篩選星際文明（三）

◤?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《三體》中，三體人為了防止人類掌握星際防御技術(shù)，采取鎖死地球科技發(fā)展的措施。由于對物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的了解會引發(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對物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的探索。“水滴”“中微子廣播”“曲率引擎”等技術(shù)都依賴基礎(chǔ)物理學(xué)的發(fā)展。一旦無法從高能物理實驗中獲得準確數(shù)據(jù)，物理學(xué)家就變成了盲人，永遠無法證實新理論正確與否。

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

在人類科技史上，有一種材料同時承擔(dān)了對物質(zhì)世界向上和向下兩個方向的探索功能，這就是玻璃：玻璃鏡片制作的望遠鏡提高了天體測量的精度；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，沒有玻璃就不會有科學(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)，是沒法輕易被替代的，比如高速推進技術(shù)、太空生命保障系統(tǒng)和星際通信。

◆ 化學(xué)燃料遠遠不夠

星際文明一定具備恒星際航行的能力。在距離太陽15光年范圍內(nèi)，有32個恒星系統(tǒng)；100光年范圍內(nèi)大約有600個。迄今速度最快的載人航天器是“阿波羅10號”飛船，最高速度達到了每小時39895公里，但即使以這個速度飛行，到達距離地球最近的恒星系統(tǒng)——4.2光年遠的半人馬座α星——也需要12萬年的時間。假設(shè)星際文明的個體壽命是人類的一倍，達到200年的量級，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行。

要實現(xiàn)這樣的速度，首先被排除的就是化學(xué)燃料推進。如果一架航天飛機大小的航天器用1000年時間飛到鄰近的恒星系，并采用化學(xué)燃料火箭，那么，需要的推進劑比全世界所有燃料加起來還多得多。即使采用人類目前掌握得性能最好的離子發(fā)動機，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多艘超級油輪（10萬噸級）大小的推進劑儲箱，才能使航天器耗費100年的時間飛到距離太陽最近的恒星。如果該航天器到達目的地之后要停下來，則另外還需要用500艘超級油船所容納的推進劑來減速。要實現(xiàn)星際飛行，必須使用更高能量密度的燃料。

◆ 核聚變：勉強夠用

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

1973至1978年，英國星際學(xué)會組織開展了一項名為“代達羅斯計劃”的核聚變星際飛船研究，該計劃設(shè)想用無人飛船對另一個恒星系統(tǒng)進行飛掠式的快速探測。這艘星際飛船長190米，由兩級構(gòu)成，豎起來有60層樓高。第一級發(fā)動機直徑達100米，是半球狀結(jié)構(gòu)；發(fā)動機內(nèi)壁排列著75支電子槍，用以發(fā)射電子轟擊發(fā)動機中心的核燃料球；其每小時的聚變能量輸出相當于100萬噸TNT。

代達羅斯飛船的燃料球由氘和氦3構(gòu)成，總質(zhì)量達5萬噸。這兩種燃料都不容易獲得。該計劃中包含開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，由于這根“空心繩”能切割木星磁感線，所以還可以用來發(fā)電。據(jù)測算，要在木星大氣中用氣球放置100套提取裝置，花費20年才能分離出足夠多的氦3。一、二級推進系統(tǒng)總共工作不到4年，可以將飛船加速到0.12倍光速，在接下來的46年里，代達羅斯飛船會處于無動力滑行狀態(tài)。在發(fā)射的50年后，載有科研設(shè)備的500噸重飛船可抵達距太陽5.9光年的巴納德星。

如果把“代達羅斯計劃”放在2010年實施，成本估計為40萬億美元。這相當于全世界所有國家的年度GDP總和。能量消耗則占全球一年能源消耗的十分之一。這還只是一個飛掠恒星的不載人恒星際航天計劃。對于載人飛船來說，還必須裝備大量的防護設(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推進。

◆ 沖壓推進：難以獨當一面

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

星際沖壓推進飛船的速度并非科幻小說《宇宙過河卒》中描寫的可以一直加速到接近光速。當高速飛行的時候，巨大的磁場將產(chǎn)生不可忽視的拖滯效應(yīng)，使飛船根本無法達到接近光速的速度，最多只能達到光速的16%。另外，只有當火箭的速度達到光速的6%時，氫收集器才能收集到足夠的氫作為燃料，讓發(fā)動機開始工作；所以必須配備一臺輔助推進器，使它的時速至少達到6480萬公里，而如何達到這個速度也是一個不小的技術(shù)難題。如同氫彈必須由原子彈做“扳機”一樣，星際沖壓推進飛船也要以核聚變發(fā)動機作為“助推器”。

◆ 反物質(zhì)：最高效，最稀缺

對于所有利用反作用力原理推進的火箭來說，反物質(zhì)是能量密度最高的燃料。1克反粒子與對應(yīng)的正粒子相遇后，所發(fā)生的湮滅反應(yīng)將釋放出相當于4萬噸TNT爆炸的能量。42毫克反質(zhì)子所具有的能量，與航天飛機外貯燃料箱中750噸燃料和氧化劑所含的能量相當。在《星際迷航》中，“企業(yè)號”可實現(xiàn)曲速飛行，以超光速抵達宇宙任意一處，都仰仗于它的反物質(zhì)發(fā)動機。此外，反物質(zhì)發(fā)動機的一個好處是反物質(zhì)的湮滅可以自發(fā)產(chǎn)生，不必像核聚變發(fā)動機那樣需要人為營造高溫高壓條件，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)動機技術(shù)的關(guān)鍵點，是保證和提高磁場引導(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，人類前往4.2光年之外的半人馬座α星只需要6年時間。由于相對論效應(yīng)，從地球到半人馬座，地球上的時間會過去6年，而旅行者的時鐘只過了不到4年半而已。

