陳梓鈞
墨西哥灣蔚藍(lán)的大海上,風(fēng)平浪靜,白浪輕吻著微風(fēng),海鷗競(jìng)逐著魚群。在這片祥和的景象之下140米的深處,沉睡著人類有史以來最大的火箭。它高度足有165米,直徑23米,是登月火箭“土星五號(hào)”的兩倍還多。為了節(jié)約成本,設(shè)計(jì)師舍棄了昂貴的鈦合金等航天材料,而用廉價(jià)的潛艇用不銹鋼制造,這也造成它的總重高達(dá)1萬8千噸。由于太大、太重,沒有發(fā)射臺(tái)可以承受它起飛時(shí)的推力,只能將發(fā)射塔建在海底,僅有火箭頂部的飛船和逃逸塔露出水面。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)歸零,火箭點(diǎn)火升空,仿佛摩西劈開大海,于巨浪中緩緩?fù)衅鹨蛔撹F小山。八層樓高的發(fā)動(dòng)機(jī)單噴管噴出宛如核爆炸般的烈焰,將數(shù)十萬立方米的海水瞬間汽化,方圓幾千米內(nèi)都降下一場(chǎng)灼熱的暴雨……
這個(gè)場(chǎng)景并非科幻小說的描寫,而是20世紀(jì)70年代可能發(fā)生的現(xiàn)實(shí)。
該型名為“海龍(Sea Dragon)”的巨型火箭是人類設(shè)計(jì)過的最具野心的航天發(fā)射載具之一,由美國(guó)海軍“北極星”潛射導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)師羅伯特?特魯阿克斯(Robert Truax)設(shè)計(jì),并于1963年1月提交給美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)論證。如果“海龍”成真,人類在50年前就可以具備將450噸載荷送入近地軌道的能力,四倍于“土星五號(hào)”,并且運(yùn)載成本不到2018年最廉價(jià)火箭的十分之一①。然而,盡管這個(gè)火箭方案通過了嚴(yán)格的技術(shù)論證和經(jīng)費(fèi)計(jì)算,但最后沒有付諸實(shí)施。究其原因,無外乎是“沒有需求”和“造價(jià)昂貴”。
“海龍”火箭是傳統(tǒng)航天思維登峰造極的產(chǎn)物。這是一種“發(fā)射質(zhì)量”的航天——依靠化學(xué)燃燒產(chǎn)生反沖推力,將物質(zhì)送上太空。正如下面的齊奧爾科夫斯基火箭公式:
△v=wln(m0/mk)
其中m0/mk是點(diǎn)火前/后的火箭總質(zhì)量,w是火箭噴氣的相對(duì)速度, v是推進(jìn)令火箭產(chǎn)生的速度增量。
截至目前,航天發(fā)射都遵循該公式的思路:消耗巨大的質(zhì)量(火箭燃料)送極小的質(zhì)量(飛船)進(jìn)入太空。然而,正如公式所示,隨著有效載荷變重,所需要的火箭質(zhì)量、研制難度、成本都會(huì)呈指數(shù)爆炸式上升。例如2020年我國(guó)實(shí)施的“嫦娥五號(hào)”任務(wù),2千克的月壤需要用重達(dá)869噸的“長(zhǎng)征五號(hào)”火箭進(jìn)行采樣返回。如果把目光放到火星、木星、土星,這個(gè)質(zhì)量比還會(huì)更加夸張。
這是人類的“太空大航?!睍r(shí)代面臨的最大困難。
但技術(shù)的發(fā)展從來不是頭撞南墻式的死磕。當(dāng)遇到瓶頸,人類往往會(huì)在意想不到的地方發(fā)現(xiàn)突破口。正如中世紀(jì)的煉金術(shù)和星相學(xué)為現(xiàn)代化學(xué)、天文學(xué)埋下了伏筆一般,21世紀(jì)初IT產(chǎn)業(yè)興旺發(fā)展帶來的自動(dòng)化與信息技術(shù),或許為傳統(tǒng)航天的困局打開新的通路:
將“發(fā)射質(zhì)量”的航天變?yōu)椤鞍l(fā)射信息”的航天。
年代:1957~2050
標(biāo)志:以化學(xué)燃料火箭運(yùn)輸信息化“種子”,在太空建立自我復(fù)制無人工廠
