不可思议的物理 作者：加来道雄 （近现代）

轨道炮不使用火箭燃料或是火药将炮弹推进到高速，而是采用电磁的力量。

去往火星的任务或许要花上数月到一年，它将推进宇航员忍耐力的极限。对于飞往近处恒星的长距离任务而言，这个问题将是致命的。未来的宇宙飞船或许不得不旋转、通过离心力制造出人造重力以维持人们的生命。这—调整将大大增加未来宇宙飞船的花费和复杂性。

以人类的智慧和完美，生命没有止境，它的进程永久不断。

在未来，这样的步骤或许可以拯救发生严重意外或数着秒数过日子的心脏病患者。生命暂停允许医生“冻结时间”，直到患者有法可医。但将这样的技术应用于人类宇航员或许还需要数十年以上，因为他们可能需要暂停生命几个世纪。

《异形》（Alien）和《人猿星球》（Planet of the Apes）等电影提出了一个解决方法，让太空旅行者们接受暂停生命，也就是说，他们的体温会被小心翼翼地降低，直到身体功能几乎停顿。冬眠的动物每年冬季期间都这么做，某些鱼类和蛙类可以在冰块中冻得一动不动，但当温度上升时又能解冻。

这场灾难将在未来50亿年中发生。在这一宇宙级时间范围内，人类文明的起起落落不过是微不足道的小小涟漪。有一天我们将必须离开地球，或者死去，所以，当地球上的环境变得令人无法忍受，人类——我们的后人，将如何应对？

但是，正如科幻作家罗伯特·海茵莱因（Robert Heinlein）喜欢说的那样，如果能够将飞船送到地球上空160千米处，那么你已经在任意遨游太阳系的道路上成功了一半了。因为，任何形式发射的前160千米内，火箭都挣扎着要摆脱地心引力，这显然是花费最巨大的部分。在那之后，火箭飞船几乎就能轻松航行到冥王星以及更远处。

核电火箭

首位深入研究太空升降舱的科学家是俄罗斯幻想家、科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。在1895年，他受埃菲尔铁塔启发，想象一座能够升入太空的塔，将地球与一座太空中的“空中城堡”联系起来。它将从下而上进行建造，从地面开始，工程师将慢慢把升降机延伸到天上。

比冲是用秒来测量的。一架典型的化学火箭的比冲为400-500秒。航天飞机发动机的比冲是453秒（化学火箭达到过的最高比冲是542秒，使用了氢、锂和氟混合而成的推进剂）。“智能一号”离子发动机的引擎比冲为1640秒，核火箭能达到850秒比冲。

将要到来的灾祸

核裂变火箭最令人担忧的是它的安全性。尽管人类进入太空时代不过50年，但是化学推助火箭在这段时间内遭受了约1%的灾难性失败（“挑战者”号［Challenger］和“哥伦比亚号”航天飞机［Columbia Space Shuttles］的坠毁悲剧性地导致14名宇航员丧生，并进一步证实了这一失败率）。

我刚刚描述的纳米机器人有时被称为“冯·诺依曼探测器”（von Neumann probe），以著名数学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）的名字命名，他解出了能够自我复制的图灵机的数学公式。原则上，这样自我复制的纳米机器人恒星飞船或许能够探索整个银河系，而不仅是附近的恒星。最终，或许会产生一个由数万亿个这样的纳米机器人组成的球体，它们越来越快地增加，同时变大、以接近光速的速度扩张。这一扩张中的球体中的纳米机器人可以在数十万年内将整个银河系开拓为殖民地。

虽然如此，近期还是在不会自然冬眠的动物如老鼠和狗身上取得了有限暂停生命的进展。在2005年，匹茨堡大学（University of Pittsburgh）的科学家们成功地在狗的血液流干并使用特殊冰冻液体作为替代后将狗复活。临床死亡3小时后，狗在心脏复跳后重获生命（尽管大多数狗在这一程序后很健康，但有几只遭受了一些大脑损伤）。

1957年，俄罗斯科学家尤里·阿特苏塔诺夫（Yuri Artsutanov）提出了一种新的解决方式：以相反的顺序建造太空升降舱——自上而下，从太空开始。他想象一颗位于太空中地球静止轨道3.6万英里处的卫星，从那里，可以降下一根缆索到地球上。随后，缆索将被锚固在地面上。但是一台太空升降舱的系规必须耐受大约60-100gpa（吉帕斯卡）的张力。钢大约在承受2gpa的时候就会断裂，这使得这一构思遥不可及。

——A.W.比克顿（A.W.Bickerton），1926年

相比化学火箭和枪炮，轨道炮具备极大的优势。在一杆来福枪里，膨胀的空气推动子弹所能达到的极限速度被冲击波的速度所限制。尽管儒勒·凡尔纳在他的经典小说《从地球到月球》（From the Earth to the Moon）中使用火药把宇航员发射到了月球上，但我们可以计算出使用火药所能获得的极限速度仅及将人送上月球所需速度的一小部分。但是，轨道炮不被冲击波的速度所限制。

纳米飞船

在遥远的未来的某天，我们将渡过在地球上最后的美好一日。最终，在距今数十亿年之后，天空会燃烧起来。太阳将膨胀成苦难的炼狱，充满整个天空，使天上的一切都显得微不足道。随着地球上温度急速上升，海洋将沸腾并蒸发殆尽，留下焦煳、干涸的景象。最后，高山将熔化，变成液体，在充满活力的都市曾经耸立的地方形成熔岩流。

