星海航纪

核动力火箭

2015-10-03T00:00:00+00:00

在人类历史上，最完整的核动力火箭设计是始于 1958 年的猎户座计划。 Ted Taylor 和 Freeman Dyson 两个人带领的这个计划不仅仅在理论上设计了完整的核动力推进火箭，而且用普通炸弹进行了实际的实验。Carl Sagan 在一次 C-SPAN 的一次 Congressional Clearinghouse on the Future 上提到，虽然有一些副作用，但是这或许是一个很好的处理掉核弹的方法。¹ 猎户座计划曾经给很多人带来了很多希望，人们希望可以去遥远的太阳系的尽头，将武器变为人类探索太空的工具。然而这样一个计划还没有实施就胎死腹中。

飞向太空

Nikolai Kibalchich 是一个传奇的人物，二十四岁的他因为把一本禁书借给别人，被判监禁两个月，然而在这个正式审判之前，他已经在监狱里面待了三年了。从监狱出来之后，他加入了当时的民意党，成为了他们的首席“爆破专家”。然而他的人生依然是继续的悲剧，没过几年就因刺杀亚历山大二世被抓入监狱，等待绞刑。然而临刑前，他在监狱写下了使用炸药作为动力的火箭引擎推进载人飞船的研究，希望得到其它科学家的回复，因此这份研究被送到了警察局。² 一个月之后，在这个 1881 年美丽的春天，Nikolai 被执行绞刑。Nikolai 一直没有得到其它科学家的回复，因为当时的警察局将他的这份伟大的发明搁置一旁，直到 1917 年被 Nikolai Rynin 重新发现这份研究，并且发表了出来。

月球上有一个以 Nikolai Kibalchich 名字命名的陨石坑，位于 3.0° N 146.5° W 也就是月球背面。来自 Google Earth Pro.

Nikolai Kibalchich 死后十年，德国工程师 Hermann Ganswindt 重新发现了类似的点子。之后，也就是二十世纪初期，包括 Tsiolkovsky 和 Goddard 在内的多人建立起了火箭理论。

Goddard 和他的液体火箭实验。来自维基百科：File:Goddard and Rocket.jpg。

核武器

原子弹在二战结束前被发明，而在二战结束后迅速发展。二十世纪五十年代，核武器实验给人们健康带来的威胁开始进入大众的视野，和平利用核能的提议也相继出现。

美国和苏联/俄罗斯的核弹头数量历史。来自维基百科：File:US and USSR nuclear stockpiles.svg。

早在曼哈顿计划晚期，Ulam 就开始讨论除了武器之外的核能的应用。1958 年 Stanislaw Ulam 和 Frederick Reines 在一篇报告中讨论了一些可能的核动力火箭技术。 ³

Longmier 和 Ulam 的核推进示意图。来自 Longmier, C.; F. Reines; S. Ulam (August 1958). ”Some Schemes for Nuclear Propulsion“。

Reines 的核裂变发动机示意图。来自 Longmier, C.; F. Reines; S. Ulam (August 1958). ”Some Schemes for Nuclear Propulsion“。

在这篇报告中，共有两个不同类型的方案被提出来了。

Longmier 和 Ulam 讨论了利用核弹爆炸脉冲作为推力。
Reines 讨论了混合 $U^{235}$ 和重水混合作为推进的方案。裂变燃料和重水混合在一起，核裂变加热重水变成气体，然后产生推力。在报告中 Reines 同时讨论了这个方案中多级加热可以提高燃料效率。

Project Orion 就是一个研究核弹脉冲作为火箭推力的一个完整方案。Project Orion 不仅进行了理论的研究，而且用炸药实际做过实验。⁴

之后人们设计了很多核裂变和核聚变火箭，这些核动力火箭一直激励着人类，飞向星空。

Project Orion

Project Orion 艺术图。来自 Orion: In Flight by William-Black。

Project Orion 是第一个完整的核动力推进设计，然而由于后来的禁止核试验条约以及外层空间条约禁止部分核试验并且禁止核武器进入太空，所以 Project Orion 最后还是死在了初步实验阶段。

这里的推进的基本原理，与现在普通的化学火箭没有什么差异，都是将工质高速喷出，产生推力，工质喷出的速度越高，发动机的效率就越高，从而就越节省燃料。火箭节省燃料这个问题上带来的效应是非常巨大的，因为火箭主要的质量是由燃料构成的，也就是说，我们的燃料有很大一部分浪费在运送燃料上，我们只需要将燃料的利用效率提高一点点，火箭的质量可以大大减轻。