解鎖:十億兆瓦級(jí)太陽能電站;拉格朗日點(diǎn)太空城;突破攝星計(jì)劃;動(dòng)量轉(zhuǎn)換器等
能級(jí):卡達(dá)謝夫0.7~1級(jí)文明
相信大家聽過一句有名的話:“你們承諾要殖民火星,我卻得到了facebook?!?/p>
20世紀(jì)末,冷戰(zhàn)結(jié)束,太空探索的黃金時(shí)代逝去,互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和賽博朋克卻一起興旺了起來。太空計(jì)劃被擱置,圖紙被封存,人類似乎被茫茫太空的廣袤和冷酷嚇住,蜷縮著回到了地球的搖籃里。
這意味著人類的墮落嗎?未必。
1964年,斯坦尼茲拉夫·萊姆創(chuàng)作科幻小說《不可戰(zhàn)勝的》,講述了人類飛船在太空中遭遇毀滅性的納米“灰云”的故事。所謂“灰云”是一種納米機(jī)器,最初是非常輕小的種子,卻能利用星球當(dāng)?shù)氐馁Y源復(fù)制自己,組裝為復(fù)雜的巨型結(jié)構(gòu),最終形成不可戰(zhàn)勝的機(jī)械文明。這種機(jī)器就是“馮·諾依曼機(jī)”。它征服宇宙靠的不是巨型火箭,而是高度發(fā)達(dá)的信息和自動(dòng)化技術(shù)。
20世紀(jì)40年代,馮·諾依曼在計(jì)算機(jī)幾乎不存在的時(shí)候構(gòu)思出了他所稱的“通用構(gòu)造器”,即“馮·諾依曼機(jī)”。這種能無限增殖的機(jī)器概念頓時(shí)引起了科學(xué)與科幻兩方面的注意,認(rèn)為這是一種潛在威脅。1986年“納米機(jī)器之父”德雷克斯勒(K. Eric Drexler)首先提出了“灰蠱(Grey Goo)”的概念①,聲稱失控復(fù)制的“馮·諾依曼機(jī)”能將地球轉(zhuǎn)化成由它們組成的粉末狀灰色物質(zhì)。萊姆的另一篇科幻小說《地上的和平》(Peace on Earth)中,人類考察隊(duì)從月球帶回了被誤認(rèn)成月壤的納米智能兵器“灰塵”,釀成了這種災(zāi)難。此外,邁克爾·克萊頓《獵物》,水妖精《灰色的憂傷》,電影《地球停轉(zhuǎn)之日》《特種部隊(duì):眼鏡蛇崛起》《超驗(yàn)駭客》以及游戲《群星》都描述了“灰蠱”的可怕威力。在王晉康《沙漠蚯蚓》中,納米機(jī)器甚至覺醒了智力,取代人類成為地球下一任的主宰文明。
然而,從另一個(gè)視角看,這種貌似可怕的機(jī)器會(huì)成為人類開拓太空的鑰匙。本質(zhì)上,它就是一粒搭載著信息的“種子”,可以做得非常輕小,將火箭從發(fā)射巨型載荷的苦役中解放出來。更有甚者,將它與霍金“突破攝星”計(jì)劃結(jié)合后,我們可以高速飛抵另一個(gè)恒星系,令“種子”自我復(fù)制建造望遠(yuǎn)鏡、通信天線,從而在有生之年看到幾光年之外的天空。
當(dāng)然,以人類目前的技術(shù),造出如《獵物》中描寫的納米蟲還是太難了。但“馮·諾依曼機(jī)”不必造得如此微小。宏觀尺度的自我復(fù)制機(jī),離我們其實(shí)并不遙遠(yuǎn)。
早在1981年,NASA就在一篇論文里提出了月球自我復(fù)制無人工廠的概念。它呈圓形,直徑可達(dá)數(shù)千米甚至數(shù)十千米,在太陽能驅(qū)動(dòng)下,沿著圓周的各功能區(qū)依次進(jìn)行著“新陳代謝”的循環(huán):攝取物質(zhì)(礦車平整地面、采集月壤)、化學(xué)合成(提煉水及碳、硅、鎂、鋁、鐵、鈦的多種化合物)、制造零部件(硅晶圓、電纜、支架外殼、緊固件等)、裝配(太陽能板、芯片、電動(dòng)機(jī)等)、生產(chǎn)(礦車、通信天線、化學(xué)合成爐、制造車床、裝配機(jī)械等)。隨著循環(huán)進(jìn)行,這個(gè)圓形無人工廠的直徑不斷擴(kuò)展,就像培養(yǎng)皿上生長(zhǎng)的菌落一樣,最終把整個(gè)月球表面都變成太陽能電站。
