《星际迷航》 | 《发现》杂志

仅仅在过去八年里，天文学家就发现了围绕其他恒星的各种各样的世界：有些行星热得像彗星一样蒸发，有些行星大得几乎像恒星一样发光，还有些双行星以同步的节奏围绕它们的恒星运行。我们还没有发现任何与我们自己相似的行星——我们的仪器不够灵敏。这种情况应该很快就会改变。大约十年后，NASA计划启动一项名为“陆地行星探测器”的任务，这是一个专门设计用于探测另一个地球的太空望远镜。对大约150颗附近恒星的调查很有可能揭示至少一颗小的、类似地球的行星。一个姐妹地球起初看起来并不起眼，只是一个在附近恒星的眩光中几乎看不见的微弱光点。尽管如此，一个光点足以让我们分析新世界的质量、温度和组成。我们可以扫描可能的生命化学标记，例如富氧的大气层，其中含有水蒸气和甲烷。如果我们找到了我们正在寻找的东西，我们就会突然知道在另一个星球上存在生命的可能性很高，而且我们可能并不孤单。这一发现可以说将是人类历史上最深刻的发现。但那又如何呢？五百年前，哥伦布带回了关于横跨浩瀚大西洋的新世界的消息后，来自英国、法国、西班牙和葡萄牙的探险家们毫不犹豫地向西航行。如果我们找到另一个地球，我们对探索的渴望可能会被前所未有地激发起来。谁能抵制去那里了解更多的愿望呢？那次远征的技术挑战甚至让火星之旅看起来都轻而易举。半人马座阿尔法星是最近的恒星系统，也是寻找类地行星的合理地点，它距离我们4.4光年——比任何太空探测器旅行过的距离远3000倍。55巨蟹座星，拥有三颗与我们太阳系相似的大行星，距离我们又远了10倍。穿越宇宙虚空将需要超高速宇宙飞船，远比今天建造的任何飞船都先进，但并非不可能。“物理原理并非遥不可及，”罗伯特·弗里斯比说，他是NASA喷气推进实验室（位于加利福尼亚州帕萨迪纳）的工程师，负责指导先进推进概念研究。他的工作和毕生梦想是找到掌握星际旅行的方法。他正在研究五种不同的推进技术，可以在不到50年的时间内将宇航员从这里送到半人马座阿尔法星。“我们在这里谈论的不是幻想，”弗里斯比说。“在有人做到之前，它只是科幻小说。”一次前往另一个地球的旅行将需要至少与阿波罗计划背后的努力一样强烈的研究和工程努力。但弗里斯比认为，类似程度的承诺可以在我们到达月球所需的时间——十年——内启动我们的第一艘星际飞船。这将是人类历史上最昂贵的任务。它也将是最非凡的。

洛克希德·马丁公司的工程师奈杰尔·帕克汉姆在这个密闭舱内密封了15天，呼吸小麦植物产生的氧气。图片由NASA提供。

原子火箭当我们触及群星时，我们将不得不退役我们的化学实验装置

1903年，俄罗斯物理学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基发现了星际旅行的巨大障碍：火箭的最终速度被限制在其喷嘴排气速度的两倍左右。航天飞机排气速度不到每秒三英里，因此其速度不能超过每秒六英里左右。以这个速度，到达半人马座阿尔法星需要12万年。要在人类一生中到达那里，火箭必须比目前的推进剂（如液态氢和煤油）的推力快至少3000倍。因此，罗伯特·弗里斯比建议利用核反应的巨大能量，这可以通过三种不同的方式实现。

