09人类的下一个家
跳板
对人类来说，在月球、火星以及更遥远的星球中，月球是跳台，火星是跳板，而太阳系中的其他星球和太阳系之外的恒星王国是我们要跳往的远方。如果我们打算在地球之外建立永久的基地，最佳的起点无疑是月球。
美国国家航空航天局曾有一个雄心勃勃的月球探测计划，但自人类踏上月球以来的40多年里，人们几乎已经遗忘了这个计划。美国国家航空航天局还预测，到1980年，在月球基地中开展的月球探测将达到高潮。在6次阿波罗登月过程中，宇航员在月球表面停留的时间从1天增加到了3天，航天服也升级到能让宇航员在月面漫步7小时，电动漫游车也加入到月球探测中来。1968年，美国国家航空航天局在为首次阿波罗飞船载人飞行做准备时，就成立了一个工作组来研究月球基地这一构想。在针对月球上的不同着陆点开展了3次探测任务后，美国国家航空航天局将对同一地点开展6次或更多探测任务，从而为建立永久的月球基地做准备。这个工作组在他们的报告开端就断言，美国国家航空航天局的首要目标，是建造一个能容纳12位宇航员的国际月球科学天文台（International Scientific Lunar Observatory）（如图9-1）。
图9-1 艺术家想象的月球基地概念图
注：这是艺术家想象的月球基地的概念图。建造居住区所需的大部分原材料可以从月球上的土壤中开采或提炼，也不需要新技术。
这个工作组推荐的方法是，研制新的硬件设备来作为未来月球基地的核心设施。一种新型的月球载荷舱能携带3 175千克载荷到达月球表面，这种载荷舱有下降段而无上升段。其中最重要的项目是一个重1吨、能容纳两个人的保护舱，这两个人能在其中生活两个星期。这个保护舱里还能存放两个时髦的、供宇航员在月球上漫步时使用的喷气背囊，以及一辆由宇航员驾驶或休斯敦的飞行控制人员操控的漫游车或月球车。一台用来检测从月壤中提炼出的有用成分的太阳炉，一架口径30厘米的望远镜，一个生命科学包，以及众多实验设备，也包含在载荷中。根据美国国家航空航天局的顾问团的估算，月球基地的基础工作将会使“阿波罗计划”的预计成本再增加10亿美元。
月球基地是一个非常好的想法，但它仍败给了政治现实。
美国国家航空航天局的预算在登月行动进入白热化的1965年达到顶峰，为52.5亿美元，占联邦预算的5%。林登约翰逊总统是美国国家航空航天局的坚定支持者，但1967年越南战争的消耗飙升至250亿美元，美国国会希望削减开支。在尼尔阿姆斯特朗踏出历史性的一步所带来的狂热过后，公众对太空探索的兴趣就减弱了，美国国家航空航天局的预算也急剧下降。
2009年，美国战略与国际研究中心（CSIS）对月球基地的成本做出了估算。他们假设，建立月球基地需要重型运载火箭，因为至少有3个国家可能具备这种能力，所以这是一个相当合理的假设。他们预计开发成本为350亿美元，远低于国际空间站1 100亿美元的成本，如果再把成本分摊到10年内，将不会超过航天飞机的飞行成本。至于基地的运行成本，估计值为74亿美元/年。一半的运行成本来自假设月球上没有资源可用的情况，因此，每人每年4吨的补给都要从地球上运送至月球。假设在月球基地中水是可以有效回收并循环使用的，那么每位宇航员每天的基本需求包括0.8千克氧、1.8千克压缩食物，以及2.5升（2.5千克）用于饮用和添加到食物中的水。另一个核心需求，是以太阳能形式提供的能量。
很显然，如果月球基地能尽可能地自给自足，那它将会更容易维持下去。人们一直认为月球是一块贫瘠、干旱、被陨石摧毁的大石头，因此，当轨道飞行器在20世纪90年代中期发回月球上存在水的证据时，人们非常兴奋。2010年，在月球北极附近的一片布满陨石坑的永久背阴区，一颗印度卫星发现了冰。这一发现催生了一项研究，该研究表明，月球上存储着6亿吨冰，冰层厚度达几米。月球基地的另一个关键的组成部分是可供呼吸的氧气。按照质量计算，在月球土壤或者表面风化层中，氧占40%～45%，只需要用太阳能将月壤加热到2 500 K，就可以将其中的氧从矿物中释放出来。这是一种非常简单的化学方法，每千克月壤可以产生100克可供呼吸的氧气。水也可以被分解成氧和氢，而氧和氢是火箭燃料的主要成分。
即使是供居住区使用的物资，也能就地取材。月壤是一种独特的混合物，由二氧化硅和含铁矿物组成，经微波加热就能变成玻璃状的固态物。只需非常简单的技术，就能将泥土变成坚硬的瓷砖（如图9-2）。欧洲空间局（European Space Agency）正在研发一种3D打印机，这种打印机能以3米/小时的速度创造墙体砌块，其速度之快，足以在一个星期内建好一整座居住舱。
图9-2 月球基地剖面图
注：基于可膨胀圆顶和3D打印概念的月球基地剖面图。组装完成后，可膨胀圆顶上覆盖着一层3D打印的月球风化层，能保护居住者免遭辐射和陨石的伤害。
如果能就地取材生产空气、水和建筑材料，那么月球基地的成本将大幅减少。与太空电梯只是一个设想或人们的愿望不同，月球基地所需的技术都已经在实验室里论证过了。
位置，位置，位置。购房时，房子所在的位置很关键；规划月球基地时，位置同样非常重要。最佳地点是靠近月球两极的巨大陨石坑边缘的高山上。这些地方既靠近丰富的水冰资源，又高到足以成为永昼峰，能一直受太阳光照射，因而能随时获得太阳能。在低纬度地区，移民者必须与剧烈的温度变化以及长达354个小时的月夜做斗争。不过，他们可以利用很久以前月球上的玄武熔岩流动时形成的很多管道，这些管道的宽度能达到300米，温度维持在稳定的-20℃，并能为置身其中的移民者提供保护，使其免受宇宙射线和陨石的伤害。
月球基地最重要的价值在于作为地球和火星，以及更遥远的星球之间的航路点。月球的弱引力和慢自转，意味着我们可以使用现有的材料来建造太空电梯。一种名为“M5”的蜂窝状纤维比凯夫拉尔纤维更轻，强度也更大。在月球表面上，一条用M5纤维编织的宽3厘米、厚0.02毫米的缎带，既能承受2 000千克的重量，也可以承受100个均匀分布的升降机，每个重600千克。我们现在就能建造一部月球电梯。前文提到的350亿美元的开发成本不包括建造太空电梯。若使用太空电梯，月球基地的开发成本将降低20%～30%。
计划在木卫二上寻找生命的比尔斯通，成立了沙克尔顿能源公司（Shackleton Energy Company），旨在开发一种原型技术，将月球上的水分解为氢和氧，并用作火箭燃料。他明白，在月球上生产燃料将大大降低前往太阳系其他地方的成本。至于基地人员，他需要的是具有冒险精神的人，所以像美国国家航空航天局的员工那一类人不在他的考虑范围之内。为了能返回地球，第一批乘员需要为他们的返程制造燃料。
在这些努力下，我们可以很有把握地预测，长期中断的月球探索已经重启。2013年12月，中国的“玉兔号”月球车到达雨海（Mare Imbrium）北部的虹湾。私营企业也对月球探索表现出了兴趣。2007年，谷歌宣布设立月球X大奖（Lunar X Prize），奖金为3 000万美元，奖励将机器人送上月球，并使其在月面上行走500米，同时传回高分辨率的图像和视频的团队。印度和日本计划于2030年建成月球基地，欧洲和美国则犹豫不决，但他们可能也会在2030年内就建立月球基地展开合作。
与此同时，太空采矿者将目光投向了氦-3。氦-3是氦的同位素，是一种具可行性的核聚变动力反应堆的关键成分。氦-3在地球上的含量极少，但在月壤中相当丰富，是几十亿年来由太阳风产生的。太空采矿者的想法是，到21世纪中期，随着煤、天然气和石油等资源逐渐耗尽，核聚变将成为未来的能量来源。可以将核聚变看作一种清洁能源，它不会产生放射性废弃物，而且每千克燃料的产能效率也很高。然而，核聚变极具挑战性。欧洲和美国每年都投入了大约10亿美元，但还无法维持零点几秒的核聚变反应来产生能量。
大部分核聚变研究涉及氢的两种同位素：氘和氚原由网。技术上的挑战在于控制聚变反应的过程。核聚变反应的温度高达几百万度，远远高于所有已知材料的熔点。氦-3聚变所需的温度甚至更高，但它也有优点，那就是其产生的大部分能量是以带电粒子的形式存在的，而利用带电粒子的能量就容易多了。我们必须清醒地认识到，人类浪费能源的恶习并不会因月球而改变。氦-3代表了3个未经检验的技术领域：从月球上获取氦-3，将氦-3运送回地球，以及将氦-3用于核聚变反应。
如果我们重返月球，那将会是出于这样一个普通的原因：在人类学习如何在地球之外生活的过程中，月球是最容易到达且离地球最近的地方。如果其他国家开始移民月球，美国对于重返月球的冷漠态度或许就会发生变化。我们已经看到，中国在太空计划上有着长远的规划，且投入巨大。2013年12月30日，《人民日报》援引了“嫦娥三号”登月任务副总指挥张玉花的话：“人类未来将能够依托月球基地，建立在月球上进行能源勘测的能源基地，以及进行工农业生产的生产基地，并利用太空真空的环境，进行无菌制药等。”
最后，张玉花说：“如果还有100年，我觉得人类居住外星球不是一个梦想。”
火星的诱惑
我们关于火星的想象怎么了？
古人认为这颗红色的星球是不祥与危险的。古巴比伦的天文学家对火星的颜色，以及它在天空中的奇怪逆行进行了记录，虽然这种逆行只是偶尔发生。他们将火星称作“奈格尔”（Nergal）。奈格尔是冥界之神，掌管瘟疫、流行病和灾难。古希腊人将火星与战神阿瑞斯（Ares）联系在一起。阿瑞斯是奥林匹斯十二神之一，是宙斯和赫拉之子。他也是暴力之神，是最招人憎恨的神，而且很好战。他的妹妹雅典娜称他为“愤怒、邪恶、虚伪的骗子”。希腊人拒绝给阿瑞斯以荣誉，也没有以他名字命名的神殿。人们只记得他在战场上的样子。得摩斯（Deimos）和福波斯（Phobos）是他在战场上的同伴，得摩斯是恐惧之神，福波斯是恫吓之神。直到罗马人将阿瑞斯奉为战争之神和农业之神，他的名声才稍微好了一点。
1659年，荷兰天文学家克里斯蒂安惠更斯（Christiaan Huygens）绘制了第一张火星地图，在他逝世后出版的《被发现的天上的世界》（Cosmotheoros）一书中，他猜测火星上的亮点是水和冰存在的证据。他还认为，火星上可能存在智慧生命。一个世纪后，威廉赫歇尔（William Hersche原由网l）证明了火星与地球一样也有季节，并认为极区的冰可以支撑生命。19世纪中期，大型望远镜拍到了火星的清晰图像，一些天文学家认为，火星上的黑色区域可能是植被，而条纹或线条可能是人造建筑。
帕西瓦尔罗威尔（Percival Lowell）对此深信不疑。这位波士顿商人兼敏锐的业余天文学家利用自己的财富，在亚利桑那州北部一个原始而黑暗的地方建造了一架望远镜。他赶在1894年火星特别接近地球之时，及时建好了望远镜。罗威尔认为自己看到的火星上的特征是运河，那是一个即将消失的文明正试图将水从极区引至赤道地区。他撰写了一些书来支持自己的主张，这些书一经出版便引起了轰动。几年后，赫伯特乔治威尔斯在科幻小说《世界大战》（ The War of the Worlds）中，引用了罗威尔的作品。这部小说一经推出就成了经典。
火星上的智慧生命再一次被描绘为邪恶的生物：“智慧生命庞大、冷漠、无情，他们跨过太空深渊，用嫉妒的目光注视着地球，缓慢而坚定地制订着进攻地球的计划。”
20世纪初期，科学和流行文化对火星的看法发生了分歧。1912年，埃德加赖斯巴勒斯（Edgar Rice Burroughs）的小说《火星公主》（A Princess of Mars）开始连载，5年后成书。书中，美国内战退伍军人约翰卡特（John Carter）发现自己神秘地来到了火星，一个到处是4条胳膊的外星人、野生怪物和衣着暴露的公主的世界。利用火星的弱引力，卡特施展超级英雄的能力，最终抱得美人归。巴勒斯还写了另外10部关于火星的小说，他那天马行空的想象力激发了阿瑟克拉克和雷布拉德伯里（Ray Bradbury），后者开启了火星科幻小说的伟大时代。1938年，奥森威尔斯（Orson Welles）在广播节目中重温了《世界大战》，他逼真的现场广播吓坏了纽约地区成千上万的人，很多人从家中跑出来，希望看到火星人入侵的景象。
自然选择理论的发现者之一阿尔弗雷德拉塞尔华莱士（Alfred Russel Wallace），反驳了罗威尔的观点，他坚持认为冰冻的火星永远无法支持液态水。20世纪中期，随着遥感技术的发展，这一争论变得更加激烈。1965年，“水手4号”（Mariner 4）探测器下降到距离火星表面10 000千米以内，看到了一片干燥、坑坑洼洼、毫无生命迹象的土地，至此，人们对火星的狂热终于消退了。1976年，“海盗1号”和“海盗2号”探测器的探测结果，进一步巩固了火星的这一形象。
从那之后，钟摆又回到了中间位置。火星表面无法保持液态水，若将一杯水放在火星表面，几秒钟内就会蒸发，因为火星表面的温度通常低至-60℃。水会蒸发而不是结成冰，是因为火星的大气非常稀薄，几乎接近于真空。由于稀薄的火星大气层无法阻挡微陨石的冲击，以及来自紫外线的辐射和宇宙射线的伤害，所以火星表层的土壤无法支撑生命。然而，轨道飞行器传回了大量证据，证明火星经历过侵蚀作用且曾存在河流三角洲和浅海。如今，这些地貌都被陨石坑取代了，这说明在30亿年前，火星比现在更温暖、更湿润，大气层也更厚。众多无畏的漫游车，如1997年的唐卡玩具（Tonka Toy）大小的“旅居者号”（Sojourner），始于1993年的卡丁车大小的“勇气号”（Spirit）和“机遇号”（Opportunity），以及最近的运动型多用途汽车大小的“好奇号”（Curiosity），已经绘制了十分详尽的火星表面图。这些漫游车采集到的岩石样本，只在有水的情况下才能形成。
在火星表面，宇航员是找不到水的，但只要选对了着陆点，他们就可以获得所需的一切。轨道飞行器上的光谱揭示出在火星高纬度地区存在大量的冰，就隐藏在尘埃和岩石下。如果这些冰融化，且火星有保护性的大气层，就会形成一片覆盖火星表面的水坑，其深度足以没过脚踝。有证据表明，火星上还存在沟壑，这些沟壑是由从地下蓄水层断断续续地喷出的水形成的，而在上方的压力和下方放射性热量的共同作用下，地下蓄水层中的水会保持液态（如图9-3）。至于需要钻多深才能钻出水来，科学家们争论不休，也许只需钻10米或20米。
图9-3 火星上的V形沟壑
注：火星悬崖上的这些尖锐的V形沟壑是地表径流曾经存在的有力证据。这些水可能是从悬崖顶部往下1/3处渗出来的，在这个位置，蓄水层的水由于压力而保持液态。
虽然它不是拟人化的外星人或漫画书中的超级英雄所居住的火星，但它是一个现在和过去都可能存在微生物的星球。这颗红色行星远比月球更适宜居住，因为它有大气层，温度也更高，还拥有大量地下水。火星正召唤着我们去造访，甚至希望我们留下来。
移民火星计划
