我們能成為火星人嗎？

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火星是太陽系中自內向外的第四顆行星，也是目前所知離太陽最遠的類地行星。隨著水星和金星表面存在生命的想象相繼破滅，火星成了地球以外的太陽系行星中表面存在生命的最後希望。這一特點正是過去幾十年人們對火星的興趣經久不衰的主要原因之一。

迄今為止我們尚未在火星上探尋到生命存在的任何確實證據。那麼將來會如何呢？一種可能性是：在不太遙遠的將來，火星上就會出現生命，而且是高等生命。

當然，讀者們想必猜到了，我指的是人類自己——在不太遙遠的將來，人類有可能登陸火星、建立基地；更長期地講，則有可能向火星 移 民 甚 至 將 火 星「 地 球 化」（terroforming）。因為哪怕火星上連最原始的生命都不存在甚至無法存在，它也依然是除地球以外太陽系行星中環境條件最接近地球的，是人類向其他行星移民的首選之地。

事實上，很多科學家早就在研究載人登陸火星的可能性了。1989年7月，這種熱情延伸到了國家領導人的層面上，美國總統老布希（George H. W. Bush）在阿波羅登月20周年的紀念講話上提出了包括載人重返月球及載人登陸火星在內的所謂「太空探索倡議」（Space Exploration Initiative）。2004年1月，美國總統小布希（GeorgeW. Bush）重申了父親的倡議，取名為「太空探索新圖景」（New Vision for Space Exploration）。2010年，又一位美國總統歐巴馬（BarackObama）也發表了熱情洋溢的講話，展望了於21世紀中期完成載人登陸火星計劃的前景。而最近熱映的影片《火星救援》（The Martian）則把載人登陸火星的時間定為了21世紀30年代，並且將公眾的熱情推上了高潮。

當然，影片是不能當真的，而政治層面的倡議則既不能不當真，也不能太當真——因為載人登陸火星那樣的計劃若要實施，離不開政治層面，但另一方面，那樣的計劃並非單純取決於總統，而且計劃的長度將大大超出單個總統的任期，從時間上講也絕非單個總統的倡議所能決定。昔日的超級超導對撞機（Superconducting Super Collider，SSC）的下馬就是例子。

雖然載人登陸火星計劃能否啟動，何時啟動，都還是未知數，但很多人在憧憬著那一天，很多機構也在進行著可行性研究，其中包括美國國家航空航天局。1998年，美國航天工程師祖布林（Robert Zubrin）等人甚至組建了一個稱為「火星學會」（Mars Society）的組織，專門研究諸如建立火星基地的可行性那樣的課題，該組織的成員和支持者分佈在幾十個國家，其中包括了有專業學歷或經歷的科學家、工程師及宇航員等。當然，這方面所有的研究或設想都還或多或少停留在「紙上談兵」的階段，並且限於領域的特殊性，在同行評議等方面還難以達到如主流學科那樣的嚴謹性。因此，對我們下面將要介紹的這方面的信息需多存懷疑之心，莫要當成定見——哪怕只是目前意義上的定見。如果有一天載人登陸火星乃至建立火星基地等計劃真的進入實施階段，顯然會有更正式也更高水平的研究和實驗。但在目前，我們只能用下面這些信息來解解饞了。

載人登陸火星的第一步當然是飛往火星，跟飛往月球的區區三天左右的單程飛行不同，火星雖是地球在行星世界里的鄰居，串個門可不容易。飛往火星的軌道有若干選擇，其中最節省燃料的是1925年由德國科學家霍曼（Walter Hohmann）提出的所謂霍曼轉移軌道（Hohmann transfer orbit）。

這個軌道的主體部分是近日點與地球公轉軌道相切，遠日點與火星公轉軌道相切的橢圓軌道的一段。簡單的計算表明，沿霍曼轉移軌道飛往火星的單程飛行時間約為8個半月，這樣的飛行時間對無人探測器來說這不算什麼，一旦考慮載人可就成為大問題了，因為這段時間內宇航員所需的食物、氧氣等都不是小數目，對於每千克載荷都極其昂貴的行星際飛船來說實在是不可承受之重。除此之外，沿霍曼轉移軌道前往火星要求飛船抵達軌道遠端時恰好能與火星相逢，這樣的條件平均每兩年多才會滿足一次，從而意味著一旦發生什麼事，比如像影片《火星救援》中那樣需要向火星上的宇航員提供額外補給時，後續飛船不是隨時能夠出發的。當然，若不惜多花費燃料，則條件可以放寬，但前提是要有更大推力的火箭。