核裂变优点：近期可行性缺点：非常重；需要经过处理的燃料；需要大量的辐射屏蔽；最高速度和航程有限

核裂变工程师拥有60年使用裂变的工作经验，裂变是原子弹和核反应堆的动力来源。当放射性原子的中心分裂时，产生的带电原子碎片会以光速的3%（约每秒5000英里）的速度飞走。由劳伦斯利弗莫尔国家实验室的乔治·查普林领导的研究人员设计了一种概念性的“裂变碎片”反应堆来利用这些高速粒子。他们的反应堆类似于一堆旋转进入圆柱形塔的黑胶唱片。每张“唱片”都由石墨覆盖着放射性燃料，如钚或镅。当燃料旋转进入塔内时，它会遇到内部额外的放射性物质，并触发受控裂变链式反应。反应堆周围的强大磁铁将产生的核碎片束缚起来，使其沿一个方向飞出，产生一种排气，可以将火箭加速到光速的6%。为了超过光速的10%，弗里斯比建议建造两个裂变火箭并将其分级叠加。第二级有效地使火箭的最高速度翻倍，因此扩展版本可以以光速的12%的速度飞行。再增加两级以在旅程结束时减速，你可以在46年内进入半人马座阿尔法星系统中的一个姐妹地球轨道。然而，即使使用额外的级数，更远的航程也需要超过人类一生。为了将重量降至最低，裂变火箭将需要快速衰变的核燃料，如镅。镅不是天然存在的元素，因此必须从乏核燃料中提炼出来。前往下一颗恒星的任务将需要大约200万吨镅，更不用说相当数量的辐射屏蔽了。使用更便宜的铀或钚会使燃料质量更高。但基本技术已经准备就绪。

反物质优点：效率最高的火箭；最高速度；最远航程缺点：重；反物质技术尚未开发

阿尔伯特·爱因斯坦著名的方程

E=mc2

表明质量是能量的一种集中形式。裂变和聚变反应只将其质量的不到1%转化为能量。但是有一种方法可以以接近100%的效率将物质转化为能量：将物质与其镜像双胞胎——反物质结合。物理学家通过以接近光速的速度撞击亚原子粒子来产生微量的反物质。欧洲核子研究中心（位于瑞士的欧洲物理设施）的科学家最近成功制造了100万个反氢原子——约10^-15磅。这将是一种极好的星际火箭燃料。将工程规模扩大到制造一火箭载的反物质是一个艰巨的概念。“但这相当简单，因为我们已经拥有了这些部件。我们已经制造了你需要的燃料箱、磁铁、散热器和粒子束，”弗里斯比说。在反物质火箭中，一份反氢将与等量的氢在燃烧室中混合。例如，半磅的每种物质的相互湮灭将释放出比10兆吨氢弹更多的能量，同时伴随着一束称为π介子和μ介子的亚原子粒子。这些粒子被限制在类似于裂变火箭所需的磁性喷嘴中，将以光速的三分之一的速度从尾部喷出。这种快速排气将转化为光速的66%的最高速度。“这是迄今为止我们能制造的最强大的火箭，”弗里斯比说。一枚两级反物质火箭前往半人马座阿尔法星将需要大约90万吨燃料，并将在大约41年内到达。一个四级版本（两级加速，两级减速）在更长的航程中将更好地展现反物质的优势。根据弗里斯比的计算，它将需要3800万吨反物质燃料，但它将把前往41光年外的55巨蟹座星的旅行时间缩短到几乎可控的130地球年。同样的旅程使用聚变发动机将需要400年。

核聚变优点：比裂变发动机更轻；辐射更少；可能可重新加油缺点：重；航程有限；技术尚不实用

弗里斯比说，聚变发动机——一种通过原子核碰撞而非分裂来获取能量的发动机——将远优于裂变发动机。聚变反应堆可能会产生更少的有害辐射，并且应该更容易获得燃料：它们使用氘（重氢）和氦3（普通氦的轻版）作为燃料，这两种物质在月球表面和木星大气中都大量存在。一个由聚变驱动的任务可能会在前往另一颗恒星之前，在我们太阳系中的一个加油站进行补给。问题是，尽管工程师们努力了几十年，但他们尚未建造出可行的聚变反应堆。我们知道如何制造氢弹中的失控聚变反应，但控制这种能量却一直难以实现。聚变试验台，例如新泽西州普林斯顿的美国国家球形环面实验装置和英国的欧洲联合环面装置，将氘核限制在磁瓶中并将其加热到数百万度；当原子核碰撞时，一些会聚变并释放能量。这些类型的实验目前消耗的能量几乎是它们从聚变反应中产生的能量的两倍，但这一比例一直在改善。弗里斯比乐观地认为这项技术现在已经触手可及。一旦科学家实现收支平衡的聚变，他们就可以利用这些反应产生的带电粒子，并通过磁性喷嘴将其排出。聚变反应堆喷出的粒子可以用来制造两级火箭，其最高速度可达光速的12%。使用聚变动力的旅行时间将与裂变火箭相似：足以到达最近的恒星，但可能不会更远。聚变火箭也需要大约200万吨燃料，但可以减少辐射屏蔽。作为额外的奖励，开发聚变火箭可以促进地球上聚变发电厂的完善。