1963年，《部分禁止核试验条约》为这一计划敲响了丧钟。最终，推动这一项目的主要驱动者——原子弹工程师泰德·泰勒放弃了（他曾经向我透露，当他意识到迷你原子弹所包含的物理原理同样可以为恐怖分子所用、制造出便携式原子弹的时候，他终于感到梦想破灭了。尽管这一计划因为被认为十分危险而最终遭到终止，但它的名字在猎户座宇宙飞船身上沿用了下去，NASA选择了这一名字来取代2010航天飞机［Space Shuttle in 2010］）。

一旦它们到达某个附近的恒星系统，纳米机器人可以在一颗荒无人烟的衍星卫星上着陆。由于行星卫星的引力小，一台纳米机器人可以毫不困难地着陆和起飞。由这样的一颗行星卫星所提供的稳定环境，它会是理想的运行基地。纳米机器人可以建立一家纳米工厂，使用在行星卫星上发现的矿物，以建造一个能将信息发送回地球的强大的无线电台。或者纳米工厂可以被用于制造数百万个纳米机器人复制品，以探索那个恒星星系和去其他附近的恒星探险，重复这一过程。由于这些飞船是机器人化的，因此它们不必在使用无线电发送回信息后飞回地球。

研究这一奇特现象的生物学家们发现，这些动物具备创造天然“抗冻功能”的本领，能够降低使水结冰的凝固点。这一天然抗冻功能由鱼体内的蛋白质和蛙体内的葡萄糖构成。通过使血液中充满这些蛋白质，鱼可以在N极-2℃的气温下生存，蛙类进化出了维持高葡萄糖水平的能力，因此可以阻碍冰晶形成。尽管它们的身体也许会被从外面冻僵，它们的身体内部却没有冻结，这使它们的身体器官能够继续运转，虽说速度会减缓。

去往天空的轨道炮

（这些核火箭还存在另一个问题：失控的核反应器的危险性，就如小型原子弹的情况一样。尽管当今的商业核电站依靠稀释后的核燃料运转，不会像广岛原子弹那样爆炸，但这些核火箭依赖高浓度铀运行，并且因此能够以连锁反应的形式爆炸，制造出一起微型核爆炸。当核火箭项目即将结束时，科学家们决定进行一次最后的试验。他们移走了操纵杆［它用于抑制核反应］，反应堆随即进入超临界状态，并且爆炸成为燃烧的火球。核火箭这一壮观的谢幕甚至被捕捉为影像。俄罗斯人很不满。他们认为这一惊人之举违背了《部分禁止核试验条约》［Limited Test Ban Treaty］，该条约禁止原子弹的地面爆炸。）

冲压式喷气核聚变发动机是由物理学家罗伯特·E.巴萨德（Robert E.Bussard）在20世纪60年代提出的，后来由卡尔·萨根推广。巴萨德计算，—台重达约1000吨的冲压式喷气发动机理论上或许能够保持相当于1克力的稳定推力，这个力与站立在地球上相同。如果冲压式喷气发动机能够将1克的加速度保持一年，它就可以达到光速的77%，足以使星际旅行真正成为可能。

由于宇宙飞船设计方面的进展缓慢但稳定，因此假设第一艘某种类型的无人驾驶探测器或许将在本世纪后期或下个世纪早期被送上近处的恒星是合理的。这使它成为一项“一等不可思议”。

（原则上，激光帆和冲压喷气发动机由于根本不具备任何火箭推进剂，所以拥有无限的比冲，尽管它们也有自己的问题。）

同样，与陨石微粒的相撞也是个问题，因为太空升降舱远在地球大气层之上，而我们的大气层通常会保护我们免受流星危害。由于陨石微粒撞击是不可预知的，升降舱必须带有附加的防御盾，或许还要有失效保护系统。地球上的极端气候也会造成问题，比如飓风、潮汐波和风暴等。

随着亚瑟·C.克拉克于1979年出版的小说《天堂喷泉》（The Fountains of Paradfae）和罗伯特·海茵莱因于1982年出版的小说《星期五》（Friday）的推出，太空升降舱的概念传达给了更多的受众。可是，由于没有任何进展，这一概念萎缩了。

核动力火箭的概念由英国星际协会（British Interplanetary Society）在1973年-1978年间短暂地复兴了。“戴达勒斯计划”（Project Daedalus）是一项预备性质的研究，目的是研究是否可能建造能够到达巴纳德星（Barnard’s Star）——一颗距离地球5.9光年的恒星的无人驾驶宇宙飞船。（巴纳德星之所以被选中，是因为据推测它有一颗行星。自那时以来，天文学家吉尔·塔特［Jill Tarter］和玛格丽特·特恩巴尔［Margaret Turnbull］编纂了邻近的17129颗可能拥有适宜生命存在的行星的恒星名单。其中呼声最高的是印第安座ε星［Epsilon Indi A］，距离地球11.8光年。）

距今数十亿年之后，太阳将渐渐膨胀，并且吞噬地球。事实上，我们估计太阳在下个10亿年中温度将升高约10%，烤焦地球。它将在50亿年后完全吞噬地球，我们的太阳将转变为巨大的赤星。地球事实上将位于太阳的大气层之内。

基本上，冲压式喷气发动机能够无限期地自我推进，最终到达银河中遥远的恒星系统。根据爱因斯坦的理论，在火箭内部时间会减慢，达到天文学距离而不用让船员们进入生命暂停状态或许会成为可能。根据飞船内部的时钟，在加速度1克达11年后，宇宙飞船将到达400光年之外的昴星团。在23年后，它将到达离地球约200万光年之外的仙女星系。理论上，宇宙飞船或许能在一名船员的生命期限内到达可见的宇宙极限（尽管地球上可能已经过去了数十亿年）。

比冲与发动机效率

然而，无论是离子发动机还是等离子体/VASIMR发动机都没有足够的能力将我们带到星体上去。要做到这一点，我们需要一套全新的推进设计。设计恒星飞船有一项严重的不利条件：就算完成一次到达最近星体上的旅程都需要数量惊人的燃料，而且飞船在到达遥远的终点之前需要很长的时间。