罗伯特祖布林（Robert Zubrin）从未失去信心。他拥有核工程博士学位，发表了200多篇有价值的技术论文。30多年来，祖布林一直坚定地认为人类应该去探索火星。他拥有混合动力火箭飞机、合成燃料制造、磁场帆、盐水核反应堆，以及三人国际象棋等多项专利，但他真正热爱的是火星。他认为，我们能以“靠山吃山”的方式，或者尽可能地利用火星的空气和土壤资源，来降低火星任务的成本和复杂性。他这个大胆的想法被美国国家航空航天局采纳，作为其“设计参考任务”。然而，美国国家航空航天局的进展太缓慢，政府的支持力度又不大，祖布林感到灰心丧气。1998年，他成立了倡导组织“火星协会”（Mars Society）。此外，他还创作了一系列作品，来阐明人类应该前往火星的理由。
当被问及如何通过单程旅行节约成本时，祖布林这样回答：“生命是一趟单程旅行，度过一生的其中一种方式就是去火星，去那里开创人类文明的一个新分支。”
在人类探索史上，火星是一个极具挑战性的目标。问题并不在于能量。飞往火星所需的能量只比飞往月球所需的能量多了www.58yuanyou.com不到10%。问题在于距离。一条高效节能的飞行轨道，单程需要9个月的飞行时间。如果以消耗更多的能量为代价，这趟旅程可以缩短到6至7个月，相比之下，飞往月球只需一个星期。即使是为一个小型乘员组运送两年的物资补给，成本也高得令人生畏。20世纪50年代，沃纳冯布劳恩首先对火星任务进行了技术研究，但他的研究只是毫无希望的设想。他的想法是利用1 000枚“土星5号”运载火箭，在地球轨道上组建一个由10艘宇宙飞船组成的舰队，再将70位宇航员送往火星。他向美国总统尼克松展示了一个按照比例缩小的创意，但尼克松更倾向于使用航天飞机，所以他的创意被淘汰。接着，美国国家航空航天局前局长托马斯潘恩（Thomas Paine）又提出了一个构想。也许是看多了《星际迷航》，他的计划是利用核动力太空拖船去征服月球，并实现月球工业化，具体方法是：先向地球轨道发射一个由空间站组成的舰队，然后每年向火星发射几十艘宇宙飞船，以建造一个火星空间站，来支撑火星移民。毫无意外地，他的报告被里根政府否决了。
2014年，在美国国会的授意下，美国国家研究委员会（National Research Council）重新讨论了载人飞行。在长达286页的报告中，他们直截了当地指出，美国国家航空航天局的战略是不可持续的，也是不保险的，这将阻碍美国在可预见的未来的任何时候实现人类登陆火星的壮举。根据目前的预算，他们认为在21世纪中期之前，人类登陆火星是不可能实现的。这份报告还提出了一个哲学问题：我们究竟为什么要努力将人类送入太空？报告的结论是：如果单纯从实际价值和经济效益来说，的确无法证明其成本的合理性，但这个过程中体现出来的人类的雄心壮志是一笔宝贵的财富。
火星之旅困难重重，因此宇航员必须做好心理准备，还要拥有强大的意志。
第一个风险是辐射。地球上的人受到地球大气层和磁场的保护，能免受高能宇宙射线和太阳耀斑的伤害。在“好奇号”漫游车驶往火星的途中，科学家启用了一个辐射探测器，结果发现深空里的辐射比地球上强烈得多。在长达两年的火星之旅中，宇航员受到的辐射量是同时期地球居民受到的辐射量的200倍（如图9-4）。然而，从长远来看，这趟冒险之旅仅使终生患癌的风险从21%上升到24%。宇宙飞船发生故障的风险可能比这要大得多。
图9-4 不同情况下高能宇宙射线辐射量的对比
注：此表为不同情况下高能宇宙射线辐射量的对比，注意纵坐标为对数坐标。大部分辐射量来自飞往火星所需的1年时间，相当于地球上100年内受到的平均辐射值。
第二个风险是失重。我们已经讨论过，在微重力环境中，宇航员的生理机能会发生潜在变化。俄罗斯宇航员瓦列里波利亚科夫在“和平号”空间站里待了438天，绕地球运行了令人眩晕的7 000多圈，目的之一就是为了看看人类是否能应对火星之旅。据俄罗斯报道，14个月的太空生活并没有给他带来长期的不良影响。祖布林认为，使用过的火星运载火箭末级可以用作平衡物。用1.6千米长的缆绳系住它，并以每分钟2圈的速度转动，就能模拟地球引力；若以每分钟1圈的速度转动，就能模拟火星引力，这样宇航员在登陆火星之前就能适应火星环境（如图9-5）。
图9-5 火星基地设计方案
注：1990年，根据一个名为“火星直击”（Mars Direct）的概念，美国国家航空航天局的工程师祖布林和大卫贝克（David Baker）仅利用现有的技术，就设计出了一个火星基地方案。
第三个风险就是长时间待在密闭空间里。在飞往火星的旅途中，火星旅行者必须在校车大小的舱内度过一年半时间；到了目的地，还要在一个比房车还小的空间里再待上一年时间。“火星500”（Mars 500）任务将6个国际志愿者锁在模拟试验舱内，理论上他们将飞往火星，实际上他们只是在莫斯科待了一年半时间。2011年，所有志愿者“返回地球”。在密闭的空间里，他们中的大部分人都经历了严重的睡眠模式紊乱，所有人的活动水平都有所下降，研究人员将这种情况称为“行为麻木”（Behavioral Torpor）。这个实验清楚地表明，在宇宙飞船或火星上模拟地球生命的节律是多么重要，保持锻炼同样也很重要。
至于这类旅行带来的心理影响，目前还很难判断。飞往火星的旅行者将会是活着的人中最孤独的，这种孤独的感觉，在南极洲过冬的人能体验到一二。他们将只能与少数几个同伴进行实时互动交流，而与远在数千万千米之外的朋友和爱人则只能进行延时交流。他们只能待在密闭的空间里，连最简单的外出散步都无法实现。焦虑的地勤人员和科学家一直监控着他们。他们中如果有人出现了问题，无论是谁，都将无法获得诸如心理咨询或心理治疗之类的实时心理健康服务。
梦想家们并没有知难而退。阿波罗宇航员巴兹奥尔德林如此说道：“前往火星就意味着留在火星——通过这项任务，我们能建立起成为跨行星物种的信心。火星拥有一组奇妙的卫星，这些卫星可以充当离岸世界，宇航员可以在卫星上遥控前置硬件设备，在火星表面建造辐射屏障，从而让火星上的人口数量持续增长。”
在不使用任何政府资源的情况下，两家新组织正努力尝试到达火星附近。灵感火星（Inspiration Mars）由丹尼斯蒂托发起，他是一个工程师出身的富翁，于2001年成为世界上首位太空游客。蒂托计划通过不在火星上着陆的方式来降低成本。他的火星飞越计划耗资10亿美元，打算使用太空探索技术公司的龙飞船的升级版。通过精心设计轨道，他可以在只使用一个发动机的情况下飞抵火星。然而，返程又是一大问题。飞船舱将以51 500千米/小时的速度猛烈撞击地球大气层，这就要求必须用新型材料来制造防热罩。这个项目计划于2021年启动。
“火星1号”（Mars One）由荷兰企业家巴斯兰斯多普（Bass Lansdrop）创立，也计划采用太空探索技术公司的飞船。兰斯多普降低成本的方法，是将4位乘客留在火星。如果他们在这次旅行中活了下来，他们将利用宇宙飞船及其附近被火星风化层覆盖的充气舱体，来建造一个定居点。他们将就地生产水、氧气和一些食物，还将获得由常规补给任务提供的补给，而且每两年就会有来自地球的4位新成员加入他们。渐渐地，他们会在火星上建立起移民地。据兰斯多普估算，首次火星之旅的成本为60亿美元，之后每次的成本将是40亿美元。有些太空专家认为这个计划雄心勃勃，另一些则认为这个计划是不可能实现的，但所有人都觉得这个计划非常大胆。
若想成为火星人，就必须与时间赛跑。这颗红色行星在2018年再次接近地球，下一次则要到2035年了。对灵感火星和“火星1号”来说，2018年是最佳的发射期，但它们都错过了。“火星1号”收到了20多万份在线申请，申请者都希望在火星上生活和终老。2014年，该组织从中挑选出了来自107个国家的1 058份申请，之后继续精减到705份。留下来的人将接受严格的身体测试和心理测试，最终，该组织会从中挑选出24位成员。兰斯多普计划将此项目制作成真人秀史诗，就像《幸存者》、《楚门的世界》（ The Truman Show），以及《火星编年史》（The Martian Chronicles）那样，从而为这个计划筹集资金。
绿化红色行星
让我们暂时忽略火星，来看看地球的邪恶“双胞胎”兄弟金星。金星在大小和质量上都与地球最接近，其二氧化碳含量也和地球相同。但在地球上，绝大部分二氧化碳都被锁在岩石中、溶解在海洋里，海洋因此呈弱酸性，大气层则保持中等厚度，从而避免了气温的日变化和季节性变化过大。
金星与太阳的距离只比地球到太阳的距离近30%，但金星上的二氧化碳都积聚在大气层中，这引发了失控的温室效应，使金星的表面温度升高到了足以熔化铅的程度。谁以爱神之名命名金星，谁就将有一段悲惨的恋爱史。
火星是私生子，是小矮子。它只有地球一半大，引力也只有地球的1/3。下一个离地球最近的类地行星则远在几十万亿千米之外，以目前的科技我们还无法到达那里。火星和地球走的是完全不同的路线。一个生了锈变成了红色，另一个点燃了生命的火花，变成了绿色。火星既干燥又令人窒息，它上面的水被蒸发，大气渗入太空，还受到沙尘暴和宇宙射线的侵袭。火星虽然处在宜居带的边缘，但与火山口或安第斯山脉上的高原一样不适合人类居住。火星上有太阳光，且储存有大量水、碳、氮和氧。地球生机勃勃，火星却死气沉沉。
或许，我们能让火星再次充满生机？
行星工程是科学领域最大胆的构想之一。行星不会一成不变。在地质演化和母恒星演化的共同作用下，不毛之地能变成绿洲，伊甸园也可以变成荒漠。在地质时标里，这个演化过程长达数亿年甚至数十亿年。
让我们来看看地球是如何变化的。地球形成于45亿年前，地球上的矿物表明，在形成后不到1亿年的时间里，地球上就有了液态水，所以可以想象生命就是从那时开始孕育的。若果真如此，生命必定是在39亿年前的“后期重轰炸期”（Late Heavy Bombardment）中幸存下来的，当时太阳系中的不稳定轨道导致陨星撞击频繁发生。那时的生命仅限于原核细胞，即没有细胞核的细胞，大气中也没有氧。大约30亿年前，细菌出现，氧作为细菌的排泄废弃物而产生，但对其他类型的细菌来说，氧气可能是有毒的。19亿年前，大气中的氧含量增加，这有利于真核细胞，即具有细胞核的细胞的进化。当多细胞和有性繁殖出现后，生命就变得丰富多彩了。在27亿年前和7亿年前，剧烈的冰川运动几乎造成生命的毁灭。在年代学最后10%的时间里，生命终于变得足够大，不需要借助显微镜就能看见，植物和动物向陆地进化，继而进化出了哺乳动物、灵长类动物，最终进化出了人类。对一个生物世界来说，发生巨大的变化是很正常的。
近年来，随着工业的发展和化石燃料的消耗，我们在不经意间就改造了地球。地球化是一个过程，通过这个过程，我们可能会改变一颗行星，使其更像地球，或者更适宜地球上的生命居住。
第一步是提高火星的温度，把极区的二氧化碳释放出来，从而触发失控温室效应。这种效应的正反馈过程能推动地球化的进程。虽然火星的二氧化碳大气层的压力仅为标准大气压的1%，但火星土壤中冻结的二氧化碳，足以将火星大气层的压力提高到地球的30%。祖布林和克里斯麦凯（Chris Mckay）概述了实现这一目标的几种方法。麦凯是美国国家航空航天局的一位天体生物学家，他认为，我们有义务在那些潜在的宜居行星上撒下生命的种子。其中一种方法是建造一块100千米的镜子，将大量的太阳光引向火星极区。即使用镀铝聚酯薄膜来制作，这么大一块镜子也会重达20万吨。从地球上发射这么重的镜子很困难，所以只能利用在火星上提炼的材料来制造这块镜子。
另一种方法是利用工业生产设备在火星上生产高效的吸热气体。这种方法虽然能让火星变得适合居住，却会将地球置于不适合居住的危险之中，这本身就是极其讽刺的。这两种方法中的任何一种所消耗的能量，都与诸如丹佛或西雅图这类城市所需的能量相当，而且还需要成百上千的工人来实施。其实还有一个成本更低的绝妙方法，那就是改变小行星的方向，让小行星撞击火星表面，撞击产生的热量会将二氧化碳释放出来，而且小行星还会带来氨（一种非常高效的温室气体）和尘埃，这将使火星吸收更多的太阳光。
下一步是激活水圈：进一步将温度提高到足以使火星表面保持液态水。尽管仍然不适合居住，但在这些条件下，诸如地衣、藻类和细菌之类的极端微生物却能够生长。它们的作用是为光合生物准备表层土。用于此目的的微生物将被改造成最适合它们的工作。如果采用小行星撞击的方式来加热，那么前两步可能需要200～300年的时间。
最后一步是往大气层中加入氧气。氧气是可燃气体，所以在加入氧气时要格外小心，即使在加入氮气等缓冲气体时也要非常小心。在引入或创造原始植物所需的初始氧气时，必须使用强力。当更多的高等植物能在火星上繁殖时，这些原始植物就会成为生产氧气的发动机。将火星的大气改造成适合动物或人类呼吸，需要花费500～1 000年时间。
地球化是有可能实现的，在技术层面上也是激动人心的，但若想知道生命在经过地球化的环境中能否存活，就要借助于科幻小说了。20世纪90年代中期，金斯坦利罗宾逊（Kim Stanley Robinson）撰写了科幻小说三部曲，描绘了一个人口过剩、濒死的地球，以及被称为“首批100人”的一群火星移民先锋。他的作品抓住了人类移民火星时将会面临的伦理问题，讲述了“红方”和“绿方”之间的紧张关系，前者宁愿让火星保持原始状态，后者则希望将火星变成第二个地球。
三部曲讲述的故事非常有趣，其中的物理描述引起了读者的共鸣，甚至令人着迷。《红火星》（Red Mars）是三部曲中的第一部，其中写道：“太阳碰触到了地平线，沙脊渐渐变成了阴影。太阳犹如一颗小纽扣，西沉在黑线之下。现在，天空变成了一块褐红色的穹顶，高云就好像粉红色的苔藓剪秋罗。星星从天空的各个角落冒出来，褐红色的天空又变成了鲜艳的暗紫色，这是一种源自沙脊的电子色彩。夜空仿似清澈暮色下的新月，躺在黑色平原之上。”在阅读了这段节选之后，谁不想去火星呢？
10远程传感
扩展我们的感知
假如我们不需要进行真正的太空旅行就能获得太空旅行的体验，那将会怎么样呢？
将脆弱的人类送进广袤的太空进行长距离太空旅行，并保护人类免受伤害，这是非常困难的，成本也非常高，所以我们应该寻找其他的方法来探索太空。让我们以电子游戏的发展历史为例进行类比。
“吃豆人”（Pac-Man）是史上最著名的街机游戏。这款发行于1980年的游戏，让玩家操控一个黄色小图标在迷宫里前行并吞噬其中的小圆点。其受欢迎程度甚至一度超过了空间射击类游戏，比如“太空入侵者”（Space Invaders）和“行星游戏”（Asteroids）等。然而，据估计，到20世纪末，吃豆人游戏机减少了25亿台。2000年，一款新型计算机游戏“模拟人生”（Sims）问世，玩家在游戏中可以创建虚拟的人物、房屋和城镇，并操控这些卡通角色的虚拟生活。这款游戏的全球销量超过了1.5亿份。从最初的图像游戏吃豆人到模拟现实的3D卡通游戏模拟人生，电子游戏在这20年里飞速发展，那随后的这个20年会带来什么呢？或许我们能从2014年出现的“虚拟现实眼镜”（Oculus Rift）一窥一二，这是一种能让玩家置身于3D虚拟现实中的游戏头盔。对于这种体验，最棒的要数3D电影《地心引力》（Gravity）的戏剧性开场。
