丨科學家筆記丨 真實的未來太空
［美］格裏高利·本福德 Gregory Benford 著
胡 致 譯
格裏高利·本福德，科幻作家、物理學家、天文學家，加州大學河濱分校物理學教授，當代科學家中能夠將科幻小說寫得很好的作者之一，也是當今時代最優秀的硬科幻作家之一。獨特的風格使他多次獲獎：星雲獎、約翰·坎貝爾紀念獎和澳大利亞狄特瑪獎等。他發表過上百篇物理學領域的學術論文，是伍德羅·威爾遜研究員和劍橋大學訪問學者，曾擔任美國能源部、NASA和白宮委員會太空項目的顧問。
1989年，他為日本電視節目《太空奧德賽》撰寫劇本，這是一部從銀河係演化的角度講述當代物理學和天體學的八集劇集。後來，還擔任過日本廣播協會和《星際迷航：下一代》的科學顧問。
太空歌劇遇上財務人員
當下，太空歌劇很是熱門。我可以列出無數的作家，他們的作品將我們帶去了遙遠的未來。在那裏，巨大的行星際或恒星際社會動**不安，而率領巨大飛船航向群星的男性（幾乎都是這樣，很少有女性）正為其理想而奮鬥。
自1941年鮑勃·圖克發明這個詞以來，太空歌劇一直就包含著我們這些平凡的科學家期待已久但並不完全認同的宏偉景致。不過最近，我們進步緩慢的航天事業的最新進展，又讓我燃起了希望，那些未來也許不完全是荒唐的。
錢，是航向星空的最大阻力。發射一個成人質量大小的物體進入近地軌道，平均需要10億美元，如此高昂的花費幾乎將一切商業投資攔在了門外。到目前為止，隻有同步軌道上的通信衛星產出了價值——它們使洲際通信的花銷降低了好幾個數量級。
不僅如此，當我們談論太空歌劇的時候，浮現在腦海中的是巨大的飛船和星際殖民地，可建它們的錢從哪裏來呢？
換個角度來思考，21世紀結束的時候，一個切實可行的、有經濟效益的太空項目，會是什麽樣的呢？
英國人最近在太空歌劇上獨領**，比如說伊恩·班克斯的長篇係列、肯·麥克勞德、柯林·格林蘭的《奪回普倫特星》、彼得·漢密爾頓的超大尺度太空歌劇，以及更近一點的阿拉斯泰爾·雷諾茲和查爾斯·斯特羅斯，都描繪了一個塞滿技術奇跡的未來。有趣的是，所有這些作者以及他們的作品，都或多或少地偏向社會主義。與之相對的，是史蒂芬·巴克斯特在其小說——特別是《提坦》——中展現的那種嚴肅的、懷舊的近未來太空活動。
沒有高度發達的經濟，無疑我們是承受不起科幻史詩中那些大家夥的。現實世界中溫和的、以福利為主的社會，比如歐洲，顯然沒法支撐起大型太空項目。他們甚至都沒有載人航天項目！為了在太空項目上獲利，需要投入超級多的金錢。比如說，為了在近地軌道中放置一顆太陽能驅動的衛星，我們需要花費幾千億美元。第二顆類似的衛星，當然會比這便宜得多，因為基礎設施已經建立起來了，但這艱難的第一步，就扼殺了很多太空項目。
除非有人能構想出一個財富取之不盡的社會（比如說利用《星際迷航》係列中的複製機）， 否則，就總會存在物質上的局限。但可悲的現實是，大多數的發達國家都已經變得肥胖、懶惰，無論他們持無政府主義還是自由主義，都會竭力避免去幹這些大工程，因為他們沒法像社會主義政府那樣一呼百應。
在這些太空歌劇描繪的未來中，對社會主義經濟的批評依然適用：市場提供的信息，遠比自上而下的計劃經濟體係要多得多。從原材料到成品，每一道工序都會讓價格上升一部分。通過價格，經濟信息可以跨越廣闊的時空，並反饋給上遊，最終提高生產效率。而傳統的社會主義就沒有辦法獲取這種反饋。委員會並不足以替代價格中包含著的不斷變化的信息。