这类火箭的效率主要取决于工质喷出的速度，对于化学火箭来说，工质喷出是依赖于气体的合成和受热膨胀的，也就是说，化学火箭的效率的瓶颈在于气体的温度。从理论上来讲，工质的温度有两个上限，一个是化学反应的放热效率，另一个是用来制造发动机的材料，温度太高火箭发动机材料会熔化。

Project Orion 是一个利用核弹爆炸来产生推力的方案，显然我们没有办法做一个燃烧仓把核弹限制在里面爆炸，解决方案就是使用外部爆炸。

Project Orion 的推进示意图。核弹在飞船后方引爆。来自 Project Rho。

然而核爆炸产生的推力是非常大的，如果直接让这个力施加在载人舱段，加速度太大，人是没法承受的。因此 Freeman Dyson 等人一起设计了一些缓冲装置，除了非常最底层紧挨着推进板（pusher plate）的第一级缓冲，还有位于推进板和核弹释放装置之间的主要缓冲装置。

Project Orion 其中一个设计的草图。来自 ”Nuclear Pulse Space Vehicle Study“。

这里引爆的核弹并不是一个单纯的核弹，而是经过特殊设计的推进单元。每个单元上方有钨制作的推进剂，核弹爆炸的时候，这些钨制作的推进剂会被气化，然后碰撞推进板（pusher plate），从而产生推力。

Project Orion 的推进单元。一开始的设计中，这些特殊设计的小型核弹有 0.6 米高，重量是 79 千克。来自 Project Rho。

储存核弹的弹夹是咨询了可口可乐公司的。因为当时大家想到把核弹有控制地释放出来，跟可口可乐的自动贩售机很相似。核弹通过核弹输送系统从弹夹送到释放区域。

Project Orion 的核弹弹夹。来自 Project Rho。

核弹从尖嘴部分释放出来，一路经过厚厚的一级震波吸收板(shock absorption)和推进板（pusher plate），从吸收板和推进板的孔中经过，到达火箭后方，然后引爆，核爆炸为火箭提供推力。

Project Orion 发动机原理。核弹从中间的管道被释放出来，经过下面吸收板和推进板中间的孔，到达飞船的后方，然后引爆。来自 Project Rho。

Kerbal Space Program 里面的 Project Orion Mod 的装核弹的弹夹。来自 Project Rho。

Project Orion 中，飞船的设计除了上面的推进系统，还包括了载人舱段。由于这种推进方式的效率很高，是普通化学火箭的十几到几十倍，这样我们甚至可以把十几米直径的载人飞船轻松送到火星。携带同样质量的燃料的情况下，由于火箭的速度是跟发动机的效率是正比的，这就以为着，我们同样质量的燃料，可以帮助我们获得普通化学火箭的十几到几十倍的速度。

General Atomic 设计的载人飞船。来自 Project Rho。

在游戏 Kerbal Space Program 中，有一些 Project Orion 的模拟，例如 cerebrate 制作了一个这样的 mod，

USAF10MeterOrionEngine4.zip by Winchell Chung on Sketchfab

关于火箭的效率

我们多次提到火箭的效率，这个效率到底说得是什么呢？这一小节会使用一些简单的公式来诠释这个概念。在讨论火箭问题的时候，有两个很重要的概念经常被提及，一个是 Delta v，一个是 Isp。其中 Isp 就是用来表示我们所提到的火箭效率的参数。

我们将使用非常简单的公式，结论将是如此明显。来自 Project Rho。

Delta v 的概念飞船简单，就是指的速度的大小的变化量。例如我们说，从一条轨道到另一条轨道，我们需要产生 100 m/s 的 Delta v，意思就是说，火箭发动机需要让火箭本身的速度改变 100 m/s。这样一个概念显然跟所处的环境有关，例如在大气层中，火箭会受到大气层的影响，同样的燃料只能产生更少的 Delta v，而且在引力大的环境中，产生相同的 Delta v 也需要不同的燃料。

Delta v 是个很好用的概念，是因为我们通常讨论变轨的时候，飞船在不同的轨道上停靠的速度是不同的，而且这个是很容易计算的，因此我们很清楚我们需要多少 Delta v 来实现变轨。

一个比较好的例子是火箭从半径 $R_1$ 的轨道转移到半径 $R_2$ 的轨道。按照牛顿运动定律，我们可以计算速度和半径之间的关系， $\frac{G M}{r} = v^2,$ 其中 $M$ 是中心天体的质量，$G$ 是牛顿引力常数，$r$ 是轨道半径，$v$ 是火箭速度。也就是说，如果我们想要实现变轨，需要的 Delta v 是 $\Delta v = \sqrt{ G M } \left( \sqrt{\frac{1}{R_2}} - \sqrt{\frac{1}{R_1}} \right).$