太阳系探索的未来可能取决于“远程呈现”（Telepresence）技术。远程呈现技术是一系列技术的集成，它能让人感觉自己就处于远程现场。我们非常熟悉的一种简单的远程呈现技术，就是视频会议。声像投影技术能将来自全世界的与会者连接起来，这个市场正以每年20%的速度增长，价值将近50亿美元。Skype视频通话每年高达2 000亿分钟，占所有国际通话的1/3。其他的例子还包括利用声纳机器人探索海洋深处，利用红外感应机器人探索洞穴深处。对于待在舒适的办公室或家中的操控者来说，机器人是他们的“千里眼和顺风耳”。
当我们通过“好奇号”火星车上搭载的摄像仪器“观察”火星，或者通过它上面的光谱仪“嗅闻”火星大气时，我们就正在使用远程呈现技术。在最新研制的探测车上，美国国家航空航天局都使用了红-绿立体成像技术，但直到“好奇号”火星车发射时，也没能为它搭建一台高分辨率的3D视频摄像仪，美国国家航空航天局因此错失了抓住公众眼球的大好机会。随着漫游车绕着这颗红色行星缓缓移动，电影导演詹姆斯卡梅隆通过操控摄像机，将“你正在现场”的感觉直接呈现在世人面前。
自最后一位阿波罗宇航员漫步月球以来，科技发展日新月异。人类首次登陆月球时，实时而复杂的决策必须由人做出。现在，机器人和机械设备拥有强大的功能，科学家能在很远的地方通过远程控制来操控它们。
40多年前，行星科学家就开始使用远程传感技术了。“海盗1号”和“海盗2号”着陆器设计用于分析火星土壤样本，寻找火星微生物的生命迹象。最初的设计中并没有摄像设备，但卡尔萨根认为，火星表面的图像能引起公众的兴趣。他还开玩笑说，如果火星上也有北极熊，却因为我们没有拍照而错过了它们，那岂不是一大损失？于是，美国国家航空航天局在这两辆着陆器上都加装了摄像设备，其拍摄的火星表面荒凉的沙漠景象立刻激起了公众的兴趣。外太阳系探测器“看”过木卫一上的火山，“听”过木星的磁暴，“闻”过土卫六的大气，“尝”过土卫二上冰凉的间歇泉。
远程呈现技术不仅仅意味着远程传感，它还是一种能让人感觉自己就置身于远程现场的技术。1980年，受科幻作家罗伯特海因莱因（Robert Heinlein）的一部短篇小说的启发，美国语言学家、认知科学家马文明斯基（Marvin Minsky）创造了“Telepresence”（远程呈现）一词。在“狂暴战士”系列（ Berserker）的《刺客兄弟》（Brother Assassin）中，福瑞德萨伯哈根（Fred Saberhagen）扩展了这个概念：
他感觉自己的所有感官，似乎都从主人那边转移到了站在另一边的奴隶身上。当控制动作的指令传输到他身上时，奴隶开始慢慢地向一边倾斜，他移动奴隶的脚来保持平衡，就像移动自己的脚一样自然。头往后仰时，他能通过奴隶的眼睛看到主人阵营，他自己就身在其中，在复杂的悬停指令下保持着相同的姿势。
在太空探索中，这种水平的控制和逼真程度还远远不够，我们正通过电子游戏的虚拟现实来实现目标。电子游戏和科学应用之间的区别在于，电子游戏试图通过数字化来再现人类在现实世界中的体验，而科学则运用技术来数字化地表现和传输真实世界。
远程操控机器人通常被称为遥控机器人，它正以出人意料的方式渗透到人们的生活中。如今，机器人的用途十分广泛，例如拆除炸弹，在危险的矿井中采矿，以及探索深海等。它们还可以充当无人机和医生的助手。我们甚至可以在会议室和工作场所看见它们。很多商用机器人看起来就像顶部有屏幕的真空吸尘器，实则不过是口技表演者的道具。由于机器人给人的第一印象是滑稽，所以一旦意识到在机器的另一端还有一个真人，人们就会感到不安。爱德华斯诺登（Edward Snowden）在“TED2014”大会上发表演讲的情景，就是一个典型的例子。当时，这个备受争议的美国国家安全局（NSA）的泄密者正藏身于俄罗斯，一个屏幕代替他出现在台上，屏幕由两条长腿支撑，而这两条长腿则嵌入一辆自行电动车。斯诺登通过屏幕与主持人进行交流，回答提问时则面向观众，他能看到和听到现场发生的一切。
2012年，在美国国家航空航天局戈达德航天飞行中心，召开了“利用远程呈现技术开展太空探索”专题研讨会，科学家、机器人专家和科技企业家在会上进行了交流。研讨会的其中一个主题是“时间延迟”，即机器人对指令产生响应并将执行结果反馈给操作者所需的时间。时间延迟由光速决定。在地球上，时间延迟基本上为0；在月球上，时间延迟只有几秒；在火星上，时间延迟为10～40分钟；但在太阳系外，时间延迟长达10小时。这就使得实时通信无法实现。
国际空间站上的宇航员已经测试了远程操控一个移动机器人，这个机器人名叫“贾斯汀”（Justin），由德国航天中心（German Aerospace Center）设计制造。贾斯汀的手臂上有4根手指，宇航员通过“触觉”传感器来控制它。这是通过触感技术来实现的，触感技术运用力和震动来再现触摸的感觉。为了避免时间延迟和进出引力势阱带来的成本，对于在月球表面或火星表面开展的操作，未来的探险者可能会在月球轨道或火星轨道上进行远程控制。美国国家航空航天局正在测试“蓝领”（Blue Collar）机器人矿工，这些机器人矿工会挖掘、装桶、倒桶，摔倒后会自行纠正。它们将成为火星探险的前期组成部分，在火星上开采材料来建造设施，为之后到达的宇航员做好准备。同时，欧洲空间局正在研发机器人外骨骼（Robotic Exoskeleton），以便让宇航员能将机器人当作自己身体的延伸部分来进行远程控制。欧洲空间局已经在国际空间站上测试了能执行简单任务的机器人。
远程呈现技术的前沿课题是远程呈现与人工智能的结合，计算机科学领域的先驱明斯基在1980年就前瞻性地预见到了这一趋势。我们没必要只将机器人当作人类的远程延伸，它可以自己处理信息，自己做出决定。这无疑是激动人心的，但也会带来复杂的道德和伦理问题，特别是当这些半自主机器人互相接触时。
大展拳脚的太空机器人
理查德费曼（Richard Feynman）是一位伟大的物理学家，他因在量子理论方面的出色工作而获得诺贝尔奖。他喜欢钻研自然界的运行规律，而他的这种行为是会传染的。1959年，他撰写了一篇颇具影响力的文章，题为《底层还有大量空间》（ There's Plenty of Room at the Bottom）。费曼在文章中断言，计算机小型化还有很长的路要走。他还在文中讨论了机械设备和计算机的制造极限，并意识到也许有一天，技术会发展到可以在单个分子和原子的尺度上操纵物质。
这一天终于到来了。
纳米科技涉及的尺度为十亿分之一米甚至更小。一想到也许某一天世界会被小得看不见的机器人操控，人们就会觉得不安，但这也可能带来巨大的好处。我们通常会通过服用药片来治病。如果服用药片大小的机器人，这个机器人能从内部监控我们的身体机能，并在我们的身体即将出现问题时发出警告，那会如何呢？又或者，服下一颗能释放1 000个微小的分子机器的药丸来杀菌，或者进行骨骼和血管再生呢？费曼期待的是一个我们能“将医生吞下肚”的时代。
有些人认为纳米技术是非自然的，但对纳米技术的研究常常受到生物学的启发。细菌的鞭毛就是一个很好的例子。鞭毛能推动细菌在液体介质中前行。鞭毛连同螺旋桨、万向节、旋翼、齿轮和套管一起，被统称为“分子马达”。癌症治疗是医学应用中的重要课题，目前的治疗方法严重依赖于药物和放射治疗，而这两种手段都会让人变得迟钝，还常常带有毒副作用。纳米机器人能直接到达癌症发生的部位，识别恶性细胞和正常细胞，然后开展治疗，且不会带来副作用，也不会损害免疫系统。纳米机器人在输送药物和再生医学方面的应用前景，让医学研究者倍受激励。在纳米技术的医学应用方面，美国政府的拨款已经超过了20亿美元（如图10-1）。类似的功能将被应用到环境保护中，如纳米海绵不仅能用于清理漏油，中和有毒化学物质，还能用来提高原油开采效率，避免水力压裂的不利影响。
图10-1 纳米机器人在医学上的运用
注：在医学上，纳米机器人或者微型机器将得到广泛运用，如输送药物，修复受损的组织，对抗癌症等疾病。同样的技术也可以用于探索行星及其卫星。
美国军方对纳米技术的投入非常大，很多研究项目都是机密，其中就包括将无人机小型化到昆虫大小去执行监视任务，使用沙粒大小的“智能尘埃”（Smart Motes）监控战场上的毒气，开发能在分子水平上改变结构的武器来保护士兵。
那么，纳米技术又如何应用于太空探索呢？我们和我们的机器代理人之间的一个重大差别是，我们不能变小，但机器人可以。纳米机器人太小了，无法使用电池或者普通的太阳能电池，但微量的放射性物质可以为纳米机器人提供动力。反过来，纳米技术促使我们设计出了新型、高效的太阳能电池，因此，纳米机器人或许能被用来在遥远的地方装配太阳能电池板。
“好奇号”火星车是一台非常神奇的机器，但在纳米机器人面前，这辆运动型多功能车大小的火星车看起来就像一头恐龙。第一批纳米机器人将从环绕火星轨道飞行的宇宙飞船中跳下——在火星的弱引力场中，纳米机器人将随风飘荡，就像一场由智能尘埃掀起的沙尘暴。每个纳米机器人都有一个处理器、一根天线和多种传感器，其中，天线能用来与其他纳米机器人和轨道飞行器通信。所有纳米机器人的皮肤都是由可变形的高分子聚合物制成的，这种材料能优化纳米机器人在气流中的漂移运动，或让气流沿着皮肤表面流过。研究人员已经在毫米尺度上对纳米机器人拥有的这些能力进行了原型试验，所以进一步缩小它们就非常简单了。
对于更复杂的任务，机器人能依靠自身的动力独立完成。美国国家航空航天局的研究人员提出了“自主纳米蜂群”（Autonomous Nanotechnological Swarm）的概念。自主纳米蜂群就是一群直径1毫米的机器人，每个机器人由碳纳米管支柱通过接合点连接而成的四面体构成。每个机器人可以通过缩短或伸长碳纳米管来改变重心的位置，从而朝着正确的方向翻滚移动。想象一下，成千上万的微小漫游车通过神经网络连接在一起，在火星表面呈扇形铺开，开展寻找生命迹象的地质试验。最近，美国国家航空航天局拍卖了这项机器人专利，希望能以此激励创新。
纳米机器人还能将二氧化碳转化为氧气，如果它们能自我复制，就能大大加快火星的地球化进程。当然，火星只是我们的改造目标之一。美国国家航空航天局的研究团队认为，由碳纳米管构成的纳米机器人能承受金星表面900度的高温。继耗资10亿美元、重达数吨的“卡西尼号”后，一个鞋盒大小的航天器就可以向土卫六和土卫二投放遥感纳米机器人。在对小行星进行全面开采之前，纳米机器人可以为我们列出一份贵金属和稀土元素的清单。
在人类开展太空探索时，纳米机器人能为人类提供安全保护。康斯坦丁诺斯马弗鲁第斯（Constantinos Mavroidis）是美国东北大学（Northeastern University）的工程学教授，他组建了一个团队来筹划那些将在未来40年内实现的设想。其中一个设想就是一种强度大、重量轻的航天服，只要在布料层中添加蛋白质分配纳米单元，这种航天服就可以实现自我修复。这种航天服还可以监测宇航员的生命体征，并携带应急药品。当底层有空间时，极限就是天空。
利用太阳能航行
太空旅行之所以很困难、成本很高，其根源就在于它严重依赖于火箭的工作方式。在地球上和太空中，太阳光能用来发电和产生动力。那么，太阳光能用来产生推进力吗？
当然能。约翰尼斯开普勒（Johannes Kepler）发现，彗星的彗尾指向与太阳相反的方向。1610年，他在给伽利略的一封信中写道：“假如船或帆能捕获天上的微风，就会有人勇敢地踏入那片虚空。”1865年，基于詹姆斯克拉克麦克斯韦（James Clerk Maxwell）关于光具有动量和能量，因此可以对物体施加压力的理论，凡尔纳提出了太阳帆的概念。在小说《从地球到月球》（ From the Earth to the Moon）中，凡尔纳写道：“光或电很可能成为（如果我们）前往月球、行星和恒星的动力介质……”
物理学很简单。光子打在任何反射面上后，它们的动量会发生改变，因为速度的方向发生了反向，从而给它们照射到的物体施加一个很小的力。当帆的受光面朝向太阳时，帆就会被推动，远离太阳飞行。太阳帆具备海洋帆的所有功能，包括改变航向。改变太阳帆相对于太阳的角度，就能改变太阳帆的推进方向。太阳帆可以利用光压使航天器减速并降低轨道，从而引导航天器朝向太阳。太阳帆甚至可以像反引力装置一样，利用太阳光压来抵抗太阳引力，从而悬停在太空中的任何地方。
在地球轨道上，光对太阳帆的推动很轻微，与火箭的推动相比，其加速度是非常微小的。火箭燃料终将耗尽，但太阳会一直发光。源源不断的太阳光子产生的加速度能大大提升航天器的速度。太阳帆应该又大又轻，以便尽可能多地捕捉太阳光，从而使航天器获得可能的最大速度。“宇宙1号”（Cosmos 1）的用途是作为利用太阳帆开展行星际航行的原型。“宇宙1号”由行星协会（Planetary Society）和宇宙工作室（Cosmos Studios）资助，宇宙工作室是由萨根的遗孀安德鲁扬（Ann Druyan）创建的电影工作室。1996年萨根去世后，德鲁扬希望这张600平方米的聚脂薄膜帆能成为萨根的“泰姬陵”，以纪念这个曾呼吁我们起锚驶向太空的人。
在巨大的太阳帆上，太阳光会产生约0.5 mm/s 2的微小加速度，经过一天的加速后，速度仅约160千米/小时，但经过100天的加速后，速度将高达16 000千米/小时，而经过1 000天的加速后，速度将达到惊人的160 000千米/小时。不幸的是，2005年6月从一艘俄罗斯潜艇上发射的“波浪号”（Volna）火箭发射失败，导致“宇宙1号”坠入了巴伦支海海底。
虽然太阳帆的研发仍在继续，但人类在太阳帆上的野心和太阳帆的尺寸都在相应地缩小。在立方体卫星（CubeSat）的技术基础上，美国国家航空航天局的一个研究团队建造了纳米帆-D（NanoSail-D）。立方体卫星是一种小型卫星，通过使用标准组件和现成的电子设备来推动太空研究。立方体卫星的边长为10厘米，重量将近1.3千克，比一个魔方稍大一点。大部分立方体卫星都是学术界委托发射的，但包括波音公司在内的一些公司也制造了立方体卫星，一些卫星制造爱好者则在Kickstarter等众筹网站上发起众筹，着手启动自己的立方体卫星项目。