政治的確不能完全決定什麽，但我們還是應該在班克斯-雷諾茲-斯特羅斯式的未來和麥克勞德式的未來中做出選擇。班克斯他們想象的是無政府主義，或者自由意誌主義——在這裏意味著配備治安力量，並且尊重契約的無政府主義。麥克勞德就更像是一個傳統的社會主義者，如同在《石渠》中所反應的那樣。但盡管社會主義是他早期的心頭好，他也還試驗了各種各樣的社會結構。在他後期的作品中，我們甚至能感覺到他對自由意誌主義或無政府主義某種態度的變化，偶爾他甚至也是資本主義的支持者。
班克斯他們的未來就像個肌肉男，如果必要的話，很可能會發展成軍國主義或帝國主義（比如班克斯的《武器浮生錄》）。社會主義在他們那兒，並不是單純的由生至死的社會福利，契約在其中也扮演了很重要的角色（比如雷諾茲的《啟示空間》），而且主角往往傾向於溫和的無政府主義。在查爾斯·斯特羅斯的《奇點天空》中，資本主義的外形社會發展出了一種全新的商業模式——他們用信息量來衡量商品的價值。
早在《星際迷航》係列中沒有貨幣的社會出現之前，科幻就一直在忽視經濟。理想主義者們通常憎恨金錢，認為貨幣體係愚蠢至極。當然，沒有了流通介質，我們不得不尋求其他方法來分配稀缺資源，於是，政治和強權不可避免地走到了前台。
一般來說，在這種社會中，通過控製物品，人們還是可以聚集財富的。而為了避免國家的控製和稅收，社會回到了以物易物的時代——歡迎回到中世紀！
金錢不是人們生活的目標，隻是經濟活動的工具。它衡量經濟活動中的一切，沒有了它，我們將難以弄明白什麽有用，什麽沒用。
科幻也不能超越這個簡單的真理。顯然《星際迷航》沒有意識到這點。
當然，在很多可能的未來中，人們甚至沒法搞明白下水道是如何工作的，更不要說其經濟體係了。不管未來有多麽奇特，它顯然不會是簡單的重複，經濟總會發展。近年來，政治上偏左的太空歌劇中充斥著量子計算機和E. E.史密斯式的行星級武器，但卻很少涉及其中的經濟。也許是因為作者們沒有想出可行的解決方案，也許他們根本就不關心，畢竟，太空歌劇不是紀實文學。
雖然新浪潮科幻總是帶著左派的色彩，但他們並沒有切實可行的政治經濟解決方案。另一方麵，硬科幻和自由意誌主義的結合，則很可能源於某種基本的世界觀。科學認為個體心靈的獨特性非常重要。這樣一個個體可以通過實驗（像愛因斯坦那樣的思想實驗，或是現實中的實驗）來獨立驗證任何理論。
這種英雄的原型深埋於西方的文化中。獨立的真理和對事實的尊重是自由意誌主義成長的沃土。當然，像厄休拉·勒古恩的《一無所有》中那樣的無政府主義（不是社會主義），也可以承載一個物理學家獨自和集體思維定式相對抗的故事。但《一無所有》令人傷感的故事無關乎經濟，它講的是一個獨立個體的犧牲和發現。而弗雷德裏克·波爾和西裏爾·M. 科恩布盧思的社會諷刺小說，對於當下來說就顯得更有價值。《太空商人》這個標題，就已經展現了小說的主題。
我把經濟學作為出發點，是因為這是一門實打實的科學——不信你看看諾貝爾獎——並且在現實生活中，它對空間科學有著深刻的影響。對財務人員來說，他們關心的是，誰來為這些開銷埋單，以及為什麽。
一個宇宙級開銷的社會，它的經濟動力是什麽？
挖掘天空
需求決定了動力。
用不了100年，我們就將開始耗盡兩樣必需品：金屬和能源。大約50年後，我們的大部分石油儲備都將消失不見——再見了，城市越野車！中東將不再是火藥桶，因為，很簡單，那時候他們都會變得很窮。大部分執政者都意識到了，但他們很少會公開談論這一點，因為對這些政治家來說，半個世紀長得不可想象。
