科学

文/陈梓钧

墨西哥湾蔚蓝的大海上，风平浪静，白浪轻吻着微风，海鸥竞逐着鱼群。在这片祥和的景象之下140米的深处，沉睡着人类有史以来最大的火箭。它高度足有165米，直径23米，是登月火箭“土星五号”的两倍还多。为了节约成本，设计师舍弃了昂贵的钛合金等航天材料，而用廉价的潜艇用不锈钢制造，这也造成它的总重高达1万8千吨。由于太大、太重，没有发射台可以承受它起飞时的推力，只能将发射塔建在海底，仅有火箭顶部的飞船和逃逸塔露出水面。当倒计时归零，火箭点火升空，仿佛摩西劈开大海，于巨浪中缓缓托起一座钢铁小山。八层楼高的发动机单喷管喷出宛如核爆炸般的烈焰，将数十万立方米的海水瞬间汽化，方圆几千米内都降下一场灼热的暴雨……

这个场景并非科幻小说的描写，而是20世纪70年代可能发生的现实。

该型名为“海龙(Sea Dragon)”的巨型火箭是人类设计过的最具野心的航天发射载具之一，由美国海军“北极星”潜射导弹的设计师罗伯特▪特鲁阿克斯(Robert Truax)设计，并于1963年1月提交给美国国家航空航天局（NASA）论证。如果“海龙”成真，人类在50年前就可以具备将450吨载荷送入近地轨道的能力，四倍于“土星五号”，并且运载成本不到2018年最廉价火箭的十分之一 ^①。然而，尽管这个火箭方案通过了严格的技术论证和经费计算，但最后没有付诸实施。究其原因，无外乎是“没有需求”和“造价昂贵”。

“海龙”火箭是传统航天思维登峰造极的产物。这是一种“发射质量”的航天——依靠化学燃烧产生反冲推力，将物质送上太空。正如下面的齐奥尔科夫斯基火箭公式：

△v=wln（m0/mk）

其中m0/mk是点火前/后的火箭总质量，w是火箭喷气的相对速度，v是推进令火箭产生的速度增量。

截至目前，航天发射都遵循该公式的思路：消耗巨大的质量（火箭燃料）送极小的质量（飞船）进入太空。然而，正如公式所示，随着有效载荷变重，所需要的火箭质量、研制难度、成本都会呈指数爆炸式上升。例如2020年我国实施的“嫦娥五号”任务，2千克的月壤需要用重达869吨的“长征五号”火箭进行采样返回。如果把目光放到火星、木星、土星，这个质量比还会更加夸张。

这是人类的“太空大航海”时代面临的最大困难。

但技术的发展从来不是头撞南墙式的死磕。当遇到瓶颈，人类往往会在意想不到的地方发现突破口。正如中世纪的炼金术和星相学为现代化学、天文学埋下了伏笔一般，21世纪初IT产业兴旺发展带来的自动化与信息技术，或许为传统航天的困局打开新的通路：

将“发射质量”的航天变为“发射信息”的航天。

年代：1957～2050

标志：以化学燃料火箭运输信息化“种子”，在太空建立自我复制无人工厂

解锁：十亿兆瓦级太阳能电站；拉格朗日点太空城；突破摄星计划；动量转换器等

能级：卡达谢夫0.7～1级文明

相信大家听过一句有名的话：“你们承诺要殖民火星，我却得到了facebook。”

20世纪末，冷战结束，太空探索的黄金时代逝去，互联网、人工智能和赛博朋克却一起兴旺了起来。太空计划被搁置，图纸被封存，人类似乎被茫茫太空的广袤和冷酷吓住，蜷缩着回到了地球的摇篮里。

这意味着人类的堕落吗？未必。

1964年，斯坦尼兹拉夫·莱姆创作科幻小说《不可战胜的》，讲述了人类飞船在太空中遭遇毁灭性的纳米“灰云”的故事。所谓“灰云”是一种纳米机器，最初是非常轻小的种子，却能利用星球当地的资源复制自己，组装为复杂的巨型结构，最终形成不可战胜的机械文明。这种机器就是“冯·诺依曼机”。它征服宇宙靠的不是巨型火箭，而是高度发达的信息和自动化技术。