美国国家航空航天局的纳米帆-D为三角形帆，总面积将近10平方米，需要借助3颗立方体卫星来展开。2008年，它的运载火箭猎鹰火箭出现故障，它则不幸被火箭击毁。但美国国家航空航天局坚持了下来，在2011年成功发射了一张一模一样的纳米帆-D（如图10-2）。纳米帆-D仅仅被设计用于测试太阳帆的释放，它在近地轨道上绕地球运行了240天后，烧毁在了地球大气层中。2010年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）发射了“伊卡洛斯号”（IKAROS）太空帆船，它将飞往金星。“伊卡洛斯号”是第一艘完全由太阳帆驱动的宇宙飞船。美国国家航空航天局原计划发射面积达1 200平方米的“太阳帆船”（Sunjammer），但这个计划在2014年年末被取消了。“太阳帆船”这个名字来自英国科幻作家阿瑟克拉克的短篇小说。
图10-2 纳米帆-D
注：美国国家航空航天局研制的这张太阳帆的光线接收面积接近10平方米，2011年释放时，帆和航天器的重量加起来还不到5千克。纳米帆-D由铝和聚酯薄膜制成。
立方体卫星是很多商业太空公司的核心商业项目。在接下来的5年里，全世界将发射1 000多颗纳米卫星，有些比前文介绍的那颗立方体卫星大，有些则比它小。2014年年初，国际空间站上搭载的卫星发射器发射了28颗立方体卫星，用于拍摄地球。2013年，第一颗手机卫星（PhoneSat）被送入轨道，它使用传感插件程序为谷歌智能手机测量磁场、压力及其他参数。如果卫星的发射成本低于1 000美元/千克，任何人都可以参与进来。若在太阳系的行星及其卫星上应用远程传感技术，纳米卫星将成为首选。
和太空电梯一样，太阳帆技术还处于起步阶段。目前的挑战在于发射一张能反射太阳光的薄膜，它的大小相当于一个足球场，厚度是一张纸的1/100。太阳帆发射前要保持紧密折叠状态，升空后再展开，然后用支架或膨胀杆固定。太阳帆产生的加速度很小、很稳定，但当它们到达太阳系外时，它们就要面临输出减少的问题，因为来自太阳光子的总推动力将以到太阳距离的平方规律减少。太阳帆不会“偷懒”，但速度的增加会越来越慢。
因此，一些人正在寻找更激进的方法。电力太阳帆看起来不像帆，其导电刚体线直接从航天器向外呈放射状伸出，电流使导线的充电电压达到20 000伏特。电力太阳帆的电场让它们看起来比太阳风离子厚50米，它们与太阳风离子的相互作用驱动着航天器。磁太阳帆同样利用太阳风，但它们利用磁场让太阳风离子发生偏转，而磁场由环形导线中运行的电流产生。通过反推行星和太阳的磁场，磁场帆可以利用行星和太阳来产生推力。为了能在我们的太阳系“避难所”之外进行探险，我们必须在滑行穿越浩瀚的星际海洋之前尽可能地提高速度。
搜寻地外文明，寻找外星科技
人类自非洲出发开始史诗般的大迁徙至今，已经经历了数千代人。我们有能力在两代人的时间内离开地球，与数千代人相比，这只是一段很短的时间。我们与黑猩猩、海豚、虎鲸和大象等物种共享智力，也许还共享感觉。我们是唯一一种让物质世界按照我们的意志改变的物种，我们还设计制造了计算机、摩天大楼和火箭。我们会是唯一发展出能在自己居住的行星之外探险的技术的生物吗？
回答这个问题的最好方法是利用最快的物质：电磁波。
利用远程传感技术，我们可以对遥远的行星进行分析，并寻找微生物的生命痕迹，甚至越过生物进化中的不确定因素，寻找文明和科技存在的证据。几十年来，科幻作家虚构了很多有关外星人的故事，这些外星人要么具有奇特的生物学特征，要么发展出了远超人类的科学技术。科学家则希望通过“搜寻地外文明计划”（Search for Extraterrestrial Intelligence，简称SETI），发现外星文明。
1959年，《自然》杂志发表了一篇颇具影响力的论文《寻求星际交流》（Searching for Interstellar Communications），在这篇论文中，朱塞佩科科尼（Giuseppe Cocconi）和菲利普莫里森（Phillip Morrison）认为，即使地球之外的任何地方都没有生命存在的证据，我们仍要开展星际信号搜寻。他们在文章中写道：“读者可能会将这些猜测都归入科幻小说领域，但我们认为，或者更确切地说，上述观点表明，就我们目前所知的情况来看，星际信号完全有可能存在，如果星际信号真的存在，那么我们很快就可以探测到它们了。”
科科尼和莫里森认为，我们应该瞄准邻近的类太阳恒星，并搜寻窄带微波信号。射电波不是由恒星自然产生的，因此，如果有来自恒星的射电波信号，就只可能来自邻近该恒星的人工信号源。射电望远镜和大功率的射电发射器在10年前就已经建造好了。那么，去哪里寻找信号呢？可见光不是最佳选择，因为厚厚的行星大气层是不透明的，而且星系中数以十亿计的恒星发出的光是严重的干扰源。射电波段则平静得多，因为恒星不会发射射电波。此外，在1 GHz～10 GHz频率范围内，宇宙环境中有一个特别安静的区域。水蒸气不会吸收这个频率范围内的射电波，因而它们可以在星系间自由地传播很远的距离。这个频率范围也正好是氢原子基态跃迁光谱所在的范围，这一点，任何了解物理学的外星文明都会注意到。
科科尼和莫里森建议天文学家去搜寻这个频率范围，并回应质疑者：“虽然成功的概率很难估算，但如果我们不去搜寻，成功的概率就是0。”
随后不久，在位于绿岸（Green Bank）的美国国家射电天文台（National Radio Astronomy Observatory），年轻的研究员弗兰克德雷克（Frank Drake）将一台口径25米的射电望远镜，对准了两颗邻近的类太阳恒星：波江座（Epsilon Eridani）和鲸鱼座（Tau Ceti）。这就是“奥兹玛计划”（Project Ozma），以《绿野仙踪》中虚构的奥兹国统治者的名字命名。虽然现在已知鲸鱼座的宜居带中有一颗系外行星围绕其公转，但德雷克在他短暂的实验中并没有监测到人工信号。
1961年，德雷克在绿岸射电天文台主持召开了一个小型会议。他回忆道：“在会议召开前几天，我意识到我们需要一个议事日程，因此我写下了你需要知道的所有信息，从这些信息中，你会知道要探测地外生命有多难。如果你将这些量相乘，毫无疑问，你会得到一个数，即N，也就是银河系中可探测的文明的数量。”在最初的公式里，N是以下几个量的乘积：银河系中恒星的平均形成率，拥有行星的恒星比例，这些恒星拥有的宜居行星的平均数量，宜居行星中真正进化出生命的比例，有生命的行星中进化出智慧生命（比如文明）的比例，在太空中可以探测到的文明的比例，处于可探测或者可通信状态的文明的持续时间。
德雷克方程虽然很冗长，却对“搜寻地外文明计划”产生了巨大的推动作用。目前，天文学家已经测量了方程的前3项。后4项不仅是未知的，估算值甚至相差几个数量级。因此，N与它最不确定的因素一样不确定。甚至连德雷克本人都认为，他这个完全靠脑力想出来的公式只是将未知量涵盖进去，并非一个有用的工具（如图10-3）。
图10-3 利用德雷克方程估算出的文明数量
注：德雷克方程是一系列因素的乘积，用来估算目前银河系中可能与我们通信的文明的数量。我们的孤立程度取决于长时间跨度范围内文明的持续时间或存在时间。图中坐标轴上的E代表指数，比如，1E-03就是0.001，1E+03就是1 000。
面对这些不确定因素，“搜寻地外文明计划”的研究者们并没有望而却步。美国国会以“这是在浪费纳税人的钱”为由，缩减了美国国家航空航天局在搜寻地外文明上的项目资金，但世界上仍有很多团体在继续开展研究。其中最著名的是1984年成立的搜寻地外文明学会（SETI Institute），该学会是一家位于加利福尼亚的非营利性组织。该学会正在建造艾伦望远镜阵列（Allen Telescope Array），该阵列有350个天线，位于旧金山东北部，部分资金由微软公司的联合创始人保罗艾伦资助。“搜寻地外文明计划”面临着一个经典的“大海捞针”难题——大海里要有针才行。这片大海中存在数以百万计的潜在目标、数以十亿计的可能频率，以及很多种过滤信号和检测信号的潜在方法。在搜寻了半个多世纪仍一无所获后，继续搜寻外星文明似乎有点不切实际，但“搜寻地外文明计划”的研究人员指出，目前计算机处理能力成倍提升，探测器带宽呈指数增长，他们正乘着时代潮流不断前进。艾伦望远镜阵列完全建成后，其在投入使用的前几个月内的观测成果，就将超过之前所有的研究成果的总和。
相比破译信号中包含的信息，确定射电信号是否为人工信号要容易得多。如果你对此表示怀疑，请回想一下，我们虽然无法与灵长类动物进行交流，但我们和它们共享了99%的DNA。现在请想象一下，我们正试图和外星人进行交流，这些外星人甚至可能没有DNA，我们对他们的形态和机能也一无所知。我们假设，如果外星人能发射射电信号，他们就一定拥有智慧。换句话说，交流方式是很好分辨的。交流介质就是信息。
“搜寻地外文明计划”的研究人员主要运用射电天文学来开展研究，但强大的现代激光技术提供了另一种可能的选择。如果一颗行星上的文明使用高速脉冲激光器发射信号，而不是使用射电发射器发射信号，那么，激光脉冲信号就可能从附近恒星发出的稳定的光中跳出来。如果是邻近的恒星，使用小型望远镜就可以进行光学波段的地外文明搜索。现在，脉冲激光的功率强大到可以和太阳相比——当然仅仅对在十亿分之一秒的时间内沿特定方向传播的脉冲激光而言。
搜寻地外文明的另一种方法，是寻找被外星文明以热量的形式“浪费”的能量。通过红外望远镜，我们能观测到超出了恒星及其周围的行星发出的辐射的正常值的低能辐射。即使是那些没有主动尝试与外界进行通信的文明，也可以通过这种方法进行探测。
“搜寻地外文明计划”更准确地说应该叫“搜寻地外科技计划”，因为即使没有技术，外星文明也可能拥有智力。我们以虎鲸为例来阐释这一问题。虎鲸又被称为杀人鲸，但实际上它们是海豚的近亲。它们能长到9米长，重达11吨，寿命和人类一样长。洛丽马里诺（Lori Marino）来自埃默里大学（Emory University），她用磁共振成像（MRI）分析了一只虎鲸的大脑，结果发现它们的大脑很大，脑组织发育良好，这有利于它们分析自身所在的三维环境。虎鲸的语言非常复杂，而且不同的族群拥有不同的方言。它们十分注重社群关系，成年虎鲸会花很多时间和幼鲸待在一起。虎鲸的捕食方式似乎是一代一代传下来的。这种传播文化信息的能力使得虎鲸被归入精英物种之列，而以前只有人类才被视为精英物种。除了人类之外，虎鲸没有天敌，它们完美地适应了水生环境，也不需要进化出手指和对生拇指。虎鲸永远不会开展地外文明搜索，搜寻地外文明的研究人员在其他星球上发现类似虎鲸的生物的概率也极低。
虽然光的传播速度非常快，但宇宙空间更广阔。离地球最近的类地行星可能在几十光年之外。在生物进化的过程中，如果只有少部分物种能发展出科技文明，那么离我们最近的“笔友”可能远在数百光年之外。当我们接收到地外文明发来的信号时，该文明可能已经衰退或者消亡了。当我们试图离开我们所在的星球时，我们必须准备好面对这么一个事实：宇宙空间可能是一个非常孤独的地方。
在宇宙中，我们要么是“孤独”的，要么是“不孤独”的，每种可能性都会影响我们探索宇宙深空的理由。如果我们是孤独的，那么我们探索太阳系外空间就只是出于好奇，或者为了在地球之外传播人类文明。如果我们不孤独，那么星际旅行就不只是一种尝试，其对地球和人类而言都意义重大。
11地外生活
生物圈3.0
这看起来就像令人兴奋的科幻小说真人秀。1991年，在亚利桑那州的沙漠中，8个男女被关在一个叫作“生物圈2号”（Biosphere 2）的微型生态系统中，这个系统由玻璃和钢铁建造，占地1.2万平方米。他们的任务是在这个自给自足的环境中生活两年，作为未来人类在火星或太空中生活的原型。
得克萨斯州的亿万富翁艾德巴斯（Ed Bass）为这个项目投入了1.5亿美元，对此，媒体的报道五花八门，有的说这是一个乌托邦式的梦想，有的则认为这是一个富翁的愚蠢行为。这些实验者穿着《星际迷航》里的连体服装——这让他们看起来既像技艺高超的专业人士，又像州监狱中的囚犯，这就取决于你怎么看了。他们中只有少数几个人是科研工作者。这座高耸的建筑灵感来自巴克敏斯特富勒设计的网格球顶，但也有一段与创始人约翰艾伦（John Allen）有关的阴暗的背景故事。在新墨西哥州，艾伦领导着一个有些激进的团体。他曾经是一位冶金学家，拥有哈佛大学的工商管理硕士学位。他用佩奥特掌开展实验，并于20世纪60年代末期在旧金山的海特-阿希伯里利区授课。1974年，年轻的耶鲁辍学生巴斯来到艾伦的协同牧场（Synergia Ranch），因为都对环境方面感兴趣，所以两人一拍即合。艾伦有着大胆的想法，巴斯继承了石油财富，他们建造了一艘25米长的帆船，并乘坐这艘帆船环游世界，以进行生态系统和可持续发展方面的研究。后来，艾伦对太空移民产生了兴趣。
随着整个项目的解散，前“生物圈2号”的居民声称艾伦对他们的控制极其严格，这引起了他们的恐惧，减弱了他们的士气。早些时候，简波因特（Jane Poynter）削掉了自己的指尖，所以不得不离开“生物圈2号”去就医。她返回时带了两个神秘的背包，批评者宣称里面装满了补给。第一年，居住者们的体重减轻了10%，所以他们不得不食用外部提供的食物。为了防止二氧化碳浓度过高带来危险，“生物圈2号”里安装了一台二氧化碳吸收器。有关居住者之间的派别冲突和争吵的谣言也时有传出。
与这8人一起进驻“生物圈2号”的，还有一艘载有3 000只动物的诺亚方舟，其中包括35只母鸡、3只公鸡、4只矮脚羊、1只公山羊、2头母猪和1头野猪，以及一些罗非鱼。然而，由于二氧化碳含量不稳定，大部分脊椎动物和所有授粉昆虫都死了。牵牛花爬满了雨林。蟑螂数量激增。一种名为狂蚁（ Paratrechina longicornis）的物种杀死了其他蚂蚁、蚱蜢和蟋蟀，然后直接接管了食物网。它们曾在狂乱中侵扰了一位生态学家，这位生态学家是“生物圈2号”的居住者之一。
情况变得更糟糕了。16个月后，“生物圈2号”中的氧含量降低了25%，相当于海拔4 115米高度上的氧可用量。现场管理团队不得不从外部将氧气注入居住区，这消除了所有鼓吹“生物圈2号”是一个自给自足的密闭环境的主张。随着第一批居住者的离开和新一批居住者的进驻，酝酿已久的冲突终于爆发。1994年4月，现场管理团队在接到联邦警察的限制令后被驱逐。几天后，马克范蒂洛（Mark Van Thillo）和阿比盖尔阿林（Abigail Alling），也就是第一批的两名成员被指破坏了这个项目，他们打碎了玻璃窗，并打开了一个气闸舱和三个紧急出口。第二批的两名成员不得不被替换。第二次任务仅进行了6个月就提前结束了。
也许20年后，我们才能对“生物圈2号”做出公正的评价。大众媒体对“生物圈2号”的报道充斥着不切实际的期望和炒作，随之而来的是严厉的批评。作为一个全密闭环境的原型，这个项目是失败的，但基于“生物圈2号”的研究论文已经发表了200多篇。
