步入最后的前沿

我們也許來(lái)自田間，也許來(lái)自荒野，也許來(lái)自雨巷，也許來(lái)自湖邊……我們最早認(rèn)識(shí)的那個(gè)小天地，隨著我們的成長(zhǎng)日益擴(kuò)大，整個(gè)人類亦是如此：某個(gè)聚居的人群，隨著生存的需要擴(kuò)大為部落，由部落擴(kuò)大為部落聯(lián)合，再擴(kuò)大為聯(lián)盟……漸漸形成國(guó)家。國(guó)與國(guó)之間原本是人跡罕至的荒野、山地、草原、沙漠、瀑布、溪流，逐漸地從不同方向，被新來(lái)的移民者入侵或占領(lǐng)。矛盾、沖突、妥協(xié)、合作，國(guó)與國(guó)的疆界對(duì)接在一起了。人類的足跡遍布七大洲，組成了包含200多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的地球村。那下一步呢？走出地球村，走出齊奧爾科夫斯基所定義的“搖籃”，開啟人類的宇宙探索之旅，正如電視劇《星際航行》所說(shuō)的那樣，步入這最后的前沿。

一、探索新世界的必然性

1.源于人類本性

美國(guó)人類學(xué)家本·芬內(nèi)把人定義為“開拓的動(dòng)物”。自誕生伊始，人類從未停止過(guò)開拓的腳步。人類的祖先走出非洲，將文明的火種傳遍六大洲。到了中世紀(jì)，新航路開辟，環(huán)球航行的完成……世界開始連為一個(gè)整體。隨后，人類進(jìn)軍冰雪覆蓋的南極，攀登聳入云天的險(xiǎn)峰，下到深不見底的洞穴……港珠澳大橋無(wú)數(shù)的世界第一，便是人們開拓進(jìn)取之心的充分體現(xiàn)。人從出生開始就從未停止過(guò)開拓，其動(dòng)機(jī)可以說(shuō)純粹是出于好奇，出于本能的渴望。試想，人類若無(wú)一顆開拓未知領(lǐng)域的好奇心，又何以區(qū)別于其它生命？如果只是待在一個(gè)地方得過(guò)且過(guò)，又何以擴(kuò)張到整個(gè)地球？人類之所以獨(dú)特，很大程度是因?yàn)槲覀冇幸活w永無(wú)止息的開拓之心。而我們頭頂?shù)男强眨云鋲邀惡泼煳鴱墓胖两竦娜藗儭Ｕ缥覀円恢彼龅哪菢樱覀儽貙⒗^續(xù)開疆拓土，步入這最后的前沿。

2.源于自身需求

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，人口劇增、生態(tài)破壞、地區(qū)矛盾、資源短缺……地球已逐漸變得不堪重負(fù)。而一個(gè)能解決這些問(wèn)題的方法便是星際移民與空間資源開發(fā)。把人轉(zhuǎn)移到空間站或其他行星可以大大緩解人口壓力。研究表明，火星有望在不久的將來(lái)被改造成第二顆宜居行星，荷蘭“火星一號(hào)”計(jì)劃甚至已經(jīng)準(zhǔn)備好了去往火星的“單程票”。但這可能還不是太空探索最誘人的前景。古代，在武器制作方面，人們以鐵代替了銅，使戰(zhàn)術(shù)發(fā)生了革命性的變化。站在當(dāng)今的立場(chǎng)來(lái)看，空間資源的利用，在未來(lái)征服太空的歷史中，將引起類似的革命。月球上大量發(fā)現(xiàn)氦3（3He），這是地球上所沒(méi)有的同位素，然而它可以成為解決我們能源問(wèn)題的重要資源——用作熱核聚變模式的電站的燃料。又如鐵質(zhì)小行星，其中不僅含有鐵類（如鎳、鉻、錳）金屬，還含有貴重元素（如金、鉑）。一個(gè)直徑為1千米的鐵質(zhì)小行星含有100億噸鐵，可供地球使用十年以上，其中所含的鎳可供地球使用一千年以上，還含有約100000噸鉑和10000噸金子。未來(lái)如果我們用這些空間資源進(jìn)行建設(shè)，必將大大減少成本，并緩解資源危機(jī)。不僅如此，俄羅斯的齊奧爾科夫斯基還指出：地球只不過(guò)接受了太陽(yáng)發(fā)出總能量的1/109（1）。也就是說(shuō)太陽(yáng)系是個(gè)資源寶庫(kù)，要充分利用它們就必須進(jìn)行成功的星際開拓。