20世纪40年代，冯·诺依曼在计算机几乎不存在的时候构思出了他所称的“通用构造器”，即“冯·诺依曼机”。这种能无限增殖的机器概念顿时引起了科学与科幻两方面的注意，认为这是一种潜在威胁。1986年“纳米机器之父”德雷克斯勒(K. Eric Drexler)首先提出了“灰蛊(Grey Goo)”的概念 ^②，声称失控复制的“冯·诺依曼机”能将地球转化成由它们组成的粉末状灰色物质。莱姆的另一篇科幻小说《地上的和平》（Peace on Earth）中，人类考察队从月球带回了被误认成月壤的纳米智能兵器“灰尘”，酿成了这种灾难。此外，迈克尔·克莱顿《猎物》，水妖精《灰色的忧伤》，电影《地球停转之日》《特种部队：眼镜蛇崛起》《超验骇客》以及游戏《群星》都描述了“灰蛊”的可怕威力。在王晋康《沙漠蚯蚓》中，纳米机器甚至觉醒了智力，取代人类成为地球下一任的主宰文明。

然而，从另一个视角看，这种貌似可怕的机器会成为人类开拓太空的钥匙。本质上，它就是一粒搭载着信息的“种子”，可以做得非常轻小，将火箭从发射巨型载荷的苦役中解放出来。更有甚者，将它与霍金“突破摄星”计划结合后，我们可以高速飞抵另一个恒星系，令“种子”自我复制建造望远镜、通信天线，从而在有生之年看到几光年之外的天空。

当然，以人类目前的技术，造出如《猎物》中描写的纳米虫还是太难了。但“冯·诺依曼机”不必造得如此微小。宏观尺度的自我复制机，离我们其实并不遥远。

早在1981年，NASA就在一篇论文里提出了月球自我复制无人工厂的概念。它呈圆形，直径可达数千米甚至数十千米，在太阳能驱动下，沿着圆周的各功能区依次进行着“新陈代谢”的循环：摄取物质（矿车平整地面、采集月壤）、化学合成（提炼水及碳、硅、镁、铝、铁、钛的多种化合物）、制造零部件（硅晶圆、电缆、支架外壳、紧固件等）、装配（太阳能板、芯片、电动机等）、生产（矿车、通信天线、化学合成炉、制造车床、装配机械等）。随着循环进行，这个圆形无人工厂的直径不断扩展，就像培养皿上生长的菌落一样，最终把整个月球表面都变成太阳能电站。

在20世纪80年代，这个设想虽然原理上可行，但实际操作会遇到各种困难，尤其是信息化和自动化方面的。但如今信息技术在互联网浪潮的带动下迅速发展，这种设想正逐步成为现实。譬如埃隆·马斯克在上海投建的特斯拉无人工厂，几乎不需要工人参与即可完成汽车制造；又如2007年RepRap项目设计的一系列3D打印机，可以打印自身大部分零件（金属吐丝头和电路、芯片除外）。

在自我复制3D打印机成熟后，在太空出现第一个自我复制无人工厂前，我们会首先在地球上看到这种“超自动化”技术的实践。王晋康在科幻小说《沙漠蚯蚓》中写了中国研发的一种能吞噬沙漠制造自身的纳米“蚯蚓”，而在现实中，这样的沙漠蚯蚓有一个宏观版本，称为“奥克松丝妖怪”。它本质上是一台自动行走、采沙的太阳能聚光3D打印机，全身所有零件都可由二氧化硅（砂砾）熔化后烧结支撑。因为行为逻辑简单（行走、吃沙、打印），它甚至可以不需要电路和芯片，在沙漠里以指数形式迅速增殖，将不毛之地化为产能惊人的太阳能发电基地。

正如凯文凯利所言，“我不能预言会出现苹果公司，但能预言一定会出现智能手机。”当工业集成化、自动化、信息化、智能化这“四化”发展到一定程度，当初NASA设想的月球无人自我复制工厂、神奇的“奥克松丝妖怪”也一定会以某种形式化为现实：当普通的运载火箭搭载着自我复制工厂的“种子”飞向太空时，“运输物质”的航天就进化为了“运输信息”的航天。这或许是在我们有生之年可以看到的、人类太空时代的黎明。

迎来黎明之后，人类生产力规模将扩展数百倍，太空产业将如正午烈阳般炙热红火。这可以称为太空探索的“超自动化”时代。

在“超自动化”时代前，人类尽管拥有了可自我复制的工厂，甚至将整个月球表面都变为了太阳能电站，但那几乎都是无人设施。太空环境依然恶劣，人类平民仍然无法真正殖民外星球。

相比于地球，太阳系其他行星的当地资源都无法支撑完整的工业或农业。水星和金星缺水（氢），火星缺氮，木星、土星缺乏碳硅和金属等较重元素。在地球上，某个地区的资源“偏科”尚且能靠全球化贸易解决。但因为太空遥远漫长的距离，要想进行巨量原料物资的运输，还是需要巨大的火箭（飞船）。于是，我们同样逃不脱齐奥尔科夫斯基公式的桎梏。