“生物圈2号”是迄今为止人类建造的最大的“密闭系统”，包含5个不同的生物群落：带有珊瑚礁的海洋、红树林湿地、热带雨林、稀树草原和雾化荒漠。二氧化碳和氧气的问题被详细记录下来，密闭系统和“肺”建造得尤其好，而且“肺”能让整个系统对温度变化做出反应。生物圈每年泄漏10%的氧气，而航天飞机每天就会泄漏2%的氧气。尽管“生物圈2号”的居民可能私自带进去了一些食物，但他们那3亩土地是历史上最多产的农业试验田。种植在圆顶中的香蕉、甘薯、水稻、甜菜、花生和小麦，为他们提供了85%的食物。在第一年里，他们的体重下降了，但在第二年，随着他们的身体适应了低热量、高营养的饮食，体重又恢复了大部分。离开“生物圈2号”时，大部分人的胆固醇水平、血压和免疫系统指标都得到了改善。
关于海洋酸化对珊瑚礁的影响，我们目前所知的大部分都来自生物圈。在人造湿地中，废水得到了很好的处理。尽管少数物种在短时间内失控，但食物网总体上保持着合理的平衡。在“生物圈2号”建成之前，很多生态学家认为这个实验太复杂，会发生灾难性故障。在实践中，科学家通过严格控制变量，来研究地球系统如何应对环境变化。
“生物圈2号”虽然存在缺陷，但对想在月球或火星上设计一个真正自给自足的密闭环境的人来说，它提供了宝贵的经验和教训。在将人类送出地球之前，需要进行一次高度逼真、首尾相连、持续全程的任务模拟。最后，“生物圈2号”的居民只需打开门，就可以回家——月球和火星上的移民者却很难回到地球。食物生产和氧气泄漏问题并不是生物再生系统所固有的，它们是设计生物圈时产出的特定问题，而且可以解决。大部分问题都是设计者没有预料到的，有些更是不可预见的。复杂的微型生态系统会受到非线性效应的影响，而且这种影响会随时间叠加。这就是“蝴蝶效应”。
移民者不可能只生活在圆顶之中，因此，航天服对他们来说就是一件至关重要的装备。自20世纪60年代以来，航天服几乎没有什么变化。美国、俄罗斯和中国使用的都是庞大而笨重的航天服，这类航天服虽然具有很高的安全性，但缺乏灵活性。航天服必须能应对真空环境和极端温度条件，还必须能防止微陨石的冲击和尘埃的渗透，提供可供呼吸的空气，甚至监测使用者的生命体征。私营太空企业聘请了顶尖设计师来设计新一代航天服。美国国家航空航天局则通过社交媒体发起了一次投票活动，让公众来决定下一代航天服的最终设计方案。获胜方案为Z-2，这款航天服有着塌陷般的褶皱和电致发光的蓝色斑块，看起来非常复古。
Z-2航天服除了样式革新，还有很多实质性的改进。阿波罗时代的生命维持系统，将被航天服背面的两块由吸收材料制成的衬垫取代。其中一块衬垫用于吸收水蒸气和二氧化碳，另一块用于将废物排到太空中，然后互换角色。电子控制单元和电源更小，因而更容易更换。Z-2航天服的背面能附着在宇宙飞船上，同时航天服处于密封状态，这使得宇航员可以从所谓的装备港（Suitport）里爬出来。有了这种航天服，就不必使用复杂的气闸舱，宇航员也因此能在宇宙飞船或者气泡状圆顶外部待更长时间。
20世纪70年代初期，美国国家航空航天局聘请物理学家杰瑞德欧尼尔（Gerard O’Neill），来设计能容纳数千人的在轨运行移民地（如图11-1）。这些巨大的飞轮里有城镇、湖泊、海滩和奇特景观，其视觉效果令人叹为观止。然而，这一构想远远超出了我们目前的能力，倒是有点科幻小说的味道。几年前，英国设计师菲尔波利（Phil Pauley）发布了一个关于海底设施的设计方案，该方案名为“次生物圈2号”（Sub-Biosphere 2），这座海底设施拥有8个栖息区。在等待资助资金的同时，他在沙特阿拉伯建造了一个雨林生态群落，这成为亚利桑那州沙漠中那个有趣但存在缺陷的实验的后续研究。
图11-1 环形太空移民地
注：在20世纪70年代初期，美国国家航空航天局满怀雄心壮志且极富想象力。当时，该机构委托他人创作了一幅描绘环形太空移民地的艺术作品，这些移民地具备人造引力，能容纳10 000人。此类设施的成本将会是天文数字。
“生物圈2号”是一个耻辱，它提醒我们必须开展更多的研究，不仅是为了找出在地球之外生存下去的方法，还为了弄清楚如何在伤痕累累的地球上和谐地生活。
太空社会
一个显而易见的事实是：解决地球上的问题比找到一种在地球之外生存下去的方法要容易得多，也经济得多。
哪些挑战可能会使我们萌生出在太空中找一个新家的念头？太阳的核燃料将在40亿年后消耗殆尽，地球也将随之走向最终死亡。到那时，太阳核心会发生塌缩，太阳的内部物质会进行剧烈重组，并向外喷射气体层，气体层会吞没地球并将地球生物圈烤焦。但在此之前的很长一段时间，随着氢燃料的消耗，太阳的温度会变得越来越高。从现在起大约5亿年后，地球的温度将升高到足以让海洋沸腾。
因为这些时间尺度都非常长，所以我们现在可能并不怎么担心，这是可以理解的。对于将最快到来的危险，最佳的衡量标准来自《原子科学家公报》（Bulletin of the Atomic Scientists）。1947年，一群科学家和工程师设立了“世界末日钟”（Doomsday Clock），以警示我们离世界末日还有多远。气候变化、生物技术和（或）网络技术会影响我们的生活方式和地球，甚至造成不可挽回的伤害。随着核毁灭的威胁逐渐减弱，造成这些伤害的可能性成了世界末日钟距离子夜的时间的影响因素。1953年，世界末日钟被调整到距离子夜2分钟的位置，当时正值冷战的高潮。1991年，随着苏联解体，世界末日钟被回拨到距离子夜17分钟的位置。然而，在2012年，由于一些小的、不稳定国家掌握的核武器数量激增，以及气候变化可能已经过了一个临界点，世界末日钟又被调整到距离子夜5分钟的位置。
很多人就离开地球这一问题发表了自己的看法。卡尔萨根这样说道：“从长远来看，每一个行星文明都会因受到来自太空的撞击而濒临灭绝，每一个幸存的文明都有义务开展星际旅行——不是为了探索太空或出于浪漫的热情，而是出于你能想到的最实际的理由：活下去。”科幻作家拉里尼文（Larry Niven）则言简意赅地道：“恐龙之所以会灭绝，就是因为它们没有太空计划。”我们也许能避开来自太空的撞击，但物理学家霍金发出了有关其他威胁的警告：“在下一个100年，灾难就将很难避免，更不用说下一个1 000年或100万年了。我们若想长久地生存下去，就不能只将目光紧盯在地球上，而要向外扩张到太空中去。”
人类大规模地离开地球是不现实的，毕竟，仅将十几个人送往月球几天时间，费用就高达500亿美元。埃隆马斯克宣称，未来，他会让火星之旅的价格降至50万美元，为现在价格的十万分之一，但目前看来这似乎不太可能。如果地球被污染或者变得不适宜居住，我们就只能住在气泡状圆顶中，然后，我们要么修复地球，要么忍受地球。尽管如此，在21世纪结束前，首批具有冒险精神的人可能会离开地球，在地球之外独立生活。他们将会遇到哪些问题呢？
除了生存之外，他们将面对的第一个问题就是他们的法律地位。众所周知，1967年的《外层空间条约》提出了地外天体的所有权问题，其中第二条规定：“外空，包括月球与其他天体，不得由国家以主张主权或以使用或占领之方法，或以其他任何方法，据为己有。”这条规定看似很明确，但并没有提及个人权利。“火星1号”的首席执行官巴斯兰斯多普表示，他的法律顾问研究了这个条约。他认为：“适用于政府的条约，也适用于这些政府所管辖的个人。”如果“火星1号”的目标最终实现，那么到2023年，将有30人在火星上定居下来。随着移民火星的人不断增加，越来越多的火星土地将被占用。兰斯多普坚称，他们的目标不是获取火星土地的所有权。“允许你使用土地，并不意味着你拥有土地的所有权。”他说，“你也能使用你完成任务所需的资源。但别忘了，很多规则都是很久以前制定的，当时，人类前往火星还显得遥不可及。”
有些太空玩家声称他们的动机是利他的，但他们中没有一个人能在没有收入的情况下实现自己的梦想。当利润成为唯一的目标时，会发生什么呢？
大型跨国公司虽然受到国际贸易法的约束，但它们可能会主张他们有权使用甚至耗尽地外天体上的资源。意图占有月球或火星上的土地的政府，可能会退出《外层空间条约》，而不用承担什么严重后果。即使是“火星1号”，也处在法律的边缘地带。兰斯多普需要为他耗资60亿美元的任务筹措资金：“想象一下，有多少人会对来自新世界的一粒沙子感兴趣！”
在某些情况下，争论会成为现实。从地球的移民史可知，主权主张具有非常大的吸引力。每一个在地球之外出生和死亡的移民者后代，其与母行星之间的联系会越来越弱。或许，他们会对遥远地球强加的规章制度感到愤怒。国际航空与空间法研究中心（International Institute of Air and Space Law）副主任，以及“火星1号”的法律顾问塔尼娅马森-斯旺（Tanja Masson-Zwaan）表示：“我认为，在某些时候，这些移民者将独立于地球，并按照他们自己的规则生活。”
在太空移民的背景下，命定扩张论的历史经验具有误导性。在历史上，很多国家通过占领领土、取代或征服原住居民的方式来获取资源，从而变得越来越强大。即使在21世纪，这一野蛮历史的污点仍然存在。太空是一种新的资源。离开地球的那些人，不会夺走任何人的土地。最终，他们只能依靠自己的双手来获得生存和繁荣所需的一切。他们将创造属于自己的财富。如果他们想独立，他们将不再遵守任何以地球为中心的法律条文。
移民意味着更替和成长。随着新成员的加入，火星移民地会不断扩大，但一种健康、正常的文化是以家庭为中心的，因此会有性爱，也会有孩子。
太空性爱还停留在窃笑和挑逗阶段。太空性爱是都市中的传说，是轨道上的传奇。每隔几年，美国国家航空航天局及其俄罗斯同行，就会不胜其烦地否认宇航员有过性生活。宇航员也都守口如瓶。官方政策则禁止这种行为。有几个原因，让零重力情况下的太空性爱变得很棘手。一是在太空中，血液流动不如在地球上那么顺畅，因此男性勃起会遇到困难。二是汗液的层层堆积，让亲密变得不那么愉悦。此外，物理学也会成为障碍：最轻微的推动就能使物体产生运动。美国国家航空航天局宇航员凯伦尼伯格（Karen Nyberg）曾进行了演示，她用自己的一缕头发推动自己穿过舱室。约束带和安全带也是必需品。不过，考虑到人类的聪明才智和欲望，太空性爱有可能在国际空间站上某个安静、昏暗的角落里发生过。然而，所有的任务日志中都没有记录。
在火星上，性爱障碍要少一些。火星表面的引力只有地球的40%，因此，宇航员的身体只需进行轻微的调整。除了禁止性交，宇航员全部为男性或者全部为女性也能巧妙地解决这一问题。更具争议的是，有人建议第一批移民者进行自愿绝育。“火星1号”准备为它的移民者提供避孕用品，但在火星上使用这些避孕用品的效果如何，还不得而知。“火星1号”的医疗顾问诺伯特克莱弗特（Norbert Kraft）表//www.58yuanyou.com示，他们将“让移民者意识到与性爱有关的风险”，但他对此并没有十足的把握。第一批火星移民将在火星上死去，他们知道火星上的医疗设备很简陋，所以应该不会想要孩子。但随着移民地的扩张，移民者终将受到生物学和人类文明的支配。
即使“火星1号”的计划野心勃勃却不切实际，但移民太空最终是有可能实现的，因为众多获得了资金支持的先驱者会将这个梦想变成现实。
当一小群人像新枝那样从树根长出来时，他们将成为什么样的人？
进化性趋异
想象一下，第一个婴儿诞生在地球之外的情景。这一事件将成为非凡的里程碑，重设人类存在的时钟。在阿瑟克拉克的短篇小说《摇篮之外，无休止的转圈》（ Out of the Cradle，Endlessly Orbiting）中，月球基地的一位工程师在妻子分娩时正准备迁往火星。婴儿发出的第一声响亮的啼哭使他内心深受震动，比任何火箭或飞船的轰鸣还要震撼。
在地球之外重新开始需要多少人？在保护生物学与生态学中，有一个概念叫“最小存活种群”（Minimum Viable Population）。这是一个物种在自然环境下，从自然灾害、人口结构变化以及遗传变异中存活下来的种群数量下限。在动物种群研究中，为了避免近亲繁殖，大约需要500只成年动物，而要让一个种群从起源到灭绝的典型进化寿命达到100～1 000万年，则需要5 000只成年动物。这些只是粗略估计，在生物学中，这些数值被用于估算生物灭绝的概率。在美国，最小存活种群模型促使了1973年《濒危物种保护法案》（ Endangered Species Act）的颁布。
对人类而言，在遇到严重的人口瓶颈时，最小数量的意义就凸显出来了。如果一个物种的种群数量因环境灾难而锐减，那么剩余个体的遗传多样性也会大幅减少，且只能通过随机变异的方式缓慢增长。同时，剩余种群的稳健性也会变弱，因而更容易受到其他不利事件的影响。即使幸存者是适应能力最强的个体，也不例外。此外，近亲繁殖的可能性也更大，后代具有隐性特质和有害特质的概率也会增加。
当遗传学家对黑猩猩和人类的DNA进行测序时，他们得到了一个惊人的发现：一个由30～80只黑猩猩组成的单独种群的遗传多样性，超过了当今所有70多亿人。自600万年前人类与黑猩猩分化以来，人类的遗传多样性一直在进化，但仍然不高。对人类有限的基因变异的研究表明，人类大约在6万年前走出非洲，而在这之前的某个阶段，人口数量可能减少到了只有2 000人。有些遗传学家推测，这一人口瓶颈是由印度尼西亚的多巴（Toba）超级火山爆发造成的，并导致了重大的环境变化。不管原因是什么，我们的基因组成都暗示了这样一个事实：人类曾处于危险状态，甚至处于灭绝的边缘。
对于如何确定一个太空移民地的存活种群的大小，更近的人类历史提供了更好的例子。当一个较大种群中的一小部分个体建立起一个新的种群时，新种群会受到“建立者效应”（Founder Effect）的影响。进化生物学家恩斯特迈尔（Ernst Mayr）是对这种效应进行描述的第一人。来自原始种群的遗传变异和遗传分化会因建立者效应而丧失。
1790年，弗莱彻克里斯琴（Fletcher Christian）和另外8个“邦蒂号”（HMS Bounty）的反叛者，以及12位波利尼西亚妇女在皮特凯恩岛（Pitcairn Island）上定居下来。皮特凯恩岛是南太平洋上的一个火山岛，常年海风肆虐。岛上现有的50位居民都是这些“建立者”的后代。1814年，15位英国航海者定居在遥远的特里斯坦-达库尼亚群岛（Tristan da Cunha）。特里斯坦-达库尼亚群岛位于南非和南美洲之间的大西洋上。到1961年，岛上的人口增加到了300人，后来因为火山爆发，所有人都撤到了英国。这些小种群使得当地居民的后代易受遗传异常的影响。在皮特凯恩岛上，克里斯琴遗传了一种基因，这种基因会导致帕金森氏病。而在现今的特里斯坦-达库尼亚群岛上，当地居民患退行性眼部疾病的概率是正常人的10倍，这种退行性眼部疾病能导致失明。
不过，你完全没必要就待在一个岛上或者火星上，而遭受遗传隔离。宾夕法尼亚州兰开斯特的1.8万个旧教条派的阿什米人（Old Order Amish），是18世纪早期从德国移民过来的几十个人的后裔。不幸的是，出生在这个社区的婴儿患上一种极其罕见且致命的遗传病——头小畸形的概率非常大。
