离开地球：我们为何、在何处、如何以及何时离开我们的家园

地球不会永远适合居住。我们知道，大约 20 亿年后，不断膨胀的太阳将蒸发掉我们的海洋，让我们在宇宙中的家园变得无法居住——除非我们还没有被仙女座星系毁灭，仙女座星系正处于与银河系相撞的数十亿年内。此外，至少有三分之一的直径达一千英里的小行星会飞过我们的轨道，最终会撞上我们，撞击频率约为每 30 万年一次。

为什么？

事实上，1989 年，一颗小得多的小行星在地球经过地球仅六小时后穿过我们的轨道，其撞击力仍相当于 1,000 颗核弹。救生艇基金会 (Lifeboat Foundation) 的数百名研究人员追踪了十几种不同的人类生存风险，该基金会最近发布了一份报告，将这场 30 万分之一的灾难性撞击比作俄罗斯轮盘赌游戏：“如果我们继续扣动扳机，我们的头就会被炸掉，而且没有人能保证下次不会发生这种情况。”

鉴于人类对地球造成的风险，我们可能有一天会离开地球，只是为了保护它。许多可能导致我们考虑离开地球生活安排的威胁实际上是人为的，而且不一定是在遥远的未来。我们每年消耗的量已经远远超过了地球所能承受的量，世界野生动物基金会估计，到 2030 年，我们每年将消耗两个地球的自然资源。国际人道主义组织灾害流行病学研究中心报告称，过去十年，干旱、地震、暴雨和洪水的袭击是 20 世纪 80 年代的三倍，是 1901 年（首次收集这些数据时）的近 54 倍。一些情景是气候变化导致严重的水资源短缺、沿海地区被淹没和大范围饥荒。此外，世界可能会因致命病原体、核战争或救生艇基金会警告的“滥用日益强大的技术”而终结。考虑到人类对地球造成的风险，我们也许有一天会离开地球，只是为了保护它，让我们的星球成为一种自然保护区，我们时不时地去拜访它，就像我们去优胜美地国家公园一样。

我们面临的威胁都不是特别牵强的。例如，气候变化已经成为人类事务的一个主要因素，我们的星球至少经历过一次因小行星撞击而导致的大规模灭绝。国防承包商通用动力公司高级信息系统部门的研究工程师、救生艇基金会太空定居委员会 85 名成员之一蒂哈默·托特-费耶尔 (Tihamer Toth-Fejel) 说：“恐龙灭绝是因为它们太愚蠢，无法建立足够的太空文明。到目前为止，我们和它们之间的差异几乎无法衡量。”拯救文明联盟是由纽约大学化学家罗伯特·夏皮罗 (Robert Shapiro) 发起的项目，该项目认为，任何几场灾难性事件的必然性都意味着我们必须准备一份我们文明的副本，并将其移至外太空，远离危险——这是我们文化成就和传统的备份。2005 年，当时的美国宇航局局长迈克尔·格里芬 (Michael Griffin) 用类似的术语描述了国家太空计划的目标。 “如果人类想要生存数十万年或数百万年，我们最终必须移居其他星球，”他说。“总有一天，我不知道那一天是什么时候，但地球以外的人类数量将比地球上的人类数量多。”

在哪里？

我们有很多选择。美国国家空间协会拥有 12,000 多名会员，致力于在太空建立定居点。该协会建议，我们可能首先前往一颗拥有维持生命资源的星球。NASA 在 2000 年完成了一项耗资 2 亿美元的研究后，报告称，可以在月球表面以下几英尺处挖掘一个殖民地，或将其覆盖在现有的陨石坑内，以保护居民免受高能宇宙辐射的持续轰击，这些辐射会损害我们的 DNA 并导致癌症。NASA 的研究设想在月球表面建立一座核电站、太阳能电池板阵列，以及从月球表面提取碳、硅、铝和其他有用材料的各种方法。美国国家空间协会在其 2008 年的报告“太空定居路线图”中也将月球确定为合乎逻辑的首站，并指出那里存在维持生命的冰，这是建立永久月球基地、酒店甚​​至赌场的先兆。