第二个概念 Isp 就跟我们如何产生 Delta v 有关。如果想要更好地理解这个概念，我们需要仔细看一下火箭方程。

火箭方程其实就是动量守恒的结果，不过与我们通常计算的情况不同，火箭方程是变质量的动量定理。我们可以直接通过把动量的概念代入牛顿第二定律获得结果，也可以通过拆开分析火箭工质喷出和火箭本身来推导。

火箭方程的推导。$u$ 是火箭的速度，$u_e$ 是工质喷出的速度，$m g$ 是火箭受到的引力。来自 The Rocket Equation。

通过推导，我们可以得到火箭方程，

\[du = - \frac{u_e dm(t)}{m(t)} - \frac{D}{m_v} dt - g\cos\theta dt,\]

其中 $D$ 是火箭受到的阻力。为了理解这个方程，我们考虑简单的，情况，就是火箭垂直发射，没有空气阻力的情况，

\[du = - \frac{u_e dm(t)}{m(t)} - g dt.\]

这个方程可以通过一步积分接出来，得到任意时刻火箭的速度，

\[u(t) = - u_e \ln\left( \frac{m(t)}{m(0)} \right) - g t.\]

为了方便，我们会定义一个量 $\mathrm{Isp}\cdot g = u_e$，方程就重新写成了

\[u(t) = g \left( \mathrm{Isp} \ln \left( \frac{m(0)}{m(t)} \right) - t \right).\]

所以说，Isp 其实就是火箭在真空中的速度极限（等于工质的喷出速度）除以地球上的重力加速度。从这个 $\ln$ 关系可以发现，火箭的初始质量跟 Isp 是指数相关的，非常敏感。

Project Orion 中的飞船设计的 Isp 一般在 3000-6000 之间，而一般的液体火箭的 Isp 在 400-500 之间。这样巨大的差异意味着巨大的速度差异。

Project Daedalus

Project Daedalus 与帝国大厦的比较。来自 Project Daedalus Scales。

Project Daedalus 设计的初衷是想证明在当时的已知科技的框架下，恒星际旅行是可行的。这个设计在 1973 到 1978 年之间进行，由 British Interplanetary Society 的 11 名科学家设计，最终结果是一个重达 54000 吨的庞然大物，要比帝国大厦要大的多，而且其中有 50000 吨是燃料。

设计的发动机是基于核聚变的，最初的设计是使用核脉冲发动机，与 Project Orion 相似，不过他们采用了核聚变作为能源，也就是通过点燃氢弹来推进。后来 F. Weinberg 提出的使用高能质子束引发的核聚变 ⁵ ，以及后来的激光核聚变等等。总之，Project Daedalus 使用了当时所能了解到的最高效的能源：核聚变。

使用高能质子束来引发核聚变。高能质子束的能量在 GeV 量级，轰击在中间的氘棒上（图中 D）。来自 arXiv:0812.0397。

飞船要求在地球附近轨道上建成，发动机可以将飞船速度从提升到光速的 16%。这样在人类的寿命之内，飞船可以到达其它的恒星系。

Project Medusa

Project Medusa 的原理。飞船向前释放一颗核弹，核弹在靠近船帆的地方爆炸，能量用来推动飞船前进。来自 File:MedusaNuclearPropulsionOperatingSequenceDrawing.png。

Project Medusa 是二十世纪九十年代由 Johndale C. Solem 设计的一个核动力飞船⁶。

Johndale Solem 在 LANL 的一篇报告中⁷解释了 Project Orion 的一些问题：

Project Orion 的推进板（飞船尾部用来接受爆炸能量的板）无法设计成很大面积，因为这是向前推进，如果面积很大，对材料结构要求很大。
Project Orion 的减震系统很复杂，而且只要还需要使用核动力推进，这套复杂沉重的减震系统就需要一直的飞船上，这是对核弹能量的一种浪费。
由于飞船的载人舱和核弹爆炸距离不是很远，核弹的辐射对于宇航员的健康的影响比较大。

为了解决这些问题，Johndale Solem 设计了 Project Medusa，使用飞船前方巨大的船帆来代替原来飞船尾部的推进板。这样巨大的船帆来收集爆炸产生的能量效率要远远高于原来比较小的推进板，而且船帆拉住飞船船体的设计，对材料的要求要低一些，加上拉住船帆的长索飞船长，核弹爆炸距离载人舱要比 Project Orion 的设计里面远得多，这样飞船要比 Project Orion 的效率更高，也更安全。