能源問題我將在下一篇專欄中討論。而相對來說更少被人意識到的是，地殼中的金屬礦藏在一個世紀之後就會被我們挖完。當然，我們可以，也已經找到了一些替代品。但有些金屬是不可或缺的，很難用其他什麽東西去替代。
依靠科技促進發展，這是個擺在人類麵前的艱巨任務。一個世紀以前，鋁還是比銀更貴的稀有金屬，現在它和易拉罐一起被我們隨手扔掉，然後再回收利用。但不可避免地，貧窮國家的發展需求將會超過地殼的極限，導致我們用光哪怕是最常見的金屬，甚至是鐵。
而不管是金屬還是能源，其在太空中的存量都足以滿足我們的迫切需要。
此外，一個潔淨的環境也很重要。挖礦對環境的汙染僅次於化石燃料的提純。美國第一大水體汙染來自於煤渣，緊隨其後的就是鐵礦中流出的廢水。
詳細的分析表明，從小行星上帶回來的金屬，會隨著地球金屬儲量的減少而更加有價格競爭力。更妙的是，通過在太空中精煉它們，我們將可以避免汙染，特別是針對某種同樣稀缺的資源——水。
那片星空，也能帶來經濟效益。在一顆直徑一千米的普通富金屬小行星上，我們可以找到鎳、鈷、鉑和鐵。單單是上麵的鉑係貴金屬，用現行價格來衡量，就值1500億美元。分離這些金屬，需要的不過是地球煉金工廠中再普通不過的化學反應，其供能則來自於碳氧化合。這種小行星含有大量的碳和氧，所以在將其緩慢拖入地球軌道的幾十年中，我們完全可以完成精煉工序。
蒸汽火箭
對這一切而言，重中之重在於航行成本，所以我們接下來需要關注如何在深空中搬運大質量的物體。
化學火箭當然不可行，它幾乎已經退出了深空探索。液氧和液氫在火箭的反應室中化合，向外拋射出4.1千米每秒的蒸汽，這已經是化學火箭的極限了。但為了到達近地軌道，我們需要9千米每秒的速度增量，超過化學火箭極限的兩倍。而這還沒有考慮到，為了燃燒這些燃料，我們首先要將它們運送到高空。這意味著一艘100噸重的載具，實際上隻有8噸是環軌設備，其他的都是燃料和高聳的箭體。
在太陽係內做行星際航行將更困難——這一共需要20千米到30千米每秒的速度增量。比如說，使用目前的設備，我們隻能將其總重的很少一部分運送到火星上。使大質量物體獲得高速增量，遠超化學火箭的極限。為了到達穀神星，我們需要18.6千米每秒的速度增量，這意味著有效載荷將隻占載具總質量的0.5%。
利用化學火箭將人或者貨物載入深空中，就像歐洲人劃著樺皮小舟探索北美洲一樣——理論上雖然可行，但值得慶幸的是，印第安人並沒有選擇這種方式來探索歐洲。
三十年來，應對這種挑戰的技術都被NASA（美國國家航空航天局）忽略了。二十世紀六十年代末，美國和蘇聯雙雙開發出了核動力火箭，並且其運行時間已達上百小時。它們的噴氣速度是最好的化學火箭的兩倍——在9千米每秒上下。這些火箭將超冷液氫泵過一個陶片列陣，其內部放射性燃料的衰變使之放出高熱，最後釋放出來的蒸氣柱的放射性並不強。
這些早期項目都因為核限製條約被關停了——這對冷戰來說很好，但今天這些意識形態已經完全過時了。為了航向更遙遠的星空，我們需要這些技術。NASA目前已開始謹慎地建造更多核電發動機，且後者已經成功推動“旅行者號”們前進超過四分之一個世紀，航行距離已超過冥王星到太陽距離的兩倍，並且讓“維京號”成功降落在火星。這些隻不過是由兩磅二氧化鈈通過衰變放出的250瓦熱量驅動的簡單設備。此外，在陰冷的太空中為航離地球的宇航器提供熱量，也是這些裝載於其間的放射性小球的日常功用。
即便是這些暫時的回溯也讓NASA狼狽不堪，他們必須煞費苦心地解釋這些技術的安全性，因為我們生活在一個杞人憂天的時代，任何一丁點兒的風險都足以讓我們慌張不已。
