灭飞船内的所有东西。就连提出这个设想的米格尔·阿库别瑞本人，现在也觉得该方案根本不可行。尽管我们无法断言这些难题是不可克服的，但就算有一天我们在实验室当中创造出了“曲速泡”，这离最终可以实际运行的太空运输系统仍然相去甚远。因此，目前“曲速引擎”只能被归在“可能会在某一天实现，也可能永远都不会实现”的类别当中。

把速度提高至星际航行所需的数字需要多长时间？如果我们能够维持一个和地球引力（1G）一样大的恒定加速度，那么大约一年（354天）后就可以达到光速。不过这种加速度实在太温和了，连火箭发射时的加速度的1/5都不到。不过，如果这个加速度真的能维持很长一段时间，那么星际航行将变成现实。我们的银河系非常广阔，它由4000亿颗分布于10万光年的空间中的恒星组成。不过，就算我们永远也达不到光速，人类最终也能穿越整个银河系。以光速5%的速度前行，我们可以在200万年之内踏遍整个银河系：一段漫长的时光，但并不比人类存在的时间长多少。以人类至今能够达到的最快速度前行，我们可以在几亿年内穿越整个银河系：这还不到地球年龄的10%，只是比哺乳动物在地球上居住的时间稍长一些。但从人类寿命的角度来看，这仍是一段很长的时间。

即便航行速度离光速还很远，星际旅行当中也存在很多问题。随着星舰加速至极速（对应着较高的能级），就算是一个小小的原子也会对星舰构成致命威胁。没错，哪怕是每秒几英里的轨道速度，那些小碎片也能撕裂金属板（国际空间站的窗户上划痕累累，是因为小颗粒划伤了玻璃。有时宇航员会报告说听到了“噼噼啪啪”的声音，是因为像子弹一样的碎片击穿了太阳能电池板）。因此，为了实现相对论性速度的航行，我们需要想办法避开星际中那些零零散散的原子。比如，我们可以使用某种激光电离那些原子，然后用一个磁场屏蔽掉它们，或者用“巴萨德冲压发动机”方案中提到的方法改变这些原子的航向。星际航行的另一个问题是，人类定居其他星球之后和母星的交流将变得异常困难，因为无线电信号的衰减和距离的平方成正比。我们必须建立一座200英尺宽的无线电天线（这属于NASA“深空网络”工程的一部分），才能和刚刚飞过冥王星的“新地平线号探测器”进行通信。比邻星比这个探测器还要远几千倍，这意味着无线电信号会衰减几百万倍。为了应对严重的信号丢失，我们可以利用超高功率的激光通信，或者干脆把信息放进存储设备中，再用小型航天器送回来，但是这样传输信息需要好几年的时间，而且还得沿着原路把回信寄过去。

前往另一颗恒星需要许多年，甚至可能是上百年。这期间我们如何保证宇航员的存活呢？一个可行的办法是发射一艘“世代飞船”，最终只有出发者的曾孙或曾孙女能够活着抵达目的地。为此，我们需要建造一艘巨大的星际飞船，或者干脆利用星际彗星搭个顺风车，沿途利用彗星上的各种资源建造建筑，维持生命，最终让彗星把我们派出去的殖民小队带到其他恒星上。或者，我们也可以在飘浮于恒星之间的那些“流浪行星”上面建造大量驿站。宇宙中流浪行星的数量可能是普通行星的很多倍（仅银河系中就有数十亿颗），不过我们很难找到它们。目前为止，人类只发现了二十几颗流浪行星（其中有几颗属于高度疑似）。尽管这些流浪行星离任何像太阳一样的恒星都很遥远，但其中仍有一些拥有和木星卫星相似的卫星。这些卫星可以从主星提供的潮汐力中获取热量，以供生命所需。就像在恒星之间穿梭的流浪彗星一样，流浪行星可以充当加油站的角色，也可以被开发成一艘天然的星舰，为星际旅行提供各种资源。其实“世代旅行”的概念古来有之：那些从非洲出发、最终定居于北美的人类祖先历经几千代人的繁衍，一共花了大概5万年才完成这次大迁徙。

也许，我们可以把宇航员“冻存”起来？对于水熊虫、某些昆虫、某些品种的乌龟、青蛙等生物来说，它们被冷冻后可以再次苏醒。目前尚不清楚人类是否拥有这种能力，但仍有数百人选择在死后把“尸体”冷冻起来，期待有一天人类掌握了新技术可以让他们安全解冻（大概是在找到一种能够保证他们不会死亡的治疗方案之后）。还有一种比“冻存”更为简单的方法，那就是让宇航员“休眠”。这种办法需要降低宇航员的体温，将新陈代谢降低至和昏迷类似的水平，然后由机器监测生命状态，利用静脉注射补充身体所需营养。许多哺乳动物和鸟类都会采取类似的手段熬过冬天，而且医院也会用“低温疗法”将心脏骤停患者的寿命延长几小时或几天。除此之外，我们还有一种替代方案—“冻存”胚胎，在到达目的地后由机器人监护、抚养。我们可以大胆设想：如果能够把这种冷冻技术和核聚变火箭（或者反物质火箭）技术结合起来，那么在21世纪结束之前，我们就有希望成功开启前往另一颗恒星的旅程。

如果人类想要长久地生存下去，那就不得不想办法移民到另一颗星球上。不过，在我们对物理学的研究没有重大突破的情况下，星际航行将一直面临耗时过长的难题。我们不太可能像《星际迷航》或《星球大战》中那样，直接从一颗星跳到另外一颗星，相反我们更有可能会派遣大量的星际殖民战舰，踏上一段史诗般一去不复返的深空之旅。与此同时，我们已经开始寻找太空着陆点的相关工作，并不断利用天文望远镜搜寻其他恒星身旁的行星。不久以后，我们将会向太空中发射大量机器人探测器，让人类可以虚拟体验太空飞行。想象一下，未来我们可以利用万亿英里之外的机器人探测器发回来的数据，完美地建立一个虚拟星系，以供人类体验各种太空模拟旅行。尽管这个设想非常诱人，但我怀疑人类不会永远满足于此。总有一天，一群先驱会大胆地离开太阳温暖的怀抱，因为人类体内永远跳动着一颗不安分的心。