Project Medusa 飞行的时候就像海中一个巨大的乌贼一样。完整视频在我们的 Bilibili:av3157254。来自 The Medusa - An advanced nuclear pulse spacecraft。

Johndale Solem 对 Isp 估算的结果，如果使用 25 吨当量的炸弹，$Isp \sim 4.25\times 10^3 \mathrm{s}$。这个量级与 Project Orion 相差不大，然而整体设计却比 Project Orion 要简单地多。至于船帆的材料，Johndale Solem 建议使用高强度聚乙烯，因为密度小强度大。这样我们可以做 500 米直径的船帆⁷，这样船帆的质量在 10 吨的量级，作为对照，阿波罗登月舱的质量大约是 15 吨。

尚未终结的设想

我们对于航行于太空的设想，依然在继续。核能是人类所能控制的能量密度最大的能源，也最有可能成为人类成为太空文明的一个重要阶梯。

MSNW 公司的设计。先向引擎注入一团磁约束等离子体，然后一直移动到引擎狭窄的喷嘴，核聚变被触发，从而产生动力。2011 年，MSNW 公司拿到了 NASA 对于他们的核聚变火箭设计的资助，他们的设计是使用磁约束的等离子体核聚变来产生推力。还有更多文章更多的设计在探讨可控核聚变作为引擎的可能性。来自 Nuclear Propulsion through Direct Conversion of Fusion Energy: The Fusion Driven Rocket, Phase I Final Report。

参考和尾注

关于 Carl Sagan 这段话的视频记录 ↩
Nikolai Kibalchich @ Wikipedia ↩
Longmier, C.; F. Reines; S. Ulam (August 1958). “Some Schemes for Nuclear Propulsion”. LANL report LAMS-2186. ↩
Project Rover 和 Project Orion 都是核动力飞机和火箭的项目。Project Rover 并入了后来的 NERVA 计划，但是 1972 年被终止了。 ↩
arXiv:0812.0397 ↩
Johndale Solem 在 1993 年发表了一篇关于 Medusa 的文章：Solem, J. C., Medusa: Nuclear Explosive Propulsion for Interplanetary Travel, Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 46, pp. 21-26,1993. ↩
Some New Ideas for Nuclear Explosive Spacecraft Propulsion ↩ ↩²

宇宙中最快的飞船

2015-07-17T00:00:00+00:00

宇宙中最快的飞船。来自FASTEST SHIP IN THE UNIVERSE: HOW SCI-FI SHIPS STACK UP | FatWallet。

殖民行星和气态行星的卫星之间的差异

2015-07-17T00:00:00+00:00

太阳系内的一些候选和他们的关键词：

火星
木星卫星：需要大量的燃料进出行星系统
1. Europa：强烈的来自木星磁层的有害辐射，几乎无大气，冰层下可能有海洋，表面 −170 °C 很冷（冰层之下温度会高），表面引力 0.134g，可能的原著民微生物，Artemis Project
2. Ganymede：太阳系已知最大的卫星，有磁层（然并卵），几乎无大气，表面冰层，下有海洋，表面引力 0.146g
3. Callisto：相比于上面两个辐射更低，几乎无大气，表面冰层，表面引力0.126g
土星卫星：需要大量的燃料进出行星系统
1. Titan：很多跟地球相似的地方，最重要的是有陆地而且有 1.41 个大气压（目前发现的太阳系中唯一一个有显著大气的卫星），表面引力 0.14 g
2. Enceladus：液态水，有大气，表面引力 0.0113g

整体而言，在木星土星周围相比于火星最大的问题就是进出需要消耗大量的燃料。 关于这个问题可以看看下面的这个 DeltaV 比较，图标中 Intercept 是从地球发射过去之后被引力捕获所需要的 DeltaV，LO 指的是进入 low orbit 需要的 DeltaV，On 是降落在天体表面所需的 DeltaV。

从地球出发到其它星球的 DeltaV。土星木星卫星所需要的 DeltaV 非常多。关于更多的太阳系 DeltaV 信息（包括一份地图）请参考：太阳系 Delta V Map · Issue #70 · InterImm/InterImmBook · GitHub.