在20世紀(jì)80年代,這個(gè)設(shè)想雖然原理上可行,但實(shí)際操作會(huì)遇到各種困難,尤其是信息化和自動(dòng)化方面的。但如今信息技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)浪潮的帶動(dòng)下迅速發(fā)展,這種設(shè)想正逐步成為現(xiàn)實(shí)。譬如埃隆·馬斯克在上海投建的特斯拉無人工廠,幾乎不需要工人參與即可完成汽車制造;又如2007年RepRap項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一系列3D打印機(jī),可以打印自身大部分零件(金屬吐絲頭和電路、芯片除外)。
在自我復(fù)制3D打印機(jī)成熟后,在太空出現(xiàn)第一個(gè)自我復(fù)制無人工廠前,我們會(huì)首先在地球上看到這種“超自動(dòng)化”技術(shù)的實(shí)踐。王晉康在科幻小說《沙漠蚯蚓》中寫了中國(guó)研發(fā)的一種能吞噬沙漠制造自身的納米“蚯蚓”,而在現(xiàn)實(shí)中,這樣的沙漠蚯蚓有一個(gè)宏觀版本,稱為“奧克松絲妖怪”。它本質(zhì)上是一臺(tái)自動(dòng)行走、采沙的太陽能聚光3D打印機(jī),全身所有零件都可由二氧化硅(砂礫)熔化后燒結(jié)支撐。因?yàn)樾袨檫壿嫼?jiǎn)單(行走、吃沙、打印),它甚至可以不需要電路和芯片,在沙漠里以指數(shù)形式迅速增殖,將不毛之地化為產(chǎn)能驚人的太陽能發(fā)電基地。
正如凱文凱利所言,“我不能預(yù)言會(huì)出現(xiàn)蘋果公司,但能預(yù)言一定會(huì)出現(xiàn)智能手機(jī)。”當(dāng)工業(yè)集成化、自動(dòng)化、信息化、智能化這“四化”發(fā)展到一定程度,當(dāng)初NASA設(shè)想的月球無人自我復(fù)制工廠、神奇的“奧克松絲妖怪”也一定會(huì)以某種形式化為現(xiàn)實(shí):當(dāng)普通的運(yùn)載火箭搭載著自我復(fù)制工廠的“種子”飛向太空時(shí),“運(yùn)輸物質(zhì)”的航天就進(jìn)化為了“運(yùn)輸信息”的航天。這或許是在我們有生之年可以看到的、人類太空時(shí)代的黎明。
迎來黎明之后,人類生產(chǎn)力規(guī)模將擴(kuò)展數(shù)百倍,太空產(chǎn)業(yè)將如正午烈陽般炙熱紅火。這可以稱為太空探索的“超自動(dòng)化”時(shí)代。
在“超自動(dòng)化”時(shí)代前,人類盡管擁有了可自我復(fù)制的工廠,甚至將整個(gè)月球表面都變?yōu)榱颂柲茈娬?,但那幾乎都是無人設(shè)施。太空環(huán)境依然惡劣,人類平民仍然無法真正殖民外星球。
相比于地球,太陽系其他行星的當(dāng)?shù)刭Y源都無法支撐完整的工業(yè)或農(nóng)業(yè)。水星和金星缺水(氫),火星缺氮,木星、土星缺乏碳硅和金屬等較重元素。在地球上,某個(gè)地區(qū)的資源“偏科”尚且能靠全球化貿(mào)易解決。但因?yàn)樘者b遠(yuǎn)漫長(zhǎng)的距離,要想進(jìn)行巨量原料物資的運(yùn)輸,還是需要巨大的火箭(飛船)。于是,我們同樣逃不脫齊奧爾科夫斯基公式的桎梏。
此時(shí),我們需要將“超自動(dòng)化”更進(jìn)一步,不僅利用行星當(dāng)?shù)氐馁Y源,而且要利用太空中所有可能的物資。
太陽系內(nèi)的太空中漂浮著數(shù)以萬計(jì)的小行星。它們大多分布在木星與火星間的軌道上,也有不少在各大行星之間穿梭,仿佛天然存在的擺渡列車。也許有人會(huì)想:能不能利用這些天然“擺渡車”呢?事實(shí)上這并不容易。要想追趕上這些小行星,首先就要將載荷加速到與它們相當(dāng)?shù)乃俣?而如果我們有了這樣的動(dòng)力,又要“擺渡車”做什么呢?