冲压式喷气核聚变发动机的要求很容易计算。首先，我们知道遍布宇宙的氢气的平均浓度。我们同样能够计算要获得1克加速度必须燃烧多少氢气。这一计算反过来决定用于收集氢气的“勺子”该有多大。出于一些合理的假设，我们可以看到我们需要一个直径约160千米的勺子。尽管在地球上制造这么大的一个勺子是无法完成的，但在太空中制造它却会因为失重而容易一些。

当化学家们开发出碳纳米管的时候，这一等式发生了翻天覆地的变化。在1991年，日本电气（Nippon Electric）的饭岛澄男（Sumio Iipna）的研究成果突然激起了学界的广泛兴趣（尽管碳纳米管的远源要追溯到20世纪50年代，这一事实如今却被忽略了）。令人瞩目的是，纳米管的强度比钢丝绳更大，同时也更轻。事实上，它们超过了维持一个太空升降舱所需要的强度。科学家相信一根碳纳米管纤维能够承受120gpa的压力，这还远远在断裂点之上。这一发现重新点燃了制造太空升降舱的热情。

弹弓效应

在20世纪50年代和60年代，科学家对这种星际火箭进行了精密计算。据估计，这样的宇宙飞船可以在一年内飞到冥王星并返回，最高速度为光速的10%。但即使是以那样的速度，它也需要用约44年的时间到达最近的恒星。科学家们推断，以这一火箭推进的太空中的方舟必须得航行几个世纪，历经数代船员，他们的后代将在飞船上出生并在飞船上度过一生，这样他们的后人才能到达最近的恒星。

多年来，军方周期性地重新考虑核火箭。有一项秘密计划被命名为“森林风核火箭”（Timberwind nuclear rocket），它是20世纪80年代军方“星球大战”计划的一部分（该计划在其存在细节遭美国科学家联合会［Federation of American Scientist］披露后被放弃）。

其他人提议我们围绕太阳快速转动以加速到接近光速。事实上，《星舰迷航IV:抢救未来》中应用了这一方法。“企业号”的船员们劫持了一艘克林贡飞船，随即向太阳疾驶，以打破光障（light barrier）、回到过去。在影片《当世界毁灭时》（When Worlds Collide）中，地球受到与小行星撞击的威胁，科学家们制造了一台巨型过山车逃离地球。一艘火箭宇宙飞船从过山车上滑下，获得了极高的速度，随后在过山车底部快速绕转、射入太空。

这些纳米飞船会是什么样的？NASA的前领导人丹·古德林（Dan Goldin）想象了一个可乐罐大小的宇宙飞船舰队，其他人则谈论针那么大小的恒星飞船。五角大楼已经在调査开发“智能尘埃”（smart dust）的可能性，尘埃大小的粒子内部装有微型探测器，能够喷洒遍整个战场，给予指挥官实时信息。在未来，可以想象“智能尘埃”或许会被送往近处的恒星。

还有一种新颖的方式能将物体投掷到接近光的速度，那就是使用“弹弓”效应。在将航天探测器送上太空中的行星时，NASA有时会让它们绕邻近的行星快速转动，这样它们就能使用弹弓效应提高速度。NASA以这种方法节省了宝贵的火箭燃料。旅行者（Voyager）宇宙飞船就是这样得以到达海王星的，它位于太阳系的边缘。

一位电气工程师非常认真地思考着纳米飞船这一概念——密歇根大学（University of Michigan）的布莱恩·吉尔克莱斯特（Brain Gilchrist）。他不久前从NASA的先进概念研究所（Institute for Advanced Concepts）获得了50万美元拨款，探究建造发动机不大于细菌的纳米飞船这一构想。他想象使用半导体行业的蚀刻技术来建造数百万纳米飞船舰队，它们会喷射直径仅数十纳米的纳米粒子来自我推进，这些纳米粒子靠通过一个电场来获得能量，就如在离子发动机内部一样。由于每一个纳米微粒都比一个离子重数千倍，这样的发动机将携带比一台典型离子发动机多得多的推力。这样，纳米发动机将具备与离子发动机相同的优势——除了它们具备更大的推进力之外。吉尔克莱斯特已经开始蚀刻这些纳米飞船的某些部件。迄今为止，他已能在一块1厘米宽的硅芯片上蚀刻1万个独立推进器。最初，他想把他的纳米飞船舰队送到整个太阳系中测试它们的能力，但最终这些纳米飞船或许会成为首先到达恒星上的舰队中的一部分。

可是，轨道炮也存在问题。它极快地将物体加速，使它们通常会在空气的冲击之下被压扁。荷载物在被射出轨道炮炮筒的过程中会遭到严重的扭曲变形，因为炮弹撞上空气，就好像撞上一堵砖墙一样。此外，荷载物沿轨道产生的巨大加速度也足以使它们变形。由于炮弹引起的损毁，轨道不得不定期更换。并且，一位宇航员承受的加速度力足以导致他死亡，能轻易压碎他体内的所有骨头。

还有一种可行性不太明确的可能，即使用一系列迷你原子弹来推进一艘恒星飞船。在“猎户座计划”中，迷你原子弹被从火箭底部依次喷射出来，这样宇宙飞船就可以“乘坐”由这些迷你氢弹制造的冲击波。理论上，这一设计可以使一艘宇宙飞船达到接近光速的速度。这一设想在1947年由协助设计最早的氢弹的斯坦尼斯劳·乌拉姆（Stanislaw Ulam）构思，由泰德·泰勒（Ted Taylor，美国军方核弹头的主要设计者之一）和普林斯顿高等研究学院（Institute for Advanced Study）的物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）进一步发展。