大量的燃料消耗可能使得殖民这些卫星显得不那么实惠，不过由于这些外太阳系的天体上总体来说有些我们稀缺的资源，是否值得殖民，需要权衡得失。

另外，土卫六——泰坦具有厚重的大气，这是卫星系统里面相对于火星有优势的一点，而且比金星的大气状况要好得多。下面会详细说。

木星土星系统的另外一个优势是，有大量的可以用于核聚变的氘氚，被祖布林（火星直击计划的提出者）称为太阳系的“波斯湾”。而火星就没有这样的优势。

其它的一些对比

由于卫星所接收到的 planetshine 很强烈，所以卫星在背对太阳的一侧可能会接收到很多的来自行星的反射光。这样夜间就不是那么黑暗了。（不利于天文观测……）这点有没有优势取决于我们的技术能发把这些微弱的光利用起来。
卫星系统有节奏复杂的昼夜，不利于人类的节律的维持，节律混乱对于人类来说会导致很多问题。
磁场，这个在后面专门说一下。
卫星上面由于行星的存在，形成的长期的“日食”，以及夜晚 planetshine 提供给卫星能量，这回导致更加复杂的气候，即便地球化之后，气候模型也会复杂些，长期预报什么的可能不容易。然而这些都是不那么重要的讨论话题了。

大气层

上面提到了大气层的差异，下面这张图展示了不同的星球的大气层状况。

各大行星以及泰坦和冥王星的大气压和成分。图作者和协议见图右下角，原作者不允许翻译，因此保留英文。

火星上的大气层很薄弱，平均只有 0.006 个大气压，也就是说几乎没有。而泰坦的却有 1.45 个大气压，这是卫星里面相比于其它的卫星非常有优势的一点。加上土星系统有丰富的可用于核聚变的氢的同位素。

辐射问题

木星土星系统的卫星由于这些气态行星强烈的磁层活动会有很强烈的辐射。而在火星上，每天只有大约 22millirads。按照火星这种辐射强度，三年就达到了 NASA 所规定的安全计量标准。

相比一下火星，木星卫星 Io 周围的每人每天接受到的辐射计量可以高达 36Sv （3.6×10^6 millirads），只需要不到一小时就会达到 NASA 的安全计量标准。而在 Europa 附近也有 5.4Sv （5.4×10^5 millirads）。虽然 Ganymede 有磁层（是太阳系中唯一的有磁层的卫星），但是相比于木星的磁场来说，这个磁场太弱了，并不能像地球一样屏蔽高能带电粒子。

木星的辐射问题

仅仅来自木星磁层的辐射（可以对比上面提到的火星的辐射来思考）

Io: 36Sv 每天
Europa：5.4Sv 每天
Ganymede：0.08Sv 每天
Callisto：10 milirads 每天

因此如果开发木星土星周围的卫星，我们需要非常有效的辐射屏蔽手段。

参考和扩展阅读

“References & Documents”. Human Adaptation and Countermeasures Division, Johnson Space Center, NASA. Archived from the original on May 30, 2010.
Chandler, D. L. (20 October 2002). “Thin ice opens lead for life on Europa”. http://NewScientist.com.
关于太阳系的开发，请关注《星际移民之书》。

行星际通信相关问题

2015-07-08T00:00:00+00:00

地球和火星之间相距遥远，最近几年来看，基本上平均最近的时候在 0.5AU，电磁波信号大约延时 250s，最远平均在 2.5AU，电磁波信号大约延时 20 分钟多一点。当然这不是火星和地球相距最近最远。由于火星的轨道的偏心率比较大，最近可以达到 0.37AU，最远可以达到 2.68AU. ¹

地球和火星之间的距离变化。来自 WolframAlpha。

所以这样遥远的距离，网站等互联网应用就会出现新的问题：

中继卫星设计：中继卫星除了要满足足够好的中继效果，例如提供完全无终端的中继，还要设计成尽量小的延时。
网络协议：现在使用的网络协议并不在适用，新的协议例如 DTN 协议更加合适。
网站设计：由于延时的存在，如何才能最大程度提高地球火星的用户体验。

信号传播问题

首先的问题是信号衰减，因为距离遥远，信号会衰减很多，然而如果激光通信可以使用的话，衰减就不再是个问题了。关于 NASA 的激光通信的活动请参考 LCRD at Goddard Space Flight Center 。

火星全球通信没问题，跟地球差不多吧，用卫星来做，或者基站（没有电离层好麻烦需要好多基站）。
火星地球这种行星际通信就问题很多。火星和地球之间的通信跟两者在轨道上的相位有关。如果中间隔了个太阳，那通信就麻烦了。这时候需要中继卫星。

中继卫星的设计方法很多，从轨道类型基本上分为两类：Kepler 轨道上的中继卫星和非 Kepler 轨道的中继卫星。

Kepler 轨道中继卫星

大多设计都是 Kepler 轨道上的中继卫星，也就是不需要额外的燃料来维持轨道，这类卫星在引力作用下自由落体围绕天体转动。具体卫星的轨道设计是很多种的，例如下面这种太阳极轨道卫星²：