一旦飛往火星的問題被解決，下一步就輪到建立基地了。這方面需要考慮的因素也不少，首先是能源。在影片《火星救援》中，能源主要是由太陽能板提供的，這與普通航天器的能源機制相同，也是相對來說比較現實的。但缺點也是有的，比如由於離太陽更遠，火星表面的光照遜於地球，一旦遭遇沙塵暴，光照還會劇降。更糟糕的是，火星由於引力較弱，且沒有植被和液態水，大氣中的浮塵遠不像地球上那樣容易「塵埃落定」，沙塵暴持續數周乃至數月都是不鮮見的，這對於太陽能發電來說意味著很大的不穩定性。

除去太陽能發電還有別的選項嗎？人們設想過一些，但也各有各的缺陷。比如核能發電不受環境影響，但除非能顯著小型化，否則起碼在建立早期基地時是完全不現實的。利用火星地熱也是一種可能性，火星因質量較小，核心不會像地球核心那麼熱，但畢竟是一個行星級的天體，核心毫無疑問仍是相當熱的。但這種「熱」是否能抵達地表附近被利用卻是很大的未知數，而且是不太樂觀的未知數，因為從目前的了解來看，顯示淺層地熱的諸如活火山那樣的東西在火星上可能已絕跡數百萬年了。雖然這不足以嚴格排除利用地熱的可能性，但除非事先得到探明，否則是不能依靠的。總體來說，可以確定的是：無論哪種能源，起碼在一開始都會是緊缺的，像影片《火星救援》那樣在無人外出時還開著基地外的探照燈是很奢侈的。

建立基地需要解決的另一個問題是密閉。

由於火星表面的氣壓只有地球表面氣壓的0.6%左右，且主要成分是二氧化碳（約佔95%），無論壓強還是成分對人類都是致命的，因此火星基地必須密閉且充有適合人類的空氣。

在影片《火星救援》中，火星基地內的氣壓被顯示為12.46PSI，約相當於地球表面氣壓的85%，或相當於地球上海拔1300m處的氣壓，無疑是相當舒適的。但在這種氣壓下，基地發生爆炸事故後主人公沃特尼（Mark Watney）用塑料布封閉基地就有點不對勁了，除非那貌似塑料布的東西每平方米能承受相當於地球上8.5噸物體的重量！實際上，考慮到在火星上維持空氣的不易，保持如此高的氣壓實在是舒適得太過奢侈了。在「火星學會」的設想中，火星基地內的氣壓大約有5PSI就夠了，這相當於地球上海拔8200m處的大氣壓。這當然是不夠舒適的——在高度上幾乎趕上珠穆朗瑪峰了（不過除氣壓相近外，其他方面——比如溫度要舒適得多，更不會有冰雪），但行星探索——起碼在早期本就是一種挑戰極限的行為，就像火箭發射時宇航員需要承受很大的加速度一樣，在居住上也很難把舒適當成追求。

說到火星大氣，還有一點可以補充，那就是它雖不能供我們呼吸，有一個作用卻不容小覷，那就是對來自太陽風乃至太陽耀斑的帶電粒子流產生一定的阻隔作用。因為火星大氣對這種粒子流的阻隔作用相當於厚度21cm以上的水，雖不能跟地球大氣相提並論，卻也並非無足輕重。不過另一方面，由於火星表面的大氣密度只有地球表面大氣密度的1.6%，因此成為氣流時蘊含的能量要小得多。具體地說，火星上的風速要達到地球上風速的8倍，才能在破壞力上趕上地球上的風，因此火星上的風或沙塵暴的破壞力比地球上的颶風差遠了。比如每小時100km在火星上算是比較高的風速了，破壞力卻僅相當於地球上介於「輕風」和「微風」之間的每小時12km的風，哪怕考慮到火星表面的引力較弱，從而由物體自重產生的抗風能力較弱，像《火星救援》片首那種恐怖的大風也是基本不可能的。

建立火星基地還有一個要素是水。

經過這麼多年「跟著水流走」的探測，這方面的情況可以說是比較明朗了：火星上的水基本處於冰凍狀態，但總量是巨大的，若全部融化的話，足可覆蓋整個火星十幾米甚至幾十米。從分佈上講，除極地有巨大冰帽外，火星土壤里也很可能含有質量比例為百分之幾的水，使基地的選址幾乎不受水資源約束。火星堪稱豐富的水資源，以及可阻隔部分輻射的大氣，使它被很多人視為了比月球更適合移民的星球，而這方面的興趣，也正是火星探測「跟著水流走」的另一個重要動機。

