丨科学家笔记丨 真实的未来太空
［美］格里高利·本福德 Gregory Benford 著
胡 致 译
格里高利·本福德，科幻作家、物理学家、天文学家，加州大学河滨分校物理学教授，当代科学家中能够将科幻小说写得很好的作者之一，也是当今时代最优秀的硬科幻作家之一。独特的风格使他多次获奖：星云奖、约翰·坎贝尔纪念奖和澳大利亚狄特玛奖等。他发表过上百篇物理学领域的学术论文，是伍德罗·威尔逊研究员和剑桥大学访问学者，曾担任美国能源部、NASA和白宫委员会太空项目的顾问。
1989年，他为日本电视节目《太空奥德赛》撰写剧本，这是一部从银河系演化的角度讲述当代物理学和天体学的八集剧集。后来，还担任过日本广播协会和《星际迷航：下一代》的科学顾问。
太空歌剧遇上财务人员
当下，太空歌剧很是热门。我可以列出无数的作家，他们的作品将我们带去了遥远的未来。在那里，巨大的行星际或恒星际社会动**不安，而率领巨大飞船航向群星的男性（几乎都是这样，很少有女性）正为其理想而奋斗。
自1941年鲍勃·图克发明这个词以来，太空歌剧一直就包含着我们这些平凡的科学家期待已久但并不完全认同的宏伟景致。不过最近，我们进步缓慢的航天事业的最新进展，又让我燃起了希望，那些未来也许不完全是荒唐的。
钱，是航向星空的最大阻力。发射一个成人质量大小的物体进入近地轨道，平均需要10亿美元，如此高昂的花费几乎将一切商业投资拦在了门外。到目前为止，只有同步轨道上的通信卫星产出了价值——它们使洲际通信的花销降低了好几个数量级。
不仅如此，当我们谈论太空歌剧的时候，浮现在脑海中的是巨大的飞船和星际殖民地，可建它们的钱从哪里来呢？
换个角度来思考，21世纪结束的时候，一个切实可行的、有经济效益的太空项目，会是什么样的呢？
英国人最近在太空歌剧上独领**，比如说伊恩·班克斯的长篇系列、肯·麦克劳德、柯林·格林兰的《夺回普伦特星》、彼得·汉密尔顿的超大尺度太空歌剧，以及更近一点的阿拉斯泰尔·雷诺兹和查尔斯·斯特罗斯，都描绘了一个塞满技术奇迹的未来。有趣的是，所有这些作者以及他们的作品，都或多或少地偏向社会主义。与之相对的，是史蒂芬·巴克斯特在其小说——特别是《提坦》——中展现的那种严肃的、怀旧的近未来太空活动。
没有高度发达的经济，无疑我们是承受不起科幻史诗中那些大家伙的。现实世界中温和的、以福利为主的社会，比如欧洲，显然没法支撑起大型太空项目。他们甚至都没有载人航天项目！为了在太空项目上获利，需要投入超级多的金钱。比如说，为了在近地轨道中放置一颗太阳能驱动的卫星，我们需要花费几千亿美元。第二颗类似的卫星，当然会比这便宜得多，因为基础设施已经建立起来了，但这艰难的第一步，就扼杀了很多太空项目。
除非有人能构想出一个财富取之不尽的社会（比如说利用《星际迷航》系列中的复制机）， 否则，就总会存在物质上的局限。但可悲的现实是，大多数的发达国家都已经变得肥胖、懒惰，无论他们持无政府主义还是自由主义，都会竭力避免去干这些大工程，因为他们没法像社会主义政府那样一呼百应。
在这些太空歌剧描绘的未来中，对社会主义经济的批评依然适用：市场提供的信息，远比自上而下的计划经济体系要多得多。从原材料到成品，每一道工序都会让价格上升一部分。通过价格，经济信息可以跨越广阔的时空，并反馈给上游，最终提高生产效率。而传统的社会主义就没有办法获取这种反馈。委员会并不足以替代价格中包含着的不断变化的信息。