3.源于太陽(yáng)命運(yùn)的驅(qū)使

太陽(yáng)，是我們這個(gè)恒星系的主宰，億萬(wàn)年來(lái)它給予著地球光和熱，推動(dòng)著地球生命的誕生和繁演。它似乎一直這么明亮，并將永遠(yuǎn)亮下去。但據(jù)研究表明，在可以預(yù)見的將來(lái)，太陽(yáng)將成為我們的敵人。曾是生命的給予者，到頭來(lái)卻成了生命的毀滅者。太陽(yáng)正逐漸消耗它的核能，變得越來(lái)越亮。氫元素的減少使得太陽(yáng)將略微收縮，導(dǎo)致核心壓力增加并且溫度升高。由于核反應(yīng)的效率顯著依賴于其核心的溫度，所以核燃料將被加速消耗（2）。10億年后，太陽(yáng)更加熾熱，使地球氣候變得酷熱難耐。地球上的可居住地區(qū)將不得不向兩極收縮，海平面劇烈上升，淹沒(méi)所有的大陸。到距今30億年后的未來(lái)，太陽(yáng)比現(xiàn)在亮40%，河流與海洋開始蒸發(fā)，造成巨大的云團(tuán)，裹住更多熱氣。最后地球?qū)⒆兊孟窠鹦且粯涌釤幔贿m合任何生命生存。

要想不落得個(gè)如此悲哀的下場(chǎng)，我們就必須逃離太陽(yáng)，向外太陽(yáng)系遷徙。由此可見，未來(lái)人類的宇宙探索亦將基于對(duì)自身命運(yùn)的考量，是一件不得不做的事。雖然這些事離我們還比較遠(yuǎn)，但我們依然有責(zé)任去考慮它們。畢竟，通向宇宙的航程永無(wú)止息，需要一代代人的添磚加瓦。我個(gè)人能力雖然渺小，卻也會(huì)奉獻(xiàn)自己的一腔熱血，去開拓那最后的前沿。

二、探索新世界的設(shè)想

1.重返月球

月球是地球的近鄰，離地球只不過(guò)384000千米之遙。千百年來(lái)它成為太空旅行的夢(mèng)想家們的理想目的地。終于，1969年7月20日，尼爾·阿姆斯特朗首次把人類的足跡留在月球表面。隨著月球戰(zhàn)略地位的提升，可以預(yù)見，不久的未來(lái)人類就將重返月球。

在月球上生存遠(yuǎn)比想像的難，月面的重力僅相當(dāng)于地球表面的1/6，以至于其引力無(wú)法留住大氣層。由于不存在對(duì)流，月面上被太陽(yáng)照射的區(qū)域與照射不到的區(qū)域，兩者溫差極大。夜間溫度下降到-170℃，而白天上升到110℃。溫度還不是進(jìn)行月球探索最大的阻礙，因?yàn)樵虑驇缀鯖](méi)有磁場(chǎng)，所以太陽(yáng)風(fēng)與宇宙射線會(huì)轟擊到月球表面。（事實(shí)上，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的轟擊，月球上的塵土變得如此之細(xì)以至于它可以穿透人的皮膚！）因此，要想長(zhǎng)久地在月球上生存，我們需要可靠的防輻射以及防塵設(shè)備。（3）

那么既然月球環(huán)境這么惡劣，又為什么還要登上它呢？事實(shí)上，月球保留了太陽(yáng)系早期的珍貴史料。由于沒(méi)有大氣以及地質(zhì)活動(dòng)，隕石及高能粒子撞擊所留下的痕跡至今仍然保存。它們使重建太陽(yáng)系早期的歷史成為可能。此外，月球背面也是一個(gè)絕佳的天文觀測(cè)平臺(tái)，它可以屏蔽來(lái)自人類活動(dòng)的干擾，以及接收波長(zhǎng)超過(guò)10米的電磁波。由于其微重力，望遠(yuǎn)鏡的體型可以進(jìn)一步擴(kuò)大，觀測(cè)到更遙遠(yuǎn)的地方。這無(wú)疑可以極大的促進(jìn)天文學(xué)發(fā)展，然而月球最誘人的前景還在于其大量的3He儲(chǔ)備，眾所周知，可控核聚變有望解決人類能源問(wèn)題，它可以從原子中提取幾乎無(wú)窮無(wú)盡的能量，以月球3He作為燃料，可以維持人類幾千年的使用。