对一个太空移民地来说，最合适的大小可能与一个小村庄相当。佛罗里达大学的人类学家约翰穆尔（John Moore）开发了一款模拟软件，用于分析小种群的生存能力。他认为，一个长期存活的种群的最佳数量为160人。这一数量可以通过审慎的遗传选择而减少，从而将近亲繁殖的可能性降到最低。
如果太空移民者无法从母行星获得“新鲜血液”，他们的基因池就将经历基因漂变（Genetic Drift）——由随机取样引起的基因变异或等位基因频率的变化。种群越小，这种影响就越大。基因漂变会导致遗传变异减少，进而降低一个种群面对新的选择时抗击压力的能力。这听起来可能很糟糕，但在地球上，基因漂变和建立者效应是进化的主要驱动力。它们导致了新物种的产生。
数代之后，移民者就会开始进化。我们可以猜猜将会发生哪些变化。火星的弱引力将改变心血管系统，并减少承重骨骼和肌腱的横截面积。在地球上，人类的进化将会加速——身高更高，体毛更少，肌肉更弱，牙齿更小。缺乏多样化的自然环境可能会导致免疫系统变弱。另一个挑战是保持感官刺激和智力刺激，从而保持大脑敏锐。
如果地球之外的人类无法再与那些从未离开地球的人进行交配，并生下健康的后代，那么就将会进化出一个新物种。我们知道，这需要很长时间。大约1.4万年前，一小群人踏上了前往美洲的单程之旅，而当欧洲人在500年前遇到他们时，两者仍然是同一个物种。澳大利亚和巴布亚新几内亚的一些种群已经被隔离了3万年，但并没有形成新的物种。对于月球或火星上的移民者来说，不同的物理环境和由宇宙射线引起的更高的变异发生率将加速这一过程。
最终，经过几十万年和几千代人之后，当第一个在地球之外出生的婴儿的啼哭只是祖先的记忆时，移民者就将发展成熟。他们和我们将不再一样。想象一下，移民者生活在完全孤立的环境中，有一天，我们遇见了这些离开地球的人的祖先。他们拥有自己的语言和文化，和我们只有部分相似。对每一方而言，都像是在看一面诡异扭曲的镜子。
我们的半机械人未来
这是科幻电影中最经典的场景之一。在邪典电影《银翼杀手》（Blade Runner）中，当“银翼杀手”瑞克戴克（Rick Deckard）即将从高楼边缘滑落时，复制人罗伊巴蒂（Roy Battty）向他伸出了援手。巴蒂用他那超人般的力量将戴克拉了上来，扔到了楼顶。然后，巴蒂盘腿而坐，等待着他预先编程设定的4年寿命的终结。他对戴克道：“我见过你们人类无法置信的事情……战舰在猎户座的肩上熊熊燃烧。我见过C射线在星门附近的黑暗中闪耀。所有这些时刻都将消失在时光中……就像雨中的泪水。死亡的时候……到了。”
罗伊巴蒂是一个半机械人（Cyborg，又称为“赛博格”），原型出自菲利普迪克（Philip Dick）的小说《仿生人会梦见电子羊吗？》（ Do Androids Dream of Electric Sheep?）。“Cyborg”一词是“Cybernetic Organism”（生控体系统）的简写，由曼弗雷德克莱因斯（Manfred Clynes）和内森克兰（Nathan Kline）于1960年创造。克莱因斯是一位天赋极高的钢琴家和发明家，也是位于纽约奥兰治堡的罗克兰州立医院的首席研究科学家。克兰是克莱因斯的老板，也是一位医疗研究人员，发表过500多篇论文。他们设想，人与机器之间的亲密关系或许有助于探索太空的新前沿：“将人的身体机能改造成能适应地外环境的要求，比在太空中为人类提供一个地球环境更合乎逻辑……人造生物组织能扩展人的潜意识，并进行自我调控。”
尽管半机械人只存在于反乌托邦式的科幻小说中，但在肉体和机器的融合方面，我们一直在缓慢前进。
替换身体的某些部位，比如心脏、手臂和腿等，早已经很常见了，但半机械人意味着增加并增强原来的人所不具备的能力。传统医学已经在研究这个领域——相比原生肢体，机械肢体的功能更强大，灵活性更好，而人工耳蜗可以感知正常人听不到的声音。（我们已经看到了现代版的半机械人托尼斯塔克，也就是马斯克。）脑机接口能让大脑与外部设备直接进行交流，现被用于恢复盲人的视力和瘫痪者的行动能力。美国国家航空航天局已经研发出了机器人外骨骼X1来增强宇航员的能力——钢铁侠正在成为现实（如图11-2）。
图11-2 机器人外骨骼X1
注：罗杰罗韦坎普（Roger Rovekamp）是美国国家航空航天局的项目工程师，他演示了机器人外骨骼X1。机器人外骨骼X1由约翰逊航天中心的先进机器人开发实验室（Advanced Robotic Development Lab）研发，用于增强宇航员的能力。
尼尔哈比森（Neil Harbisson）是一位英国艺术家，他天生就没有感知颜色的能力。2004年，他戴上了头戴式的“电子眼”（Eyeborg），一种能将颜色转换成振动的设备，哈比森能通过头骨听到这种振动。他戴着电子眼出现在护照照片中，因此成为第一个合法的半机械人。摄像头扩展了他的感知，让他能听到次声和超声，看到超出正常人视觉范围的红外线和紫外线的颜色。他希望通过外科手术般的技术将这个设备永久地固定在自己的头骨上。他描述了这个软件和他的大脑是如何联合起来，带给他丰富的感觉的。
在现代文化中，半机械人引起了人类的共鸣，体现了自由意志与机械决定论之间的矛盾关系。它们让人想起玛丽雪莱（Mary Shelley）笔下弗兰肯斯坦创造的怪物，它被电激活后，轻松地击败了它的创造者。
在研究半机械人可接受性方面，代表人物是英国雷丁大学的控制论教授凯文沃里克（Kevin Warwick），他是第一批进行植入实验的人之一。1998年，他将一块无线射频识别芯片（RFID）植入自己的手臂。4年后，他在自己的手臂神经中植入了一块有100个电极的芯片。这使得他可以将自己的神经系统延伸到互联网，并远距离遥控一只机械手臂。沃里克的妻子也植入了这种芯片，当有人与他妻子握手时，在大西洋彼岸的沃里克也能感受到同样的感觉——一种奇特的控制论范畴的心灵感应。“把一些设备塞进你的身体，使机器和你的神经、大脑融为一体，这是一种全新的体验。”沃里克说，“这就像摆在我们面前的最后一片未开发的大陆。”
半机械人技术不仅存在于研究实验室中，还转入了地下。当沃里克进行植入时，他雇用了一组训练有素的外科医生。一个马铃薯削皮器和一瓶伏特加，就能让勒菲特埃勒尼姆（Lepht Anonym）满足。她是数量日益增多的生物黑客中的一员。生物黑客又被称为“研磨者”，是一群自己动手为自己植入设备的人。埃勒尼姆曾说：“在某种程度上，我已经习惯了疼痛。对像我这样的人来说，麻醉剂是一种非法药品，所以我们学会了在没有麻醉剂的情况下生活。”她在YouTube上的视频，为她树立了生物黑客运动的年轻面孔的形象。对地下生物黑客来说，计算机是硬件，应用程序是软件，人是湿件。在指尖植入强大的稀土磁铁，是成为生物黑客的一种很流行的方式。稀土磁铁可以让人感觉到各种各样的电磁场，但在地铁穿过地下和头顶上方有输电线的情况下，这种作用会失效。一旦学会了如何将设备微型化，生物黑客们就会为自己植入医学传感器，这种医学传感器不仅能与智能手机进行对话，还能与一种通过回声定位让手指“看见”事物的设备连接起来。这已经超越了感官延伸的范畴，进入了创造全新的感官的领域。
一场名为“超人类主义”（Transhumanism）的哲学运动，为控制论和半机械人提供了支持。超人类主义是一场全球性的文化和智力运动，旨在利用技术改善人类的生存状况，其中包括彻底延长寿命，提高身体和精神方面的能力。尼克博斯特罗姆（Nick Bostrom）和雷库兹韦尔都是杰出的超人类主义者。博斯特罗姆是牛津大学的哲学家，他评估了人类长期生存下去将面对的各种风险。库兹韦尔是工程师和发明家，他普及了奇点的概念，并认为在不远的将来，我们能够利用科技超越自身的身体极限。超人类运动引起了很多人的关注。作家弗朗西斯福山（Francis Fukuyama）认为，超人类主义是“世界上最危险的思想之一”，但在作家罗纳德贝利（Ronald Bailey）看来，这是一场“体现了人类最大胆、最勇敢、最富想象力和最理想化的抱负的运动”。沃里克致力于研究超人类主义的起源，他表示：“我从未想过只以一个渺小的人类而存在。”
超人类主义可能会带来太空探索革命。如果我们遵循纳米技术的发展路径，太空探测器将会越来越小，制造和推进太空探测器的成本会越来越低，因此，我们能够探索太阳系广阔的新领域。或者，我们可以将机器人作为我们的代理人，而我们只需待在地球上舒适的控制室里。我们甚至有可能拥抱在《银翼杀手》中看到的未来——半机械人被派去开展艰苦的太空探索工作。人类不仅赋予了半机械人人工智能和超人般的能力，还为其设置了一个“死亡开关”，以防出现问题。半机械人也许会成为我们隐喻意义上的孩子——人类的后代，在人类灭亡很久之后向宇宙中扩散。
乳白色的光出现了，我却感到疲惫不堪。我浑身酸痛，动弹不得。我的手指不由自主地抽搐，就好像是别人的。渐渐地，无法阻挡地，我的胳膊、腿和皮肤恢复了知觉，就好像这种感觉是从深井的底部被找回来的。
我颤抖着睁开了双眼。我头顶上的面板记录着我的生命体征。在我身旁的密封铍棺中，100位旅伴正从接近死亡的休眠中慢慢醒过来。另一块面板上显示着方舟所在的位置。它正在一条稳定的轨道上围绕着半人马座B1星运行。我在离家40万亿千米的地方——尽管我努力将这个想法抛诸脑后，但它仍然深深地刻在我的脑海里。
我们还有很多事情要做。我们目标明确，但很少交流。大家都尽量不去想那18个基地的情况，当盖子滑开时，一个全身冰冷、没有意识的人出现在我们眼前。接着，我们又发现了更严重的问题。“方舟3号”上的遥测装置显示，它已经穿过了半人马座星系，正飞向广袤无边的星际空间。一颗流星撞坏了太阳帆，而“方舟3号”上的人无法使用刹车制动。一想到这儿，我就不寒而栗。
80个人能开创一个新世界吗？
渐渐地，大家又熟悉热络了起来，我们的精神也振奋起来。进餐时，我们会讲笑话，戏弄彼此。我们像飘浮的货物一样，飞过了遥远的距离，比以往所有人到过的最远距离还要远上1 000倍。我在方舟上唯一的窗户前停了下来，凝视着窗外。太阳被淹没在一片星海里，就像一朵毛莨落在天鹅绒上，无处可寻。无论接下来会发生什么，我们都应该为所取得的成就和这趟冒险之旅感到自豪。如果我们中有人说自己不害怕，那他肯定在撒谎。
乳白色的光再次出现。我们驾驶着穿梭舱一路颠簸着穿过大气层，寻找合适的着陆点。从地球上看，我们的新家只是一个暗淡的点。前期的遥感探测表明，这是一个生机勃勃的世界，空气中充满了光合作用产生的气体，但在到达之前，对于这个我们将生活于此并死于此的世界，我们仍知之甚少。我们的任务是飞越广袤的虚空，以期在另一侧找到一个安全的居住地，这是一场豪赌。
我们6人都有些紧张不安，互相斜睨了一眼。飞行员目不转睛地盯着屏幕。我们下方是一片扭曲、模糊而陌生的景象——没有令人安心的平原或草原，根本就不像热带草原，也没有一望无际的美景。
终于，我们在快速流动的云层下方瞥见了一片陆地。减速，颠簸。我们穿上服装，进入气闸舱，就像即将去探索秘密花园的孩子一样兴奋。
无法描述的景象总是难以用语言来形容。我们降落在一片青翠的山谷里，两侧是陡峭的悬崖，上面爬满了藤蔓。水从悬崖上滴落下来，部分崖顶隐没在厚厚的云层里。山谷里则是一片茂密的植被。我们看到了很多植物，但没有看到动物。一切都显得怪异而失衡：引力比地球上弱，所以我脚步轻快，但大气比地球上厚，因此我不得不努力抵抗那种令人窒息的感觉。我们都戴着清洁面罩，以保持大气的可呼吸性，并过滤掉可能有害的微生物。出于本能，所有人都站在离着陆器很近的地方。
这是一片沼泽还是香格里拉？不管怎样，我们都已经没有回头路了。
我们很快就搭建起了栖息所。只要按一下按钮，由碳纳米管制成的记忆薄膜就会展开，然后在我们头顶膨胀成高达6米的圆顶。接着，我们又安装了两个气闸舱，剩下的时间就用来装配生活空间。在接下来的一个星期里，剩下的人员会降落在地表，加入我们的行列，到那时，方舟就会成为一艘空的、在轨运行的废弃船体，再也无法进行航行。
我们既不知所措，又极度兴奋，同时还心神不宁。我的内心五味杂陈。我想独自待着，却又觉得这样做似乎很奇怪，因为作为一个团队，我们已经非常孤独了。中途休息时，我漫步离开了圆顶，沿着一条小溪前行，这是穿过这片错综复杂的山谷的唯一方法。环顾四周，我发现了一些奇怪的事情。这里没有树。我弯腰捡起一些石头，见它们的矿物形态是我所熟悉的，我的心才放了下来，至少地质学是通用的。
透过眼角的余光，我看到有什么东西在动。我原以为是一片苔藓，凑近一看才发现，竟是一张由卷须织成的精致的网，正在移动和生长。它们荡漾旋转，就像地毯自己在编织一般。一切看似混乱无序，但突然，那些卷须形成了螺旋状和复杂的几何图案。然后，这些图案又突然消失了。我凝视着那些卷须，呆若木鸡。
12飞向恒星之旅
远方的家
“预测往往困难重重，尤其是预测未来。”丹麦物理学家尼尔斯玻尔（Niels Bohr）如是说。预测是科学方法的核心部分。在微观层面，科学家会预测实验或者测量的结果；在宏观层面，科学家通过将自然定律外推或预测自然定律在新的条件下如何运行，来了解我们所处的世界。
在事后看来，很多预测都显得荒谬可笑。一个典型的例子是，1943年，IBM董事长托马斯沃森（Thomas Watson）表示：“我认为全世界只需要大概5台计算机。”还有一个例子是，数字设备公司（DEC）的创始人肯奥森（Ken Olsen）在1977年说：“任何个人都没有必要在家里放一台计算机。”在信息技术领域，还有很多类似的错误判断，例如，以太网的发明者认为互联网会在1996年崩溃和消亡，YouTube的创始人则认为他的公司会在2002年倒闭，因为没有那么多视频供用户观看。到2014年，仅记录在案的，就有20亿台个人计算机、20亿个网站和400亿小时的YouTube视频观看量。
对计算机和信息技术方面的预测往往低估了其发展进度，而对太空旅行的预测则往往高估了其发展速度。1952年，作家亨利尼古拉斯（Henry Nicholas）搜集了人们对2000年的预测，这些预测均以“最伟大的科学家，包括许多著名的诺贝尔奖得主的严肃结论”为基础。预测者认为，到2000年，行星际旅行将会很普遍，还会有很多月球基地，城市大小的空间站将在轨围绕地球运行。不到10年前，伯特鲁坦曾预测，到2018年，进入过太空的游客数量将多达10万，但目前仍然只有7人完成了太空旅行。预测与现实之间的差异如此巨大的原因在于，信息技术进步是因计算机、路由器和手机等的内部元件微型化而呈指数增长，太空旅行却必须处理像人类这样的大型物体与顽固的物理定律。
预测未来或许是一件徒劳无功的事，但也有一些关于我们在不久的将来飞越地球的有根据的猜测。