更合适的途径可能是首先以接近光速的速度发送一架微型无人驾驶探测器到遥远的恒星，正如我们早先提到的那样，在未来，有了纳米科技可以制造出微型宇宙飞船，它们利用的是原子和分子大小的器械的力量。例如，离子，由于它们很轻，因此能够使用实验室中的普通电压轻易加速到接近光速。或许可以使用强大的电磁场以接近光速的速度将它们送入太空，而非使用巨大的助推火箭。这意味着，如果一台纳米机器人被电离，并且放入一个电场中，它将毫不费力地被提速到接近光速。这台纳米机器人随即会向恒星们滑翔而去，因为太空中没有摩擦力。通过这种方法，许多困扰大型恒星飞船的问题就都立刻迎刃而解了。无人操控的智能纳米机器人宇宙飞船或许仅需花费制造和发射一艘巨型载人恒星飞船所需开支的一小部分就可到达近处的恒星系统。

但是，在我们建造一台能够乘坐其升入太空的太空升降舱之前，必须解决难以克服的实际障碍。目前，实验室中制造的纯净碳纳米管纤维不超过15毫米长。要建造一台太空升降舱，我们必须制造出数千英里长的碳纳米管索。尽管从科学的角度来看这只不过是一个技术问题，但如果我们打算建造一台太空升降舱的话，它会是一个顽固而艰难的问题，必须解决。不过，许多科学家相信，在数十年内我们将能够掌握制造碳纳米管长索的科技。

但恒星飞船最强有力的设计或许要涉及反物质。尽管它听起来像科幻事物，但反物质巳经在地球上被制造出来，而且或许某天会为可行的载人恒星飞船提供最有前景的设计方案。

不同于化学火箭，离子发动机不产生突然的、激动人心的推动传统火箭的高温气浪。事实上，它们的推进力通常是用盎司来计算的。要是将它们放在地球上的一张桌面上，它们会因为过于无力而不能移动。但是，它们在推进力上的匮乏在持久力上得到了更大弥补，因为它们可以在太空的真空中运行数年。

我个人最看好的能将我们带到星星上去的是冲压式喷气核聚变发动机。宇宙中有丰富的氢，冲压发动机在太空旅行的时候获取氢，从根本上给予其取之不尽的火箭燃料。氢收集起来后可随即被加热到数百万度，足够热到让氢融合，释放出一次热核反应的能量。

为戴达勒斯计划所策划的火箭飞船非常庞大，它将不得不在太空建造。它的重量将为5.4万吨，其重量几乎全都在火箭燃料上，能够达到光速7.1%的速度，载重450吨。不同于使用微型裂变原子弹的猎户座计划，戴达勒斯计划会使用由电子射线点火的氘/同位素氦-3混合物。由于其面临难以逾越的技术难题，以及对于其核推进系统的焦虑，戴达勒斯计划同样被无限期搁置了。

数学家和哲学家伯兰特·罗素（Bertrand Russell）曾经痛惜道：“没有任何任何思想或者感觉的火花、英雄气概和激荡能够超越生死、保留生命。一切时代的劳作、一切虔诚挚爱、一切绝妙灵感、一切人类非凡才能的耀眼光芒都注定要在太阳系的悲壮灭亡中毁灭。人类成就的整座神殿将必然埋葬在宇宙残骸之下的废墟中……”

然而，使这一能力适合人类是有问题的。当人体组织被冰冻，冰晶就开始从细胞内部形成。随着这些冰晶变大，它们能够穿透和摧毁细胞壁（希望在死后将自己的头部和身体冷冻在液氮中的名人们或许会重新考虑）。

然而，在事实上，这些利用引力将我们推进到太空中的方法没有一个是可行的（由于能量守恒定律，从过山车上滑下和驶回的过程中，我们最终达到的速度与初始的一样，因此我们无论如何都不会获得能量。同样，绕着静止不动的太阳转动，我们最终达到的速度与最初开始时相同）。戴森使用两颗中子星的方式可能有效的原因是中子星转动得极快。一艘利用弹弓效应的宇宙飞船从一颗恒星的行星运动中获取能量。如果它们是静止的，那就根本不存在弹弓效应。

为了激励太空升降舱方面的原创思想，NASA为两项独立奖项拨了款（奖项效仿安萨里X奖［Ansari X-prize］，这一奖项成功激励了有进取心的发明家制造出了能够携带乘客到达太空边缘的商业火箭。X奖在2004年由“太空船一号”［Spaceship One］获得）。NASA提供的奖项称为光束动力竞赛（Beam Power Challenge）和系链竞赛（Tether Challenge）。在光束动力竞赛中，参赛队伍必须将一件重量至少25千克的机械装置以至少每秒钟1米的速度送到一根系链（从起重机上垂下）向上至少50米处。这听起来或许很容易，但困难在于机械装置不得使用燃料、电池或者电线，取而代之的是，机械装置必须由太阳电池阵电源系统、太阳能集光器、激光器或者微波等适合在太空中使用的能源来提供动力。

在数百万年的时间里，大型流星或彗星与地球相撞可能会造成毁灭性的影响。上一次从天而降的大灾难发生在6500万年以前，一块直径6英里的物体猛然撞击墨西哥的尤卡坦半岛（Yucatan Peninsula），造成了一个直径约180英里的陨石坑，消灭了到那时为止在地球上居统治地位的生命形式——恐龙。另一次宇宙撞击可能也是当时那个等级的。

同一年，科学家将老鼠放入含有氢化硫的房间中，并且成功地将它们的体温减为13℃长达6小时。老鼠的代谢率下降到了原来的1/10。在2006年，波士顿马萨诸塞州综合医院（Massachusetts General Hospital）的医生使用氧化硫使猪和老鼠进入了暂停生命状态。