太阳极轨道卫星。

这篇文章是一个利用太阳的极轨道上的三颗卫星做中继，结合行星的同步卫星来通信的。这种设计最少只需要三颗就可以满足全太阳系的中继的需求了，但是需要三颗卫星的相位错开 120 度¹，如下图：

太阳极轨道卫星相位。

这样在太阳系任何一颗行星的位置都可以通过这三颗中的至少一颗来中继。

同时这种设计的缺点也很明显，那就是太阳极轨道卫星的发射和维修的燃料消耗都是巨大的，好在不需要很多颗。

所以在没有太阳不会遮挡火星地球通信的时候，可以直接地球和火星之间，但是在太阳遮挡了地球和火星通信的时候，需要使用太阳极轨道中继卫星。所需要多花的时间可以忽略不计。

没有太阳遮挡的时候的通信方式。

有太阳遮挡的时候的通信方式。

非 Kepler 轨道中继卫星

第二篇参考文献提到了很多的不在 Keplerian 轨道的通信卫星。如果使用太阳帆的话，倒也不需要携带燃料。不过这是理论阶段，并不知道太阳帆卫星作为轨道维持的动力能不能成功。之所以叫做 Non-Keplerian 轨道上的卫星，是因为这些卫星并不是单单在引力作用下运行的，而是有个持续的推动力。例如这里面的两颗卫星的额外的推动力至少有个向上的分力。

非开普勒轨道上的卫星。

上图中，Sun-Mars L1/L2Hover 那个在轨道上方 0.176AU 的地方。Sun-Earth L1/L2 Hover 那个 0.116AU。论文[2]中提到使用太阳帆或者离子发动机都行。由于火星太阳拉氏点（1、2）距离火星很近（大约都是距离火星 0.007AU），相比于这个设计中出现的其它的距离要小得多，所以在下面的示意图中，全部使用近似在火星上方的示意图。地球同。

非开普勒轨道上的卫星。

总之中继卫星基本上是必备品。上面的 Non-Keplerian 卫星是一种比较省钱而且延时小的设计，由于中继卫星一直在火星和地球正上方，基本上信号是往上，到达卫星，然后直线到达火星上面的中继卫星，再由中继卫星下来。从地球出发到火星，仅仅比地球火星之间的直线距离增加 2.3 光分的距离，而且是在任意时刻仅仅比直接从地球到火星直线传播的信号多花 2.3 分钟，非常快。

不过，在没有太阳遮挡的时候（火星地球在太阳同一侧的时候），是不需要这两颗中继卫星的，直接通信是最省的方案。只有在有太阳遮挡的时候才启用上述两颗 Non-Keplerian 中继卫星。

通信协议问题

如果是网络通信的话，是需要很小心的，因为太空通信的两地相距很远，而且丢包率很高，传统的通信方式，会比较费时间或者通信终端。

所以 InterPlanetary Networking Special Interest Group (IPNSIG) 重新设计了一个星际网络协议，叫做 DTN 协议，Delay-Tolerant Networking，这个协议并不假定连续的 N-N 链接（星际中容易丢包），如果暂时找不到目标，数据并不会丢掉，而是储存起来，直到下次能够跟其他地方建立连接。因为太空中丢包或者被遮挡而不能通信的情况很多。所以 DTN 比较适合行星际的通信。实际上如果可能，可以在很多卫星上装上这样的模块，形成一个行星际网络。

NASA 已经在火星探测器上测试过 DTN 协议了。DTN 的创始人之一在一次 TED 演讲中向大家展示了未来星际网络的愿景：利用 DTN 协议把太阳系的各个探测器联系起来，每个都可以作为中继，最终形成一个太阳系的行星际网络基础结构，然后利用这个结构可以向恒星际扩展（因为这样的话整个太阳系就成为一个巨型的接收器）。

网站的部署

其它的问题还有很多，比较重要的一个是延时的问题。由于人类传播信息的速度有限，所以从一个地方到另一个地方会花费时间，而行星际通信里面就会凸显出来。

下面是从 2014 年 6 月 30 日到 2016 年 6 月 19 日之间，地球和火星之间的距离变化，横轴是时间，纵轴是距离，单位是 AU。而光前进一个 AU 所需要的时间大约是 8 分钟。可以想想这样的延时下面，地球的 Dota 玩家和火星的 Dota 玩家之间连线是不太现实了，即使是玩回合制的游戏也是很沉闷无聊的。

地球和火星之间的距离变化。来自 WolframAlpha。

在多年之内看的话，距离也差不多是这个量级上，

地球和火星之间的距离变化。来自 WolframAlpha。

对于普通的网站，我们现今地球上也有类似的情况，曾经有那样的说法：世界上最遥远的距离是电信和网通之间的距离（虽然现在已经没有什么距离了）。所以我们需要专门的线路为不同的星球上的人服务。