政治的确不能完全决定什么，但我们还是应该在班克斯-雷诺兹-斯特罗斯式的未来和麦克劳德式的未来中做出选择。班克斯他们想象的是无政府主义，或者自由意志主义——在这里意味着配备治安力量，并且尊重契约的无政府主义。麦克劳德就更像是一个传统的社会主义者，如同在《石渠》中所反应的那样。但尽管社会主义是他早期的心头好，他也还试验了各种各样的社会结构。在他后期的作品中，我们甚至能感觉到他对自由意志主义或无政府主义某种态度的变化，偶尔他甚至也是资本主义的支持者。
班克斯他们的未来就像个肌肉男，如果必要的话，很可能会发展成军国主义或帝国主义（比如班克斯的《武器浮生录》）。社会主义在他们那儿，并不是单纯的由生至死的社会福利，契约在其中也扮演了很重要的角色（比如雷诺兹的《启示空间》），而且主角往往倾向于温和的无政府主义。在查尔斯·斯特罗斯的《奇点天空》中，资本主义的外形社会发展出了一种全新的商业模式——他们用信息量来衡量商品的价值。
早在《星际迷航》系列中没有货币的社会出现之前，科幻就一直在忽视经济。理想主义者们通常憎恨金钱，认为货币体系愚蠢至极。当然，没有了流通介质，我们不得不寻求其他方法来分配稀缺资源，于是，政治和强权不可避免地走到了前台。
一般来说，在这种社会中，通过控制物品，人们还是可以聚集财富的。而为了避免国家的控制和税收，社会回到了以物易物的时代——欢迎回到中世纪！
金钱不是人们生活的目标，只是经济活动的工具。它衡量经济活动中的一切，没有了它，我们将难以弄明白什么有用，什么没用。
科幻也不能超越这个简单的真理。显然《星际迷航》没有意识到这点。
当然，在很多可能的未来中，人们甚至没法搞明白下水道是如何工作的，更不要说其经济体系了。不管未来有多么奇特，它显然不会是简单的重复，经济总会发展。近年来，政治上偏左的太空歌剧中充斥着量子计算机和E. E.史密斯式的行星级武器，但却很少涉及其中的经济。也许是因为作者们没有想出可行的解决方案，也许他们根本就不关心，毕竟，太空歌剧不是纪实文学。
虽然新浪潮科幻总是带着左派的色彩，但他们并没有切实可行的政治经济解决方案。另一方面，硬科幻和自由意志主义的结合，则很可能源于某种基本的世界观。科学认为个体心灵的独特性非常重要。这样一个个体可以通过实验（像爱因斯坦那样的思想实验，或是现实中的实验）来独立验证任何理论。
这种英雄的原型深埋于西方的文化中。独立的真理和对事实的尊重是自由意志主义成长的沃土。当然，像厄休拉·勒古恩的《一无所有》中那样的无政府主义（不是社会主义），也可以承载一个物理学家独自和集体思维定式相对抗的故事。但《一无所有》令人伤感的故事无关乎经济，它讲的是一个独立个体的牺牲和发现。而弗雷德里克·波尔和西里尔·M. 科恩布卢思的社会讽刺小说，对于当下来说就显得更有价值。《太空商人》这个标题，就已经展现了小说的主题。
我把经济学作为出发点，是因为这是一门实打实的科学——不信你看看诺贝尔奖——并且在现实生活中，它对空间科学有着深刻的影响。对财务人员来说，他们关心的是，谁来为这些开销埋单，以及为什么。
一个宇宙级开销的社会，它的经济动力是什么？
挖掘天空
需求决定了动力。
用不了100年，我们就将开始耗尽两样必需品：金属和能源。大约50年后，我们的大部分石油储备都将消失不见——再见了，城市越野车！中东将不再是火药桶，因为，很简单，那时候他们都会变得很穷。大部分执政者都意识到了，但他们很少会公开谈论这一点，因为对这些政治家来说，半个世纪长得不可想象。