其他太空定居倡导者则建议完全跳过月球。尽管月球离我们更近，而且人类也已经登陆月球，但人们认为木星、土星、天王星和海王星的卫星含有的水、碳或氮的含量要高得多。但太阳系中最像地球的目的地是火星。“火星与月球之比，就像上一个航海时代北美与格陵兰之比，”火星协会会长罗伯特·祖布林 (Robert Zubrin) 说。火星协会是一个致力于探索和定居红色星球的组织。与月球不同，火星有一点大气层，可以提供一些保护，免受宇宙射线的伤害，并且其引力只有地球的 40%。

2002 年，美国宇航局的火星奥德赛号航天器在火星地面发现了大陆大小的水冰区域，2008 年，凤凰号火星着陆器拍摄的照片证实了那里存在冰。土壤中还含有足够的碳来种植植物，白天温度偶尔会达到宜人的 70°F。随着时间的推移，这颗行星也有可能被“改造”，利用地下冰中的水（或从冰小行星中引入水）形成薄海洋，并在很久以后形成大气层，提供可呼吸的空气和更好的宇宙辐射屏蔽。“定居一个星球比建造一个星球容易得多，”祖布林说。“克里斯托弗·哥伦布乘船横渡海洋。想象一下，如果他到达那里后必须建造美洲大陆会怎样。”

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然而，所有这些建议的路线可能都属于艾萨克·阿西莫夫曾经称之为“行星沙文主义”的范畴。我们也可以建造一个轨道栖息地，在太空中建立我们未来的家园，并按照我们自己的严格要求设计它的每一个细节。从经济上讲，如果不是从技术上讲，从地球上发射建造大型轨道结构所需的材料数量是不可能的。但这样的栖息地可以主要由从近地小行星中提取的资源建造，这些小行星本身提供的陆地多样性和潜在表面积比我们太阳系所有行星的总和还要多。1974 年，普林斯顿大学物理学家杰拉德·奥尼尔提出了一种大型独立轨道栖息地的设计，它由大型圆柱体组成，这些圆柱体以每分钟一转的速度沿轴线旋转——刚好足够快地模拟其内表面的重力——并与另一个以相反方向旋转的圆柱体相连以消除扭矩。在没有重力的外太空，即使栖息地大到足以容纳数千或数百万居民，其结构仍然坚固，奥尼尔设想的双圆柱体长 20 英里，内部表面积为 500 平方英里。

艾尔·格洛布斯是美国宇航局艾姆斯研究中心的一名承包商，他维护着一个备受好评的太空定居网站。他把奥尼尔圆柱体比作一个高档的封闭式社区，那里阳光充足，视野开阔，住处宽敞，圆柱轴线附近有专门的零重力娱乐区。这些飞船上的人口将保持在 150 人以上，以避免近亲繁殖的后果，尽管理想情况下，轮换栖息地将以社会互动集群的形式存在。居民还可以在基因库需要更多多样性时使用存储的 DNA。

轨道栖息地的主要优势在于它不一定需要停留在轨道上。如果一艘飞船耗尽了附近小行星的资源，或者不得不逃离垂死的太阳，它可以在飞船上安装核反应堆或太阳帆，并被送往任意数量的遥远目的地。已知的围绕太阳系外恒星运行的 500 颗行星中，没有一颗被认为拥有能够维持人类生命的大气层，但几乎所有这些行星都是在过去十年中发现的，这导致两位天文学家在最近的一篇论文中得出结论，到 2264 年找到一颗栖息地与地球几乎相同的系外行星的可能性为 95%。9 月，一组天文学家与美国国家航空航天局和美国国家科学基金会赞助的利克-卡内基太阳系外行星调查组织宣布，在天秤座发现了一颗距离我们约 20 光年的行星，它绕恒星运行的轨道正好位于我们自己轨道的“宜居带”内。

对于生活在这艘封闭飞船上的后代来说，他们是留在地球轨道上，还是花数百年时间前往其中一颗太阳系外行星，可能都无关紧要。他们可能只是乘坐“世代飞船”在太空中漂浮，沿途收集小行星和彗星上的物质。

如何？

第一个挑战就是摆脱地球引力。作家罗伯特·海因莱因说：“如果你能将飞船送入轨道，你就已经成功了一半。”航天飞机的单程飞行成本约为 4.5 亿美元，而今天将无人有效载荷送入轨道的成本仍约为每磅 12,000 美元，其中大部分成本来自最初一百英里所消耗的燃料。