超越火箭技术到达恒星的最佳方式是将燃料留在家里

传统火箭技术（甚至包括反物质火箭技术）的问题在每一次水星、双子座、阿波罗和航天飞机发射中都有所体现：飞船被其推进剂供应所淹没，因此火箭的大部分推力只是用来移动其自身的燃料。这种粗糙的方法对于进入地球轨道或短暂的月球之旅是可以接受的，但许多航天工程师认为，前往其他恒星的旅行将需要比任何火箭都更轻、更多功能、更快的创新推进系统——几乎与光速一样快。其中一个概念已经开发多年，即将进行测试。另一个似乎与半人马座阿尔法星一样遥远。

激光帆优点：高速；无需携带燃料；近期技术缺点：庞大的激光基础设施；只能指向激光所指的方向

在1984年的一篇具有里程碑意义的论文中，已故的罗伯特·福沃德（当时是休斯飞机公司研究实验室的物理学家）提出了一种对古老帆船技术的改进。就像风可以驱动帆布帆在海洋上航行一样，强大的激光束也可以推动巨大的帆在太空中前进。当激光束中的光子撞击帆时，它们会传递动量，推动帆前进。飞船逐渐但稳定地加速，驶向遥远的星球，而推动它的激光则停留在我们的太阳系中。弗里斯比认为这是将第一艘飞船运送到另一颗恒星的最有可能的技术。工程师们已经建造了一种简单的太空帆，它依靠太阳光而不是激光束的光子来驱动。在接下来的几个月里，行星学会（一个私人太空爱好者组织）计划发射其开创性的太阳帆。宇宙1号（Cosmos 1）是一个50磅重、100英尺宽的铝化聚酯薄膜风车，将从巴伦支海的一艘俄罗斯潜艇发射。一旦进入太空，该帆将由太阳光推动以达到更高的轨道。NASA喷气推进实验室太阳帆首席工程师霍皮·普莱斯认为，这种无燃料推进将允许全新的行星任务类型。但是太阳光的强度随着距离呈指数衰减，所以太阳帆在离太阳很远的地方不起作用。

相比之下，聚焦的激光束可以将飞船推向半人马座阿尔法星及更远的地方，因为激光束不像太阳光那样会随着距离而扩散和减弱。弗里斯比根据福沃德的概念草绘了一次前往55巨蟹座星的旅行设计。他的飞船将由一块600英里宽的铝箔帆提供动力，帆的中心有一个船员舱。地球轨道上或月球表面的一台强大激光器将通过一块600英里宽的柔性镜面反射，这块镜面将聚焦光束以驱动帆。激光器将不得不持续发射数年，直到飞船达到巡航速度；再发射几年光束将允许飞船减速（见下文）。弗里斯比的帆需要很大一部分原因是为了散热，这些热量来自入射激光束的巨大能量。铝在适度的1220华氏度下熔化。如果在太空中制造帆，工程师们可以转向更轻、更有弹性的材料。俄亥俄州NASA格伦研究中心的杰弗里·兰迪斯正在研究由铌（在4490华氏度下熔化）或金刚石（在3270华氏度下分解成石墨）制成的薄膜——“像肥皂泡一样薄，”他说。高温物质可以承受更小、更强烈的激光束。具有与弗里斯比的铝帆相同性能的金刚石薄膜帆可以实现更快的加速并减少总行程时间。更令人望而却步的可能是驱动该帆前往55巨蟹座星所需的激光功率：根据弗里斯比的估计，它将需要大约17,000太瓦的稳定流量，或相当于地球任何时刻所有消耗能量的1,200倍。为了满足如此巨大的需求，他建议使用太阳泵浦激光器，一种收集太阳光并将其转化为聚焦、相干光束的设备。芝加哥大学的物理学家罗兰·温斯顿和约瑟夫·奥加拉赫已经展示了一种可以将光强度集中到正常强度84,000倍的系统。“仅仅通过研究太阳帆，我们最终将解决建造激光帆系统的主要问题，”弗里斯比说。如果我们能够掌握这项技术，我们将不再需要担心我们的燃料供应能将我们带到多远。一个简单的设计改变甚至可以允许激光束在另一端将飞船减速至停止。激光帆的最高速度仅受光速本身的限制。在弗里斯比的研究中，激光帆在不到十年内加速到光速的一半。他计算出，通过使用直径200英里的帆，我们可以在短短12.5年内到达半人马座阿尔法星。一个600英里宽的帆可以在86年内与55巨蟹座星周围的一颗行星会合。