能源问题我将在下一篇专栏中讨论。而相对来说更少被人意识到的是，地壳中的金属矿藏在一个世纪之后就会被我们挖完。当然，我们可以，也已经找到了一些替代品。但有些金属是不可或缺的，很难用其他什么东西去替代。
依靠科技促进发展，这是个摆在人类面前的艰巨任务。一个世纪以前，铝还是比银更贵的稀有金属，现在它和易拉罐一起被我们随手扔掉，然后再回收利用。但不可避免地，贫穷国家的发展需求将会超过地壳的极限，导致我们用光哪怕是最常见的金属，甚至是铁。
而不管是金属还是能源，其在太空中的存量都足以满足我们的迫切需要。
此外，一个洁净的环境也很重要。挖矿对环境的污染仅次于化石燃料的提纯。美国第一大水体污染来自于煤渣，紧随其后的就是铁矿中流出的废水。
详细的分析表明，从小行星上带回来的金属，会随着地球金属储量的减少而更加有价格竞争力。更妙的是，通过在太空中精炼它们，我们将可以避免污染，特别是针对某种同样稀缺的资源——水。
那片星空，也能带来经济效益。在一颗直径一千米的普通富金属小行星上，我们可以找到镍、钴、铂和铁。单单是上面的铂系贵金属，用现行价格来衡量，就值1500亿美元。分离这些金属，需要的不过是地球炼金工厂中再普通不过的化学反应，其供能则来自于碳氧化合。这种小行星含有大量的碳和氧，所以在将其缓慢拖入地球轨道的几十年中，我们完全可以完成精炼工序。
蒸汽火箭
对这一切而言，重中之重在于航行成本，所以我们接下来需要关注如何在深空中搬运大质量的物体。
化学火箭当然不可行，它几乎已经退出了深空探索。液氧和液氢在火箭的反应室中化合，向外抛射出4.1千米每秒的蒸汽，这已经是化学火箭的极限了。但为了到达近地轨道，我们需要9千米每秒的速度增量，超过化学火箭极限的两倍。而这还没有考虑到，为了燃烧这些燃料，我们首先要将它们运送到高空。这意味着一艘100吨重的载具，实际上只有8吨是环轨设备，其他的都是燃料和高耸的箭体。
在太阳系内做行星际航行将更困难——这一共需要20千米到30千米每秒的速度增量。比如说，使用目前的设备，我们只能将其总重的很少一部分运送到火星上。使大质量物体获得高速增量，远超化学火箭的极限。为了到达谷神星，我们需要18.6千米每秒的速度增量，这意味着有效载荷将只占载具总质量的0.5%。
利用化学火箭将人或者货物载入深空中，就像欧洲人划着桦皮小舟探索北美洲一样——理论上虽然可行，但值得庆幸的是，印第安人并没有选择这种方式来探索欧洲。
三十年来，应对这种挑战的技术都被NASA（美国国家航空航天局）忽略了。二十世纪六十年代末，美国和苏联双双开发出了核动力火箭，并且其运行时间已达上百小时。它们的喷气速度是最好的化学火箭的两倍——在9千米每秒上下。这些火箭将超冷液氢泵过一个陶片列阵，其内部放射性燃料的衰变使之放出高热，最后释放出来的蒸气柱的放射性并不强。
这些早期项目都因为核限制条约被关停了——这对冷战来说很好，但今天这些意识形态已经完全过时了。为了航向更遥远的星空，我们需要这些技术。NASA目前已开始谨慎地建造更多核电发动机，且后者已经成功推动“旅行者号”们前进超过四分之一个世纪，航行距离已超过冥王星到太阳距离的两倍，并且让“维京号”成功降落在火星。这些只不过是由两磅二氧化钚通过衰变放出的250瓦热量驱动的简单设备。此外，在阴冷的太空中为航离地球的宇航器提供热量，也是这些装载于其间的放射性小球的日常功用。
即便是这些暂时的回溯也让NASA狼狈不堪，他们必须煞费苦心地解释这些技术的安全性，因为我们生活在一个杞人忧天的时代，任何一丁点儿的风险都足以让我们慌张不已。
