第194章 太空殖民
本杰明・富兰克林曾说过，有耐心的人才能实现自己的愿望。而在探索太空这件事上，这意味着需要极大的耐心，但回报却是整个 ———— 银河系。科幻作品常常向我们展示高速的光速飞船，搭载着开拓者们，在短短几个月内就能抵达银河系另一端的新类地行星。我们也经常讨论超光速旅行可能并非可行之选，但我们仍然能够实现太空殖民，只是需要更长的时间，这就需要依靠世代飞船。这类飞船的速度可能达到光速的 10% 或 20%，抵达最近的恒星可能需要一两代人的时间，而要抵达一个更理想的候选恒星系统，或许需要好几代人的时间。
然而，尽管已知的物理学理论确实允许这类飞船存在，但它依赖于大量对问题的乐观解决方案，尤其是能否真正建造出一艘能以真正的相对论速度在太空中飞行且完好无损的飞船，这一点尚无定论。在本频道，我们通常想向大家传达的是，即便我们无法掌握科幻作品中随处可见的超光速技术，我们如今依然能够实现银河系殖民。今天，我们将更进一步，提出一个观点：即便我们的太空旅行速度连光速的 10% 都达不到，我们仍然可以通过 “慢船”实现银河系殖民 —— 我们将这种方式称为 “慢速殖民”。同时，我们还将探讨实现这种殖民方式可能采用的不同方法。
首先，我们需要探讨为何我们的旅行速度可能无法超过光速的 1%，甚至可能连 0.1% 都达不到。导致这种情况出现的原因有很多，既有客观存在的技术上限，也可能仅仅是因为建造大型殖民飞船面临的现实可行性问题。例如，相比建造一艘大型殖民飞船（也被称为 “慢船”），我们或许能够更快地向遥远的恒星系统发射探测器或侦察飞船，这其中涉及风险与成本两方面的考量。一艘搭载着十几名船员、质量为 100 吨的机器人探测器或侦察飞船，其成本和风险与一艘质量达 10 吉吨、设计可搭载 10 万人以及完整生态系统的圆柱形殖民飞船相比，简直是天差地别。要让这样一艘 “慢船” 加速和减速，所需的质量和燃料是前者的 1 亿倍。而且，一旦发生意外，“慢船” 上丧生的是众多家庭和一个完整的社群，而不是几名明知风险却依然勇敢前行的探险家，更不是一台毫无感知的计算机。
即便不考虑火箭方程（速度提升所带来的成本代价会因火箭方程而变得更加高昂 —— 速度提高 10 倍，所需的能量或燃料就会增加 10 的平方，即 100 倍；速度提高 100 倍，所需燃料则会增加 100 的平方，即 10000 倍），我们也有充分的理由认为，这并不会对殖民飞船构成真正的限制，因为人们通常认为飞船所需的燃料要么是储量极其丰富的氢，要么是氘。
但这一前提是我们已经掌握了可控核聚变技术，至少是氘 - 氘聚变技术，并且能够将其小型化，应用于宇宙飞船。然而，我们目前尚未实现可商业化的核聚变，甚至有可能永远无法实现。更重要的是，核聚变反应产生的能量需要转化为飞船尾部的推力，而飞船是由实际的材料制成的，这些材料无法承受高温而不熔化，因此飞船的最高速度可能会低于质量 - 能量转换或核聚变理论所暗示的速度。
我曾听到有人质疑，利用核聚变反应，我们能否实现超过 50 千米 / 秒的排气速度？要知道，这一速度还不到质量 - 能量转换率理论上应能达到的速度的百分之一。虽然我认为我们完全有能力实现更高的排气速度，但从现实角度来看，如果 50 千米 / 秒就是速度上限，那么通过推力本身所能达到的飞船最高速度大概也就是排气速度的三倍，即 150 千米 / 秒。不过，这一速度比 “帕克” 太阳探测器在向太阳飞行过程中借助引力助推所达到的速度还要略慢一些。所以，不要把 150 千米 / 秒看作是某种超级科幻的速度，它虽然很快，但光速是它的 2000 倍。接下来，我们要讨论的飞船速度范围就在这个水平，最高能达到这个速度的 20 倍，即光速的 1%。为了让大家有更直观的概念，300 千米 / 秒相当于光速的 0.1%，3000 千米 / 秒则相当于光速的 1%。我们通常会将千米 / 秒缩写为 km/s。
从比例角度来看，我并不担心无法达到 0.1% 光速（即 300 千米 / 秒）。这个速度限制更多是基于假设得出的 —— 或许我们会发现工程环境过于恶劣，无法建造出速度更快的飞船；又或者可能会出现一些意想不到的限制因素。此外，我们有很多提高速度的技巧，比如借助行星或恒星进行引力弹弓加速、用激光加速飞船并利用燃料减速，甚至在接近目的地时使用太阳帆 —— 在目的地附近安装相关设备，让太阳帆完成最终的减速，使飞船在目标恒星系统周围停泊。
不过，在速度显著提高的情况下，这些技巧中的很多效果都会大打折扣。以经典的太阳帆为例，利用太阳帆为飞船减速，关键在于恒星对太阳帆施加的能量以及这种能量能够持续的时间。如果飞船飞行速度过快，那么恒星对太阳帆施加能量的时间就会缩短。另一方面，飞船速度越快，星际气体和尘埃颗粒与太阳帆发生碰撞产生的能量就会大幅增加，由此产生的阻力功率会随着速度的立方而增长。
因此，一艘飞船可能会在离开恒星系统时，利用激光推动太阳帆加速；在进入太空后，依靠核引擎继续飞行；在接近目标恒星系统时，再次利用太阳帆，借助与气体颗粒的碰撞来减速，最后再让太阳帆或磁帆完成最终的减速操作，使飞船在目的地周围停泊。
目前，人们普遍认为我们至少能够达到 0.1% 光速（即 300 千米 / 秒）的速度，所以今天我们就以这个速度作为案例之一来展开讨论。
然而，对于能否达到 1% 以上的光速，人们仍存在较多争议，这在很大程度上是因为随着速度的增加，气体和尘埃碰撞产生的能量会随着速度的立方而增长。要知道，物体的动能会随着速度的平方而增加，而在飞行过程中，飞船与太空物质碰撞的频率也会随着速度的增加而提高。因此，如果飞船速度提高 10 倍，那么它与太空物质的碰撞频率会增加 10 倍，每次碰撞产生的能量会增加 10 的平方，即 100 倍，总的碰撞能量功率就会增加 10 的立方，即 1000 倍。
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