此时，我们需要将“超自动化”更进一步，不仅利用行星当地的资源，而且要利用太空中所有可能的物资。

太阳系内的太空中漂浮着数以万计的小行星。它们大多分布在木星与火星间的轨道上，也有不少在各大行星之间穿梭，仿佛天然存在的摆渡列车。也许有人会想：能不能利用这些天然“摆渡车”呢？事实上这并不容易。要想追赶上这些小行星，首先就要将载荷加速到与它们相当的速度；而如果我们有了这样的动力，又要“摆渡车”做什么呢？

但我们可以将它们作为动量转换器的“配重”。

动量转换器又称“太空转轮”，是系绳推进（Tether Transport）的一种，可以几乎不消耗能量地将巨量物资送入太空。它是一根细绳，由高强度碳纤维制造，长度约为50千米，以ω=8.2°/s的角速度绕中心旋转，在100千米高的近地轨道上环绕地球运行。绳子的末端有对接口，用于捕获上行货物或下行的“配重”。上行货物由亚轨道火箭或飞机发射，当它抵达75千米高的轨道顶点时，速度低于第一宇宙速度，不足以进入太空。但恰好在此时，“太空转轮”的一端从天而降，末端线速度恰好等于货物飞行速度。它将上行货物“抓住”，然后旋转180度，把它甩出去，此时末端线速度将超过第二宇宙速度，货物由此脱离地球引力，飞向茫茫太空。

显然，世界上没有免费的午餐。在这一“抓”一“甩”之间，“太空转轮”将自身的动量和能量传给了货物，速度和高度都会略微下降。为了弥补“太空转轮”的损失，一颗重量和货物接近的太空矿石（从某小行星开采得来）被“太空转轮”捕获，同样旋转180度，在旋转过程中将自身的动量和能量传给“转轮”。分离后，矿石失去维持轨道的速度，变成陨石，坠落在地面的“陨石矿场”中。

据西蒙和舒斯特等人 ^③在他们的著述中描述，动量转换器的技术难度比太空电梯低得多。太空电梯长度至少有36000千米，而“太空转轮”只有50~200千米。太空电梯要求碳纳米管作为材料，而“太空转轮”只需要T1000以上抗拉强度的碳纤维。当然它的代价也是有的：需要消耗大量太空碎石作为“配重”。这些碎石最宜从小行星开采得来。因为开采规模巨大，必须要用到前一章所述的“自我复制机”。

此时，“超自动化”时代的太空交通蓝图就已经呼之欲出了：自我复制工厂在无数的小行星上吸收太阳能，进行着指数型增殖，每年将数亿吨矿石投向地球、月球、火星、木星等大行星的轨道；而数百架“太空转轮”则在这些星球的轨道上昼夜不息地旋转，接住矿石，抛射出飞船、矿产、物资、产品和零件。这一太空运输体系将以每年数亿吨的吞吐量将在各大行星间交换物质，彻底解决太空工业“元素短缺”的问题……

当人类走到这一步时，星辰大海的道路才算是真正打开！

有朝一日，我们将在地球赏月，在火星漫步，在金星的云顶观星；我们的餐桌将摆上金星的云藻酒、火星的念珠土豆和木卫二的法拉第鱼；奥运健儿们将在奥林匹斯山滑雪、在维罗纳峭壁跳崖 ^④；而每当春节到来时，由动量转换器组成的太阳系“五纵三横”铁道网上一定会挤满了归乡的人潮，而在海王星甲烷油田坚守岗位的工程师们，将向地球投来有史以来最遥远的思乡的目光。

如果把建立系外行星基地的壮举比作19世纪美国的西进运动，那么，在这场运动临近尾声时（太平洋铁路建立），美国绝大部分人口仍集中在东部地区。太空拓荒很可能也是如此。直到太阳系都被纳入人类的工业和经济圈，绝大部分外星球仍然会像美国西部的荒漠般地广人稀。毕竟自然环境太恶劣，用人开拓远不如靠自动机械来得划算。

除非进行“行星地球化改造（Terraforming）”。

太阳系内适宜行星地球化改造的天体有两个：金星和火星。火星的改造有大量科学与科幻的方案，例如金·斯坦利·罗宾逊的《红火星》《绿火星》《蓝火星》，描述了用巨型轨道反射镜蒸发干冰、挖掘深入地层的深井释放地热，促进火星的温室效应。与火星相反，金星的改造需要削弱温室效应，于是有了释放能在金星酸性云顶部生存、进行光合作用的“云藻”，或是能养殖微藻并自我复制的生化机械气球，等等。

