◤?fù)黄脐P(guān)鍵科技

如果宇宙中存在星際文明，哪些科技是他們必須掌握的？

在科幻小說(shuō)《三體》中，三體人為了防止人類(lèi)掌握星際防御技術(shù)，采取鎖死地球科技發(fā)展的措施。由于對(duì)物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的了解會(huì)引發(fā)物理學(xué)革命，是一切科技發(fā)展的基礎(chǔ)，所以三體人主要限制了人類(lèi)對(duì)物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的探索?！八巍薄爸形⒆訌V播”“曲率引擎”等技術(shù)都依賴(lài)基礎(chǔ)物理學(xué)的發(fā)展。一旦無(wú)法從高能物理實(shí)驗(yàn)中獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，物理學(xué)家就變成了盲人，永遠(yuǎn)無(wú)法證實(shí)新理論正確與否。

星際文明是能夠進(jìn)行太空旅行的種族，他們對(duì)向上和向下兩個(gè)方向的自然規(guī)律必然有精深的理解。向上，需要理解天體運(yùn)行規(guī)律，這樣飛船才能在星體復(fù)雜的引力場(chǎng)中穿行；向下，需要掌握物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，這樣才能運(yùn)用蘊(yùn)含在亞原子粒子中的力量，推進(jìn)飛船前進(jìn)。

在人類(lèi)科技史上，有一種材料同時(shí)承擔(dān)了對(duì)物質(zhì)世界向上和向下兩個(gè)方向的探索功能，這就是玻璃：玻璃鏡片制作的望遠(yuǎn)鏡提高了天體測(cè)量的精度；玻璃制作的三棱鏡分解了白光，揭示了物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的奧秘；顯微鏡加深了人對(duì)生命現(xiàn)象的了解；試管和量杯是化學(xué)研究不可缺少的工具……可以說(shuō)，沒(méi)有玻璃就不會(huì)有科學(xué)革命。

在其他星球上，玻璃或許可以被其他透明且耐腐蝕的材料代替。但有些技術(shù)，是沒(méi)法輕易被替代的，比如高速推進(jìn)技術(shù)、太空生命保障系統(tǒng)和星際通信。

◆ 化學(xué)燃料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

星際文明一定具備恒星際航行的能力。在距離太陽(yáng)15光年范圍內(nèi)，有32個(gè)恒星系統(tǒng)；100光年范圍內(nèi)大約有600個(gè)。迄今速度最快的載人航天器是“阿波羅10號(hào)”飛船，最高速度達(dá)到了每小時(shí)39895公里，但即使以這個(gè)速度飛行，到達(dá)距離地球最近的恒星系統(tǒng)——4.2光年遠(yuǎn)的半人馬座α星——也需要12萬(wàn)年的時(shí)間。假設(shè)星際文明的個(gè)體壽命是人類(lèi)的一倍，達(dá)到200年的量級(jí)，一次可接受的往返星際航行應(yīng)該在100年內(nèi)完成，否則，船員的教育和退休生活都要在飛船上進(jìn)行。

要實(shí)現(xiàn)這樣的速度，首先被排除的就是化學(xué)燃料推進(jìn)。如果一架航天飛機(jī)大小的航天器用1000年時(shí)間飛到鄰近的恒星系，并采用化學(xué)燃料火箭，那么，需要的推進(jìn)劑比全世界所有燃料加起來(lái)還多得多。即使采用人類(lèi)目前掌握得性能最好的離子發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣速度比目前使用的化學(xué)火箭的排氣速度高200倍，仍需要500多艘超級(jí)油輪（10萬(wàn)噸級(jí)）大小的推進(jìn)劑儲(chǔ)箱，才能使航天器耗費(fèi)100年的時(shí)間飛到距離太陽(yáng)最近的恒星。如果該航天器到達(dá)目的地之后要停下來(lái)，則另外還需要用500艘超級(jí)油船所容納的推進(jìn)劑來(lái)減速。要實(shí)現(xiàn)星際飛行，必須使用更高能量密度的燃料。

◆ 核聚變：勉強(qiáng)夠用

核聚變是人類(lèi)目前掌握的最大的能量來(lái)源，它可以使飛船實(shí)現(xiàn)0.1倍光速下的近距離恒星間百年往返。

1973至1978年，英國(guó)星際學(xué)會(huì)組織開(kāi)展了一項(xiàng)名為“代達(dá)羅斯計(jì)劃”的核聚變星際飛船研究，該計(jì)劃設(shè)想用無(wú)人飛船對(duì)另一個(gè)恒星系統(tǒng)進(jìn)行飛掠式的快速探測(cè)。這艘星際飛船長(zhǎng)190米，由兩級(jí)構(gòu)成，豎起來(lái)有60層樓高。第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)直徑達(dá)100米，是半球狀結(jié)構(gòu)；發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁排列著75支電子槍?zhuān)靡园l(fā)射電子轟擊發(fā)動(dòng)機(jī)中心的核燃料球；其每小時(shí)的聚變能量輸出相當(dāng)于100萬(wàn)噸TNT。

