文丨[加] 安德魯·雷德（Andrew Rader）
節選自作者新書《人類的探索》第22章，原標題《宇宙旅行》。界面新聞獲出版社授權刊發。
我們的未來有兩種可能：一是我們一直留在地球上，直到最終徹底滅絕；二是我們下決心成為太空旅行者。如果人類的文明成功傳播到太空各地，那麼我們不僅可以免受滅絕之苦，更可以通過技術和思想的交流，從多種多樣的星際文化中受益。雖然時間和細節還有待商榷，但只要我們想要生存下去，就不可避免地向太空進軍。太空旅行自古以來就是人類夢想的巔峰，早在2000多年前，羅馬小說家琉善就曾在其作品中描繪過外星生命和飛向外太空世界的扁舟。不過這些科幻小說中經常會忽略一個很重要的中間步驟—如果我們決心展開太空旅行，那我們就必須先想辦法走出太陽系。
我們的太陽系其實很大。大多數人都熟悉太陽系各行星的名字，甚至可能會對冥王星到底屬不屬於太陽系這件事有自己的看法。然而，就算是對這些能說出太陽周邊都有哪些主要星體的人來說，太陽系仍然是一個很模糊的概念。很少有人清楚這些行星到底離我們有多遠，它們長什麼樣子，它們和附近的星體都有怎樣的相互作用。即便他們能夠接受這樣一個觀點，即人類為了應對地球上不斷惡化的生存環境，「最終」將不得不在那些更堅實的星球上建立太空定居點，他們也會認為這是另外一個時代的議題，跟我們這代人沒有什麼關係。
對於這些人，我只想說：探索精神是一種刻在我們骨子裡，且不斷以共同目標激勵我們的一種東西，而且人類移居太空真的沒有什麼壞處。縱觀歷史，擴張常常會給原住民或當地環境帶來傷害和破壞，但進軍太空非但不會產生這種代價，反而會帶來意想不到的好處。跟太陽系某些星球相比，地球表面其實是一個資源相對匱乏的地方。所有人類開採出來的鉑和金，其實都是在其形成很久以後才落到地球上的。像鐵和鎳這種金屬，在地殼中的含量微乎其微，但在小行星中的含量卻非常高，其中就包括某些曾經和地球相撞的小行星。一顆直徑一英里的鐵鎳小行星所擁有的金屬量，比整個人類史中所開採的總量還要多。目前這樣的小行星數以千計，正等待著人類前去探索。
進軍太空可以給地球帶來巨大的收益。稀土金屬是磁鐵、智慧型手機、計算機、發動機、醫學成像設備、核反應堆、風力渦輪機、太陽能電池板和電池的重要原料。雖然叫作「稀土」，但這些金屬其實並不罕見，只不過在地球上的含量的確很少。再加上每提取一點點就要加工處理掉數以噸計的岩石，稀土的提純成本極其高昂，而且會破壞環境。既然如此，與其在地表大面積開採，還不如從小行星上收集。小行星上的稀土儲量足夠滿足人類幾百萬年的需求。
那些危險和髒亂的製造工作可以轉移到由機器人操控的空間站上，甚至糧食生產也可以放到軌道上。比如，想像一下，由於沒有晝夜交替的限制，也沒有大氣層對能量的阻礙，一個依靠太陽能驅動的水耕農場的效率要比地球上的農場高好幾倍。隨著製造業、採礦業和農業 向太空轉移，地球上的大部分地區將恢復至原始狀態。
我們的地球是一個擁擠的地方，不過人口過剩問題從根本上講其實只是技術問題。太陽系擁有充足的物質和能量，能夠養活的人數要比當今地球上的人數高上萬億倍。在當下，大多數資源的太空提取成本都高得令人咋舌。不過隨著我們在太陽系各處建立遙遠的定居點，各種激勵措施和技術進步將改變這一狀況。雖然說水源、氧氣、火箭燃料和其他消耗品的生產將是至關重要的第一步，但這些資源其實並不特殊。除了金星以外，太陽系中所有的星球都擁有水源，只不過以固態存在。許多衛星、小行星、彗星上的冰塊都比岩石多，這些冰塊是水、甲烷、二氧化碳以及氨等氮化物的混合物，它們全部被凍在了一起。還有些星球，比如木衛二，上面的水源遠比地球豐富。更不用說那些從古代地下化石中提取出來的石油了—土衛六上的碳氫化合物是地球的數百倍，遍布於湖泊和海洋之中。