其實早期更嚴重的意外都發生過。曾有四個核反應堆從軌道上落下來，不過好在沒有一個造成過放射性碎片的散布。事實上，一顆蘇聯核動力衛星曾一頭栽進加拿大的樹林裏，而它的放射性是如此之小，以至於我們連找到它的辦法都沒有。被堅硬的陶瓷保護著的鈈沒有繼續反應，當然也不會危害到人體。
在這些對舊日榮光的回溯之外，NASA還在考慮建造核驅動的離子火箭，它排出的氫氣速度達到了250千米每秒，這不得不說是一項長足的進步。但離子火箭的總推力比較小，僅適合於長距離小載荷的任務。
使用氫作為推進工質可以提高噴氣速度（在給定的溫度下，質量越小的分子運動得越快），而且隻要能找到水，我們就能從中分離出氫。我們的探測器已經發現，火星表麵幾米深處就藏有大量的冰。彗星和木星的含冰衛星都是潛在的“加油站”。
但將氫保持在液態，需要複雜的技術和謹慎的操作。水相對來說更方便攜帶，雖然它的噴氣速度隻有氫的三分之一。基於這一點，很多人認為我們宇宙擴張的動力之源，將不會是什麽稀奇古怪的燃料，而是原始的水。
靠星吃星
如果我們當初沒有放棄核動力項目，現在的宇航工業將會是什麽樣子的呢？結論是，這條未被走過的小徑或許已經將我們帶到了太陽係的其他行星上。
從二十世紀七十年代早期到二十一世紀初，核動力火箭被忽視了將近半個世紀,這實在是讓人惋惜。因為鈾和鈈產生的能量，是同樣重量的化學燃料——比如說氫氧燃燒——的上萬倍。
如果沿著這條路走下去，從地球上的發射架到冥王星，未來的火箭很可能是“蒸汽式”的——先由化學火箭將核動力飛船帶到大氣層外，後者將在那裏開始工作；而不管是液氧和液氫化合，還是讓水流過核反應堆，火箭尾部都將形成一道壯觀的蒸汽柱。
高能效才撐得起宇宙商業。2002年開始的核動力計劃“普羅米修斯”（官僚機構總是偏愛炫酷的名字），讓NASA重新找回實現這一切的可能。
第一次實打實的火星探索，或許會遵循在目的地“加油”這一基本原則。靠星吃星，而不是把大量燃料帶在身上。補充燃料對於核動力飛船來說要容易得多，因為它們需要的僅僅是水——很容易找到和采集。當然，前提是選對目的地。幾乎所有的係內天體都和骨頭一樣幹燥，或者更加幹燥。如果地球上的人行道磚塊出現在了月球上，人們甚至會利用它來收集水，因為那裏的其他所有東西都比它幹燥多了。
火星則是另一番景致。一般認為，在太陽誕生初期，灼熱的太陽放出的輻射會將較輕的元素往外吹。這一過程使近日星體變得幹燥，使更遠的星體變得潮濕。後者主要是巨型氣態行星，冰和各種氣體在它們厚重的大氣層中橫衝直撞。但最近在火星被紫外線烤焦的表層之下，我們發現它其實很潮濕。由於沒有多少大氣層，它地殼中的水分都被真空給吸幹了。而在地殼之下，則是厚厚的冰層，在兩極處甚至能找到雪和冰川。所以該處的探索者們可以很快速地補充燃料，隻需要融化地表之下的冰，然後將水收集進飛船就好了。
木星和其他巨型氣態行星的衛星也可以作為“加油站”，不過它們一般運行在這些大家夥的重力井深處，意味著到達那裏需要很大的速度增量。相反，冥王星就是一個更便捷的目的地——體型小，陰冷，相對較大的含冰衛星它更像是一個年輕的兄弟。這些條件決定了冥王星雖然很遙遠，但相對來說到達那裏需要的速度增量更小。
當然，我們還可以用水來做更複雜的事：在其中通入電流，將電解出的氧氣保存起來以供呼吸，將氫液化以用作推進工質。對於一艘核動力飛船而言，這無疑是最有效的方法。
但儲存液氫的裝置很笨重，並且容易出故障——想象它在零下200多度的深空中持續運行很多年後會出的毛病吧。火星的大氣主要是二氧化碳，所以一個更好的方案是拿氫和它反應，生成的氧氣和甲烷都易於儲存。反過來，用它們來燃燒，將為化學火箭提供高效的動力。在火星上建一個永久性的核電站，就可以為這一過程提供足夠的能量。