但我們可以將它們作為動(dòng)量轉(zhuǎn)換器的“配重”。
動(dòng)量轉(zhuǎn)換器又稱“太空轉(zhuǎn)輪”,是系繩推進(jìn)(Tether Transport)的一種,可以幾乎不消耗能量地將巨量物資送入太空。它是一根細(xì)繩,由高強(qiáng)度碳纖維制造,長(zhǎng)度約為50千米,以ω=8.2°/s的角速度繞中心旋轉(zhuǎn),在100千米高的近地軌道上環(huán)繞地球運(yùn)行。繩子的末端有對(duì)接口,用于捕獲上行貨物或下行的“配重”。上行貨物由亞軌道火箭或飛機(jī)發(fā)射,當(dāng)它抵達(dá)75千米高的軌道頂點(diǎn)時(shí),速度低于第一宇宙速度,不足以進(jìn)入太空。但恰好在此時(shí),“太空轉(zhuǎn)輪”的一端從天而降,末端線速度恰好等于貨物飛行速度。它將上行貨物“抓住”,然后旋轉(zhuǎn)180度,把它甩出去,此時(shí)末端線速度將超過第二宇宙速度,貨物由此脫離地球引力,飛向茫茫太空。
顯然,世界上沒有免費(fèi)的午餐。在這一“抓”一“甩”之間,“太空轉(zhuǎn)輪”將自身的動(dòng)量和能量傳給了貨物,速度和高度都會(huì)略微下降。為了彌補(bǔ)“太空轉(zhuǎn)輪”的損失,一顆重量和貨物接近的太空礦石(從某小行星開采得來)被“太空轉(zhuǎn)輪”捕獲,同樣旋轉(zhuǎn)180度,在旋轉(zhuǎn)過程中將自身的動(dòng)量和能量傳給“轉(zhuǎn)輪”。分離后,礦石失去維持軌道的速度,變成隕石,墜落在地面的“隕石礦場(chǎng)”中。
據(jù)西蒙和舒斯特等人①在他們的著述中描述,動(dòng)量轉(zhuǎn)換器的技術(shù)難度比太空電梯低得多。太空電梯長(zhǎng)度至少有36000千米,而“太空轉(zhuǎn)輪”只有50~200千米。太空電梯要求碳納米管作為材料,而“太空轉(zhuǎn)輪”只需要T1000以上抗拉強(qiáng)度的碳纖維。當(dāng)然它的代價(jià)也是有的:需要消耗大量太空碎石作為“配重”。這些碎石最宜從小行星開采得來。因?yàn)殚_采規(guī)模巨大,必須要用到前一章所述的“自我復(fù)制機(jī)”。
此時(shí),“超自動(dòng)化”時(shí)代的太空交通藍(lán)圖就已經(jīng)呼之欲出了:自我復(fù)制工廠在無數(shù)的小行星上吸收太陽能,進(jìn)行著指數(shù)型增殖,每年將數(shù)億噸礦石投向地球、月球、火星、木星等大行星的軌道;而數(shù)百架“太空轉(zhuǎn)輪”則在這些星球的軌道上晝夜不息地旋轉(zhuǎn),接住礦石,拋射出飛船、礦產(chǎn)、物資、產(chǎn)品和零件。這一太空運(yùn)輸體系將以每年數(shù)億噸的吞吐量將在各大行星間交換物質(zhì),徹底解決太空工業(yè)“元素短缺”的問題……
當(dāng)人類走到這一步時(shí),星辰大海的道路才算是真正打開!