其实早期更严重的意外都发生过。曾有四个核反应堆从轨道上落下来，不过好在没有一个造成过放射性碎片的散布。事实上，一颗苏联核动力卫星曾一头栽进加拿大的树林里，而它的放射性是如此之小，以至于我们连找到它的办法都没有。被坚硬的陶瓷保护着的钚没有继续反应，当然也不会危害到人体。
在这些对旧日荣光的回溯之外，NASA还在考虑建造核驱动的离子火箭，它排出的氢气速度达到了250千米每秒，这不得不说是一项长足的进步。但离子火箭的总推力比较小，仅适合于长距离小载荷的任务。
使用氢作为推进工质可以提高喷气速度（在给定的温度下，质量越小的分子运动得越快），而且只要能找到水，我们就能从中分离出氢。我们的探测器已经发现，火星表面几米深处就藏有大量的冰。彗星和木星的含冰卫星都是潜在的“加油站”。
但将氢保持在液态，需要复杂的技术和谨慎的操作。水相对来说更方便携带，虽然它的喷气速度只有氢的三分之一。基于这一点，很多人认为我们宇宙扩张的动力之源，将不会是什么稀奇古怪的燃料，而是原始的水。
靠星吃星
如果我们当初没有放弃核动力项目，现在的宇航工业将会是什么样子的呢？结论是，这条未被走过的小径或许已经将我们带到了太阳系的其他行星上。
从二十世纪七十年代早期到二十一世纪初，核动力火箭被忽视了将近半个世纪,这实在是让人惋惜。因为铀和钚产生的能量，是同样重量的化学燃料——比如说氢氧燃烧——的上万倍。
如果沿着这条路走下去，从地球上的发射架到冥王星，未来的火箭很可能是“蒸汽式”的——先由化学火箭将核动力飞船带到大气层外，后者将在那里开始工作；而不管是液氧和液氢化合，还是让水流过核反应堆，火箭尾部都将形成一道壮观的蒸汽柱。
高能效才撑得起宇宙商业。2002年开始的核动力计划“普罗米修斯”（官僚机构总是偏爱炫酷的名字），让NASA重新找回实现这一切的可能。
第一次实打实的火星探索，或许会遵循在目的地“加油”这一基本原则。靠星吃星，而不是把大量燃料带在身上。补充燃料对于核动力飞船来说要容易得多，因为它们需要的仅仅是水——很容易找到和采集。当然，前提是选对目的地。几乎所有的系内天体都和骨头一样干燥，或者更加干燥。如果地球上的人行道砖块出现在了月球上，人们甚至会利用它来收集水，因为那里的其他所有东西都比它干燥多了。
火星则是另一番景致。一般认为，在太阳诞生初期，灼热的太阳放出的辐射会将较轻的元素往外吹。这一过程使近日星体变得干燥，使更远的星体变得潮湿。后者主要是巨型气态行星，冰和各种气体在它们厚重的大气层中横冲直撞。但最近在火星被紫外线烤焦的表层之下，我们发现它其实很潮湿。由于没有多少大气层，它地壳中的水分都被真空给吸干了。而在地壳之下，则是厚厚的冰层，在两极处甚至能找到雪和冰川。所以该处的探索者们可以很快速地补充燃料，只需要融化地表之下的冰，然后将水收集进飞船就好了。
木星和其他巨型气态行星的卫星也可以作为“加油站”，不过它们一般运行在这些大家伙的重力井深处，意味着到达那里需要很大的速度增量。相反，冥王星就是一个更便捷的目的地——体型小，阴冷，相对较大的含冰卫星它更像是一个年轻的兄弟。这些条件决定了冥王星虽然很遥远，但相对来说到达那里需要的速度增量更小。
当然，我们还可以用水来做更复杂的事：在其中通入电流，将电解出的氧气保存起来以供呼吸，将氢液化以用作推进工质。对于一艘核动力飞船而言，这无疑是最有效的方法。
但储存液氢的装置很笨重，并且容易出故障——想象它在零下200多度的深空中持续运行很多年后会出的毛病吧。火星的大气主要是二氧化碳，所以一个更好的方案是拿氢和它反应，生成的氧气和甲烷都易于储存。反过来，用它们来燃烧，将为化学火箭提供高效的动力。在火星上建一个永久性的核电站，就可以为这一过程提供足够的能量。