为了克服这个巨大的初始障碍，工程师们设想了许多无火箭发射系统。在冷战高峰期，美国海军作为其高空研究计划的一部分，研究了使用巨型大炮将有效载荷发射到轨道的可行性。与此同时，物理学家德里克·蒂德曼设想使用一个巨大的离心机（他称之为“slingatron”）来旋转物体，直到它们达到可以抛出引力井的速度。许多工程师还考虑了建造“太空电梯”这一诱人的可能性，这种电梯可以乘坐一条 62,000 英里长的缆绳，像旋转的套索一样，靠向心力被吊在空中。 2000年，美国国家航空航天局先进概念研究所向Carbon Designs公司创始人布拉德·爱德华兹（Brad Edwards）提供了57万美元，用于研究如何构造这种装置，他估计建造这样的装置所需的成本不超过140亿美元——只要有人开发出制造构成管道的非常薄、非常坚固的管道所需的纳米技术。

其他创新可能会减轻有效载荷重量，使太空飞行更加实用。一家名为 Made in Space 的公司表示，其计划开发的巨型 3D 打印机可以将从地球运来的原料或从太空垃圾中回收的原料转化为卫星或飞船，尽管打印机在零重力下的表现如何还有待观察。纳米技术的进一步突破也可能有所帮助。专门研究分子纳米技术的独立科学家和作家 J. Storrs Hall 举了一个例子，我们用于导电和电线的大量铜。通过在分子尺度上控制物质，可以用纯碳制造石墨烯导体，晶体管甚至计算机也是如此。

殖民太空“不仅是为了生存，也是为了繁荣。”一旦我们离开近地轨道，我们或许还能找到使用化学火箭以外的其他方式进行长距离旅行的方法。去年 11 月，《大众科学》杂志对前 NASA 宇航员 Franklin Chang Díaz 进行了专访，他正在开发一种由机载离子发动机驱动的火箭，据他估计，这种火箭可以将前往火星的时间从六个月缩短到一个月多一点。一艘日本探测器由 46 英尺宽的太阳帆推动，太阳帆由厚度为 0.0075 毫米的镀铝塑料制成，在太阳光子的压力下向前推进，于 12 月飞过金星。日本宇宙航空研究开发机构表示，该探测器目前正在绕太阳飞行，并将在五年后返回金星轨道。如果我们能够设计出某种形式的核聚变驱动器，许多人认为我们可能能够用从月球或其他天体开采的氦-3 为其提供燃料。美国宇航局先进概念研究所正在资助一项研究，看看宇宙飞船是否能搭乘定期经过地球和火星的 40 颗小行星中的一颗，飞船无需消耗任何能量即可在 6 到 10 个月内到达目的地。

马克·米利斯是美国宇航局的推进物理学家，同时也是 Tau Zero 基金会的负责人，该基金会是一个由科学家、工程师和记者组成的志愿者团体，致力于实现星际飞行。他建议，我们应该对更先进的方法持开放态度，包括虫洞传送和超光速曲速引擎。他指出，激光技术的进步至少可以暂时让我们创造出可能产生可观察到的空间扭曲效应的能量水平，并测试这一概念的理论基础是否正确。

美国国家空间协会的马克·霍普金斯认为，有朝一日，自我复制的纳米机器人可能会被送往小行星，在那里它们会钻穿表面，开始采矿；或者它们可能会被送往月球或遥远的星球，在那里它们会繁殖和传播，最终创造出一个完整的工业文明，供人类抵达后使用。人类 DNA 甚至可能与这些文明建设纳米机器人一起包装，并在适当的时候用来繁衍人类。他说，没有理由不认为人类生物进化是一个过渡阶段；有朝一日，我们都可能被重新设计成有感知能力的机器，我们的身份会被上传并传送到外太空，缩小版的飞船不再需要提供辐射防护、闭环栖息地或腿部空间。我告诉他，霍普金斯对最终边疆的设想，虽然没有性别和身体，但似乎并不特别浪漫。“好吧，也许不是，”他承认。“但你没有问我浪漫的事。”

和我聊过太空定居问题的其他人则坚持认为，专注于未来可能发生的事情会阻碍今天可以实现的目标。华盛顿州立大学天体生物学家 Dirk Schulze-Makuch 最近在《宇宙学杂志》上与他人合作撰写了一篇文章，他在文中指出，载人登陆火星在经济和技术上已经可以实现，只要我们放弃返航的想法。他说，我们可以发射火箭，搭载少数永久定居者，这些先驱者将由机器人任务进行补给，每四到六年还会有更多移民加入。

