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太空旅行狂想曲
本文所说的太空旅行并非是指太阳系各行星之间的旅行，而是到太阳系以外的行星（即非太阳的其他恒星的行星）上旅行。为什么要进行太空旅行呢？这是讨论太空旅行时必须涉及的一个问题。理由之一或许是小丸工具箱不好用了：我们所在的行星——地球的资源终将耗尽。
另一个理由是小丸工具箱不好用了：既然太阳系以外也有行星，或许还有生命存在，那么我们有什么理由不去看看呢？人类自古以来一直充满好奇心，科幻作品长久不衰就是一个明证。
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为小丸工具箱不好用了了前往其他的恒星-行星系统，我们必须克服种种大障碍小丸工具箱不好用了：科学的、社会的和经济的。NASA和美国国防部研发机构迄今已向科幻色彩浓烈的“百年星舰”项目拨款50万美元，该项目的终极目的是在100年内实现太空旅行。尽管这个目标看来过于乐观，但也反映了科学家对太空旅行充满渴望。2011年10月，美国举行了“‘百年星舰’研讨会”，到会者包括著名天文学家和科幻作家。这次研讨会的目的是辨识太空旅行所面临的难题和可能的解决办法。
太空旅行的确令人望而生畏。如果把地球与月球之间的距离假定为20米，那么地球与太阳之外的最近一颗恒星——半人马座阿尔法星之间的距离，就是地球与月球之间的实际距离——38.44万千米。
经过几千年时间，人类从每小时4千米的“溜达”速度提高到了在“阿波罗号”登月飞船上的速度——每小时40000千米。但是，要想在几十年之内到达半人马座阿尔法星的话，“阿波罗号”飞船的速度得再提高10000倍，也就是接近光速。事实上，为了实现太空旅行，我们不只需要飞得更快，而且需要更迅速地实现飞得更快。尽管面临这一切看似不可战胜的难关，但科学家相信去太阳系以外的行星旅行有朝一日一定能够实现。下面，我们就来看看太空旅行的五大步骤。步骤一 建造星际飞船
对于太空旅行来说，今天的火箭所能达到的速度简直就是蜗牛速度。星际飞船需要强大的新的推进方式。热核火箭
飞船必须有燃料才有推进力，飞船速度的增加取决于燃料的呈级数增加。如果要达到排气喷管气体速度的3倍，所需燃料就是火箭其余部分重量（所谓“干重”）的20倍。说实话，氢和氧的化学燃烧实在是太慢了。使用裂变反应芯的热核火箭能让大型载人飞船在太阳系内旅行，前提是飞船能采集、利用其他地方例如气态巨行星的资源（氢是气态巨行星大气层的主要组分之一）。早在冷战时期，苏联和美国就开始研发热核火箭。事实上，要想尽快实现太阳系各行星之间的载人旅行，热核火箭是最佳运载工具。然而，要想实现太空旅行，则需要驱动太阳的那种核反应——聚变。1978年，英国一项名为“代达罗斯”（代达罗斯是古代建筑师和雕刻家，曾为克里特国王建造迷宫）的星舰概念项目提议，利用“惰性聚变”驱动火箭。
也就是：用激光从各个方向压缩氢同位素小丸，直到压缩成很小的体积；压力增大到足以产生氢核熔合反应，释放能量，热质从排气喷管以超高速喷出。利用热核火箭能把我们送往附近的恒星，但飞行时间仍需几百年，更何况首先得在地球上实现核聚变，而这一点至今也未能做到。更长远地看，我们可能要发展出物质-反物质火箭。当反物质与常态物质反应时，它们会互相湮灭，产生的能量是聚变反应的300倍。但问题是，我们迄今未能研发出制造大量反物质的技术。
曲速引擎在美国著名科幻片《星际迷航》中，曲速引擎带领人类在星系内超光速穿梭。超光速旅行真有可能吗？根据爱因斯坦的广义相对论，如果拥有负质量，超光速就并非不可能。有了负质量，就能扭曲时-空形状，从而允许在极其遥远的位置之间的运输。