离子和等离子体发动机

较为优质的一部分人类十有八九永远不会灭亡，当太阳走向灭亡的时候他们会从一个太阳系迁移到另一个太阳系。

在未来，有一种方法能够大幅减少成本，那就是太空升降舱。顺着一根绳索爬上天堂的想法非常古老。例如，像在童话《杰克与魔豆》（Jack and the Beanstalk）中那样，但它或许能成为现实——如果绳索能高高送入太空的话。此后，地球自转产生的离心力将足以抵消地心引力，绳索将永远不会落下。绳子会魔法般地垂直升入空中，并且消失在云间（想象一个在轴上转动的球体。它看来在对抗地心引力，因为离心力将它推离了自转中心。同样的，一根非常长的绳子由于地球转动可以“挂”在空中除了地球的自转外，保持绳子的状态无需任何事物。理论上人可以爬上绳子并且向上进入太空。我们有时向在纽约城市大学学习物理学课程的学生提出问题，要他们计算这样一根绳子所承受的张力，不难发现，绳子所承受的张力甚至足以使钢丝绳猛然断裂。这就是太空升降舱长期以来被认为不可能实现的原因。

尽管戴森的提议或许可行，但它对如今被束缚在地球上的科学家们没有帮助。因为我们将需要一艘宇宙飞船专门用以到达转动的中子星。

轨道炮最为简单的形式由两根平行的导线或轨道构成，一颗炮弹横跨在两根导线上，组成了一个U形结构。甚至连迈克尔·法拉第也知道，当一束电流被放置在磁场中的时候会遭遇力（这其实是所有电动机的基础）。通过将数百万安培的电力送过这些导线，并通过炮弹，轨道周围形成了巨大的磁场。这一磁场随后会以巨大的速度将炮弹推下轨道。

太空旅行的危险

太空升降舱

太阳帆

在数千年的时间跨度里，人类文明面临的危机之一是一次新的冰川期的出现。最后一次冰川期在1万年前结束了。当下一次冰川期在今后1-2万年中到来，北美洲的大部分地区可能会被半英里厚的冰层覆盖。人类文明在最近短暂的两个冰期之间的时间里兴旺繁荣，这期间地球异常温暖，但这样的周期不会永远持续下去。

有人提议在月球上安装一台轨道炮。在地球大气层之外，一颗轨道炮的炮弹可以不费吹灰之力疾行过太空的真空，但是一门轨道炮产生的巨大加速度就可能毁坏荷载物。从某些意义上来说，轨道炮是激光帆的对立面。激光帆经过一长段时间温和地获得自己的速度；轨道炮是有限制的，因为它们将巨大的能量填充进了小小的空间内。

距今数百亿年后，太阳和银河系都将死去。当我们的太阳最终耗尽其氢/氦燃料，它将萎缩成一颗微型白矮星，并且渐渐冷却，直到它成为一堆巨大的黑色核垃圾游荡在太空的真空中。银河系将最终与邻近的仙女星系相撞。仙女星系比我们的银河系大。银河系的旋臂（spiral arm）会被撕裂，我们的太阳将被甩入外太空。两个星系中心的黑洞将在最终的撞击和合并之前表演一场死亡之舞。

有一个提议或许可以解决这些问题，那就是太阳帆。它利用了阳光能应用非常小但是非常稳定的压力这一事实，这一压力足以将巨型火箭推入太空。太阳帆的概念相当古老，始于伟大的天文学家约翰尼斯·开普勒1611的论文《梦游记》。

诗人罗伯特·弗洛斯特（Robert Frost）提出过地球是将在火焰中还是冰冻中终结这一问题，运用物理定律，我们能够合情合理地预测地球将如何在一次自然灾难中终结。

太空旅行不是星期天的野餐，巨大的危险恭候着去往火星或更远处的载人飞船。地球上的生命已经被庇护了数百万年：地球的臭氧层保护地球免受紫外线侵袭，它的磁场对抗太阳耀斑和宇宙射线，它厚厚的大气层保护地球免遭流星撞击，使流星在一进入大气层的时候就被烧毁。我们将地球上温和的气温与气压视作理所当然。但是，在外太空中，我们必须面对这样的事实：宇宙的大部分处于混乱之中，有危险的辐射带和大群致命的流星。

尽管一台成功的太空升降舱可以使太空项目发生根本性的改变，但这样的机器有它们自己的一系列危害。例如，近地人造卫星的轨道在它们环绕地球运行的时候会不断改变（这是由于地球在它们下方转动）。这意味着，这些人造卫星最终会与太空升降舱以每小时1.8万英里的速度猛烈相撞，足以使系链断裂。为了防止这样的劫难，在未来不是人造卫星必须设计为带有小型火箭、能够在太空升降舱周围游过，就是升降舱的系链不得不配备小型火箭以躲避经过的人造卫星。

轨道炮已经成功将金属物体以极高的速度射出非常短的距离。非比寻常的是，理论上，一门简单的轨道炮应该能够将一颗金属炮弹以每小时18000英里的速度发射，如此它将进入地球周围的轨道。基本上，NASA的整个火箭战队都可以用一门轨道炮替代，它可以将所有荷载物从地球发射入轨道。

其次，碳纳米管中的微型杂质会使长索成为问题。意大利都灵理工学院（Polytechnic of Turin）的尼古拉·普格诺（Nicola Pugno）估计，一根碳纳米管中哪怕有一个分子出现误差，碳纳米管索的强度就要减少70%，使其无法达到支持一台太空升降舱所必须的最小吉帕斯卡数。