例如在火星上缓存地球上的网站；或者由网站购买火星服务器，直接在火星上提供服务。

不过，使用缓存，在行星开放建设的早期，可能只能用户自己解决，就是其它行星上用自己的服务器缓存网页。不过随着行星开发，后来应该会有专门的 cache 服务商。或者网络提供方或者运营商会直接提供这样的行星之间无缝连接，例如有的互联网公司可以购买了火星的服务器来托管一份网站镜像，对于交互式的网站（比如社交网站）更加方便了。不过这就需要火星有个独立的信息硬件架构.

顺便说一下，Mars One 的设想是，在火星上安装一个缓存服务器，先把网站缓存在火星服务器上，火星上的人浏览的时候从缓存服务器获取网页。这在早期确实是一个比较实惠的方案。

参考

1AU = 499 光秒，1AU = 1.5*10^8 km ↩ ↩²
Concept for Continuous Inter-planetary Communications ↩

飞向星际：核动力飞船、电推和时空操纵

2015-05-26T00:00:00+00:00

化学火箭是我们目前大量使用的进入太空的载具，通过化学反应来产生推力。然而化学火箭受到本身原理的限制，飞行中需要携带大量的燃料。对于一般的化学火箭引擎来说，所需要携带的燃料已经远远超过载重的质量了。

现在有些新型的推进方式，例如燃料利用率飞船高的离子引擎，推力却很小，要达到比较大的速度需要持续推进很长的时间。而科学家们的脑洞，虽然威力更大，却只在理论上存在，有些脑洞还有很大的争议。

带着核弹上飞船

要说起历史上的太空项目，猎户座计划是其中非常著名的一个。

猎户座飞船的艺术家想象图。图片为公有领域作品。来自维基百科。

爆炸用来提供推力，基本的原理与化学火箭并无不同，只不过由原来的连续的推力变成了断断续续的推力。

特德・泰勒和弗里曼・戴森主持的猎户座计划，就是试图利核爆来把飞船推向太空。由于单位质量的核弹释放的能量很大，所以这种方式要比传统的化学火箭效率要高得多。

在设计和实验的过程中，飞船需要将炸弹一颗一颗排出并引爆，这个过程与可口可乐公司的自动贩售机取可乐的过程类似，实际上这个机制的设计也咨询了可口可乐公司。

被加热的燃料

利用核反应堆将气体加热到几千甚至几万度的高温，使气体从发动机高速喷出，这样也可以大大提高火箭燃料的利用率。

热核火箭基本原理，燃料经过核反应堆被加热，从发动机高速喷出。图片为 CC BY-SA 协议作品。来源：维基百科。

火箭飞行器用核引擎（NERVA，美国原子能委员会和 NASA 的项目）就是一个利用核裂变来产生高温，加热氢气，从而产生动力。

电磁推进

传统化学火箭的推力来自于化学反应，例如氢气和氧气的化学反应释放能量。如果我们用电呢？

把燃料电离，其中的带电的粒子在电场作用下会被加速，如果电场足够强，带电粒子可以很快被加速到一个很高的速度，这个速度可以远远高于化学反应所产生的燃料喷射速度，这样一来燃料的利用率大大提高，也就意味着不用携带很的燃料了。这就是离子电推的原理。

然而目前的电推有一个非常大的缺点：推力太小。目前的发动机包括测试在内，只有几十豪牛顿到几十牛顿的推力。（作为复习，一牛顿大约是一个小苹果在地表所受到的重力。）

除了电推，目前很有前景的另一种电磁推进，除了用到了电场，还需要磁场和电磁波。这类技术中比较著名的是 VASIMR （可变比冲磁等离子体火箭）。VASIMR 利用电磁波将燃料加热使其电离，然后利用磁场来加速，使燃料高速离开发动机。

科学家有脑洞

前面说的这些是不是太过平凡了？如果我们要飞向其它恒星，不管是核动力火箭还是离子引擎都不够用。科学家有脑洞，火箭大踏步。不过需要注意的是，下面要说的这些，都是些止步于理论的点子。

在开始真正的脑洞之前，先从最近比较热门的 EM drive 说起。EM Drive 是从英国的 Roger Shawyer 的一个工作开始的。Shawyer 尝试证明在一个封闭的空腔中的电磁场可以产生推力。

物理中有个非常基本的定律，是动量守恒，我们不能无缘无故地凭空创造动量出来。而 EM drive 就是这样一种不需要任何工质也不需要任何反冲来产生动量的装置，就像是在空无一物的太空中游泳一样。从基本原理上来说，这是不可能的。