聚变冲压发动机优点：接近光速；可以向任何方向进行无限星际旅行缺点：需要物理学和工程学知识的重大突破

一个理想的飞船将结合激光帆和传统火箭的最佳特性：你可以把它开到任何你想去的地方，而且它永远不需要携带任何推进剂。1960年，物理学家罗伯特·布萨德构想了一种能够做到这一点的技术。他称之为聚变冲压发动机。它使用巨大的磁铁制造一个直径数万英里的磁性漏斗。这个漏斗收集星际氢并将其作为燃料倾倒到反应堆中。没有燃料箱的拖累，聚变冲压发动机可以接近光速并在银河系中几乎任何地方漫游。

弗里斯比警告说，冲压发动机的概念仍不成熟。“目前，它最不确定，”他说。它可能像聚变火箭一样运行，直到达到光速的4%左右，此时磁性入口将吸入足够的氢气以维持发动机的运转。弗里斯比的粗略预测显示，到达半人马座阿尔法星的旅行时间为25年，到达55巨蟹座星的旅行时间为90年。冲压发动机有两个明显的工程问题。第一个是阻力：从尾部喷出的聚变粒子将飞船向前推动，但堆积在前面的星际氢气却会减缓飞船的速度。穿过银河系较稠密的区域时，飞船可能会几乎停止。事实上，运营先锋航天公司（Pioneer Astronautics）的工程师罗伯特·祖布林曾建议使用类似的磁场作为制动器，在不消耗额外燃料的情况下减缓星际飞船的速度。第二个难题是，当今实验性聚变反应堆中使用的氘和氚在太空中很稀有。大多数星际氢是只有一个质子的常规类型，这种类型更难驾驭。“没有人知道如何使纯氢聚变，”弗里斯比说。另一方面，我们知道它每天都在发生：“恒星可以做到。”

人员问题我们能让宇航员活40年吗？

人类因素可能与火箭方程一样棘手。尽管我们已经学会了如何在空间站上保持宇航员的健康，但我们通常将他们的任务期限限制在几个月，并且我们从地球向他们源源不断地输送补给。前往另一个太阳系中最近的类地行星的旅程可能涉及数十年的旅行，没有任何支持。在阿波罗时代之前，长时间在太空中保持人类生存和健康的困难可能看起来是不可克服的。然而，从那时起，生命支持科学与火箭设计一样迅速发展。休斯敦约翰逊航天中心生命支持科学部门的17年资深专家，NASA完整性项目负责人唐纳德·亨宁格，被问及是否能做到时，甚至没有露出笑容。“当然，这是可能的，”他说。

闭环系统地球拥有数十亿立方英里的大气、数亿立方英里的水和数十亿英亩的可耕地，维持着60亿人类的生存。亨宁格称这个庞大系统为抵御宇宙残酷现实的“缓冲器”。但在任何时候，地球上只有极小一部分的空气和水循环经过人类——这是幸运的，因为宇宙飞船无法提供接近整个星球的资源。相反，飞船上相对适量的水、氧气和食物必须以近乎100%的回收率反复循环利用。空间科学家称之为“闭环”：亨宁格说，“一旦所有循环都关闭，持续三年的回收过程，或者三十年——都无所谓。”

食物为太空旅行者提供持续的食物供应将需要种植和收获植物。“这项任务并不十分困难，”亨宁格说，“这只是我们能多么高效地完成它的问题。”他和他的同事正在试验小麦和土豆等植物，这些植物能最大限度地提高热量产量并压缩生长周期。研究表明，大多数植物如果接受高剂量的二氧化碳（宇航员方便地呼出的），生长速度会更快。“给我合理的质量和功率限制，我们就可以从生命支持的角度做到，”亨宁格说，“这里没有难以解决的问题。”合理的功率和质量对于星际飞船来说应该不是问题。空间站重179公吨。重十倍的船员舱将使反物质火箭的质量增加不到10%。“九牛一毛，”弗里斯比说。