那麼氧氣呢——或者更一般地——如何維持包括氧氣在內的生命必需物質的循環呢？

這方面人們也作了考慮，主要的設想有兩類。一類是所謂的生物系統（biological system），即通過植物產生氧氣，以人或動物的排泄物為肥料或用微生物分解排泄物，等等。這實際上是地球生態系統的微縮，它的最大問題是可靠性不高，一旦生物循環失調，比如某個物種死亡，就可能造成嚴重後果。事實上，20世紀末科學家們在地球上嘗試過的所謂「生物圈二號」（Biosphere 2）計劃，就是設圖建立一個這樣的生物系統，結果失敗了。從規模上講，「生物圈二號」顯然要比初期的火星基地大得多，從而迴旋餘地也大得多，它的失敗表明在火星上採用同類系統的風險是很大的。另一類則是所謂的物理化學系統（physical-chemical system），它包括諸如以電解的方式從二氧化碳或水中獲取氧氣等手段。這種系統的好處是可控性及可預測性都很高——畢竟我們對物理化學的了解要比對生物的了解深入得多，從而起碼在初期應該是更可靠的。

雖然生物系統作為生命必需物質的循環缺乏可靠性，但若是長期逗留的話，作為一種輔助恐怕仍是需要的，起碼適當地種點莊稼可能是必不可少的，因為從地球往火星運東西畢竟太困難、成本也太高，宇航員必須學會點「自力更生」。這種「自力更生」從榮譽感的角度講也是有一定吸引力的，就像影片《火星救援》的主人公沃特尼所說的：「如果你能在一個星球上種莊稼，你就算正式完成了對它的殖民。」

那麼，火星上能種莊稼嗎？按「火星學會」的估計，答案是樂觀的。比如莊稼所需的礦物質在火星土壤里大都也有（雖然具體比例與地點有關），通過適當的選址，再以肥料的形式補充某些含量偏低的元素，在火星土壤里種莊稼從理論上講是不成問題的。而且莊稼對氣壓的要求比人類低得多，只需0.7PSI（約相當於地球表面氣壓的5%）就能存活。當然，你的「莊稼棚」若真的維持如此低的氣壓，則雖對棚子的強度要求可大大降低（因為內外氣壓差比較小），你自己每次進入卻必須穿上宇航服，是很不方便的。因此也不排除像影片《火星救援》中那樣採用與基地相同的氣壓，以方便進出。當然，理論無法代替實驗，這方面今後需要嘗試的工作之一，也許就是用無人探測器在火星土壤里真的種點東西，或將火星土壤帶回地球來做實驗。初次用火星土壤種出任何東西——哪怕在地球實驗室里都將是一個激動人心的成果。

一旦初步的火星基地取得成功，下一步也許就是「擴容」，相應地，開採礦產、冶鍊金屬等也將被提上議事日程，使火星基地越來越自給自足。再往後，則也許就輪到向火星移民了，而最終則不排除把火星「地球化」，包括改造它的大氣，通過適當的溫室效應提高它的表面溫度，等等。如此，則漸漸地火星將成為人類的星球，人類將成為火星人。

不過也別太樂觀了，這種前景除了要面對技術和資金上的諸多困難外，在政治上也絕非沒有反對意見。比如有些人就主張要保持火星的原生態，不能用地球生物來「污染」火星。跟持這種主張的人辯論當然不會有結果的——就像很多其他政治辯論不會有結果一樣。不過換個角度思考也許會不無助益：載人登陸火星、向火星移民乃至將火星「地球化」若成為事實，乃是宇宙中一個星球上的高等生命向另一個星球自發擴散的現象。若聯繫到「稀有地球假設」，認為高等生命在宇宙中也許是稀有的，或即便不像「稀有地球假設」所認為的那樣稀有，起碼要比低等生命稀有得多，則那樣的擴散也可視為是宇宙演化過程中的一個奇迹，遠比像火星那樣的行星珍稀得多，我們難道不該對這種更珍惜的奇迹給予更多的支持嗎？

關於火星我們就談到這裡。總之，火星是一個令人期待的行星，不僅是除地球以外人類最有可能棲居的行星，而且人類踏足火星的那一天有可能是我們這代人都看得見的，這是足令人翹首期待的。

作者簡介：

盧昌海 1971年出生，物理科普作家，軟體工程師。1991 - 1994年就讀於復旦物理系。1994被哥倫比亞大學物理系錄取，在《PhysicalReview Letters》《Physical Review D》等專業雜誌發表四篇論文，於2000年獲博士學位。之後改行從事計算機工作，並從事網站建設和科普文章撰寫。在《現代物理知識》發表八篇高級科普文章，另在《青年報》等多家報紙或雜誌發表過科普作品，在清華大學出版社出版科普專著《尋找太陽系的疆界》，對物理和天文方面的中文科普形成較大影響。

本文摘編自盧昌海著《經典行星的故事》（ 責編：楊 凱）第4章，內容有刪減。

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