显然，如果我们想要在某一天到达其他恒星，那就必须发展新型的火箭设计。要么我们必须从根本上提高火箭的推进力，要么我们就得增加火箭运行的时间。例如，一架大型化学火箭可能具备数百万磅的推进力，但仅仅能燃烧几分钟。相反，其他火箭设计，比如离子发动机（在下列段落中详述），或许具备可能在外层空间中运行上数年的微弱推进力。谈到火箭学，乌龟能胜过兔子。

离子发动机有一种更为强大的版本——等离子体发动机。例如，VASIMR（可变比冲磁等离子体火箭，variable specific impulse magnetoplas marocket），使用一束强有力的等离子体将火箭推进太空。VASIMR由宇航员/工程师张福林（Franklin Chang-Diaz）设计，使用无线电波和磁场将氢气加热到100万摄氏度。超热的等离子体随即从火箭底部喷出，产生巨大的推力。尽管还没有被送入过太空，这一发动机的雏形已经在地球上制造完毕。一些工程师希望等离子体发动机能够被用于支持去火星的任务，这可以大大将到达火星的行程时间缩短到数月。一些设计使用太阳能为发动机中的等离子体赋予能量，其他的设计使用核裂变（这引起了关于安全方面的担忧，因为它涉及将大量核材料装在易发生事故的飞船上送入太空）。

但是，在过去几年中，NASA已经重新开始了核火箭研究，这是20世纪60年代NERVA项目以来的第一次。在2003年，NASA命名了一项新计划——普罗米修斯（Prometheus），得名于为人类带来火种的希腊天神。在2005年，“普罗米修斯计划”获得了4.3亿美元的拨款，尽管这一拨款在2006年被削减到了1亿美元。这一计划的前景尚不明朗。

普林斯顿大学的物理学家弗里曼·戴森提议，在遥远的未来，我们或许会发现两颗相互以高速公转的中子星。通过极靠近两颗中子星之一，我们可以绕其高速转动，并且随后以接近光速1/3的速度甩入太空。事实上，我们将使用万有引力给予额外的增强以接近光速。理论上，这仅仅是或许可行。

主要的不确定因素可能是聚变反应。定于在法国南部建造的ITER聚变反应堆结合了两种氢的罕见形态（氘和氚）以取得能盘。然而，在太空中，氢最丰富的存在形式是由被一个电子围绕的质子构成的。因此，冲压式喷气核聚变发动机将不得不利用光子-光子聚变反应。尽管物理学家们研究氘/氚聚变过程已经数十年，但光子-光子聚变反应过程获得的了解不足更为难以实现，并且产生的能量要远远更少。因此，在未来的10年中，掌握难度更高的光子-光子聚变反应将是一大技术挑战（除此之外，一些工程师对于冲压式喷气发动机能否在其接近光速的时候克服曳引效应感到怀疑）。

暂停生命

另有一种将物体以梦幻般的速度掷入太空的绝妙方法——轨道炮（railgun）。亚瑟·C.克拉克和其他人在自己的科幻小说中对其大加描绘，在“星球大战”的导弹防御系统中它也作为其一部分得到了认真的评估。

对我而言，这是英语中最发人深省的段落之一。但是罗素是在一个火箭、宇宙飞船被认为不可能的年代写出这段话的。今天，有朝一日离开地球的想象已经不那么牵强了。卡尔·萨根曾说，我们应该变成“双行星物种”。地球上的生命非常宝贵，他说，我们应该扩张到至少另一个适宜居住的行星上，以防止大灾难的降临。地球运行在一个“宇宙射击场”之中，其中有小行星、彗星和其他在地球轨道附近漂流的散落碎片，与它们中任何一方的一次相撞就可能导致我们的灭亡。

这一研究的结果喜忧参半。火箭是非常复杂的，并且常常失灵。核发动机的剧烈振动时常震裂燃料棒束，导致飞船四分五裂。高温燃烧氢气所造成的腐蚀同样是个反复出现的问题。核火箭项目最终于1972年终止。

工程师们有时会说起“比冲”（specific impulse），它使我们可以将各种各样的发动机设计的效率进行排名。“比冲”被定义为每份推进剂质量单位中动量的变化，因此，发动机效率越高，将一架火箭推入太空所需要的燃料越少。反过来，动量是力作用了一段时间之后的产物。化学火箭尽管有非常大的推力，但只运行数分钟，因此比冲很低，离子引擎由于可以运行数年，能具备高比冲和非常低的推力。

1999年，NASA的一项研究对太空升降舱进行了认真的考虑，想象了一条约1米宽、4.7万千米长的带子，能够将约15吨的有效载荷传送到地球轨道中。这样的太空升降舱可能在一夜之间改变太空经济。建造开支可以减少到原来的一万分之一，是一项惊人的、革命性的改变。

外太空中的辐射强度比过去所认为的要强很多。例如，在11年的太阳黑子周期中，太阳耀斑发出巨量的致命等离子体，向地球奔腾而来。在过去，这一现象迫使空间站上的宇航员们寻找特殊的保护，对抗亚原子颗粒组成的可能致命的火力网。在这样的太阳爆发期间进行太空行走是致命的（举例来说，哪怕是从洛杉矶到纽约作一次简单的横跨大陆旅行也会使我们接受在每小时飞行1毫笛姆辐射的照射。在整个旅程中，我们被暴露在几乎相当于一台牙科X光机的辐射之下）。在外太空，地球的大气层和磁场不再保护我们，辐射照射会成为一个严重的问题。

NASA的NSTAR离子推进器在1998年成功发射的深太空一号（Deep Space 1）上进行了测试。离子发动机总共燃烧了678天，创下了离子发动机的新纪录。欧洲航天局也在自己的智能一号（Smart 1）探测器上测试了一台离子发动机。曾经飞过一颗小行星的日本隼鸟号（Hayabusa）太空探测器由四台氙离子发动机驱动。尽管不怎么激动人心，但离子发动机将能够完成行星间远距离的任务（紧急的除外）。其实，离子发动机有朝一日可能会成为星际运输中使用的驿马。