当然，上述过程需要先在目的地进行基础建设。如果是实打实的探险，比如，去看看木星卫星欧罗巴的深海中隐藏的奥秘，就需要带上一个大型核反应堆，以提供动力，以及从含冰天体中收集水分所需的能源。
NASA正在论证的使用核动力离子推进器航向欧罗巴的计划。它将在太空中径直航行七年，降落，然后派出探测车。测试这么长时间跨度内持续推进的可行性需要很多年的时间，所以这个任务最早也要等到下一个十年去了。
更好的方案是，建造一艘向后喷射高温气体的核裂变飞船。如果它可以将欧罗巴上的表面冰融化，它就可以利用这些水，带着样品返回地球。
一个大型核反应堆还可以派上更多用场。探索那片深海的最紧迫任务是，打穿它上面数英里甚至数百英里厚的冰层。人类能想到的所有钻头都做不到这一点，但普通的热水却可以。我们只需要将水倒下去，并不断加热，水就会在冰层上缓慢地钻出一个洞来。在南极人们曾这样做过，并且成功了。
为了寻找欧罗巴上的生命迹象，我们需要将深海潜艇放进那黑暗、冷入骨髓的海洋里。坚硬粗大并且绵延几十公里长的电缆线将为其提供能源，就像在“泰坦尼克号”和俾斯麦战舰的残骸中工作的水下机器人一样。只有核反应才能在太空中提供如此巨大的能量。
“宇宙无畏号”
太空很大。在其间搬运小行星或是其他大质量物体，要求飞船足够大。这说明未来的趋势是巨型的核动力飞船。
载荷将被放入一个圆筒状舱室内，它的下面是巨大的推进工质舱，其中的物质，很可能是普通的水——将被泵进反应堆。当然，对于载人飞船来说这是唯一可行的设计，因为水能让宇航员远离核反应堆以及从磁喷嘴处出来的等离子束。不过为了能够观察并调试等离子束，一个后视镜将在飞船侧面伴飞。在与推进火箭分离，核反应堆开始供能后，这套设备将在完全失重的状态下完成它的大部分航程。
上部那个厚壁圆盘将会旋转，以产生离心力，从而使宇航员可以选择他们想要的重力环境。圆盘直径可能会有40米，看起来像个正在缓慢旋转着的天使蛋糕。外壁应该有差不多一米厚，并且为了防辐射会装满水。除非使用电子设备，否则，人们将不能用肉眼直接观察舱外。
在较为可信的早期设计中，一艘飞船会有上百米长，尾部喷出的离子流在飘散到太空中前，会拉出上万米长的蓝白尾焰。等离子体在尾焰中剧烈反应，离子和电子相互碰撞，重新聚合成原子，放出刺眼的光芒。这束笔直指向船尾的蓝色无比明亮，以至于飞船飞离地球轨道的时候，人们甚至可以在地上用肉眼直接观察到它。
普通的裂变设备发电能力很强，但缺少用于撞开原子核的中子。这就是为什么我们通过放入和拔出碳棒来控制核电站——碳可以吸收裂变元素堆中的中子，使其冷却，防止过热。
而可控热核聚变技术的诞生，将引爆核设备领域的下一次革命。
类似氢弹，聚变通过让较轻的原子核，比如说氢和氦，相互撞击聚合产生能量。相比于裂变，聚变过程富含高温粒子，但产能并不高。
很少有宇航飞船工程师关注聚变，因为从半个世纪前开始直到今天，怀疑者一直在说，可控核聚变供电的实现至少还需要20年。聚变需要磁约束装置来控制热等离子流，因为普通物质承受不了它的侵害。其中设计得最成功的家伙大多长得像个甜甜圈，比如源于俄国、现今最常见的托克马克装置。
为了把这个装置变成推进器，我们需要破坏这个甜甜圈。聚变引擎和聚变电站的工作原理相反——我们放开约束，让离子飞出去，然后再次填满这个甜甜圈，继续反应。