2035年，商业太空产业蓬勃发展。随着高效、可重复使用的轨道飞行器成为常规飞行工具，太空旅游的价格将大幅下降，届时，太空旅游将从高端旅游变为中产阶级也可体验的冒险活动。一些令人讨厌的事物也将随之而来，比如太空真人秀、花哨的轨道广告和零重力性爱旅馆。
2045年，月球和火星上将会出现一些具备可行性的小型移民地。移民者能获得来自地球的再补给，并与新成员进行轮换，还成功地开创了从土壤中提取水和氧气的技术。他们在地球之外生活，并留下少量的环境足迹。有着地缘政治野心的富裕国家将为此买单。
2065年，采矿技术已经非常先进，人类能从小行星和月球上矿产资源丰富的地区获取资源。太空贸易催生了一种新的商业模式。联合国和其他国际机构竭力阻止这个新领域变成“狂野的西部”，对于这些机构的主张，企业组织通常会置之不理。
2115年，一批在地球之外出生的人成年，他们从未到过地球。移民者获得了高度自治权。地球之外的国民生产总值（GNP）与地球上富裕国家的相当。若非出于经济或政治上的需要，我们不会飞越太阳系，但梦想家却不得不去尝试。
我们该去往何方？星际空间旅行的重重困难，将我们限制在了最近的适宜居住的地方。有证据表明，在距离地球最近的类太阳恒星半人马座B星周围，有一颗地球大小的行星围绕其运动。这颗系外行星与半人马座B星之间的距离，比水星到太阳的距离要近得多，它的表面温度为1 200 ℃——温度太高了，它的表面极有可能是岩浆。仅仅根据现有的多普勒数据，我们还无法探测到更远的类地行星。半人马座B星有一颗双星伴星，其轨道很宽，因此不会扰乱宜居带内的行星的轨道。半人马座B星距离宜居带0.7个天文单位，更亮的半人马座A星距离宜居带1.3个天文单位。这个双星系统为发现宜居行星提供了双重机会。
当我们等待着更丰富的数据时，数值模拟为我们带来了希望。2008年的一项研究，探究了半人马座B星周围的岩石物质盘是如何形成行星的。对于数百颗月球大小的原行星岩的轨道运动，科学家进行了长达2亿年的追踪（在一台功能强大的计算机上，这只需要几个小时的时间）。尽管系外行星的类型和数量取决于盘的初始条件，但就平均而言，数值模拟的结果是半人马座B星周围的岩石物质盘形成了20颗岩态行星，其中10颗位于该恒星的宜居带内。对半人马座A星来说，统计结果应该是相似的（如图12-1）。
图12-1 对半人马座系统中的行星的数值摸拟
注：对半人马座系统中的系外行星的数值模拟结果。在每颗恒星周围，很容易形成类地行星，它们的质量和距离分布与内太阳系的情况相似（内太阳系的情况见图中上方所示，以供参考）。
2013年，安东尼冈萨雷斯（Antonin Gonzalez）将这项研究往前推进了一步，他在数值模拟中估算了系外行星的“地球相似指数”（Earth Similarity Index）。这个指数衡量了行星与地球的相似程度——根据表面温度、逃逸速度、大小和密度来估算这个指数，0代表与地球完全不同的行星，1代表与地球完全相同的行星。金星的地球相似指数为0.78（大小相似，但温度更高），火星的地球相似指数为0.64（比地球小，温度更低）。在计算这个指数时，我们假设了我们所知道的对生物友好的条件。如果系外行星上存在基于完全不同的化学或代谢基础的生物，可能我们就无法识别它们，甚至不知道如何定义它们。
在模拟的系外行星中，有5颗被认为能支撑光合生物。它们的地球相似指数分别为0.86、0.87、0.91、0.92和0.93，其中2颗甚至比地球更适合生命居住。
这听起来很振奋人心，但我们不能在还没有确定的情况下就飞行数万亿千米。如果一颗行星没有一个富含氧气的大气层，我们就必须在太空中创造一个人造环境，或者对火星进行地球化改造。在通过地球化火星来获得适合生命的大气层方面，美国国家航空航天局已经展开了可行性研究。其中的技术挑战不是问题，但需要对现有技术进行工业规模的应用。科学家对整个改造过程所需的时间和成本进行了估计，最佳估值分别是1 000年和10 000亿美元。一颗系外行星的大气组成与地球的大气组成越接近，对其进行地球化改造就越容易。
对天文学家来说，氧气是最佳的“生物标志物”，或者说是其他行星上的生命示踪物。如果地球上的生命形式也代表了其他行星上的生命形式，那么，低氧含量就意味着微生物的光合作用，而高氧含量则是植物生命存在的信号。换言之，如果地球上的生命在一夜之间全部死亡，那么，我们呼吸和依赖的氧气分子中的1/5将在几千年内消失，因为它们会与岩石和水发生反应。大气中大量的氧是很难仅靠地质作用来维持的。一种相关的生物标志物是臭氧，虽然臭氧的含量比氧低得多，但它的光谱特征很强。另一种生物标志物是甲烷，由化石燃料和腐烂的植被产生。虽然现在地球上的甲烷浓度很低，但在距今35亿～25亿年前，甲烷是由一种叫作产甲烷菌（Methanogens）的微生物产生的，其含量就和现在的氧含量一样高。水蒸气也是一种生物标志物，因为我们假设没有水就没有生命。
在实践中，天文学家需要探测多种生物标志物，在真正看到生物之前，还要将光谱与行星的化学模型和地质模型进行比较。一种可能的探测方法，是将来自类地系外行星反射的微弱光线分解成光谱。如果光谱中出现臭氧、氧、甲烷和水蒸气的某些组合的吸收线，那么，探测结果将会立刻成为头条新闻，因为这是首次在地球之外发现生命。但这些生命有可能是微生物，而且没有它们的图像，因此，公众可能很快就会失去兴趣。但在科学层面，这将会是一项重大的发现。在我们于其他星球上发现生命之前，地球上的生命就有可能是一个独特的意外。
探测生物标志物所需的技术目前还不www.58yuanyou.com成熟，只在木星大小的系外行星上测试过，据研究人员预测，这类行星上是不存在生命的。在用哈勃空间望远镜对6颗系外行星进行基于概念验证的观测时，研究人员探测到了钠蒸气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳和水。如果对与地球质量一样的系外行星进行此类观测，就需要新型空间望远镜或采用新的图像锐化方法的地基望远镜。大部分研究人员期望在未来10年内做出关键性的观测。根据开普勒太空望远镜发现的类地行星的频率来计算，离我们最近的类地行星可能在十几光年之外。如果我们足够幸运，它可能会离我们更近。
如果回顾一下本书开篇介绍的小范围迁徙，我们会发现，人类从非洲到智利的迁徙之旅，与人类的摘星之志一样宏伟。人类的摇篮在非洲东北部。为了寻找食物，一个精干的狩猎采集者可能会跋涉16千米，但在没有食物和庇护所保障的情况下，人类迁徙的距离是这个距离的1 000倍——这个倍数，与最近的恒星到地球的距离和太阳系大小之比是一样的。
历经1 000代人之后，人类迁徙到了东南亚茂密的森林和幽深的山谷里。又历经了2 000代人之后，人类流浪到了西伯利亚贫瘠的冻土地带，并穿过大陆桥到达阿拉斯加地区。此后又历经了几百代人，人类到达了中美洲地峡的繁茂雨林和湛蓝水域。之后，又历经不到100代人，人类到达了地球大陆的南端。海风吹拂的巴塔哥尼亚（Patagonia）蛮荒海岸，夜空中的繁星朝着相反的方向旋转，这些场景对于那些拥有非洲热带草原文化记忆的人来说，就像系外行星一样陌生。
制造更好的发动机
通过下面这个比例模型，我们就能理解为何星际旅行是太空探索中的长期目标。
若将地球缩小到乒乓球大小，月球就是一颗0.9米外的弹珠。如果将地球放在你的鼻子前面，地月距离就和手臂长度相当，这就是人类探险的全部范围。在这个太阳系的比例模型中，太阳系被缩小到了一亿分之一，太阳就是一个位于90米外、直径为2.4米的炽热气体球，海王星则在6.4千米外，且只有一个沙滩球那么大。在这个比例尺下，离太阳最近的恒星与乒乓球大小的地球之间的距离为4.8万千米，超过了地球的周长。为了能在合理的时间内飞到其他恒星，航天器需要达到极快的飞行速度。若以高速公路的最高限制速度飞行，飞到半人马座系统需要5 000万年。若以“阿波罗号”宇宙飞船飞往月球的速度飞行，则需要90万年。即使以“旅行者号”宇宙飞船的速度飞行（“旅行者号”以59 545千米/小时的速度飞离太阳系），也需要8万年。
化学能的效率太低，无法将我们送到其他恒星。我们必须舍弃通过重组原子中的电子来获取能量的方式，而要释放原子核中蕴含的能量。
让我们回顾一下不同燃料中的可用能量。常用的能量单位是百万焦耳/千克（MJ/kg）。作为参考，100万焦耳是1千克TNT炸药爆炸释放的能量，或者奔跑1小时所消耗的能量，又或者是一根棒糖所含的能量。若用这个单位来表示，那么，木材和煤存储的能量约为20 MJ/kg，汽油和其他碳氢化合物燃料存储的能量约为40 MJ/kg，氢燃料存储的能量最多，高达142 MJ/kg。一架航天飞机在900年内将载荷（想象一下一辆校车满载的情况）送往半人马座系统，需要耗费多少能量？在位于克利夫兰的格伦研究中心（Glenn Research Center），美国国家航空航天局的科学家已经计算出了这个值，结果令人十分沮丧：在宇宙中，所有以火箭燃料的形式存在的质量都无法做到这一点！
对于化学能之外的能量，最好的能量来源就是质量。爱因斯坦提出的伟大方程E=mc 2表明，质量是冻结的能量。由于光速是一个非常大的数值，因此，少量的质量就能转化成巨大的能量。在核反应中，质量能转化为能量，其中，核裂变反应的效率为0.1%，核聚变反应的效率则为1%，而物质与反物质之间的湮灭的效率为100%（如图12-2）。由此我们可知，核裂变存储的能量为10 8MJ/kg，核聚变存储的能量为109MJ/kg，而物质与反物质湮灭存储的能量为1011MJ/kg。比化学燃料高效数百万倍的能源，就一定能将我们送到其他恒星吗？
图12-2 不同燃料的能量值
注：3种不同的化学燃料（食物、煤和汽油）所存储的能量与核聚变过程中释放的质能之间的比较。相比核裂变和核聚变，物质与反物质湮灭要高效1 000倍。
当然，但必要的科技发展也是不可或缺的。火箭需要借助推力（或力）来产生巨大的推进力量，此外，还需要很高的比推力。比推力是每秒钟每千克燃料产生的力，与燃烧效率类似。化学燃料火箭的推力很大，但比推力很小。理想的星际火箭必须推力和比推力都大。还记得火箭方程吗？根据火箭方程，火箭的最终速度由燃料的排气速度和燃料质量与载荷质量之比决定。使用核燃料意味着所需的质量更小，但质量比在对数上，这就使得质量比对最终速度的影响受到抑制，因此，提高排气速度同样重要。
下文中将要介绍的火箭发动机还没有制造出来。虽然在已知的物理领域内，这些发动机都是合理的，但它们严重依赖于尖端技术。让我们来看看这些不依赖于化学能量的火箭的潜在表现吧。
对于核裂变反应，最简单的应用方法就是在火箭发动机喷管的顶端安装一个反应器。虽然我们至今还未能利用核聚变来产生能量，但传统的核裂变和核聚变比化学火箭的表现好10～20倍。这是一个关键限制，因为火箭最终的实际增益值，远远低于基于能量密度的理论增益值。
若想在不到1 000年的时间内到达半人马座系统，即使利用核聚变来产生能量，仍然需要10 11千克的燃料，这相当于1 000艘超级油轮所装载的燃料。20世纪60年代，斯塔尼斯拉夫乌拉姆（Stanislaw Ulam）提出了“猎户座计划”（Project Orion）。乌拉姆是一位才华横溢的数学家，曾参与“曼哈顿计划”。在“猎户座计划”方案中，推动宇宙飞船前进的能量来自一系列可控的核爆炸。20世纪70年代，英国星际学会（British Interplanetary Society）调整了这个设计方案，转而通过大量微型核聚变爆炸来产生动力（如图12-3）。
图12-3 “猎户座计划”方案
注：美国国家航空航天局的“猎户座计划”方案，采用脉冲式核聚变来产生能量。这个设计既有大推力，也有高排气速度。但以目前的技术，我们还无法以这种方式来驾驭核爆炸。
有了物质-反物质发动机，我们就可以进行推测了。反物质是正常物质的量子影子伙伴，目前我们只制造和维持了微量的反物质。反物质发动机的性能增益因子为100的量级，因此，在1 000年内到达半人马座系统所需的燃料将减少到约10万千克，这相当于10罐铁路油罐车中装载的燃料量。随着离目的地越来越近，这些数字将翻一番，因为宇宙飞船需要燃料来减速。在可预见的未来，我们是无法收集到如此多的反物质的。目前，制造1毫克反物质的成本就高达1 000亿美元。1958年，兰德公司（RAND Corporation）开始出售一款既漂亮又复古的火箭性能计算器，刚好能满足那些想在家尝试计算火箭的性能，而非真正准备建造一枚星际火箭的人。这种圆形计算尺将火箭方程也包含在内，一经推出就引人瞩目，至今仍能偶尔在eBay上找到。
星际旅行需要消耗巨大的能量。在50年内（速度为光速的1/10），将一般2 000吨重、航天飞机大小的飞船送到半人马座系统，消耗的能量为710 19焦耳，即便在能量完全转化为向前运动的情况下，这对任何现有的推进剂来说都是无法实现的。这些能量相当于整个美国在6个月内消耗的能量。如果这些能量来自核爆炸，那将需要1 000颗投放在广岛的原子弹。若想降低能量需求，就必须减少载荷或者降低飞行速度，如果降低飞行速度，那到达目的地的时间又将被延长。
一种聪明的选择是避免携带所需的所有燃料，这样就减少了载荷。
利用直径为1 000千米的磁“勺”，星际冲压式喷气发动机从接近真空的太空中抓取质子，作为核反应的燃料。这个想法由美国物理学家罗伯特巴萨德（Robert Bussard）于1960年提出。在20世纪70年代，他是原子能委员会下属的核聚变能量开发项目的助理主任，他提出的冲压式喷气发动机方案迅速出现在各种科幻小说中。要想实现这个方案，还有很多巨大的工程问题需要解决。物理上的挑战在于必须从稀薄的星际介质中收集足够多的燃料，才能获得足够大的推力，并克服收集燃料带来的阻力。磁“勺”必须扫过相当于地球体积大小的空间，才能收集到1千克氢。在目的地减速是另一个尚未解决的问题。
太阳帆仍然是非常有前景的。罗伯特福沃德（Robert Forward）对太阳帆进行了深入研究，并在20世纪80年代中期提出了一个相似的概念，利用一台直径1 000千米的菲涅耳透镜，将10 000万亿瓦特的激光束投射到一张1 000千米的帆上。然而，10 000万亿瓦特的能量是地球上所有国家消耗的能量的100倍。不过，福沃德并没有放弃，他重新调整方案，改用10 000万亿瓦特的微波来推动1千米宽的细线网格。这个“折中”方案可以通过10座大型发电厂的能量输出来实现。福沃德是一位很注意形象的工程师，其标志性形象是一头浓密的白发、猫头鹰式的眼镜和风格诡异的背心。他于2002年逝世，他提出的想法至今仍然非常有影响力。
20世纪80年代末期，达纳安德鲁斯（Dana Andrews）和罗伯特祖布林提出了磁场帆的概念。太阳帆由来自太阳的辐射驱动，磁场帆则由太阳风驱动。太阳风是太阳喷出的弥散带电等离子体，我们可以通过大型超导线圈回路产生的磁场来利用这些等离子体。磁场帆的缺点是太阳风携带的动量只是太阳光的几千分之一，但它有一大优点，那就是太阳风的动量是由没有质量的磁场而非巨大的物理帆来收集的。
