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纳米时代的太空旅行

文/赵洋

太空船：小即是美

虽然进入太空的航天器越来越多，但设计这些飞船或卫星所采用的思路却大同小异，因此，工程师们一直没有停止在新型飞船领域的探索。未来的太空交通工具与传统的火箭推进式太空飞行器将有很大不同，它们看上去可能更像是昆虫或乒乓球，可以一次性发射一支微型飞船部队，不仅能分头执行任务，还能独自做出决定。

卫星的微型化

受运载能力及技术水平的限制，最早的人造卫星都不大，质量只有几十千克。20世纪70年代末，由于大推力运载火箭的研制成功和卫星设计与制造能力的提高，大型多功能卫星开始出现，卫星体积不断增大，功能也越来越复杂。随之而来的是成本不断攀升，风险逐渐增加，如一颗侦察卫星的造价可达10亿美元以上，一旦发射失败就会造成严重损失。为此，航天界将目光重新投向了小卫星。

由于微电子技术的进步，新一代的小卫星采用了许多小型高性能电子部件，这让它们具备了大型卫星才有的功能，同时可以继续向微型化发展。如新型的数据传送微型卫星可以采用太阳能电池覆盖整个表面，在阳光直射时可获得8瓦的功率，从而解决动力问题，减轻体重。如果能够把所有的电子器件都集成在一块直径0.1米的圆形硅片上，那么卫星主板就可以省略了。

在电子系统中应用高密度组装技术，采用镁或复合材料代替铝，可使一颗业余无线电爱好者微型卫星的质量从以前的10千克减至5千克，而且功能不受影响。

通常意义上的小卫星重10千克～500千克，微型卫星的重量比小卫星低了一个数量级，约重0.1千克～10千克。但这两种卫星的设计思想都没有脱离传统卫星一体式结构的套路，即自身具有某种完整的实用功能。在现有的技术条件下，若想使一体式卫星进一步减重，需要对设计思想进行根本性变革，用一种前所未有的方式来设计卫星，比如采用分散的星座式结构。基于这种思路，美国宇航公司于1993年首次提出了纳米卫星的概念。

纳米卫星

纳米卫星是以微型机电一体化系统（MEMS，简称微机械）技术和由数个MEMS组成的专用集成微型仪器（ASIM）为基础的一种全新概念的卫星，重量可降到0.1千克以下。

借助于MEMS技术和ASIM技术，常规卫星上的很多部件，如气相层析仪、激光光纤陀螺、固体图像传感器、微波发射机以及电动机等有可能做得很小，并集成在半导体芯片上。一块由电池供电的微型芯片就可以达到一台仪器的功效，且不必再使用如太阳能电池阵等小型电源，从而大大减轻部件的质量。

将这些微小的卫星基本组成部分或分系统在太空中的不同轨道上以一定方式分布排列组合，通过遥测遥控的方法把它们互相连接起来，形成有内在紧密联系的“星座”，微型卫星拥有常规卫星的完整功能将不再是奢望。

越小越快

庞大的粒子加速器正在探索微观世界，类似的技术或许有一天可以使缝衣针大小的飞船进行远距离飞行，甚至是在恒星系间来往穿梭。通过研究纳米推进器（作用相当于便携式粒子加速器），或许可以在我们的有生之年把微型飞船的速度加速到接近光速，并用它们探索附近的恒星。

从20世纪50年代开始，人类就发射了大量的无人飞船探索我们的太阳系，太阳、每一颗行星、众多的卫星、小行星以及彗星周围都留下了探测器的痕迹。最近，尽管有火星车在火星这颗红色行星上艰难跋涉，人造卫星围绕地球、月球、火星、金星和土星轨道进行科学研究，但是，仅有为数不多的几个探测器走出了我们的太阳系，慢吞吞地飞往更加遥远的区域。例如，“旅行者”号探测器的运行速度大约是每小时65000千米，仅相当于光速的0.00006%。

根据牛顿第二运动定律F=ma，在受力相同的情况下，物体的质量越小，加速度越大。人类释放的无人飞船也许应该换个思路，不再贪大求全，而是朝小型化方向发展。如此一来，使用同样的能量，就可以飞得更远。

进行恒星际探索的办法是利用可以达到极高速度的微型飞船，也就是纳米飞船。粒子加速器中的质子之所以能达到接近光速的速度，是因为它们非常小，而且非常轻。同理，非常小的无人太空探测器也将非常轻，可以达到接近光速的速度，可以进行星际空间探索。目前，密歇根大学的研究人员正在制造纳米发动机，相信不久的将来，这种发动机有望掀起一场迷你飞船的新潮流。

