筛选星际文明,飞船借助黑洞引力加速回航

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如果宇宙中存在星际文明，哪些科技是他们必须掌握的？

在科幻小说《三体》中，三体人为了防止人类掌握星际防御技术，采取锁死地球科技发展的措施。由于对物质深层结构的了解会引发物理学革命，是一切科技发展的基础，所以三体人主要限制了人类对物质深层结构的探索。水滴中微子广播曲率引擎等技术都依赖基础物理学的发展。一旦无法从高能物理实验中获得准确数据，物理学家就变成了盲人，永远无法证实新理论正确与否。

星际文明是能够进行太空旅行的种族，他们对向上和向下两个方向的自然规律必然有精深的理解。向上，需要理解天体运行规律，这样飞船才能在星体复杂的引力场中穿行；向下，需要掌握物质的微观结构，这样才能运用蕴含在亚原子粒子中的力量，推进飞船前进。

在人类科技史上，有一种材料同时承担了对物质世界向上和向下两个方向的探索功能，这就是玻璃：玻璃镜片制作的望远镜提高了天体测量的精度；玻璃制作的三棱镜分解了白光，揭示了物质深层结构的奥秘；显微镜加深了人对生命现象的了解；试管和量杯是化学研究不可缺少的工具可以说，没有玻璃就不会有科学革命。

在其他星球上，玻璃或许可以被其他透明且耐腐蚀的材料代替。但有些技术，是没法轻易被替代的，比如高速推进技术、太空生命保障系统和星际通信。

◆ 化学燃料远远不够

星际文明一定具备恒星际航行的能力。在距离太阳15光年范围内，有32个恒星系统；100光年范围内大约有600个。迄今速度最快的载人航天器是阿波罗10号飞船，最高速度达到了每小时39895公里，但即使以这个速度飞行，到达距离地球最近的恒星系统4.2光年远的半人马座星也需要12万年的时间。假设星际文明的个体寿命是人类的一倍，达到200年的量级，一次可接受的往返星际航行应该在100年内完成，否则，船员的教育和退休生活都要在飞船上进行。

要实现这样的速度，首先被排除的就是化学燃料推进。如果一架航天飞机大小的航天器用1000年时间飞到邻近的恒星系，并采用化学燃料火箭，那么，需要的推进剂比全世界所有燃料加起来还多得多。即使采用人类目前掌握得性能最好的离子发动机，排气速度比目前使用的化学火箭的排气速度高200倍，仍需要500多艘超级油轮（10万吨级）大小的推进剂储箱，才能使航天器耗费100年的时间飞到距离太阳最近的恒星。如果该航天器到达目的地之后要停下来，则另外还需要用500艘超级油船所容纳的推进剂来减速。要实现星际飞行，必须使用更高能量密度的燃料。

◆ 核聚变：勉强够用

核聚变是人类目前掌握的最大的能量来源，它可以使飞船实现0.1倍光速下的近距离恒星间百年往返。

1973至1978年，英国星际学会组织开展了一项名为代达罗斯计划的核聚变星际飞船研究，该计划设想用无人飞船对另一个恒星系统进行飞掠式的快速探测。这艘星际飞船长190米，由两级构成，竖起来有60层楼高。第一级发动机直径达100米，是半球状结构；发动机内壁排列着75支电子枪，用以发射电子轰击发动机中心的核燃料球；其每小时的聚变能量输出相当于100万吨TNT。

代达罗斯飞船的燃料球由氘和氦3构成，总质量达5万吨。这两种燃料都不容易获得。该计划中包含开采木星以获得氢的同位素。如何采集木星氦3呢？可以用一根空心绳在轨道上将木星大气中的氦3吸取上来，由于这根空心绳能切割木星磁感线，所以还可以用来发电。据测算，要在木星大气中用气球放置100套提取装置，花费20年才能分离出足够多的氦3。一、二级推进系统总共工作不到4年，可以将飞船加速到0.12倍光速，在接下来的46年里，代达罗斯飞船会处于无动力滑行状态。在发射的50年后，载有科研设备的500吨重飞船可抵达距太阳5.9光年的巴纳德星。