目前，将1磅重的物体送入环绕地球的轨道要花费1万美元以上（大致就是一盎司黄金的价格）。举例来说，每一次航天飞机发射任务的花费多达7亿美元，一台太空升降舱可以将费用减至每磅1美元之少。在太空项目开支中如此巨幅的减少能将给我们观察太空的方式带来革命性的改变。简单地按下升降舱按钮，我们理论上可以凭一张飞机票的代价乘坐升降舱进入太空。

在理论上，一艘庞大的太阳帆或许能够以光速的一半速度移动。这样的太阳帆只要花上8年左右就可以到达附近的星体）这样一个推进系统的优势在于，它可以使用现有科技，不需要发现新的物理定律来制造。但主要的问题是经济上和工程上的。工程上的问题是：制造一艘数百英尺宽的太阳帆，并由位于月球上的数千束强大激光束赋予能量，是难以完成的，需要或许是未来100年后才出现的科技。（星际太阳帆存在一个问题——回收。我们将不得不在一个遥远的行星卫星上制造第二个激光器阵列，好将飞船推冋地球，或者，飞船能够迅速绕着一颗恒星旋转，将它像一台弹射器那样使用，以便为回程获得足够的速度。随后月球上的激光器可以将太阳帆减速，如此它便能降落在地球上。）

延长太空旅行首先要解决的问题是失重。俄罗斯科学家对失重的长期研究表明，在太空中人体流失宝贵的矿物质和化学元素的速度比预想中快得多。尽管经过严格的训练，但在空间站度过一年以后，俄罗斯太空人的骨骼和肌肉仍然严重萎缩，他们在刚回到地球的时候只能像婴儿一样爬行。肌肉萎缩、骨骼恶化、红细胞产量减少、免疫反应低下以及心血管系统功能减弱，看来是长时间在太空中失重带来的不可避免的后果。

还有一些方法能让我们通过更先进、未经验证、接近科幻小说的科技到达其他恒星。最有希望的提议是使用以纳米技术为基础的无人驾驶探测器。在本篇讨论中我自始至终都假设恒星飞船必须是巨大的装置，消耗巨量能源，能够将大批人类船员带去恒星，类似于《星舰迷航》中的“企业号”。

尽管太阳帆技术的进展缓慢得让人痛苦，可太阳帆的支持者们却有另一个或许可以将他们带到星星上去的想法：在月球上制造巨型的激光器阵列，能够向一艘太阳帆发射强烈的激光，使其向最近的星星航行。可是，这样的星际航行太阳帆的物理原理真的非常令人气馁。太阳帆本身的宽度必须达到数百英里，并且完全在太空中制造。我们必须在月球上制造数千束强大的激光束，每一束都能够持续射击数年到数十年（在一项估算中，发射的激光必须是目前地球能量总产量的1000倍）。

但是这一项目最大的问题在于发射过程中核放射性沉降可能造成污染。戴森估计，每次发射产生的核放射性沉降能导致10个人患上致命的癌症。此外，发射产生的电磁脉冲极为强烈，会造成邻近的电子系统短路。

这样的纳米飞船可以用于飞往近处的恒星，或者像一位退休的美国空军航天工程师杰拉德·诺德利（Gerald Nordfey）建议的那样，用于向一艘太阳帆施加压力，以便将其推进太空。诺德利说：“如果有一群针头大小的恒星飞船排成队形飞行，并且相互联系，你就可以实际上用一束闪光推动它们。”

冲压式喷气核聚变发动机

一台典型的离子发动机看上去就像显像管的内部。一根火热长丝由一股电流加热，制造出一股电离后的原子，比如氙，它们从火箭底部射出。离子发动机并不是驾着炙热、爆炸性的气流行驶，而是乘着稀薄但稳定的离子流。

由于涉及有毒核燃料在地球大气层中爆炸的风险，早期的核火箭发动机被水平放置在铁路轨道上，在那里，火箭的表现可以获得精心的检测。漫游者计划中测试获得的首台核火箭引擎是1959年的奇异1号（Kiwi 1，恰如其分地用澳大利亚不会飞的小鸟命名）。在20世纪60年代，NASA加入了AEC一同制造核子引擎火箭推进系统应用（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications，NERVA），这是首枚竖直而非水平地进行试验的核火箭。在1968年，这枚核火箭以头朝下的姿势进行了点火试验。

能够将物体发射到附近恒星上的轨道炮将相当昂贵。一项提议认为，轨道炮应该在太空中制造，延伸达地球至太阳的2/3距离之长。它储存来自太阳的太阳能，随即猛地将那些能量排放入轨道炮，以1/3光速送出10吨的荷载，有5000克的加速度。不出意料的是，只有最强壮的机器荷载才能在如此巨大的加速度之下幸存。

这一向月亮射击的愚蠢想法是邪恶的专业化将科学家们带到荒唐境地的范例……这一主张似乎从根本上是不可能实现的。

可能存在的最大比冲会来自一架能达到光速的火箭，它将具备约3000万的比冲。以下表格列出了不同种类的火箭发动机的比冲。

尘埃大小的纳米机器人的电路系统将使用半导体产业应用的蚀刻技术制造。这一技术能够制造出小至30纳米、或者约150个原子宽的元件。这些纳米机器人能从月球使用轨道炮或者甚至是粒子加速器发射，粒子加速器一般能将亚原子颗粒发射到接近光速。这些装置非常便宜，可以被数百万计地发射入太空。