代達(dá)羅斯飛船的燃料球由氘和氦3構(gòu)成，總質(zhì)量達(dá)5萬(wàn)噸。這兩種燃料都不容易獲得。該計(jì)劃中包含開(kāi)采木星以獲得氫的同位素。如何采集木星氦3呢？可以用一根“空心繩”在軌道上將木星大氣中的氦3吸取上來(lái)，由于這根“空心繩”能切割木星磁感線，所以還可以用來(lái)發(fā)電。據(jù)測(cè)算，要在木星大氣中用氣球放置100套提取裝置，花費(fèi)20年才能分離出足夠多的氦3。一、二級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)總共工作不到4年，可以將飛船加速到0.12倍光速，在接下來(lái)的46年里，代達(dá)羅斯飛船會(huì)處于無(wú)動(dòng)力滑行狀態(tài)。在發(fā)射的50年后，載有科研設(shè)備的500噸重飛船可抵達(dá)距太陽(yáng)5.9光年的巴納德星。

如果把“代達(dá)羅斯計(jì)劃”放在2010年實(shí)施，成本估計(jì)為40萬(wàn)億美元。這相當(dāng)于全世界所有國(guó)家的年度GDP總和。能量消耗則占全球一年能源消耗的十分之一。這還只是一個(gè)飛掠恒星的不載人恒星際航天計(jì)劃。對(duì)于載人飛船來(lái)說(shuō)，還必須裝備大量的防護(hù)設(shè)施，使乘員免遭聚變反應(yīng)生成的α粒子和質(zhì)子的傷害。多出的防護(hù)設(shè)施和生命維持系統(tǒng)的質(zhì)量，需要以指數(shù)形式增加的額外燃料來(lái)推進(jìn)。

◆ 沖壓推進(jìn)：難以獨(dú)當(dāng)一面

所有的火箭，包括核聚變動(dòng)力火箭，為了獲得更高的加速度，就必須攜帶更多的燃料，這會(huì)使火箭變得更重，反而又降低了加速度。因此，如果真想進(jìn)行星際旅行，在燃料問(wèn)題上就應(yīng)該盡量就地取材。1960年，美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·巴薩德提出的沖壓式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或許可以解決這一難題。它的原理跟核聚變動(dòng)力火箭一樣，但它并不需要攜帶核燃料。它首先是將飛船前進(jìn)方向上的氫物質(zhì)電離，然后利用強(qiáng)大的磁場(chǎng)吸收這些氫離子作為燃料。由于星際空間中氫物質(zhì)很少，因此，它的磁場(chǎng)必須足夠強(qiáng)，甚至要延伸數(shù)百乃至數(shù)千公里范圍。

星際沖壓推進(jìn)飛船的速度并非科幻小說(shuō)《宇宙過(guò)河卒》中描寫(xiě)的可以一直加速到接近光速。當(dāng)高速飛行的時(shí)候，巨大的磁場(chǎng)將產(chǎn)生不可忽視的拖滯效應(yīng)，使飛船根本無(wú)法達(dá)到接近光速的速度，最多只能達(dá)到光速的16%。另外，只有當(dāng)火箭的速度達(dá)到光速的6%時(shí)，氫收集器才能收集到足夠的氫作為燃料，讓發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作；所以必須配備一臺(tái)輔助推進(jìn)器，使它的時(shí)速至少達(dá)到6480萬(wàn)公里，而如何達(dá)到這個(gè)速度也是一個(gè)不小的技術(shù)難題。如同氫彈必須由原子彈做“扳機(jī)”一樣，星際沖壓推進(jìn)飛船也要以核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)作為“助推器”。

◆ 反物質(zhì)：最高效，最稀缺

對(duì)于所有利用反作用力原理推進(jìn)的火箭來(lái)說(shuō)，反物質(zhì)是能量密度最高的燃料。1克反粒子與對(duì)應(yīng)的正粒子相遇后，所發(fā)生的湮滅反應(yīng)將釋放出相當(dāng)于4萬(wàn)噸TNT爆炸的能量。42毫克反質(zhì)子所具有的能量，與航天飛機(jī)外貯燃料箱中750噸燃料和氧化劑所含的能量相當(dāng)。在《星際迷航》中，“企業(yè)號(hào)”可實(shí)現(xiàn)曲速飛行，以超光速抵達(dá)宇宙任意一處，都仰仗于它的反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)好處是反物質(zhì)的湮滅可以自發(fā)產(chǎn)生，不必像核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)那樣需要人為營(yíng)造高溫高壓條件，所以反應(yīng)堆體積可以縮小，飛船重量得以減輕。