有朝一日,我們將在地球賞月,在火星漫步,在金星的云頂觀星;我們的餐桌將擺上金星的云藻酒、火星的念珠土豆和木衛(wèi)二的法拉第魚;奧運(yùn)健兒們將在奧林匹斯山滑雪、在維羅納峭壁跳崖②;而每當(dāng)春節(jié)到來時(shí),由動(dòng)量轉(zhuǎn)換器組成的太陽系“五縱三橫”鐵道網(wǎng)上一定會(huì)擠滿了歸鄉(xiāng)的人潮,而在海王星甲烷油田堅(jiān)守崗位的工程師們,將向地球投來有史以來最遙遠(yuǎn)的思鄉(xiāng)的目光。
如果把建立系外行星基地的壯舉比作19世紀(jì)美國(guó)的西進(jìn)運(yùn)動(dòng),那么,在這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)臨近尾聲時(shí)(太平洋鐵路建立),美國(guó)絕大部分人口仍集中在東部地區(qū)。太空拓荒很可能也是如此。直到太陽系都被納入人類的工業(yè)和經(jīng)濟(jì)圈,絕大部分外星球仍然會(huì)像美國(guó)西部的荒漠般地廣人稀。畢竟自然環(huán)境太惡劣,用人開拓遠(yuǎn)不如靠自動(dòng)機(jī)械來得劃算。
除非進(jìn)行“行星地球化改造(Terraforming)”。
太陽系內(nèi)適宜行星地球化改造的天體有兩個(gè):金星和火星?;鹦堑母脑煊写罅靠茖W(xué)與科幻的方案,例如金·斯坦利·羅賓遜的《紅火星》《綠火星》《藍(lán)火星》,描述了用巨型軌道反射鏡蒸發(fā)干冰、挖掘深入地層的深井釋放地?zé)?,促進(jìn)火星的溫室效應(yīng)。與火星相反,金星的改造需要削弱溫室效應(yīng),于是有了釋放能在金星酸性云頂部生存、進(jìn)行光合作用的“云藻”,或是能養(yǎng)殖微藻并自我復(fù)制的生化機(jī)械氣球,等等。
這一系列方案的難點(diǎn)在于元素的平衡,畢竟金星天然缺水(氫),火星重力不足,都需要其他行星持續(xù)不斷地為其提供數(shù)以億噸計(jì)的物質(zhì)輸入。這在當(dāng)代是不可想象的,但有了幾乎不消耗能量的“太陽系鐵道”和指數(shù)增長(zhǎng)的自我復(fù)制機(jī),這些狂想將成為可供工程師探討的規(guī)劃。
更有甚者,當(dāng)自我復(fù)制機(jī)的規(guī)模足夠大時(shí),人類將接近卡達(dá)謝夫II型文明的臨界點(diǎn):實(shí)施“天體工程”。最著名的天體工程當(dāng)屬戴森球/戴森環(huán):通過自我復(fù)制機(jī)、電磁發(fā)射導(dǎo)軌和太空轉(zhuǎn)輪拆解水星,將其化為環(huán)繞太陽運(yùn)行的太陽能發(fā)電環(huán)帶,甚至將太陽整個(gè)包裹起來。更夸張的天體工程還有Shakadov恒星驅(qū)動(dòng)光帆,或“恒星引擎”。當(dāng)然,這種光帆不太可能是一個(gè)整體,而是許多自我復(fù)制機(jī)的鏡面單元,靠光壓和引力平衡維持穩(wěn)定,而太陽位于這個(gè)離散式拋物反射鏡的焦點(diǎn)上,在反沖原理的作用下緩步前行。
讓我們想得再遠(yuǎn)一點(diǎn)兒。恒星尺度的推進(jìn)器居然還用著和火箭一樣的反沖原理,在未來人看來,這也許就像“皇帝的金鋤頭”般可笑。更省事的方法仍舊是“發(fā)射信息的航天”:將人類的身體信息數(shù)據(jù)化,以電磁波、中微子甚至引力波的形式射向太空;或像電影《超時(shí)空接觸》中描寫的那樣,將用于接觸的裝置圖紙發(fā)送到千百光年外的星球,由當(dāng)?shù)厝私M裝,借此進(jìn)行交流。如果曲率驅(qū)動(dòng)等超技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的話,那這可能是人類進(jìn)行“星際穿越”的唯一辦法。