密歇根大学的布莱恩·吉尔斯特和他的同事们正在研发一种利用纳米粒子作为推进材料的发动机，它大部分都是采用MEMS技术，直接雕刻在极薄的硅片上。这种纳米发动机的厚度不超过1厘米，拥有好几万个加速器，可以安装在一块跟邮票差不多大的地方。这些“粘贴”上的推进器可以给微型飞船提供能量，让它们飞到很远的地方。这种发动机被称作“纳米粒子场提取推进器”。微型推进器的工作原理跟庞大的粒子加速器的迷你版非常类似。这种装置利用堆叠在一起的很多微米厚度的“门”，在导电层和绝缘层之间交替运行，产生电场。这些尺寸小、强度高的电场给一个导电纳米粒子团充电，为这些粒子加速，把它们发射到太空，生成快速运行的粒子流。

吉尔斯特说：“在这种情况下，粒子加速器利用电场给带电粒子加速，这正是我们目前在进行的工作。”由于太空中没有摩擦力，微型飞船经过一次加速，就可以在数年里继续加速，最终达到接近光速的速度，携带着科学仪器飞往其他恒星。然而，这种纳米粒子推进器暂时还将继续待在我们的太阳系里。

自我复制的飞船

冯·诺依曼机

一旦纳米飞船进入恒星际空间，从地球上把指令传到纳米飞船上可能需要很长时间，所以纳米飞船必须具有充分的自主权和自我修理能力。它应该由一台高智能的计算机控制和管理。具有自我修理功能和自主判断力的机器，实质上几乎已经具备了自我复制能力。对这样的机器而言，只要有正确的指令，它们就能制造出任何东西。美国物理学家弗兰克·提普勒把此类装置称作“冯·诺伊曼探测器”，以纪念最先研究和分析这类机器的著名美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼。冯·诺伊曼在《自复制自动机理论》一书中，通过构造数学模型证明了可以建造一台相当复杂的机器，该机器能够进行精确的自我复制。

冯·诺伊曼探测器一旦抵达其他恒星的行星系统，可以立即就地取材复制一批自己的“拷贝”，并将其送往别的星球。这样，一代又一代的冯·诺伊曼探测器最终会遍及银河系中的每一个行星系统，它们将把探测器获得的信息发送给发射第一台探测器的地球。如果在某一个行星系统中发现了当地的“土著”文明，冯·诺伊曼探测器就会想方设法与他们接触；如果找不到智慧生命，它们也会把当地的自然情况报告回去。

人工智能与生物技术的结合，可能会构成一个理想的冯·诺依曼探测器。从某种意义上说，这种先进的探测器类似生物体，它具有生物体所有的功能：能够自我修复，在遥远卫星的冰冻表面上寻找“食物”，同时生产出几千台小探测器以继续开发星系；它的人工智力很高，可以执行基本的任务，并能总揽全局独立做出决定。它还有“感情”，在避开危险之前，能感觉到“疼痛”；在遥远的卫星上补足能量后能感觉到“舒服”；在看到后代时，能体验到“做母亲的愉悦”；在完成基本任务后，会觉得高兴并有一种成就感。这些功能都有助于在太空中执行任务。

向其他恒星系移民

银河系中有上千亿颗恒星，有的拥有类似地球的行星，有的则没有。向其他恒星系移民最简单的办法，是向太空中发送大量冯·诺依曼探测器，这些微型机器人探测器将在遥远恒星系的卫星上着陆，并建造能自我复制的机器人工厂。利用从大气和土壤中提取的化学物质，机器人工厂可以生产出几千个复制品，它们将飞往深层太空去搜寻更多的恒星系。这个过程可以无限重复，每重复一次，产生的新探测器数目将是冯·诺依曼探测器原有数量的几千倍。通过这种方法，有可能在最短的时间内分析完数百万个恒星系。

利用核火箭或者激光帆跨越两颗恒星之间的平均距离，大概需要50年。核火箭或者激光帆可以携带大量的冯·诺伊曼探测器。如果这些探测器进行一次自我复制要花50年的时间，那么一台冯·诺伊曼探测器的子孙后裔充斥整个银河系所需的时间大约是100万年，这要比银河系本身的年龄100亿年短得多，甚至也比地球的年龄46亿年短得多。最妙的是，这期间完全可以“撒手不管”，任探测器自生自灭。

如果用反物质火箭以0.5倍光速发射这些探测器，那么就可以等待感兴趣的恒星系的信号源源不断而来。在1000年的时间里，冯·诺依曼探测器可以将500光年以内的所有恒星系星图绘制出来。在10万年里，冯·诺依曼探测器可以将银河系中正好一半的恒星开采完毕。这种探测效率远远高于目前采用的单一探测器。