——康斯坦丁·E.齐奥尔科夫斯基（Konstantin E. Tsiolkovsky），火箭之父

核脉冲火箭

到目前为止，我介绍的火箭设计有一项始终存在的非议。那就是，哪怕我们能制造出这样的恒星飞船，也要花上数十年到数百年才能到达附近的恒星。这样的任务需要数代船员参与，他们的后代将到达最后的目的地。

1959年，通用原子技术公司（General Atomics）发表了一份报告，估算了一艘猎户座宇宙飞船的大小。最大的一种被称为超级猎户座（superOrion），重达800万吨，直径400米，由1000枚以上的氢弹提供动力。

在系链竞赛中，参赛队伍必须制造出重量不得超过2克的2米长的系链，并且必须能携带比前一年的最佳系链多50%的重量。竞赛的目的是鼓励研究，开发出足以在太空中悬挂10万千克的轻型材料。奖金分别为15万美元、4万美元和1万美元（在此强调一下征服这一竞赛的难度：在2005年竞赛举办的第一年，没有人获得该奖）。

吉尔克莱斯特的提议是NASA所考虑的几个新颖提议之一。在几十年的停滞状态之后，NASA不久前对各种各样的星际旅行提议给予了认真的考虑——这些提议从脚踏实地到奇异荒诞，应有尽有，自20世纪90年代早期开始，NASA主办了一年一度的先进太空推进研究研讨班（Advanced Space Propulsion Research Workshop）。在研讨班期间，这些技术被认真的工程师和物理学家小组批驳得体无完肤。更为野心勃勃的是“突破推进物理”（Breakthrough Propulsion Physics）项目，它探索与星际旅行相关的神秘的量子物理世界。尽管两者没有共同观点，但是它们的活动有许多都集中在该领域的领先者——激光帆和各种类型的聚变火箭身上。

由于人类在某天必须逃离太阳系到邻近的星体上谋求生存，或者毁灭，问题在于：我们要如何去那里？最近的星系半人马星座在超过4光年以外。传统的化学推助火箭——时下太空项目使用的小马驹，勉强能达到每小时4万英里。用这种速度，仅仅是到达最近的恒星就要花上7万年。

但是，纳米恒星飞船面临挑战。太空中飞过的电场或磁场改变方向的同时可能会改变飞船的方向。为了对抗这些力量，我们需要在地球上将纳米飞船的电压增强到极高的水平，这样它们就不会轻易改变方向。其次，我们或许不得不送出数百万艘的一大群这样的纳米机器人恒星飞船，以保证有少量能够真正成功到达目的地。向最近的恒星送出大群恒星飞船或许看起来很奢侈，但这样的恒星飞船很廉价，并且可以数以十亿计地大批生产，这样它们中只要有一小部分到达目的地就行了。

到光子-光子聚变反应的物理问题和经济性问题获得解决之前，对于冲压式喷气发动机的可行性很难作出精确的估计。但是，在计划去往星星上的任务时，这一设计被列在简短的备选名单之内。

虽然制作太阳帆的物理原理相当简单，但制造真正能送入太空的太阳帆的进展时好时坏。2004年，一台日本火箭成功使用了两台小型太阳帆样机进入太空。在2005年，行星协会（Planetary Society）、宇宙工作室（Cosmos Studios）和俄罗斯科学院（Russian Academy of Sciences）从巴伦支海上的一艘潜水艇发射了宇宙一号（Cosmos 1）宇航器，但是其携带的波浪号（Volna）火箭失灵了，宇航器没能到达轨道（早在2001年，一次亚轨道飞行同样失败了）。但是，在2005年，一艘15米长的太阳帆飞船由日本的M-V火箭成功送入轨道，尽管太阳帆没有完全展开。

其次，宇宙中存在以每小时数万英里速度飞行的流星，这或许会要求宇宙飞船必须装备额外的防御盾。对航天飞机机身的详细检査显示了几次微小的、但有致命可能的小型流星撞击。在未来，宇宙飞船可能必须为船员配备—个特别双重加固的舱室。

对许多这类火箭来说，遭受的最严重的反对意见在于它们极为庞大和沉重，因而永远无法在地球上建造，这就是为什么有些科学家提出在太空中建造它们。在那里，失重也许会使宇航员们能够轻易抬起重得不可思议的物体。但现在的批评者们指出，在太空中装配它们的费用巨大得无法承受，比如，国际空间站需要超过100次的航天飞机发射才能完成装配，其成本已经逐步累积到1000亿美元。它是历史上最昂贵的科学项目。在太空中建造一艘星际飞船或者冲压喷气勺的花费比它还多许多倍。

1956年，美国原子能委员会（U.S.Atomic Energy Commission，AEC）开始在漫游者计划（Project Rover）中认真研究核火箭。理论上，一个核裂变反应器会将氢之类的气体加热到极端高温，随后这些气体会从火箭的一端喷出，制造出推力。

分析一下当今的太空项目，在我们当今可怜巴巴的技术能力和一艘可以让我们开始探索宇宙的恒星飞船之间有着巨大的鸿沟。自从20世纪70年代早期对月球进行探索以来，我们的载人太空项目将宇航员送入了地球上空仅仅300英里的轨道上的航天飞机（Space Shuttle）和国际空间站（International Space Station）。然而，NASA计划到2010年逐步停用航天飞机，为猎户座载人飞船（Orion spacecraft）让路。猎户座载人飞船将在50年的间断之后，于2020年之前把宇航员带回月球。计划是建立一个永久性的、人工操纵的月球基地。在那之后，一项人工操作的任务将在火星上实施。

根据物理法则，这无情的未来将是必然会到来的。地球最终将在火舌中灭亡，并被太阳吞噬。这是一条物理定律。