反物質(zhì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，是保證和提高磁場(chǎng)引導(dǎo)粒子流從引擎噴口逸出的效率。研究表明，一種以正、反物質(zhì)的混合物作為推進(jìn)器燃料的火箭，能夠以光速的70%左右飛行。這意味著，借助反物質(zhì)發(fā)射火箭，人類(lèi)前往4.2光年之外的半人馬座α星只需要6年時(shí)間。由于相對(duì)論效應(yīng)，從地球到半人馬座，地球上的時(shí)間會(huì)過(guò)去6年，而旅行者的時(shí)鐘只過(guò)了不到4年半而已。

在太陽(yáng)系里，反物質(zhì)十分稀少，只能用人工方法制取。目前，通過(guò)粒子加速器需花費(fèi)1000年才能制造出1微克反質(zhì)子。在人類(lèi)建造的加速器里，質(zhì)子束正以每10年4個(gè)數(shù)量級(jí)的速度提高著。有粒子物理學(xué)家認(rèn)為，到了21世紀(jì)中期，微克級(jí)的反質(zhì)子產(chǎn)量可能出現(xiàn)指數(shù)式增長(zhǎng)。而我們現(xiàn)在擁有的反質(zhì)子數(shù)量微乎其微，其湮滅產(chǎn)生的能量連一根火柴都無(wú)法點(diǎn)燃。

工程師面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，如何在狹小的空間里儲(chǔ)存足夠多的反質(zhì)子，因?yàn)榉促|(zhì)子能湮滅普通物質(zhì)。顯然不能將它們存放在實(shí)體容器中，它們必須借助電場(chǎng)和磁場(chǎng)加以保存。

由于上述幾種星際推進(jìn)技術(shù)各有優(yōu)劣和適用范圍，真正的星際飛船可能采用光帆、核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)、反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)混合推進(jìn)：在距離恒星不遠(yuǎn)的地方張開(kāi)光帆，節(jié)省燃料；接近巨行星時(shí)補(bǔ)充核聚變?nèi)剂?；最寶貴的反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)只有在關(guān)鍵時(shí)刻使用。

也許擁有得天獨(dú)厚資源的外星文明可以更輕松地進(jìn)行星際航行。2011年，約瑟夫·布里登博士提出了“無(wú)引擎星際飛船”的想法。他提出，在星體間混亂的引力場(chǎng)中，有時(shí)一些恒星將被高速拋出。他認(rèn)為同樣的原理可以應(yīng)用在推動(dòng)飛船航行上。首先，找一顆近距離接近太陽(yáng)并以橢圓軌道運(yùn)行的小行星，然后發(fā)射一艘圍繞該小行星運(yùn)轉(zhuǎn)的星際飛船。如果該小行星能夠在靠近太陽(yáng)的新軌道上被捕獲，那么該艘飛船將會(huì)被拋擲到星際軌跡中，它的速度很可能達(dá)到光速的十分之一。小行星以及飛船之間的混沌動(dòng)力學(xué)，使得小行星的全部能量轉(zhuǎn)移給飛船進(jìn)而成為飛船的驅(qū)動(dòng)力。這個(gè)“借力”原理有點(diǎn)類(lèi)似電影《星際穿越》中，飛船借助黑洞引力加速回航。

◆ 太空生命保障系統(tǒng)

有沒(méi)有天生就適合星際航行的生物呢？比如像“異形”那樣，不怕真空和輻射；或是一種借助光壓力飛行于恒星之間的智能微粒。如果沒(méi)有這樣的生物，星際文明的個(gè)體在進(jìn)行長(zhǎng)途太空飛行時(shí)，就得老老實(shí)實(shí)地把母星的環(huán)境帶在身邊。這個(gè)環(huán)境則包括飲食、空氣（氣壓）和重力。