如果把代达罗斯计划放在2010年实施，成本估计为40万亿美元。这相当于全世界所有国家的年度GDP总和。能量消耗则占全球一年能源消耗的十分之一。这还只是一个飞掠恒星的不载人恒星际航天计划。对于载人飞船来说，还必须装备大量的防护设施，使乘员免遭聚变反应生成的粒子和质子的伤害。多出的防护设施和生命维持系统的质量，需要以指数形式增加的额外燃料来推进。

◆ 冲压推进：难以独当一面

所有的火箭，包括核聚变动力火箭，为了获得更高的加速度，就必须携带更多的燃料，这会使火箭变得更重，反而又降低了加速度。因此，如果真想进行星际旅行，在燃料问题上就应该尽量就地取材。1960年，美国物理学家罗伯特巴萨德提出的冲压式火箭发动机或许可以解决这一难题。它的原理跟核聚变动力火箭一样，但它并不需要携带核燃料。它首先是将飞船前进方向上的氢物质电离，然后利用强大的磁场吸收这些氢离子作为燃料。由于星际空间中氢物质很少，因此，它的磁场必须足够强，甚至要延伸数百乃至数千公里范围。

星际冲压推进飞船的速度并非科幻小说《宇宙过河卒》中描写的可以一直加速到接近光速。当高速飞行的时候，巨大的磁场将产生不可忽视的拖滞效应，使飞船根本无法达到接近光速的速度，最多只能达到光速的16%。另外，只有当火箭的速度达到光速的6%时，氢收集器才能收集到足够的氢作为燃料，让发动机开始工作；所以必须配备一台辅助推进器，使它的时速至少达到6480万公里，而如何达到这个速度也是一个不小的技术难题。如同氢弹必须由原子弹做扳机一样，星际冲压推进飞船也要以核聚变发动机作为助推器。

◆ 反物质：最高效，最稀缺

对于所有利用反作用力原理推进的火箭来说，反物质是能量密度最高的燃料。1克反粒子与对应的正粒子相遇后，所发生的湮灭反应将释放出相当于4万吨TNT爆炸的能量。42毫克反质子所具有的能量，与航天飞机外贮燃料箱中750吨燃料和氧化剂所含的能量相当。在《星际迷航》中，企业号可实现曲速飞行，以超光速抵达宇宙任意一处，都仰仗于它的反物质发动机。此外，反物质发动机的一个好处是反物质的湮灭可以自发产生，不必像核聚变发动机那样需要人为营造高温高压条件，所以反应堆体积可以缩小，飞船重量得以减轻。

反物质火箭发动机技术的关键点，是保证和提高磁场引导粒子流从引擎喷口逸出的效率。研究表明，一种以正、反物质的混合物作为推进器燃料的火箭，能够以光速的70%左右飞行。这意味着，借助反物质发射火箭，人类前往4.2光年之外的半人马座星只需要6年时间。由于相对论效应，从地球到半人马座，地球上的时间会过去6年，而旅行者的时钟只过了不到4年半而已。

在太阳系里，反物质十分稀少，只能用人工方法制取。目前，通过粒子加速器需花费1000年才能制造出1微克反质子。在人类建造的加速器里，质子束正以每10年4个数量级的速度提高着。有粒子物理学家认为，到了21世纪中期，微克级的反质子产量可能出现指数式增长。而我们现在拥有的反质子数量微乎其微，其湮灭产生的能量连一根火柴都无法点燃。

工程师面临的另一个挑战是，如何在狭小的空间里储存足够多的反质子，因为反质子能湮灭普通物质。显然不能将它们存放在实体容器中，它们必须借助电场和磁场加以保存。

由于上述几种星际推进技术各有优劣和适用范围，真正的星际飞船可能采用光帆、核聚变发动机、反物质发动机混合推进：在距离恒星不远的地方张开光帆，节省燃料；接近巨行星时补充核聚变燃料；最宝贵的反物质发动机只有在关键时刻使用。