用这种看似缓慢实则稳妥可靠的办法，人类能有条不紊地探索完整个银河系，进而向银河系外进军。

纳米机器蚕食宇宙

扫除纳米灰雾

不过，自我复制的纳米技术一旦失控，带来的灾难比机器人的失控还要可怕。在科幻片《特种部队：眼镜蛇的崛起》中，恐怖分子在巴黎发射了装满微型纳米机器人的导弹，只见爆炸产生的迷雾转瞬间吞噬了房屋、汽车，路人亦不能幸免……要不是特种部队及时发射无线电指令关闭数以亿计的纳米机器人，埃菲尔铁塔都要成为纳米机器人的食物。同样的情节在《地球停转之日》等科幻片中也都出现过。自复制机器席卷一切物质复制自身，所到之处遍布它们的克隆体，科幻小说《蟹岛惊魂》也讲述了类似的故事。

纳米技术的灵感来自于美国物理学家理查德·费因曼1959年所做的一次题为《在底部还有很大的空间》的演讲。这位当时在加州理工学院任教的科学家向同事们提出了一个新的想法：自石器时代开始，人类从磨尖箭头到用激光雕刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费因曼反问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以满足我们对制成品的需要呢？比如可以把数百万个微型机器放入人体的血液中，让它们攻击癌细胞，或者利用小型手术刀抗击艾滋病毒，也可以用一群小型清洁机器人吃掉河流中的污染物，还可以开发出微型工业机器人，在短时间内用无数个分子制造出我们希望得到的物品。然而，现在面临的最大问题是，如何制造出数万亿个这种小型机器人——方法很简单，只要教会它们如何利用环境中的物质像细胞一样复制自己。

纳米技术之父埃里克·德雷克斯勒在提出上述美好的假设后，想象力及时刹车，提出了一个令人毛骨悚然的有关世界末日的假说——纳米机器人或许更像微型终结者，它们比大自然的创造物更加先进，会在一夜之间彻底打败有机生命，遵循进化论的规则消灭所有有机生命。

《侏罗纪公园》的作者迈克尔·克莱顿曾写过一部名为《猎物》的科幻小说，在这个故事中，一群逃出实验室的纳米机器人迅速进行智能进化，并按照“捕食猎物”程序运行。失去控制后，它们变成了现实世界中的可怕掠食者。纳米集群不仅在行动上像个掠食者，而且不断地自复制，开始追逐沙漠中的动物，甚至对人也绝不放过。

这就是众所周知的“纳米灰雾”问题。这个问题指的是，纳米机器人的自我复制开始失控，最后世界上幸存下来的只有无数的纳米微型机器人。科学家想象，这些机器人看起来就像一片飘浮在空中的灰雾。

如何避免这个惨淡的结局呢？最好的办法是绝不给它们植入“复制”自身的程序。再者就是给这种危险的类生命体装上统一的死亡开关，当其数量达到某个阈值或接到指令后，就会停止繁殖，以此保证它们在收到“关闭”指令时，能够停止吞噬周围物质的破坏行为。不过，这并不能保证恐怖分子造出一批纳米机器人进行要挟，也无法保证它们在复制过程中偶然的程序失灵，或者无线电指令发射器干脆也被它们吃掉。如果上述情况发生，人们只能祈祷了。因为整个地球都会变成一坨纳米机器人，它们在太阳风的吹拂下会自由自在地飘到火星、木星……吞噬掉所有太阳系的物质后，它们还会向银河系深处蔓延。在这种情境下，就连科技发达的外星人都要恨恨地想，为何会有不知死活的家伙要发明这种可怕的东西？

伦理问题

即使解决了纳米机器人的失控问题，还有伦理问题横亘在纳米飞船的前进道路上。自我复制飞船进入外星系后，将“采集”这个星系的物质与能量供自身运转和自我复制使用。生于行星地球的人类有权支配其他恒星和地外行星的资源吗？自我复制飞船上的生命探测仪能否准确分辨这个地外行星是否有智慧生命存在？使用目的地的资源，是否会对当地造成环境破坏与污染，以致影响其生命进化的轨迹？

换位思考，如果与碳基生命完全不同的“外星人”发射的自我复制飞船到达地球，没能识别地球是一颗生机勃勃的行星，径自开始强拆地球，人类将作何感想？可见，有效率的东西看起来美好，却未必是善的。或许，只有开发出一种适用于纳米飞船的“机器人三定律”，并将保证智慧生命及其居所的安全作为最高定律，人类才能放心地把纳米飞船像蒲公英种子一般撒入太空。

【责任编辑：杨枫】