空气供应宇航员吸入氧气并呼出二氧化碳。机械洗涤器可以将二氧化碳与环境空气分离；然后化学过程可以分裂两个氧原子和碳原子之间的键，回收二氧化碳中的O2部分。“我们接近关闭氧气循环，”亨宁格说，科学家们预计很快就能在国际空间站上做到这一点。

水关闭水循环意味着净化淋浴水、农作物水、尿液甚至汗水。航天飞机上的宇航员通过车载燃料电池（燃料电池结合氢和氧来发电）获得清洁水作为副产品。这不是一个长期解决方案。但是NASA在地面隔离舱进行的实验已成功地通过冷凝空气中的水蒸气和再处理废水和尿液来回收水长达90天。在星际航行中，反物质火箭或高功率激光将提供充足的能量来完成这项工作。

重力在几个月的失重状态后，宇航员会患上骨质疏松症，因为骨骼在地球重力的持续压力下会变得更强壮。在飞船上模拟重力有一种简单的方法：建造一个圆形船员舱，像一个超大的仓鼠轮一样旋转。向心力会将宇航员压向外壁——他们的地板——给他们带来重力感。

辐射屏蔽太阳风，即从太阳吹出的延伸大气层，在太阳系周围形成了一个磁茧。还没有飞船超越其影响范围，所以我们对星际环境没有清晰的认识。它肯定含有宇宙射线，高速的亚原子粒子可能致命。裂变、聚变或反物质火箭也会产生自己的辐射。需要辐射屏蔽——也许是铅，甚至是一些车载燃料——来保护船员。

碎片屏蔽尽管星际空间极其空旷，但即使是相对于飞船以光速50%速度移动的微小尘埃粒子也可能造成灾难性撞击。对星际空间进行更全面的普查将告诉我们所需的屏蔽量和种类。

心理学对于第一批星际旅行者来说，将没有回程。到达那里将花费大部分生命，目前的設計不允许足够的燃料（或者，对于激光帆，没有第二束激光束）返回。什么样的宇航员具备单程任务的素质？飞船应该搭载多少人？是否应该派遣儿童或生育能力的夫妇，以便在抵达时有年轻有能力的人进行探索？以及如何管理在长达数十年的旅程中必然爆发的所有分歧、性格冲突和简单的幽闭恐惧症？

为什么不直接派机器人呢？前往另一颗恒星的任务不能依赖地球上的控制人员。来自半人马座阿尔法星的一条绝望信息需要4.4年才能到达地球，而我们的回复也需要4.4年才能返回。如果飞船由机器人运行，它将需要达到一种让NASA喷气推进实验室人工智能负责人史蒂夫·钱困惑的自主水平。“你的系统必须足够强大，才能独立应对各种新颖问题，”他说。然后，如果它成功完整抵达，机器人必须在没有地球指导的情况下进行详细的科学探索。“我们希望它会觉得一个外星城市很有趣，因为它不寻常——有直线和有组织的模式——而不是丢弃这些数据，”钱说。人类很可能会在兴奋的心跳中认出外星城市。与人类大脑灵活度相匹配的人工智能已被证明与冷聚变一样难以捉摸。我们不知道如何建造这样的东西——即使我们知道，我们可能仍然会希望得到人类副驾驶的鼓舞人心的、诗意的视角。

但我们会去吗？美国宇航局的一些管理人员，对我们甚至还没有计划载人火星之旅感到沮丧，对前往其他太阳系的谈论感到恼火。他们说，先去火星，再去外行星。我们可以稍后再考虑恒星。弗里斯比反驳说，“高难度目标”能激发伟大。它们无疑定义了美国宇航局的辉煌时刻，当时约翰·F·肯尼迪总统提出了将人类送上月球的挑战。当时，在1961年，只有一名美国人进行过太空飞行，而且只有大约15分钟。没有人建造出足以将三名人类送出地球轨道的火箭。没有人成功地在月球上软着陆飞船，更不用说将其带回家了。所有中间步骤之所以发生，仅仅是因为肯尼迪坚持我们要去。如果他目标更小，我们可能永远无法到达月球。对弗里斯比来说，前往另一颗恒星的旅行充满了奇迹，就像建造埃及金字塔或第一次环球航行一样。“人类在想做的时候可以做出令人惊叹的事情，”他说。