關(guān)于月球基地，科學(xué)家們認(rèn)為，可以利用爆炸的方法，擴(kuò)大月面的洞穴，建造一座由上往下伸開去，不斷分層的地下基地，這樣既可以利用月球本身抵御溫差與高能粒子，又能大大節(jié)省防護(hù)設(shè)備的開支。月球基地最終會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)自給自足的實(shí)體，即建造一個(gè)人工生物圈。依照陽(yáng)光或人造光源來(lái)運(yùn)行，植物由動(dòng)物的廢料以及合成的有機(jī)質(zhì)給植物提供營(yíng)養(yǎng)，動(dòng)物呼吸產(chǎn)生的二氧化碳及經(jīng)過(guò)處理的含二氧化碳廢氣被植物吸收，還原出氧氣，氧氣再次被利用，如此循環(huán)往復(fù)。使用過(guò)的水經(jīng)過(guò)純化，重新注入系統(tǒng)。事實(shí)上，這種技術(shù)如果能取得成功，那么愈來(lái)愈多遙遠(yuǎn)之處的基地都可以依照這種模式建立。

宇宙的空曠，給太陽(yáng)系的穩(wěn)定帶來(lái)益處，同時(shí)也構(gòu)成了星際旅行的主要障礙。為了在有生之年到達(dá)最近的恒星，我們至少需要1/10的光速（不考慮冬眠等延長(zhǎng)生理期限的辦法）。17世紀(jì)初，牛頓總結(jié)出作用力與反作用力原理。即拋射一個(gè)物體，我們將感到另一等大反向的推力。所拋物體質(zhì)量越大速度越快，產(chǎn)生的反向加速也越大。這成了迄今唯一可行的太空航行原理。現(xiàn)代所有火箭都是基于化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的能量，據(jù)計(jì)算，單純采用這樣的方式推進(jìn)最多產(chǎn)生20㎞/s的速度，所以化學(xué)推進(jìn)火箭承擔(dān)不了飛向恒星的重任，好在并非沒(méi)有其它選擇。

離子推進(jìn)技術(shù)，又名電推進(jìn)，已越來(lái)越多地實(shí)際應(yīng)用在航天器上。它是將推進(jìn)劑電離后加速推出來(lái)的方法來(lái)推動(dòng)飛船。離子被加速的效果會(huì)隨著電壓升高而不斷增大，理論上可以把離子加速至接近光速。目前，離子推進(jìn)的效率可達(dá)傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)的10倍。雖然效率很高，但它所能提供的推力非常小。化學(xué)推進(jìn)可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲得極大的加速度，但由于效率低下及燃料限制，加速時(shí)間很短，而離子推進(jìn)剛開始的推力還比不上一個(gè)電風(fēng)扇，但它以時(shí)間換速度，在微重力、沒(méi)有空氣阻力的宇宙空間，離子推進(jìn)能以愚公移山般的方式堅(jiān)持不懈地持續(xù)加速。以探測(cè)器“黎明號(hào)”為例，1年后，它增加的速度可達(dá)1000千米每小時(shí)，到任務(wù)后結(jié)束時(shí)，速度增量達(dá)11km/秒（近4萬(wàn)km/小時(shí)），完成了人類歷史上首次對(duì)2個(gè)天體的環(huán)繞探測(cè)，如果采用化學(xué)推進(jìn)，這是不可能完成的任務(wù)（5）。但光憑離子推進(jìn)可能還到不了比鄰星，也許我們還要利用核能來(lái)配合。在離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中沒(méi)有溫度限制，加速過(guò)程中，離子受到電場(chǎng)約束來(lái)而與噴嘴的管壁并不接觸。若利用核裂變或核聚變供電，就可以極大提升噴出速度，離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)就能將我們送到最近的恒星。

然而上述方法仍然受到燃料、體積、效率等因素的制約，短期內(nèi)難以付諸實(shí)踐。人們從古代的航海家們身上受到了啟發(fā)：那時(shí)他們揚(yáng)起風(fēng)帆，借助風(fēng)力，橫渡大洋，今天的我們依就可以像這樣揚(yáng)帆航向遠(yuǎn)方，只不過(guò)推動(dòng)者不再是風(fēng)，而是光。利用激光陣列產(chǎn)生強(qiáng)大的光束，通過(guò)透鏡聚焦后射在特制的由輕薄材料制成的帆上，產(chǎn)生巨大的推力，就如風(fēng)推動(dòng)航船前行一樣。可以在水星上建立太陽(yáng)能電池組，以利用太陽(yáng)能量，并利用水星本身來(lái)抵御強(qiáng)大的反作用力——要知道，發(fā)射的激光束如此強(qiáng)大，它對(duì)發(fā)射器的反作用力同樣巨大，必須有了一個(gè)大質(zhì)量物體來(lái)平衡。完成這項(xiàng)使命的最優(yōu)波長(zhǎng)應(yīng)為藍(lán)綠光，靠這種光推進(jìn)30年，理論上可以把太空帆船加速到20%的光速，使得飛船在半個(gè)世紀(jì)內(nèi)到達(dá)最近的恒星（6）。