我們之所以會認為太空旅行非常困難，主要是因為脫離地心引力所帶來的高昂的能源成本。如果是從太空中出發，太空旅行將會變得既便宜又簡單。我們不再被限制於依靠巨型火箭發射的小小太空艙，小行星基地之間的商業活動甚至可以依靠星際巡航艦，其耗費的燃料僅僅是在地球周邊運行所需燃料的零頭。實際上，離開一顆小行星非常容易，你甚至只需要在蹦床上跳一跳，就能跳到另一顆小行星上面。在火星和月球之間旅行，要比從地球到月球的旅程容易兩倍以上（指燃料消耗）。那如何能把資源運送回地球？假如這些資源可以在地球軌道上採集，或者可以在下降時承受大氣層帶來的烈焰，那麼這將會是一件很容易的事。對於地球來說，返程要比去程容易得多。
當我們不再因引力問題而苦惱時，面前就會湧現出很多新機遇。我們已經成功地讓機器人降落在小行星和彗星上—對於利用太空飛行器把小行星撞擊到地球軌道上（這樣一來人們就可以很方便地將其收集儲備起來）的目標來說，這是很重要的一步。不過，考慮到大塊岩石墜入大氣層會給地球帶來災害，我們必須謹慎行事。這同時也是我們必須進軍太空的另一個原因。我們的地球就像處在一個射擊場，隨時可能被致命的小行星和彗星擊中。平均來說，每 100 年我們都會被一顆足以毀滅城市的超大小行星撞擊一次。我們還有遭受更猛烈撞擊的極小概率，這樣的撞擊甚至足以摧毀整個人類文明。為了避免類似的慘劇而做出某些努力，這難道不算是一件好事嗎？如果恐龍也擁有太空工程，那麼它們可能現在還活得好好的。
有好幾家公司已經開始涉足小行星採礦業務。比如由XPRIZE基金會的彼得·戴曼迪斯、電影導演詹姆斯·卡梅隆以及谷歌的拉里·佩奇等投資人於2012年共同創立的行星資源公司，目前已經開始建造用於探礦的太空望遠鏡，還在籌劃建造用於採礦的太空船。他們的目標是將採集而來的金屬在地球上售賣，同時實現對水源、氧氣、氫氣的開採，以支持現有太空項目的運行。另一家成立於2013年、名為「深空工業」的公司，也有類似的目標。太空採礦的初期成本十分高昂，不過潛在的投資回報也十分巨大。即便是一顆只有幾百英尺寬的越地小行星—需要在人類重定向技術的能力範圍之內—也可能攜帶價值數十億美元的金屬，其利潤之高足以和16世紀的香料貿易媲美（當年葡萄牙航海家通過跨洋航行可以賺取上百倍的利潤）。一些大型小行星的價值甚至高達全球GDP總合的好幾倍。如果你正在尋求財富，那麼不妨抬頭望望天空。
一旦人類成功在太陽系各處建立定居點，它們就會形成一個綜合性的太空經濟體。在引力較低的太空環境中，各種材料可以非常簡單地通過電磁炮被射入太空。我們甚至可以在月球上建造一個大型彈弓，把各種貨物直接彈射回地球上。在火星的奧林匹斯山上也可以建立一 個類似的軌道系統。由於奧林匹斯山的高度是珠穆朗瑪峰的三倍，該軌道系統將高於火星98%的大氣層，因此可以無視那些射向太空的物體所受到的阻力。將貨物運向軌道的另一種較廉價的辦法是太空電梯（一種從地表直通太空站的系留纜繩系統）。利用電機，平台可以直接通過電纜抵達軌道（所以這種辦法被稱為太空電梯）。理論上來說，太空電梯可以在地球赤道某一點和位於地球靜止軌道上的空間站之間建立。對於火星或月球這種引力較低的星球來說，太空電梯的建造可以變得更容易。