在太陽系里，反物質(zhì)十分稀少，只能用人工方法制取。目前，通過粒子加速器需花費1000年才能制造出1微克反質(zhì)子。在人類建造的加速器里，質(zhì)子束正以每10年4個數(shù)量級的速度提高著。有粒子物理學(xué)家認為，到了21世紀中期，微克級的反質(zhì)子產(chǎn)量可能出現(xiàn)指數(shù)式增長。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法點燃。

工程師面臨的另一個挑戰(zhàn)是，如何在狹小的空間里儲存足夠多的反質(zhì)子，因為反質(zhì)子能湮滅普通物質(zhì)。顯然不能將它們存放在實體容器中，它們必須借助電場和磁場加以保存。

由于上述幾種星際推進技術(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)動機、反物質(zhì)發(fā)動機混合推進：在距離恒星不遠的地方張開光帆，節(jié)省燃料；接近巨行星時補充核聚變?nèi)剂希蛔顚氋F的反物質(zhì)發(fā)動機只有在關(guān)鍵時刻使用。

也許擁有得天獨厚資源的外星文明可以更輕松地進行星際航行。2011年，約瑟夫·布里登博士提出了“無引擎星際飛船”的想法。他提出，在星體間混亂的引力場中，有時一些恒星將被高速拋出。他認為同樣的原理可以應(yīng)用在推動飛船航行上。首先，找一顆近距離接近太陽并以橢圓軌道運行的小行星，然后發(fā)射一艘圍繞該小行星運轉(zhuǎn)的星際飛船。如果該小行星能夠在靠近太陽的新軌道上被捕獲，那么該艘飛船將會被拋擲到星際軌跡中，它的速度很可能達到光速的十分之一。小行星以及飛船之間的混沌動力學(xué)，使得小行星的全部能量轉(zhuǎn)移給飛船進而成為飛船的驅(qū)動力。這個“借力”原理有點類似電影《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。如果沒有這樣的生物，星際文明的個體在進行長途太空飛行時，就得老老實實地把母星的環(huán)境帶在身邊。這個環(huán)境則包括飲食、空氣（氣壓）和重力。

以地球人為例，一個容納1萬居民的太空居住地，在大家都吃素的情況下，每年也要消耗1萬噸食物。當前，每運送1千克食物到國際空間站，要花費近1.4萬英鎊（約合13萬元人民幣）。這么多食物不可能全從地球運過去，必須自給自足。自給自足的最好方法莫過于種植，就像《火星救援》那樣。如果太空居住地使用太陽光照明，且光照強度與地面一樣，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，但對火箭來說是“死重”，得耗費額外的燃料推進。如果船員可以被冷凍起來，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)是一項非常值得開發(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間距離，一旦開啟星際移民，人類就會四分五裂。首先分裂的是語言和文化。相隔萬億公里、無線電通信延遲數(shù)年的外星球定居點，將產(chǎn)生自己的方言俚語，擁有自己的文化。接下來，就會出現(xiàn)政治和經(jīng)濟的分裂。描寫月球、火星殖民的獨立戰(zhàn)爭的科幻小說數(shù)不勝數(shù)。星際文明時代，與母星距離更遙遠的殖民星球獨立的可能性更大。歷史上，龐大的蒙古帝國之所以迅速瓦解，一個原因就是在通信落后的時代無法對所轄地區(qū)進行有效治理。

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，人類靠安塞波保持指揮部和星際艦隊的聯(lián)系，擊敗了遙遠的外星敵人。在科幻作品中，常見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)生一個空間，將電磁波發(fā)送進這個空間，電磁波在該空間中的傳遞速度超越光速。《星際迷航》中就是這樣做的；二是量子通信：利用量子糾纏原理，將光子對拆散，一個留在原地，一個放在目標航天器上，當對一個光子進行干涉時，另一個光子就會做出相應(yīng)的反應(yīng)。《三體》中，智子之間就這樣實現(xiàn)了實時通信。

◆ 人類距下一個篩子還有多遠？

文明的第一次“長大”，是發(fā)現(xiàn)自己的世界不是世界的中心，對人類而言，這次成長發(fā)生在哥白尼時代。

文明的第二次“長大”，是發(fā)現(xiàn)星際文明“大過濾器”的存在。對人類而言，這件事發(fā)生在近幾十年間。

文明的第三次“長大”，是明知面臨“大過濾器”可能會無能為力，但還是會盡力爭取。對人類而言，還不知道哪一層篩子會難以穿過，所以，我們?nèi)栽趪L試。

可控核聚變尚未打破“永遠的50年后”魔咒，但終會成功。難的是有能力為使用技術(shù)付出代價。擁有技術(shù)和能夠自如地使用技術(shù)是兩碼事。20世紀80年代末，美國已經(jīng)掌握載人火星探測的基本技術(shù)，但由于成本高昂，三十年后的今天仍未成行。星際擴張的驅(qū)動力也難以預(yù)估。也許腦機接口的誕生會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)爭導(dǎo)致自毀的可能性降低了，但強人工智能實現(xiàn)后，人類是否能繼續(xù)存在還是未知數(shù)。

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

【責(zé)任編輯“楊楓】