这一系列方案的难点在于元素的平衡，毕竟金星天然缺水（氢），火星重力不足，都需要其他行星持续不断地为其提供数以亿吨计的物质输入。这在当代是不可想象的，但有了几乎不消耗能量的“太阳系铁道”和指数增长的自我复制机，这些狂想将成为可供工程师探讨的规划。

更有甚者，当自我复制机的规模足够大时，人类将接近卡达谢夫II型文明的临界点：实施“天体工程”。最著名的天体工程当属戴森球/戴森环：通过自我复制机、电磁发射导轨和太空转轮拆解水星，将其化为环绕太阳运行的太阳能发电环带，甚至将太阳整个包裹起来。更夸张的天体工程还有Shakadov恒星驱动光帆，或“恒星引擎”。当然，这种光帆不太可能是一个整体，而是许多自我复制机的镜面单元，靠光压和引力平衡维持稳定，而太阳位于这个离散式抛物反射镜的焦点上，在反冲原理的作用下缓步前行。

让我们想得再远一点儿。恒星尺度的推进器居然还用着和火箭一样的反冲原理，在未来人看来，这也许就像“皇帝的金锄头”般可笑。更省事的方法仍旧是“发射信息的航天”：将人类的身体信息数据化，以电磁波、中微子甚至引力波的形式射向太空；或像电影《超时空接触》中描写的那样，将用于接触的装置图纸发送到千百光年外的星球，由当地人组装，借此进行交流。如果曲率驱动等超技术难以实现的话，那这可能是人类进行“星际穿越”的唯一办法。

看到这里，读者们或许会觉得这幅蓝图太乐观了。

诚然，无论是自我复制机、动量转换器还是光帆、裂变/聚变飞船等都有各自的技术困难：自我复制机是制造业皇冠上的明珠，要在有限空间内容纳完整工业体系，还要解决精度发散、代际劣化等问题；动量转换器要在零点几秒的瞬间完成货物的捕获、飞船的对接，还得在稀薄大气、太阳风、地磁场等复杂干扰下保持稳定。而当技术困难解决后，还有复杂的经济和政治问题。最后，还需要战胜人性。刘慈欣在演讲“内向与外向的未来”中提过，人类沉浸于IT技术营造的虚拟现实，将断送人类进入太空的前程。如果人类不能战胜好逸恶劳的本性，那迟早会在地球上迎来灭亡。

但无论如何，我们已经有了蓝图。

科技不是一棵“树”，而是一张“网”。技术进步从来不是一两个热门方向的线性演化，而是多个热门方向在不同时代的相互促进。在我们眼前的不是“航天还是赛博”的二选一，也不是“向内还是向外”的岔路口。我们眼前的是一片平原——有无数方向、无数方案、无数可能性的平原。若遇到不可逾越的障碍，便向侧面绕开；若遇到美景的诱惑，不妨走过去看看。这会绕一点儿路，但我们不必担心。因为在这条通往星辰大海的路上，我们走过的每一个弯路都不会是无用的。

冷战结束后，我们放下了火箭，拿起了智能手机。这看似是“退化”，但只有这智能手机里的A.I.芯片，才能驱动着自我复制机在月球吞吐硅沙；硅砂被转化为太阳能板和激光阵列，铺满了月球，驱动光帆将“种子”射向小行星带；小行星上“种子”呈指数增殖，将其拆解为碎石，为“太空转轮”提供了动力；“太空转轮”日夜不息地旋转，将工业体系播撒到整个太阳系，为行星地球化、戴森环等“天体工程”提供必须的巨量物质……

对于这样的蓝图，我充满信心。

【责任编辑：艾 珂】

①“海龙”火箭直接发射相关费用为每磅载荷10美元至20美元。将研发成本分摊到240次发射中的话，则成本效益大约可控制在每磅载荷20美元至30美元。相应地，猎鹰重型火箭约为每磅载荷514美元。

②埃里克·德雷克斯勒. 创造的发动机[J]. 中国科技信息, 2006, 000(007):73-75.

③《空间设计：二十一世纪空间探索蓝图》，Designs on Space: Blueprints for 21st Century Space Exploratio[M]n. Simon & Schuster. 2000

④火星的奥林匹斯山高达26千米，是太阳系最高的山脉，背阳面覆有二氧化碳干冰；天卫五的维罗纳峭壁高达5~10千米，是太阳系最高的悬崖，而因为重力很低，从这里跳下去不会摔死。