在太空移民項目中，我們有充足的理由和動機實現可持續發展。在國際空間站上，太空人的尿液和汗液都會被回收，過濾掉其中的污物之後，剩下的水分可以用來給食物補充水分、淋浴甚至飲用。水耕法和氣耕法（直接在水或霧中種植植物）將變得格外實用。初期的耕種重點將放在萵苣、西紅柿、豌豆、豆莢、胡蘿蔔、水蘿蔔、草莓等園林作物上，這些食物可以作為散裝乾燥食品的補充，提振太空士氣。就單位面積所提供的卡路里而言，安迪·威爾在《火星救援》中提到的馬鈴薯是效率最高的食物。所以對於太空生活來說，馬鈴薯和名列 健康食物榜單的甘薯都是非常不錯的選擇。其實，以牛奶和土豆為主要食物的飲食方法（也被稱為愛爾蘭飲食）幾乎能夠提供一切人體所必需的營養物質。這種飲食所缺少的關鍵成分大概是鉬元素，不過也被愛爾蘭人用燕麥片給補充上了。對於太空航行來說，牛奶可以以奶 粉的形式運輸，同時也別忘了在貨艙中放幾罐燕麥片。不過，一種食物想要晉升為宇航食物，通常需要同時滿足太空人的飲食偏好和營養需求。對於漂流在外、思念家鄉的太空居民來說，新鮮的食物能夠讓他們回憶起地球上的味道。
在太空航行的初級階段我們並不會攜帶動物，因此我們需要減少對肉製品的消耗，轉而食用螺旋藻（一種富含蛋白質的藍藻）一類的替代品。蘑菇也可以提供人體必需的維生素B，而且不需要任何光照。雖然這麼說可能會冒犯到某些敏感的北美人，不過昆蟲確實也是一個絕佳的飲食選項，它們很容易在狹小的空間中飼養，生長速度很快，還能吃掉人類活動產生的廢物，產出效率也名列前茅。同為飼養動物，蟋蟀的產出效率是牛群的12倍（這裡的產出效率是指動物的蛋白質產出占其食物及水分消耗量的比重），而且其肉質中ω—3和ω—6脂肪酸的含量非常高，更具營養。全世界有2/3的地區、數十億的人口都會食用昆蟲，其種類多達數千種。雖然西方人面對龍蝦、螃蟹可以狼吞虎咽，但面對昆蟲卻選擇避而遠之，這真是一件怪事。
要想在太空生存，我們就需要儘可能地實現本地化生產，包括種植大麻、竹子，以及其他能夠快速生長並產生氧氣的天然纖維。塑料是另外一種萬能的選項。科學家們已經證明植物肥料可以用來合成生物塑料，而利用大氣中的二氧化碳和從水中電解出來的氫氣，我們可以在火星或者其他星球上生產乙烯。乙烯是大多數常見塑料的基本原料，其中就包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯。其中聚碳酸酯可以用來製造透明窗戶。至於陶瓷和玻璃，它們可以由常見的黏土和二氧化矽製成。最重要的一點也許是，3D列印應該具備製造任何東西的能力。 這樣一來我們就不用運輸關鍵部件，只需要以光速傳輸設計規格就足夠了。從長遠角度來看，我們所需要的一切都可以利用太陽系隨處可見的材料來生產。
定居太空所需的能源將來自高效的太陽能（不受夜晚和大氣層的影響），離太陽較遠的居民則可以使用核能。從長遠來看，核聚變反應堆可以以氦—3為燃料生產大量的能源，而且不會產生任何放射性副產品。這種氦的同位素在地球上相當罕見，不過在太空中應該常見得多， 尤其是在月球的風化層（月球土壤）和氣態巨行星的雲層中。科學實驗已經證明氦—3 反應的有效性，但尚不清楚這種反應是否可以擴大規模，也不知道氦—3是否能夠廉價地提取—尤其是能不能從氣態巨行星中廉價提取，因為這不僅需要建立一個龐大的浮力基站網絡，還需要能夠飛行於大氣層中的採集車輛。