拥有负质量的东西（包括物体和空间）的行为极为怪异，可以使引力场不复存在或者不会对物体或空间造成影响。虽然我们都没见过拥有负质量的东西，但量子力学允许这样的东西存在。理论物理学界对负质量是否可用于太空旅行一直存有争议，原因是扭曲时空所需要的能量大得实在令人难以置信，远远超过从一颗恒星上所能得到的能量。
如果能够捕捉到足够的能量，就能扭曲一块时-空区域，创造“曲速泡”或称“时空泡”。这个“泡泡”的大小只容得下一艘星际飞船。“泡泡”前方的时-空将被压缩，背后的时-空将膨胀，由此推进飞船前进。可是，能量从哪里来？能量又怎样产生？
科学家过去估计，创造一个“曲速泡”所需的能量，相当于一个星系的质量（爱因斯坦向我们证明了质量和能量可以互换，而质量和能量都能塑造时-空）。现在，科学家相信，也许木星的质量就足够了。但即便这样，我们也仍有很长的路要走。请注意：哪怕最大的氢弹，也只能把几千克的物质转变为能量。在“曲速泡”的规模上扭曲时-空并非21世纪的科学技术所能做到的，甚至就连进行这方面的实际试验都很遥远——这个理念至今仍停留于理论。至少从目前来看，像《星际迷航》中那样的由双锂晶体驱动的曲速引擎仍然停留在电影道具阶段。射速能量帆
早在1610年，在注意到彗星尾巴被吹离太阳方向之后，德国科学家开普勒就提出了用帆推动飞船的设想。今天，真的有了由太阳帆驱动的飞行器，例如由太阳辐射加速的星际风筝-飞行器。不过，使用这样的飞行器，哪怕就是到达距离地球最近的非太阳恒星，也要花几千年时间。有可能真正实现星际飞行的是一种21世纪的飞船，即射速能量帆，简称帆飞船。这一理念就是利用电磁波传输能量穿越太空的能力，在超远距离产生力量。射束的来源——投射器再加一部天线，把强力激光或微波投射到一面超大帆上。帆发射激光束或微波束，获得动量“推动”飞船。这样的飞船出现在好莱坞科幻大片《星球大战》的第二集中。投射器的样子颇像人造卫星的接收天线碟，只不过要大很多很多倍。
帆飞船最昂贵的部分是投射器。它将利用开采自月球或小行星的材料在太空中建造，定位在靠近太阳的地方，以强烈的太阳能为动力源。射束能量的最大优势就是把沉重的投射器丢在后面，而光帆携带着乘员和荷载被驱离到很远的地方。接着，投射器可重新用于未来的任务。就像19世纪的铁路，一旦铺就铁轨，列车本身的费用就小多了。帆飞船的物理学原理已被证明，但如何建造超巨型的投射器和太空帆是大问题。投射器的宽度可能达数千米，太空帆的长度可能达几百千米。经济学研究表明它们效率太低而费用极大，但科学家仍在探寻射速能量帆是否有朝一日可能适用。步骤二 深空导航
选择路线并不难，难在寻找参考位置和克服星际风险。目标恒星已经选定，但浩瀚太空，我们怎样才能知道我们的飞船在什么位置呢？为了确定星际飞船的位置，可以利用三角测量法来测定飞船与已知的几颗恒星之间的角度，或者定位多颗脉冲星。脉冲星是旋转的中子星，它们以短到几千分之一秒的时间间隔发出规则的强烈微波脉冲。星际飞船的速度可通过计量脉冲频率来确定。随着飞船移动，飞船速度将需要运用多普勒频移来进行调整。还有，星球之间的空间并不空旷，星际尘埃也是个大问题。虽然单粒尘埃的直径可能只有几百万分之一米，但一艘穿行距离为10光年的星际飞船的每平方毫米面积得忍受1000次撞击。在前往半人马座阿尔法星的旅途中，飞船将缓慢却又持续地遭遇星际尘埃的撞击（或称侵蚀），船体将被撞破。避免这种侵蚀的一种途径，是在飞船前方几米处设置一面金属箔板。来袭的尘埃微粒穿越箔板，穿出时已经离子化（作为带电电子或离子），然后击中一面静电屏蔽盾——某种“力场”，或许是一个充电网格。这面“盾牌”将保护它后面的所有飞船部件。只需几千伏特就能让电子转向，而要让离子转向则需要100万伏特。