三、探索新世界的思考

我們前面展示出一幅幅引人入勝的前景。從地球附近開始，我們重返月球，改造火星，探索巨行星，旅行到太陽(yáng)系的邊緣，甚至構(gòu)想人類恒星際旅行的前景。但是，我們一直忽視了一個(gè)重大問(wèn)題，那就是：我們自己。

首先，無(wú)論是哪一項(xiàng)探索，都是時(shí)間跨度極大，工程繁雜浩大的。要有時(shí)間和精力去建設(shè)它們，就需要長(zhǎng)久且穩(wěn)定的國(guó)際秩序。太陽(yáng)系里的空間資源是億萬(wàn)年前自然寶貴的遺產(chǎn)，它不是屬于一個(gè)國(guó)家，而是屬于全人類！如果懷著一己之私，搞“自己優(yōu)先”政策，無(wú)節(jié)制地利用空間資源來(lái)發(fā)展自身，必將造成世界局勢(shì)的失衡。這種失衡將拉大貧富差距，引發(fā)不確定性因素，從而妨礙甚至中斷太空探索的進(jìn)程。我認(rèn)為，企業(yè)一般不會(huì)代表某個(gè)國(guó)家的利益，它面向的是更廣闊的群體，從而更廣泛地實(shí)現(xiàn)平等互利。但不管怎樣，長(zhǎng)久的和平穩(wěn)定都是一切太空探索的基礎(chǔ)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就必須劃分空間資源的從屬問(wèn)題，并保證這一切行為皆是出乎全人類的利益。

第二，要在充分了解某天體的特點(diǎn)并再三考量自身實(shí)力后再進(jìn)行開發(fā)。二十世紀(jì)以來(lái)，人類為了自身利益盲目開發(fā)自然，造成空氣污染，水土流失等問(wèn)題。這是不了解自然規(guī)律、只關(guān)注于眼前利益所帶來(lái)的后果。同樣的，在還未充分了解開發(fā)可能造成的后果前亂開發(fā)，就可能打破當(dāng)前太陽(yáng)系的平衡與穩(wěn)定，造成不可逆的后果。為了秦始皇兵馬俑的完整性，我們選擇暫不開掘，等待技術(shù)突破。同樣的，當(dāng)沒(méi)有把握一定能完成時(shí)，應(yīng)該先讓它保持原樣，否則到了下一代他們有了更好的方法而我們已經(jīng)把太陽(yáng)系搞得面目全非，豈不是悔之晚矣嗎？

第三，空間探索事業(yè)需要更多人尤其是青年人的加入。現(xiàn)在，空間探索事業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，第一次量子通訊成功，第一次月球背面軟著陸實(shí)現(xiàn)……。人類離頭頂?shù)男强找巡辉偈沁b不可及，未來(lái)的空間探索需要人才，但就目前來(lái)看，天文、航天的知識(shí)對(duì)于大多數(shù)人都是未知的東西，人們既不關(guān)心也不樂(lè)意去過(guò)多地關(guān)注它們。這大概是因?yàn)樗鼈冸x普通人的日常生活還太遙遠(yuǎn)。好在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得越來(lái)越多的人開始了解航天，科普讀物的大量發(fā)行使得越來(lái)越多的青年和少年產(chǎn)生了對(duì)太空的遐想。相信未來(lái)會(huì)有更多人投入人類的空間探索事業(yè)，我作為其中的一員，定將披荊斬棘，為人類的未來(lái)而貢獻(xiàn)自己的綿薄之力。

時(shí)下還很難預(yù)料，太空會(huì)在二十一世紀(jì)扮演怎樣的角色。但毫無(wú)疑問(wèn)的是，地球，首先要醫(yī)治好自身的創(chuàng)痛。不過(guò)，隨著時(shí)間的推移，蒼穹無(wú)盡的宇宙，她的呼喚必將愈發(fā)緊迫。地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃里。我們終將走出地球村，邁向新世界，邁向這最后的前沿。

注釋：

[法]尼闊·普朗察.地外生存[M].王義豹譯.湖南：湖南教育出版社.

[英]帕特里克·摩爾等著.大爆炸——宇宙通史[M].李元等譯.廣西：廣西科學(xué)技術(shù)出版社.

[法]尼闊·普朗察.地外生存[M].王義豹譯.湖南：湖南教育出版社.

[法]尼闊·普朗察.地外生存[M].王義豹譯.湖南：湖南教育出版社.

方晨.用離子推進(jìn)飛船[J].科學(xué)世界.2019（12）.

[法]尼闊·普朗察.地外生存[M].王義豹譯.湖南：湖南教育出版社.

作者簡(jiǎn)介：張尚賢，男，漢族，研究方向：天文和自然科學(xué)。