看到這里,讀者們或許會(huì)覺得這幅藍(lán)圖太樂觀了。
誠然,無論是自我復(fù)制機(jī)、動(dòng)量轉(zhuǎn)換器還是光帆、裂變/聚變飛船等都有各自的技術(shù)困難:自我復(fù)制機(jī)是制造業(yè)皇冠上的明珠,要在有限空間內(nèi)容納完整工業(yè)體系,還要解決精度發(fā)散、代際劣化等問題;動(dòng)量轉(zhuǎn)換器要在零點(diǎn)幾秒的瞬間完成貨物的捕獲、飛船的對(duì)接,還得在稀薄大氣、太陽風(fēng)、地磁場(chǎng)等復(fù)雜干擾下保持穩(wěn)定。而當(dāng)技術(shù)困難解決后,還有復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)和政治問題。最后,還需要戰(zhàn)勝人性。劉慈欣在演講“內(nèi)向與外向的未來”中提過,人類沉浸于IT技術(shù)營(yíng)造的虛擬現(xiàn)實(shí),將斷送人類進(jìn)入太空的前程。如果人類不能戰(zhàn)勝好逸惡勞的本性,那遲早會(huì)在地球上迎來滅亡。
但無論如何,我們已經(jīng)有了藍(lán)圖。
科技不是一棵“樹”,而是一張“網(wǎng)”。技術(shù)進(jìn)步從來不是一兩個(gè)熱門方向的線性演化,而是多個(gè)熱門方向在不同時(shí)代的相互促進(jìn)。在我們眼前的不是“航天還是賽博”的二選一,也不是“向內(nèi)還是向外”的岔路口。我們眼前的是一片平原——有無數(shù)方向、無數(shù)方案、無數(shù)可能性的平原。若遇到不可逾越的障礙,便向側(cè)面繞開;若遇到美景的誘惑,不妨走過去看看。這會(huì)繞一點(diǎn)兒路,但我們不必?fù)?dān)心。因?yàn)樵谶@條通往星辰大海的路上,我們走過的每一個(gè)彎路都不會(huì)是無用的。
冷戰(zhàn)結(jié)束后,我們放下了火箭,拿起了智能手機(jī)。這看似是“退化”,但只有這智能手機(jī)里的A.I.芯片,才能驅(qū)動(dòng)著自我復(fù)制機(jī)在月球吞吐硅沙;硅砂被轉(zhuǎn)化為太陽能板和激光陣列,鋪滿了月球,驅(qū)動(dòng)光帆將“種子”射向小行星帶;小行星上“種子”呈指數(shù)增殖,將其拆解為碎石,為“太空轉(zhuǎn)輪”提供了動(dòng)力;“太空轉(zhuǎn)輪”日夜不息地旋轉(zhuǎn),將工業(yè)體系播撒到整個(gè)太陽系,為行星地球化、戴森環(huán)等“天體工程”提供必須的巨量物質(zhì)……
對(duì)于這樣的藍(lán)圖,我充滿信心。
【責(zé)任編輯:艾 珂】
① “海龍”火箭直接發(fā)射相關(guān)費(fèi)用為每磅載荷10美元至20美元。將研發(fā)成本分?jǐn)偟?40次發(fā)射中的話,則成本效益大約可控制在每磅載荷20美元至30美元。相應(yīng)地,獵鷹重型火箭約為每磅載荷514美元。
① 埃里克·德雷克斯勒. 創(chuàng)造的發(fā)動(dòng)機(jī)[J]. 中國(guó)科技信息, 2006, 000(007):73-75.
① 《空間設(shè)計(jì):二十一世紀(jì)空間探索藍(lán)圖》,Designs on Space: Blueprints for 21st Century Space Exploratio[M]n. Simon & Schuster. 2000
② 火星的奧林匹斯山高達(dá)26千米,是太陽系最高的山脈,背陽面覆有二氧化碳干冰;天衛(wèi)五的維羅納峭壁高達(dá)5~10千米,是太陽系最高的懸崖,而因?yàn)橹亓艿?,從這里跳下去不會(huì)摔死。