20 年后，人类将建立永久的火星基地。他承认，成本是一个巨大的障碍，NASA 缺乏政治意愿也是一大障碍。但他强调，火星定居将确保我们人类的生存，并激励无数地球人。在文章发表后的几周内，他和他的合著者收到了 100 多封电子邮件，其中既有 16 岁的人，也有 65 岁的人，每个人都宣布准备立即离开。

什么时候？

目前，太空定居的大部分进展都是由私营部门完成的。去年 12 月，埃隆·马斯克的 SpaceX 成功完成了一次可重复使用的太空舱试飞，该太空舱最多可搭载 7 人。该公司还与 NASA 签订了一项合同，以远低于当前价格的每磅成本将货物运送到国际空间站。维珍银河、太空探险公司和其他公司已经开始提供进入近地轨道的飞行和在空间站的短暂停留服务，而 Bigelow Aerospace 计划在 2015 年之前推出一家充气式“太空酒店”。

太空边疆基金会 (Space Frontier Foundation) 是一群日益壮大的企业家，他们希望利用私营企业取得成功，他们认为规避风险、漫无目的的 NASA 已经失败了。基金会坚持认为，只有当有令人信服的盈利动机时，我们才会在新边疆定居。他列举了太空旅游、外星采矿以及将太阳能从太空传回地球等离开地球的最佳经济理由。他说：“当人们赚钱时，我们就能实现人类的永久定居。没有钱，就没有巴克·罗杰斯。”

尽管预算紧张，国家太空计划也在探索地球之后生命存在的可能性。去年春天，奥巴马总统宣布计划在 2025 年之前对近地小行星进行载人飞行，并在 2030 年代中期对火星进行载人飞行。10 月，五角大楼的研发部门 DARPA 发布新闻稿，宣布与艾姆斯研究中心联合开展一项研究，研究制造“百年飞船”的可能性，他们称其为“下一个太空探索时代的第一步——星际之间的旅程”。

当我向美国宇航局兰利首席科学家丹尼斯·布什内尔询问我们的太空前景时，他给出了一个更为严肃的观点。他强调，我们对宇宙辐射和零重力对人体和精神的影响知之甚少，我们甚至没有防辐射的宇航服。“买得起的东西不安全，安全的东西买不起”，他像念咒语一样重复道。

当然，布什内尔是对的——至少目前如此。但探索，就其本质而言，需要承担风险。加州大学欧文分校物理学教授、美国宇航局长期顾问格雷戈里·本福德表示，对风险和回报之间适当平衡的担忧不应阻止我们追求探索宇宙的伟大梦想。他引用了比哥伦布早五个世纪首次踏上北美大陆的维京探险家的话，坚持认为迈出第一步是不够的。“我们美国人认为我们基本上是太空界的哥伦布，做出了重大发现，”本福德说。“但我担心我们可能是莱夫·埃里克森。我们去尝试一些东西，然后基本上就被遗忘了。”

研究人员、工程师和天文学家几乎确信我们最终会生活在太空中，他们认为这一举动是生存的必然，是人类自然的进步，他们往往对时间持弹性看法。我们爬上陆地，像猿猴一样走出非洲大草原，启航前往新世界——我们怎么能不期望有朝一日能在土卫六上定居，或者乘坐星际飞船在深空巡航呢？无论离开地球需要多长时间，也无论谁把我们带到那里，这一努力都将为地球上的人们带来无数直接的利益。

设计闭环可持续栖息地可以帮助我们养活穷人；先进的推进方法可能会彻底改变地球上的交通方式；太空太阳能可以从根本上减少我们对化石燃料的依赖；对小行星的深入了解可能会为我们提供宝贵的资源，有朝一日，我们甚至能够改变小行星的轨道。Tau Zero 的马克·米利斯说，殖民太空“不仅仅是为了生存，也是为了繁荣”，他还补充说，太空中仍然有冒险等待着我们，人们可以为了共同利益而英勇地工作。对于米利斯来说，驱动问题很简单：“我们能做些什么来让未来的生活更令人兴奋？当你早上醒来时，你会庆幸自己还活着，庆幸自己是人类吗？”