以地球人為例，一個(gè)容納1萬(wàn)居民的太空居住地，在大家都吃素的情況下，每年也要消耗1萬(wàn)噸食物。當(dāng)前，每運(yùn)送1千克食物到國(guó)際空間站，要花費(fèi)近1.4萬(wàn)英鎊（約合13萬(wàn)元人民幣）。這么多食物不可能全從地球運(yùn)過(guò)去，必須自給自足。自給自足的最好方法莫過(guò)于種植，就像《火星救援》那樣。如果太空居住地使用太陽(yáng)光照明，且光照強(qiáng)度與地面一樣，那么，每位太空居民至少需要占地1000平方米的植物來(lái)供給口糧，另外還需要50平方米的植被生成氧氣供呼吸用。使用人工光照可以減少植物的占地面積，但需要額外的電能。產(chǎn)生人工重力的旋轉(zhuǎn)艙可防止骨鈣流失、肌肉萎縮，但對(duì)火箭來(lái)說(shuō)是“死重”，得耗費(fèi)額外的燃料推進(jìn)。如果船員可以被冷凍起來(lái)，到了目的地再喚醒，則可節(jié)省大量的生命維持設(shè)備，人工重力也不需要了。所以，冬眠技術(shù)是一項(xiàng)非常值得開(kāi)發(fā)的太空技術(shù)。

◆ 星際通信

考慮到太空旅行需要跨越的空間距離和時(shí)間距離，一旦開(kāi)啟星際移民，人類(lèi)就會(huì)四分五裂。首先分裂的是語(yǔ)言和文化。相隔萬(wàn)億公里、無(wú)線電通信延遲數(shù)年的外星球定居點(diǎn)，將產(chǎn)生自己的方言俚語(yǔ)，擁有自己的文化。接下來(lái)，就會(huì)出現(xiàn)政治和經(jīng)濟(jì)的分裂。描寫(xiě)月球、火星殖民的獨(dú)立戰(zhàn)爭(zhēng)的科幻小說(shuō)數(shù)不勝數(shù)。星際文明時(shí)代，與母星距離更遙遠(yuǎn)的殖民星球獨(dú)立的可能性更大。歷史上，龐大的蒙古帝國(guó)之所以迅速瓦解，一個(gè)原因就是在通信落后的時(shí)代無(wú)法對(duì)所轄地區(qū)進(jìn)行有效治理。

只有超光速通信才能維系統(tǒng)一的星際文明。在《安德的游戲》中，人類(lèi)靠安塞波保持指揮部和星際艦隊(duì)的聯(lián)系，擊敗了遙遠(yuǎn)的外星敵人。在科幻作品中，常見(jiàn)的超光速通信有兩種：一是超空間通信，先用曲速、超空間、躍遷發(fā)生器等手段產(chǎn)生一個(gè)空間，將電磁波發(fā)送進(jìn)這個(gè)空間，電磁波在該空間中的傳遞速度超越光速?！缎请H迷航》中就是這樣做的；二是量子通信：利用量子糾纏原理，將光子對(duì)拆散，一個(gè)留在原地，一個(gè)放在目標(biāo)航天器上，當(dāng)對(duì)一個(gè)光子進(jìn)行干涉時(shí)，另一個(gè)光子就會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)。《三體》中，智子之間就這樣實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)通信。

◆ 人類(lèi)距下一個(gè)篩子還有多遠(yuǎn)？

文明的第一次“長(zhǎng)大”，是發(fā)現(xiàn)自己的世界不是世界的中心，對(duì)人類(lèi)而言，這次成長(zhǎng)發(fā)生在哥白尼時(shí)代。

文明的第二次“長(zhǎng)大”，是發(fā)現(xiàn)星際文明“大過(guò)濾器”的存在。對(duì)人類(lèi)而言，這件事發(fā)生在近幾十年間。

文明的第三次“長(zhǎng)大”，是明知面臨“大過(guò)濾器”可能會(huì)無(wú)能為力，但還是會(huì)盡力爭(zhēng)取。對(duì)人類(lèi)而言，還不知道哪一層篩子會(huì)難以穿過(guò)，所以，我們?nèi)栽趪L試。

可控核聚變尚未打破“永遠(yuǎn)的50年后”魔咒，但終會(huì)成功。難的是有能力為使用技術(shù)付出代價(jià)。擁有技術(shù)和能夠自如地使用技術(shù)是兩碼事。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)已經(jīng)掌握載人火星探測(cè)的基本技術(shù)，但由于成本高昂，三十年后的今天仍未成行。星際擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力也難以預(yù)估。也許腦機(jī)接口的誕生會(huì)使所有人安于虛擬世界，不再關(guān)心星空。雖然大規(guī)模核戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致自毀的可能性降低了，但強(qiáng)人工智能實(shí)現(xiàn)后，人類(lèi)是否能繼續(xù)存在還是未知數(shù)。

如果“大過(guò)濾器”在宇宙中發(fā)揮作用，那些極難通過(guò)的死亡之篩是在人類(lèi)的后面還是前面？也許，只有我們成為星際文明，或者與真正的星際文明實(shí)現(xiàn)了接觸，這個(gè)問(wèn)題才有答案。

【責(zé)任編輯“楊楓】