利用太阳来推动帆的另一种方法是从地球向帆聚射能量，在加速度足够大的情况下，帆会滑行至目的地。在这方面，有两个人做出了重要项献。微波科学公司（Microwave Sciences）的总裁詹姆斯本福德（James Benford）认为，在加速太阳帆时，微波束要优于激光。他曾做过相关的实验室研究，研究表明，高强度的微波束是可以被研发出来的，但帆的材料必须极其轻盈和耐用，还要能承受由高反射产生的2 000度的高温。他的双胞胎兄弟格里高利本福德（Gregory Benford）是加州大学欧文分校的物理学教授，也是一位著名的科幻作家。他们在这个项目上展开合作，把硬科学专家和科幻作家召集起来，为星际旅行的未来集思广益。
“百年星舰”计划（100 Year Starship Project）的研究经费，主要来自美国国家航空航天局和美国国防部高级研究计划局。2012年，前宇航员梅杰米森（Mae Jemison）和非营利性组织伊卡鲁斯星际航行协会（Icarus Interstellar），获得了一笔100万美元的拨款，用于下一个100年的星际旅行研究工作。必须看到，大多数关于星际旅行的思辨式研究，都是由专业的物理学家和工程师承担的，他们的研究成果通常会发表在学术期刊上，或付梓成书。
托马斯杰斐逊（Thomas Jefferson）认为美国的国境扩张到太平洋需要1 000年，但在不到1/10的时间里，这个目标就实现了。科技进步非常迅速。1942年，位于芝加哥的第一台核反应堆只产生了0.5瓦特的功率，但之后不到一年，一台可为一座小型城镇供电的核反应堆就建成了。在激光技术发展的头50年里，功率最强的激光的强度增长了10 20倍。回到与信息技术的类比，若想将人类送到其他恒星，只推进技术的线性发展是不够的，还必须有科技大飞跃。安德烈亚斯特泽欧拉斯（Andreas Tziolas）是一位物理学家，同时也是伊卡鲁斯星际航行协会的会长，他曾表示：“我对我们的聪明才智充满了信心。”
仰仗纳米机器人
最近的类地行星很可能就位于我们的宇宙后院，在一个直径10万光年的星系中。遥感测量表明，那颗行星上可能存在生命，但证据很有限且不确切。在可预见的未来，飞往那颗行星是极其困难的，而且成本极高。成本虽然是可变的，但不会低于100万亿美元，这相当于目前世界各国国内生产总值的总和。那有没有其他办法呢？
纳米机器人可以极大地降低成本和能量需求。美国军方在战场上使用的智能尘埃为此提供了可能性。受医学应用的驱动，太空研究者们在推进微型化方面做出了不懈努力。我们可以想象一群棒球大小的宇宙飞船，每艘宇宙飞船上都装满了传感器和小型摄像机，一起驶向最近的类地行星。到达目的地后，这些宇宙飞船将穿过大气层巡航下降，并将视频信号传回地球。由于它们数量众多，所以即使一些视频在传输过程中丢失，或者部分飞船无法成功降落到行星表面，整个任务也不会失败。我们可以分批发射纳米机器人，这样它们就能沿着飞行路线把信号传回来，就像发生火灾时的救火队列那样。这种方法能降低每个纳米机器人上的信号发射器所需的能量。这个任务可能需要花费一代人的时间，但我们可以想象纳米机器人舰队到达目的地时的景象：在全球各个城市的中心，人们聚集在一起，观看着大屏幕上播放的视频，视频中的图像展示了一个充满异域风情的新世界的详细情形。
若将宇宙飞船的重量从吨量级降低到千克量级，一切就将变得非常简单，但做到这一点并不容易。通过将太阳帆作为推进器，托尼邓恩（Tony Dunn）得到了一些数据。如果使用现有材料，比如聚酯薄膜，一个重量为1千克的纳米机器人能达到的最高速度仅为80千米/秒，只比“旅行者号”宇宙飞船快5倍，对此项任务而言，这个速度还远远不够。若太阳帆的面积超过100平方米，则意味着所有能量都将被用来加速太阳帆而非载荷。若想达到光速的10%，太阳帆材料的重量必须是聚酯薄膜的一百万分之一。此外，用激光将能量从地球上直接传送到太阳帆上，也能起到一定的作用。现在，太阳帆只需宽1米，但这又会引起一个问题，即当太阳帆距离地球十分遥远时，如何用激光瞄准它。在海王星的距离上，激光定向的精确度要比哈勃空间望远镜高10万倍。一台现成的30千瓦的激光器，能在40年内将1千克重的探测器推进至半人马座系统。假设按照每千瓦时15美分的费率计算，电力成本为8亿美元。对一个探测器舰队而言，费用会攀升到1 000亿美元。这一成本虽然很高，却是可以接受的。
宇宙飞船微型化虽然是一种合乎逻辑的策略，但缺乏想象力。纳米技术还带来了其他可能性，比如自我组装和自我复制。2012年，一家名为系绳无限（Tethers Unlimited）的公司与美国国家航空航天局签订合同，共同研发一种叫作“蜘蛛工厂”（SpiderFab）的系统，目标是利用3D打印技术和机器人装配技术在轨道上生产组件，如太阳能电池阵列、桁架和吊索等，这些在轨道上生产的组件能比通过发射送入轨道的组件大10倍（如图12-4）。在实验室里，自我组装机器显示出了巨大的潜力。麻省理工学院的研究人员已经研发出了一种比骰子还小的立方体，里面装有传感器、磁铁和一个小飞轮，相同的立方体能按照指令移动，并组合在一起，形成任意形状。
图12-4 3D打印的太阳能电池阵列骨架
注：美国国家航空航天局正与系绳无限公司合作开发太空制造系统。在这个实体模型中，一个太空机器人利用3D打印技术，打印出一个1.6千米宽的太阳能电池阵列的骨架。在轨道上建造设备的结构远比通过火箭将它们送到轨道上要经济得多。
自我复制是一种更令人激动的功能。1986年，埃里克德雷克斯勒（Eric Drexler）的著作《创造的引擎》（ Engines of Creation）出版，在这部关于纳米技术的颇具预见性的书中，德雷克斯勒探讨了自我复制技术。在这之前，物理学家弗里曼戴森（Freeman Dyson）在普林斯顿大学演讲时，描述了有关大型复制机器的思想实验。在其中一个思想实验中，宇宙飞船飞往土星的小卫星土卫二，在土卫二上开采原料来进行自我复制，并发射由太阳帆提供动力的宇宙飞船，将冰带至火星，从而对这颗红色行星进行地球化改造。和自我组装技术一样，自我复制技术在实验室中取得的进展要大于在太空中取得的进展。
2005年，“快速复制原型”项目（RepRap Project）启动，目的是设计出一个能制造出自己的大部分组件的3D打印机。最初，这只是英国巴斯大学（University of Bath）的一个项目，由于计算机辅助设计和制造的代码都是开源的，所以这个项目孵化出了一个大型的开发人员社区。2008年，该项目的机器“达尔文”（Darwin），生产出了制造相同的“子”机器所需的所有部件。这个项目开发的技术对任何人都是免费的，目的是帮助人们制造出在日常生活中使用的工具。
自我复制的极致是一种叫作冯诺伊曼的探测器。冯诺伊曼探测器能飞往邻近的恒星系统，并开采原材料来制造自身的复制品，再将这些复制品发射到其他恒星系统。通过非常传统的推进形式，这些探测器能在几百万年的时间里遍布银河系中的星系。这些探测器能对行星系统开展调查研究，并将信息传回地球。
这个概念是以匈牙利数学家、物理学家约翰冯诺伊曼（John von Neumann）的名字命名的。冯诺伊曼是20世纪最重要的科学人物之一，对数学、物理学、计算机科学和经济学都做出了重要贡献。据著名物理学家尤金维格纳（Eugene Wigner）回忆，冯诺伊曼的非凡大脑就像“齿轮与啮合在0.03毫米之内精确地咬合在一起的完美器械”。但在现实生活中，他并不是那么完美。他开车时常因注意力不集中或看书而事故频发，还被逮捕过几次。他暴饮暴食，喜欢讲低俗的笑话，却在嘈杂而混乱的环境中取得了巨大的成就。
20世纪40年代，冯诺伊曼解决了自我复制的逻辑问题。他描述了一种能制造自己、允许误差并不断进化的计算“机器”，此时计算机还未出现。这项非凡的工作还预示了后来DNA和生命机制的发现。他的工作虽然只停留在理论上，但为制造真正能自我复制的机器绘制了蓝图。
也许这将成为我们探索星系的最终方法。向星际空间扩散，并利用一群能自我复制的探测器探索遥远的世界，这听起来很不可思议，但若将我们目前掌握的技术进行合理外推，这个目标终将实现。这又引出了另一个问题：有其他文明这么做过吗？
曲速引擎和传送机
在制造能将载荷加速到接近光速的推进系统方面，并不存在根本性障碍。到目前为止，宇宙飞船的最高速度达到了265 541千米/小时，也就是40千米/秒，这是“朱诺号”（Juno）探测器利用地球引力弹射飞向木星的速度。这个速度比子弹快50倍，但仅为光速的0.01%。若想在不到50年的时间内到达最近的恒星，所需的速度比这个速度还要快1 000倍，也就是光速的10%。
现在，让我们冒险超越基于现有科学的预测能力的界限，进入猜想和科幻小说的领域。
科幻小说和《星际迷航》中经常出现的两个场景就是曲速引擎和隐形传输。通过曲速引擎，我们能实现超光速飞行。爱因斯坦的狭义相对论认为，光速是传送物质、能量以及任何类型的信息的绝对速度极限。狭义相对论是物理学的一个基本原理，因此它似乎宣告了曲速引擎只是空想。一种名为快子的超光速基本粒子是1967年提出的猜想，但至今还没有证据能证明它们的存在。1994年，物理学家米格尔阿库别瑞（Miguel Alcubierre）基于负质量，提出了超光速飞行的理论解。物理学家之间的共识是，在已知的物理定律下，曲速引擎是不可能实现的，但在约翰逊航天中心于2012年举办的“百年星舰专题研讨会”上，这一概念引起了一些人的关注。
那么，隐形传输又如何呢？想象一下这种情况：你即将进入一种设备，这种设备能将你身体中的原子解构为一种能量模式，然后将此信息传送到一个远程目标，最后，经过物质化，你将重现。
在系列电视剧《星际迷航：下一代》（Star Trek：The Next Generation）第128集“恐惧境界”（Realm of Fear）中，雷金纳德巴克利（Reginald Barclay）上尉对传送机产生了恐惧，这种传送机能将飞船成员传送到行星表面。在他体内的10 28个原子进行解构和重新组合的过程中，所有可能出错的事情都令他感到恐惧。最终，他被恐惧折磨得虚弱不堪。
至今还没有一个正式的术语可用来描述这种情况。
至于传送机的工作原理，《星际迷航》电视系列剧和后续的电影虽然并未给予详细描述，但应该是在单个原子的水平上精确地传输物质，并利用“海森堡补偿器”（Heisenberg compensator）来消除亚原子测量中的不确定性。当被问及传送机的工作原理时，《星际迷航》的技术顾问迈克尔奥田（Michael Okuda）回答道：“它运转良好，谢谢。”在最初的《星际迷航》电视剧中，传送机的特效是在还没有电脑动画的情况下制作的，所以技术含量很低：通过缓慢移动一架倒置的摄像机来拍摄落在黑色背景前的铝粉粒，同时给铝粉粒打上背景光。
经典的隐形传输的过程是：首先测量人体内的每个原子，然后将这些信息编码成光子，再将光子发送到远程目的地，最后利用这些信息重建一个完美的人体复制品。这虽然只是一个工程问题，但要处理10 28个原子，就非常棘手了。
几十年来，人们一直认为隐形传输违背了物理学。海森堡不确定性原理指出，即使是单个原子，我们也无法同时精确地测量其所有性质，更不用说大量原子了。测量亚原子粒子的任何性质都会改变它的状态，所以无法将这种状态以高精确度传送到远程目的地。
1993年，物理学家查尔斯班尼特（Charles Bennett）及其研究团队在这方面取得了突破。他们发现，处在两个不同地点的粒子，能被诱导进入一种叫作“量子纠缠”（Quantum Entanglement）的状态，在这种状态下，它们的物理状态信息是共享的。如果说存在什么能避开海森堡不确定性原理的方法，那就是不要试图弄清楚太多信息。在测量之前，我们就干扰了被测量的粒子，所以我们永远无法得知该粒子的状态。但我们可以在另一端提取这个干扰，再重建出被测量粒子的原始状态（如图12-5）。可以将纠缠态看作一个黑盒子，它可以隐藏并连接两个地点之间的事件。这似乎违背了因果关系，因为两个不同地点间的变化是瞬间发生的，不过我们所知的或者所能测量的量是有限的。量子纠缠已经在光子、电子、巴基球甚至是小钻石上实现了。量子纠缠是只存在于量子系统的诡异现象。
图12-5 光子的量子隐形传输理论图
注：在这张费曼图中，2字节的信息以经典方式从A传输到B。在量子隐形传输中，信息通过单个纠缠量子比特进行传输。
我们可以将量子纠缠拟人化。爱丽丝想要传输一些信息给鲍勃。他们在实验中使用处于纠缠态的光子对作为中间媒介。爱丽丝测量了她的光子的一个性质，测量结果取决于处在纠缠态的光子，爱丽丝记录下测量结果并发送给了鲍勃。鲍勃无法分辨出爱丽丝的光子状态，因为测量中用到的纠缠隐藏了那个状态的真实性质。鲍勃所能做的，就是利用来自爱丽丝的信息调整自己的光子状态，这样他就能重建出爱丽丝最初测量的光子的精确状态。
尽管纠缠态跨越了两个不同地点，但鲍勃无法完成隐形传输，除非爱丽丝将她的测量结果发送给他。因此，这并没有违背狭义相对论和因果律。在这个过程中，信息能以高精确度被复制，尽管隐形传输的字面意思并非制造复制品。隐形传输将量子信息从一个地方转移到另一个地方，在此过程中，原始信息遭到破坏。
这个蕴藏着巨大潜力的研究领域得到了飞速发展。1998年，物理学家首次在实验室中实现了量子隐形传输，传输距离为1米。2012年，在加那利群岛（Canart Islands）上两个相距143千米的地点间，一个研究团队实现了量子隐形信息传输。2013年，全世界范围的隐形传输得以实现。隐形传输的可靠性也得到极大提升。2009年，相距几米的量子信息传输的成功率只有一亿分之一。2014年，在荷兰代尔夫特理工大学（Delft University），科学家在两个处于量子纠缠态的电子之间实现了量子状态的传输，其可靠性达到100%。
量子纠缠态的机制已经被用于密码学，在研发更快的计算机方面，或许它也能发挥重要作用，但大部分物理学家认为，我们不可能创造并识别数千个原子的量子纠缠态信息。因此，传送机仍遥不可及。
《星际迷航》中的巴克利上尉担心的只是他的原子被搅乱，从而将他变成一堆无法识别的黏性物质，其实他还应该担心隐形传输的哲学意义。你不只是你身体中的粒子。你体内的原子不断脱落，并被替换。烤面包变成了睫毛。你、你的思想以及你的遗传信息是真正的信息模式，而非成堆的粒子。因此，当传送机拆解你时，它会杀你死，当它在其他地方重新组装你时，它又制造了你。从逻辑上讲，只要它愿意，它可以在任何地方多次重复这一过程。那么，你的自我意识被留在了哪里呢？