对真空的深空而言，产生这样一面静电屏蔽盾并不是问题。因此，剩下的风险就是较大的微粒。这样的微粒虽然很罕见，但我们不知道它们究竟有多罕见，是否会构成威胁。不过，来自飞船的离子化激光脉冲在雷达导向之下应该能阻止它们。深空旅行 自己导航科学家最近宣布，到达生命尽头的恒星或许有助于飞船进行深空旅行时的导航。
目前进行深空旅行的飞船，依赖与地球上的地面站网络进行通讯，这种通讯对于确保任务的成功来说十分重要。飞船在浩瀚太空中飞行，其导航只能等待来自地球的指令，别无其他选择。不过，科学家最近研发了一种运用一类特殊的恒星来为深空飞船导航的新技术。这类恒星死亡时大多会留下非常致密的残骸——中子星。后者有极强的磁场，能把中子星的辐射聚焦成两股具有高度方向性的x射线柱。这时的中子星被称为脉冲星。科学家认为，基于来自脉冲星的有规律的x射线，可以研发新技术来为深空飞船导航，其原理有些类似于使用全球定位卫星（GPS）为地面导航。目前，科学家正在深入研发把脉冲星作为太空中的GPS的技术。
飞船运用自己搭载的射线探测器，就能测量从脉冲星接收到的脉冲时间，从而确定飞船的位置和运动。如果这项技术可行，飞船就能自我导航，从而可以同时展开多项深空飞行任务，而这在目前是行不通的。与此同时，相比于地面的太空导航，这种导航方法还能打破瓶颈、节省成本。步骤三 让旅途安全又愉快除了维持生命支持系统和社交互动之外，星际飞船上的人们还需要生孩子和处于“延生复苏”状态。失重状态会导致宇航员每月失去1%～2%的骨头重量。
如果没有骨头重量和肌肉紧张度（肌张力），宇航员在抵达外星后将无法走路。解决办法是通过离心力创造人工引力，具体来说，就是让飞船每分钟自转一圈。为此，可能需要整艘飞船自转，也可能只需要飞船的一部分转动。对太空旅行的机组成员来说，生存必需的空气、食物和水决定着所需的飞船内空间，这意味着私人生活空间比较狭窄。NASA已经认识到宇航员能忍受多长时间的小空间——电话亭大小的空间为1天，而棺材大小的空间仅1小时。国际空间站10年的运作经验表明，从长期来看，每位宇航员在太空所需的空间至少为100立方米。
有两种途径来维持星际飞船内的栖居环境：一种是闭合的再循环生态系统，其中每一样东西都自行种植或内部处理；另一种则是为旅途携带一切所需物资。
然而，闭合的再循环生态系统有可能失败，长途旅行所需的物资根本无法全部由飞船搭载。因此，最佳方式或许是把两者合二为一：空气和水可以再循环，就像在国际空间站上那样；新鲜蔬菜和水果则可以在飞船上的水栽农场区生产，冷冻和脱水食品可作为后备支援。然而，至今没有任何闭合的生态系统在地球上成功运作过。生态系统中有许多子系统，要想在飞船上相对狭小的空间内建造一个完整的生态系统，我们目前的能力还不能及。
除了生存方面的挑战外，还有“囚禁”于狭小空间、伙伴数量有限和社交缺乏带来的心理问题。为了对付这些问题，一些科学家建议太空旅行机组人员保持忙碌，保持稳定的日夜作息规律，时刻注意自己的健康情况——这一切显然都相当缺乏新奇性。而在载人星际飞船上，机组成员应该男女都有，尤其是当需要进行星际移民时更是如此。这又意味着：星际飞船上是否应该有孩子出生？这有什么好处或不好？一种有助于时光平稳度过的方式——“延生复苏”，好莱坞科幻片《异形》中对此有所展现：通过降温让宇航员的新陈代谢减缓，到达目的地之后再“复苏”。目前，科学家正致力于找到通过减缓代谢速度为等待治疗外伤的患者赢得时间的办法。“延生复苏”不仅可以减少物资需求，而且可以消除心理问题。如果真能实现“延生复苏”，无疑将大大促进太空旅行的尽早实现。
步骤四 登陆外星