水星離太陽更近，定居水星是一個令人著迷的選擇。水星兩極附近應該會有冰層（尤其是在火山口附近的陰影當中）和沐浴在永恆日照下的山峰。在這些山峰上，太陽能電池板可以收集大量的太陽能（由於月球的軸向傾斜度也很低，它也擁有類似的沐浴在永恆日照下的山峰）。金星是太陽系中最熱的行星，看上去不太可能成為人類的家園。而且金星上的氣壓是地球的90多倍，足以讓人窒息而死（其壓強甚至比北極熊在郵票上跳舞的壓強還大），上面的硫酸雨對人類也很不友好。不過，金星雲層中仍舊有一個人類可以接受的海拔高度，這個高度的大氣壓和地球海平面的大氣壓一模一樣。在這裡，可呼吸的氮氧氣體會像氣球一樣飄浮於金星稠密的二氧化碳大氣中，因此我們可以把整個城市建在飄浮的雲層當中。在雲層的高度，金星可以說是一個宜居的天堂，你只需要穿一件短袖襯衫，戴一個防毒面具就可以出門了。
人們希望能夠在外太陽系定居，不過太陽系越靠外的地方冰塊越多，岩石越少。雖然我們可以從中獲取充足的水源和火箭燃料，但是像金屬一類的重元素可能不得不從小行星上運載過來。加油站可以建立在太陽系各處的戰略要地上面，比如坐落於火星與木星之間的小行星帶，身為一個大冰塊、直徑長達300英里的矮行星—穀神星。建在穀神星上的基地將被大量的小行星環繞，因此可以很輕鬆地獲取大量原材料，儘管此區域中的小行星其實並不像我們想像的那樣密集。雖然至少有100萬顆小行星的直徑都超過一英里，但由於它們分布在 13萬億立方英里的巨大空間中，因此平均而言，它們之間的距離比地月間距還要遠。
木星的四個「伽利略衛星」都具有較好的冰塊岩石比例，甚至還有微量由氧氣和二氧化碳構成的大氣（木衛一的大氣成分則主要為二氧化硫，經火山羽流降落在衛星地表上）。由於距離木星的強引力區域和輻射帶都比較遠，旅途變得更輕鬆更安全，木衛三和木衛四格外引人矚目。木星之外的氣態巨行星也有很多衛星，它們也可以供人類定居。不過這些地方離太陽實在太遠，核能發電可能是人類唯一可利用的供能方式了。然而大多數潛在的太陽系定居點比這還要遠得多。海王星以外的柯伊伯帶可能擁有超過10萬顆被冰雪包裹的星球，它們的直徑都在62英里以上。其中最突出的兩顆是大小相仿的鬩神星和冥王星。與此同時，我們還在不斷發現更多的「海王星外天體」，黑暗中甚至有可能潛伏著一顆巨大的行星。更遠處還有更加神秘的奧爾特雲，其中布滿了上萬億顆彗星，它們距太陽的距離要比地日距離遠上萬倍。由此可見，我們的太陽系的確是一片廣闊的區域，擁有充足的資源和生活空間，足以支撐上千億的太空人口。
最吸引人的太空定居地非土衛六莫屬。身為太陽系第二大衛星，土衛六在很多方面都和地球很像。比如，土衛六是除地球外唯一一顆具有地表液態水的星球。土衛六被大大小小的、由甲烷和乙烷等碳氫化合物組成的湖泊覆蓋，其天然氣儲量是地球的幾百倍。此外，土衛六的大氣也是太陽系中最像地球的，主要由氮氣和甲烷組成，地表氣壓僅比地球大氣壓高一點點。這意味著人類不用穿太空服就可以在土衛六上面愜意地行走，不過這些人會在零下290華氏度的嚴寒下迅速凍僵。更糟的是，在同等氣溫的情況下，土衛六上熱量流失的速率比地球上嚴重得多，如何保暖也因此成為建築和保暖服的頭號難題。如果人類能夠克服嚴寒，那麼土衛六上各種豐富的資源都在向我們招手，上面的水和碳化合物都比地球多很多。有趣的是，土衛六低重力和高氣壓這兩個特點結合在一起，意味著人們可以給自己裝上翅膀，然後揮一揮胳膊就能飛起來。從空中降落也不需要降落傘，因為下落速度最快也不會超過15英里每小時。空中飛車將變得輕而易舉，飄浮在雲端的城市也可以被輕易建造。