當然，上述過程需要先在目的地進行基礎建設。如果是實打實的探險，比如，去看看木星衛星歐羅巴的深海中隱藏的奧秘，就需要帶上一個大型核反應堆，以提供動力，以及從含冰天體中收集水分所需的能源。
NASA正在論證的使用核動力離子推進器航向歐羅巴的計劃。它將在太空中徑直航行七年，降落，然後派出探測車。測試這麽長時間跨度內持續推進的可行性需要很多年的時間，所以這個任務最早也要等到下一個十年去了。
更好的方案是，建造一艘向後噴射高溫氣體的核裂變飛船。如果它可以將歐羅巴上的表麵冰融化，它就可以利用這些水，帶著樣品返回地球。
一個大型核反應堆還可以派上更多用場。探索那片深海的最緊迫任務是，打穿它上麵數英裏甚至數百英裏厚的冰層。人類能想到的所有鑽頭都做不到這一點，但普通的熱水卻可以。我們隻需要將水倒下去，並不斷加熱，水就會在冰層上緩慢地鑽出一個洞來。在南極人們曾這樣做過，並且成功了。
為了尋找歐羅巴上的生命跡象，我們需要將深海潛艇放進那黑暗、冷入骨髓的海洋裏。堅硬粗大並且綿延幾十公裏長的電纜線將為其提供能源，就像在“泰坦尼克號”和俾斯麥戰艦的殘骸中工作的水下機器人一樣。隻有核反應才能在太空中提供如此巨大的能量。
“宇宙無畏號”
太空很大。在其間搬運小行星或是其他大質量物體，要求飛船足夠大。這說明未來的趨勢是巨型的核動力飛船。
載荷將被放入一個圓筒狀艙室內，它的下麵是巨大的推進工質艙，其中的物質，很可能是普通的水——將被泵進反應堆。當然，對於載人飛船來說這是唯一可行的設計，因為水能讓宇航員遠離核反應堆以及從磁噴嘴處出來的等離子束。不過為了能夠觀察並調試等離子束，一個後視鏡將在飛船側麵伴飛。在與推進火箭分離，核反應堆開始供能後，這套設備將在完全失重的狀態下完成它的大部分航程。
上部那個厚壁圓盤將會旋轉，以產生離心力，從而使宇航員可以選擇他們想要的重力環境。圓盤直徑可能會有40米，看起來像個正在緩慢旋轉著的天使蛋糕。外壁應該有差不多一米厚，並且為了防輻射會裝滿水。除非使用電子設備，否則，人們將不能用肉眼直接觀察艙外。
在較為可信的早期設計中，一艘飛船會有上百米長，尾部噴出的離子流在飄散到太空中前，會拉出上萬米長的藍白尾焰。等離子體在尾焰中劇烈反應，離子和電子相互碰撞，重新聚合成原子，放出刺眼的光芒。這束筆直指向船尾的藍色無比明亮，以至於飛船飛離地球軌道的時候，人們甚至可以在地上用肉眼直接觀察到它。
普通的裂變設備發電能力很強，但缺少用於撞開原子核的中子。這就是為什麽我們通過放入和拔出碳棒來控製核電站——碳可以吸收裂變元素堆中的中子，使其冷卻，防止過熱。
而可控熱核聚變技術的誕生，將引爆核設備領域的下一次革命。
類似氫彈，聚變通過讓較輕的原子核，比如說氫和氦，相互撞擊聚合產生能量。相比於裂變，聚變過程富含高溫粒子，但產能並不高。
很少有宇航飛船工程師關注聚變，因為從半個世紀前開始直到今天，懷疑者一直在說，可控核聚變供電的實現至少還需要20年。聚變需要磁約束裝置來控製熱等離子流，因為普通物質承受不了它的侵害。其中設計得最成功的家夥大多長得像個甜甜圈，比如源於俄國、現今最常見的托克馬克裝置。
為了把這個裝置變成推進器，我們需要破壞這個甜甜圈。聚變引擎和聚變電站的工作原理相反——我們放開約束，讓離子飛出去，然後再次填滿這個甜甜圈，繼續反應。