为登陆做好充分准备，然后建立外星营地，甚至对外星实施地球化改造。在星际飞船搭载人类飞往目标行星的过程中，飞船沿途可能要抛射小型探测器到其他一些行星的轨道中，这些行星与目标行星同在一个恒星-行星系统里。通过研究来自行星大气层的光线的光谱，我们就能找出有趣的化合物例如水和甲烷。如果我们发现失去均衡的化学反应，就可能意味着行星上有生命。如果真的存在外星生态环境，那么我们就会面临来自那里的危险，而且我们也会把危险带到那里。在地球上，当来自旧世界（东半球，指欧、亚、非三洲）的疾病在500年前被引入新世界（指西半球或南、北美洲及其附近岛屿）时，新世界遭遇重创；与此同时，新世界的恶疾也传到了旧世界。在著名科幻小说《多个世界之间的大战》中，火星入侵者被地球上的普通感冒消灭。这并非没有道理——外星人可能对地球上的病原体毫无抵抗力，
因为它们从未面对过这些病原体，不可能演化出防御能力；而地球人一旦到了有生命的外星，也完全有可能面临同样的毁灭。所以，在登陆太阳系以外行星的初期阶段，应该先由机器人宇航员查明有关情况，然后再由穿着防护服的人类宇航员实施登陆。当然，一些危机可能相当微妙，要等很长一段时间才会浮现出来。地球人在面对截然不同的生态方面，没有丝毫的经验可言。因此，地球人前往定居的外星上最好没有任何生命存在。如果外星环境条件与地球类似，那么地球移民可以把地球生物（包括动植物和微生物）引入到外星上去。这就要求外星至少应该位于“可居住带”以内。也就是说，这里与母恒星的距离既不太远也不太近，既不太冷也不太热，这样的行星表面才可能有液态水存在。
当然，要想支持来自地球的生物存活，外星不仅要有液态水，还得有可供呼吸的大气层。我们甚至还可以在外星上重建地球生命的演化过程，并且从引入微生物开始进行。为了在很热、很冷，或者在化学上很危险的外星环境中繁衍生息，我们可能需要把能忍受极端条件的微生物引入到外星上以制造二氧化碳。随着外星环境改善，植物也被引入到外星上进行光合作用，把二氧化碳转变为氧。这一切的结果就是外星环境的地球化改造。在一部好莱坞科幻大片《新外星人》中，
一家公司参与在外星上“建立更好的世界”，外星的地球化改造只花了几十年时间就完成了。而事实上，这种改造需要耗费的时间长得多——至少要好几百年。不过，一旦完成对外星的地球化改造，这颗外星就会真的像是第二个地球。步骤五 首次接触外星人如果遇到的是一个先进的外星文明，我们应该怎么办？在影视剧《星际迷航》
中，有现成的一套指南来约束地球人和外星人之间的接触。例如，该指南说，一个先进的人种不应该干预外星文明的发展。一旦一个人种变得足够先进而能够进行太空旅行，与外星人的首次接触就应该遵循“具体问题具体分析”的原则。
迄今仍无任何官方协议来界定这个问题：如果找到了外星文明，地球人应该怎样应对？不过，要是我们真的和外星人首度相遇，这与地球上不同文化之间的首度相遇可能不会有本质上的不同。从好的方面说，一个例子是美洲土著“斯坎多”教会了欧洲移民怎样抓鳗鱼、种玉米。从坏的方面说，当英国的库克船长登陆新西兰时，
毛利族人用他们的战舞欢迎他，却被英国人误解为威胁之举，于是他们向毛利族人开火而不是伸出橄榄枝（伸出橄榄枝是毛利族人的传统）。外星人的样子可能像蜘蛛或者蛇，我们可能会对它们退避三舍。它们也可能像鸟或鱼，但是智慧强得多。所以，我们最好不要带着偏见去见它们。我们带给它们的任何礼物都必须事先经过仔细消毒，而它们可能甚至不了解送礼的概念。总之，一切情况都不能事先假定。用来界定与外星文明接触原则的首份协议的重要目标之一，就是避免生发敌意。如果我们面临的是很难避免的彻底的外星文化，我们进入它们的地盘将很可能被视为入侵或危险。而我们穿着防护服以避免交叉污染，却可能被它们看作是对它们的害怕。有一点我们可以假定：外星人也会对我们感到好奇，正如我们对它们感到好奇一样。我们在它们眼中是什么样子？我们是否会被它们当成威胁？我们将在外星上怎样生活？它们将从我们身上学到什么？如此种种有趣的问题，都只有等到我们真的定居外星或遭遇外星文明那一天才会有答案。而对这些问题的好奇心，不正是促使我们竭力实现太空旅行的动力的一部分吗？