聚变引擎的核心就是这种即停即走式的甜甜圈：控制住等离子体，然后通过一条磁管道将其向后喷射出去。目前还未设计成功的聚变发电装置，要求的是尽力约束住聚变中的高温等离子体，而聚变引擎需要的则是放开约束。聚变引擎将发展出一种完全不同的飞船，它们的喷气速度要远高于裂变式引擎。
离开远地轨道后，直到飞出范艾伦辐射带足够远，飞船的聚变引擎才会点火。范艾伦辐射带由被地磁场捕获的带电粒子构成，在这个范围内，四散飞出的离子流会使环地轨道上无数通信和科学卫星短路。（这事儿真的发生过——1962年美国的“一流星鱼”计划，人类有史以来当量最大的太空核爆在范艾伦辐射带内引爆了一颗氢弹。现在我们很难相信曾有人这么干过，不过那个年代真的很特殊。离子和电子瞬间将美国的通信卫星——大部分都属于国防部——笼罩，并使其短路。爆炸后一个小时之内失灵的监视卫星，让美国忽然之间损失了超过十亿美元。这个惊人的闹剧再也没有发生过。)
远 望
所以，我们的未来将会是太空歌剧式的吗？如果这意味着搭载庞大引擎的壮观宇宙飞船，也许会是。但很遗憾，至少在科技可以预见的未来，恒星际航行还不太现实。
太空歌剧的其他方面则依赖于你的政治倾向。从冷血无情的商业力量中崛起的，会是伊恩·班克斯的无政府主义/社会主义帝国，还是罗伯特·海因莱因的自由意志主义社会？
我们目前对宇宙的开发主要是将纳税人的钱投进一些回报很低的项目中，比如其实并没有做多少实验的国际空间站。这些年俄罗斯负责运送我们的宇航员，而货物则交给了埃隆·马斯克的太空探索技术公司。我们需要的是“航向群星，驶离官僚”。随着近地轨道旅游、在更远的轨道上实施维修作业以及资源收集——比如在小行星上采矿——的展开，私人太空时代已然开启，并将持续前进。当然，这些都不过是在大海边缘的小小试探罢了。
人类目前的困境来自于人**炸和环境的破坏，以及资源的减少。当然，多亏了科学家和工程师们的努力，我们涉过了大部分险滩，但我们不能总是把社会问题的解决都寄托在他们身上。
瑞克·特姆林森，太空活动的积极倡导者，曾这样说过：“最终，在一个‘可持续’的社会中，几乎你想做的所有事，都会成为别人所不能做的，而这就是限制。限制你出行的时间、地点和方式，限制你的消费额度，限制你家宅的大小，限制你的食物，限制你的工作，甚至限制你的寿命……地球的人口将持续增长。”
罗伯特·祖布林，一个雄辩的海因莱因式太空活动支持者，将太空看作是我们最后的和最辽远的边界。他这样说服我们：“看看我们周围，美国社会正比以往更加明显地丧失着活力：阶级固化和社会官僚化日益严重；政府机构软弱无能，没法推进大型项目；监管机制的癌性增殖，影响着私人生活和商业活动在内的社会生活的各个方面；非理性的扩张；流行文化不断分裂；个人逐渐丧失冒险、捍卫自我以及独立思考的意愿；经济停滞和衰退；技术创新变慢，人们甚至觉得进步不再是可能。不管你看向何方，我们都大难临头了。”
这是对整个太空文化最好的总结：空间疆域的革命者。他们大部分都是海因莱因式的自由意志主义者，拒绝相信政府机构将掌控宇宙的未来。
至此，我尽管一直在谈论技术——为了探索或是赚钱，而在太阳系内搬运大质量物体的技术，但事实上，我们的最终目标都是拓展我们生存空间的边界，从而激发心灵的创造力。就如同过去很多个世纪一样，正是深埋在社会中的这一远景，造就了现代文明。
我们会经历很多失败，而保持前行需要有人引领。
肯尼迪在声援“阿波罗计划”时这样说：“我们选择在这个十年登月以及实现其他的梦想，并不是因为它们容易达成，而恰恰是因为它们困难重重。这些计划，将发挥并测验我们科技和能源使用的最高极限。”