聚變引擎的核心就是這種即停即走式的甜甜圈：控製住等離子體，然後通過一條磁管道將其向後噴射出去。目前還未設計成功的聚變發電裝置，要求的是盡力約束住聚變中的高溫等離子體，而聚變引擎需要的則是放開約束。聚變引擎將發展出一種完全不同的飛船，它們的噴氣速度要遠高於裂變式引擎。
離開遠地軌道後，直到飛出範艾倫輻射帶足夠遠，飛船的聚變引擎才會點火。範艾倫輻射帶由被地磁場捕獲的帶電粒子構成，在這個範圍內，四散飛出的離子流會使環地軌道上無數通信和科學衛星短路。（這事兒真的發生過——1962年美國的“一流星魚”計劃，人類有史以來當量最大的太空核爆在範艾倫輻射帶內引爆了一顆氫彈。現在我們很難相信曾有人這麽幹過，不過那個年代真的很特殊。離子和電子瞬間將美國的通信衛星——大部分都屬於國防部——籠罩，並使其短路。爆炸後一個小時之內失靈的監視衛星，讓美國忽然之間損失了超過十億美元。這個驚人的鬧劇再也沒有發生過。)
遠 望
所以，我們的未來將會是太空歌劇式的嗎？如果這意味著搭載龐大引擎的壯觀宇宙飛船，也許會是。但很遺憾，至少在科技可以預見的未來，恒星際航行還不太現實。
太空歌劇的其他方麵則依賴於你的政治傾向。從冷血無情的商業力量中崛起的，會是伊恩·班克斯的無政府主義/社會主義帝國，還是羅伯特·海因萊因的自由意誌主義社會？
我們目前對宇宙的開發主要是將納稅人的錢投進一些回報很低的項目中，比如其實並沒有做多少實驗的國際空間站。這些年俄羅斯負責運送我們的宇航員，而貨物則交給了埃隆·馬斯克的太空探索技術公司。我們需要的是“航向群星，駛離官僚”。隨著近地軌道旅遊、在更遠的軌道上實施維修作業以及資源收集——比如在小行星上采礦——的展開，私人太空時代已然開啟，並將持續前進。當然，這些都不過是在大海邊緣的小小試探罷了。
人類目前的困境來自於人**炸和環境的破壞，以及資源的減少。當然，多虧了科學家和工程師們的努力，我們涉過了大部分險灘，但我們不能總是把社會問題的解決都寄托在他們身上。
瑞克·特姆林森，太空活動的積極倡導者，曾這樣說過：“最終，在一個‘可持續’的社會中，幾乎你想做的所有事，都會成為別人所不能做的，而這就是限製。限製你出行的時間、地點和方式，限製你的消費額度，限製你家宅的大小，限製你的食物，限製你的工作，甚至限製你的壽命……地球的人口將持續增長。”
羅伯特·祖布林，一個雄辯的海因萊因式太空活動支持者，將太空看作是我們最後的和最遼遠的邊界。他這樣說服我們：“看看我們周圍，美國社會正比以往更加明顯地喪失著活力：階級固化和社會官僚化日益嚴重；政府機構軟弱無能，沒法推進大型項目；監管機製的癌性增殖，影響著私人生活和商業活動在內的社會生活的各個方麵；非理性的擴張；流行文化不斷分裂；個人逐漸喪失冒險、捍衛自我以及獨立思考的意願；經濟停滯和衰退；技術創新變慢，人們甚至覺得進步不再是可能。不管你看向何方，我們都大難臨頭了。”
這是對整個太空文化最好的總結：空間疆域的革命者。他們大部分都是海因萊因式的自由意誌主義者，拒絕相信政府機構將掌控宇宙的未來。
至此，我盡管一直在談論技術——為了探索或是賺錢，而在太陽係內搬運大質量物體的技術，但事實上，我們的最終目標都是拓展我們生存空間的邊界，從而激發心靈的創造力。就如同過去很多個世紀一樣，正是深埋在社會中的這一遠景，造就了現代文明。
我們會經曆很多失敗，而保持前行需要有人引領。
肯尼迪在聲援“阿波羅計劃”時這樣說：“我們選擇在這個十年登月以及實現其他的夢想，並不是因為它們容易達成，而恰恰是因為它們困難重重。這些計劃，將發揮並測驗我們科技和能源使用的最高極限。”