歸根結底，我們進入太空的一個主要原因就是改造太空環境，讓一個或多個星球「地球化」，使其更適合人類居住。對於包括金星和月球在內的許多星球來說，這都是切實可行的，不過「最佳候選人」是火星。讓火星「地球化」，其實就是讓它變回幾十億年前海洋還沒消失、大氣仍然厚重時的樣子。在青年時期，地球和火星都是溫暖濕潤的星球，都能夠維持生命的發展。不過後來地球實現了蓬勃發展，而火星卻變成了一片寒冷、乾燥的沙漠，氣溫太低，空氣太稀薄，以至於液態水無法存在於地表。火星為什麼會失去大氣？在地球上，地質變遷和火山活動可以不斷地補充大氣，但火星地質要穩定得多。此外，火星較弱的引力也難以約束大氣中的氣體，而較弱的磁場又使得太陽高能質子可以輕易剝離火星大氣，這讓整個局面雪上加霜。
想要讓火星「地球化」，我們就必須提高火星溫度，補充大氣，以扭轉這些效應。我們想在火星上做的事剛好和想在地球上做的事相反：創造一個強大的溫室效應。火星極地地區擁有大量儲存於冰蓋中的乾冰。提高火星的溫度會使這些乾冰融化，向大氣中釋放大量二氧化碳，如此一來太陽的熱量便可以留住，火星的溫度也會因此升高。火星極地冰蓋和永久凍土中都含有大量的冷凍水。隨著溫度和氣壓的升高，液態水會出現於火星地表，最終形成湖泊和海洋。一旦大氣壓成功增強20倍（略低於珠穆朗瑪峰峰頂的氣壓），人們就可以脫掉太空服在火星上愜意地走動。耐寒的微生物和植物可以在尚未完成改造的火星上生存，持續不斷地輸出氧氣，最終讓火星擁有可供呼吸的空氣（事實上，對於某些地球細菌來說，它們現在就可能擁有生存於火星的能力）。
那麼，我們該如何完成這些工作呢？可以讓火星「地球化」永久進行下去的辦法，就是阻止火星大氣的流失。具體來講，我們可以製造一個人工磁場 a 或者在太空中建立電磁屏蔽，以保護火星免受太陽風的干擾。不過，這些工程恐怕不是很有必要。火星是在長達數十億年的時間中逐漸失去大氣的，這是一個相當緩慢的過程。目前火星大氣的流失速度大約為每秒一磅，如果我們能夠以更快的速度為火星補充大氣，就可以扭轉火星淪為荒蕪雪原的趨勢。使火星「地球化」的潛在手段有很多，比如在軌道上布置鏡面反射裝置，把陽光反射到極地冰蓋上；或者在冰面上撒大量的吸熱材料以增加對熱量的吸收；還可以人工製造核爆炸，甚至利用基因改造過的微生物合成甲烷。不過最簡單的辦法我們或許早已在地球上掌握了：向大氣中釋放大量高效的溫室氣體。氟氯化碳的效能是二氧化碳的上千倍，如果全球各地的工廠都開始生產氟氯化碳，那麼用不了多久我們就可以啟動火星「地球化」的進程了。
改造火星需要多長時間？在透明加壓穹頂的幫助下，我們可以非常快速地完成較小區域的改造工程，從而為人類提供居所，為農作物提供和地球類似的生長環境。至於對整個星球的改造，時間就很難說了，而且這完全取決於人類的奉獻精神。隨著改造工程的進行，我們肯定會發明出更好的解決方案。科學技術一向如此。200年前，人類完全不知道該如何製造一個比空氣重很多的飛行器。一代代智力卓群的人在苦心研究之後才終於實現了當初的目標。然而火星改造和我們面臨的其他挑戰有所不同，它並不需要重大科學突破：這只是一個關乎時間、投資和意志力的問題。儘管火星改造可能會成為一個規模空前浩大的工程項目，不過我們很確定它是切實可行的。一旦我們完成對火星的改造，其他星球的相關改造可能也會隨之而來。將來某一天，我們的太陽系可能會成為一個包含不同人類、不同文化、不同文明的多樣化世界，而每個世界中的生命都將是地球的子孫後代。