也许拥有得天独厚资源的外星文明可以更轻松地进行星际航行。2011年，约瑟夫布里登博士提出了无引擎星际飞船的想法。他提出，在星体间混乱的引力场中，有时一些恒星将被高速抛出。他认为同样的原理可以应用在推动飞船航行上。首先，找一颗近距离接近太阳并以椭圆轨道运行的小行星，然后发射一艘围绕该小行星运转的星际飞船。如果该小行星能够在靠近太阳的新轨道上被捕获，那么该艘飞船将会被抛掷到星际轨迹中，它的速度很可能达到光速的十分之一。小行星以及飞船之间的混沌动力学，使得小行星的全部能量转移给飞船进而成为飞船的驱动力。这个借力原理有点类似电影《星际穿越》中，飞船借助黑洞引力加速回航。

◆ 太空生命保障系统

有没有天生就适合星际航行的生物呢？比如像异形那样，不怕真空和辐射；或是一种借助光压力飞行于恒星之间的智能微粒。如果没有这样的生物，星际文明的个体在进行长途太空飞行时，就得老老实实地把母星的环境带在身边。这个环境则包括饮食、空气（气压）和重力。

以地球人为例，一个容纳1万居民的太空居住地，在大家都吃素的情况下，每年也要消耗1万吨食物。当前，每运送1千克食物到国际空间站，要花费近1.4万英镑（约合13万元人民币）。这么多食物不可能全从地球运过去，必须自给自足。自给自足的最好方法莫过于种植，就像《火星救援》那样。如果太空居住地使用太阳光照明，且光照强度与地面一样，那么，每位太空居民至少需要占地1000平方米的植物来供给口粮，另外还需要50平方米的植被生成氧气供呼吸用。使用人工光照可以减少植物的占地面积，但需要额外的电能。产生人工重力的旋转舱可防止骨钙流失、肌肉萎缩，但对火箭来说是死重，得耗费额外的燃料推进。如果船员可以被冷冻起来，到了目的地再唤醒，则可节省大量的生命维持设备，人工重力也不需要了。所以，冬眠技术是一项非常值得开发的太空技术。

◆ 星际通信

考虑到太空旅行需要跨越的空间距离和时间距离，一旦开启星际移民，人类就会四分五裂。首先分裂的是语言和文化。相隔万亿公里、无线电通信延迟数年的外星球定居点，将产生自己的方言俚语，拥有自己的文化。接下来，就会出现政治和经济的分裂。描写月球、火星殖民的独立战争的科幻小说数不胜数。星际文明时代，与母星距离更遥远的殖民星球独立的可能性更大。历史上，庞大的蒙古帝国之所以迅速瓦解，一个原因就是在通信落后的时代无法对所辖地区进行有效治理。

只有超光速通信才能维系统一的星际文明。在《安德的游戏》中，人类靠安塞波保持指挥部和星际舰队的联系，击败了遥远的外星敌人。在科幻作品中，常见的超光速通信有两种：一是超空间通信，先用曲速、超空间、跃迁发生器等手段产生一个空间，将电磁波发送进这个空间，电磁波在该空间中的传递速度超越光速。《星际迷航》中就是这样做的；二是量子通信：利用量子纠缠原理，将光子对拆散，一个留在原地，一个放在目标航天器上，当对一个光子进行干涉时，另一个光子就会做出相应的反应。《三体》中，智子之间就这样实现了实时通信。

◆ 人类距下一个筛子还有多远？

文明的第一次长大，是发现自己的世界不是世界的中心，对人类而言，这次成长发生在哥白尼时代。

文明的第二次长大，是发现星际文明大过滤器的存在。对人类而言，这件事发生在近几十年间。

文明的第三次长大，是明知面临大过滤器可能会无能为力，但还是会尽力争取。对人类而言，还不知道哪一层筛子会难以穿过，所以，我们仍在尝试。

可控核聚变尚未打破永远的50年后魔咒，但终会成功。难的是有能力为使用技术付出代价。拥有技术和能够自如地使用技术是两码事。20世纪80年代末，美国已经掌握载人火星探测的基本技术，但由于成本高昂，三十年后的今天仍未成行。星际扩张的驱动力也难以预估。也许脑机接口的诞生会使所有人安于虚拟世界，不再关心星空。虽然大规模核战争导致自毁的可能性降低了，但强人工智能实现后，人类是否能继续存在还是未知数。

如果大过滤器在宇宙中发挥作用，那些极难通过的死亡之筛是在人类的后面还是前面？也许，只有我们成为星际文明，或者与真正的星际文明实现了接触，这个问题才有答案。

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