而后面的一些所谓的理论声称这种引擎是在利用真空涨落来产生推力，推动真空本身来前进。一篇来自 T. Lafleur 的论文在当前量子场论的框架中证明通过利用量子真空来推进是不可能的，即便在当前的量子场论的框架中，真空涨落不能提供一部分额外的动量。

除了 EM drive，上个世纪末，E. Podkletnov 等人曾经发表过一篇论文声称可以通过旋转的超导体来屏蔽万有引力。他们的声称实验中，旋转的超导体上方的小物体的重力可以减少 2%.如果这是属实的话，那么我们可以屏蔽在飞船底部安装一个屏蔽万有引力的装置，从而更加轻松的飞向太空。然而万有引力之所以被称之为万有引力，是因为任何能量都对应了引力，包括质量对应的能量。在后来其它研究组的一个重复实验中，即使使用了比原来灵敏 50 倍的仪器，也没有观测到论文中提到的引力屏蔽效应。

这么说来，上面这些都不靠谱，而目前真正有效的脑洞还是从广义相对论下手更好些：虫洞、曲率引擎和 Krasnikov 管道。

《星际穿越》中炫酷的虫洞就是著名物理学家基普·索恩和他的学生设计的。理论上可行的虫洞设计也是基普·索恩最先提出的，虫洞直接连接了不同的时空，就像是在饭桌上面打上一个洞，可以直接从桌面上到达桌面下部而不需要绕道桌面边缘再下去。然而维持这样的虫洞需要大量的能量，甚至需要整个木星质量所对应的那么多能量来维持一个直径一米的虫洞。

曲率引擎第一个可行理论是物理学家 Miguel Alcubierre 提出的，通过解广义相对论的场方程，他发现可以通过压缩飞船前方的时空并且拉伸飞船背后的时空来前进，所谓我不过去，偏要山过来，整个飞船就像是被包裹在一个时空泡泡中。

与 Alcubierre 的曲率引擎不同的是，Krasnikov 管道是一种一经修建就可以重复使用的星际高速公路。通过制造扭曲的时空，进入管道的飞船几乎可以瞬间移动。但是管道的建造是需要通过飞船来“铺设”（扭曲时空），不过 Krasnikov Tube 的优点是，只需要一次建造，之后多次重复使用，可以运送大量货物而不需要消耗很多能量。

以上这些方法中的超越光速，并没有违反相对论中的因果律，这些在原始论文中都有证明。例如曲率引擎是对时空本身的操控，在飞船附近看来，飞船并没有超越光速。

关于虫洞、曲率引擎和 Krasnikov 管道我们并没有完全理解，加上这种规模上的操控时空所需要的能量极大，甚至在将来可能证明有些是不可行的，但是目前看来这些是理论上潜在可行的星际旅行的方式。

参考文献

关于 EM Drive：

EM drive 的官方网站是 http://emdrive.com/
T. Lafleur, “Can the quantum vacuum be used as a reaction medium to generate thrust?” arXiv:1411.5359.
D. Brady, H. White, P. March, J. Lawrence, F. Davies, “Anomalous Thrust Production from an RF Test Device Measured on a Low-Thrust Torsion Pendulum,” 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.

关于引力屏蔽：

E. Podkletnov, R. Nieminen, “A Possibility of Gravitational Force Shielding by Bulk YBa2Cu3O7-x Superconductor,” Physica C, Vol. 203, 1992, pp. 441 444.
G. Hathaway, B. Cleveland, Y. Bao, “GravityModificationExperimentUsing a Rotating Superconducting Disk and Radio Frequency Fields,” Physica C, Vol. 385, 2003, pp. 488 500.

关于虫洞、曲率引擎和 Krasnikov 管道：

M. Morris, K. Thorne, “Wormholes in Spacetime and Their Use for Interstellar Travel: A Tool for Teaching General Relativity,” American Journal of Physics, Vol. 56, 1988, pp. 395 412;
M. Morris, K. Thorne, U. Yurtsever, “Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition,” Physical Review Letters, Vol. 61, 1988, pp. 1446 1449.
M. Alcubierre, “The Warp Drive: Hyper Fast Travel Within General Relativity,” Classical and Quantum Gravity, Vol. 11, May 1994, pp. L73 L77.
S. Krasnikov, “Hyperfast Interstellar Travel in General Relativity,” Physical Review D, Vol. 56, 1997, pp. 2100 2108.

恒星的琴弦

2015-04-08T00:00:00+00:00

恒星的振动

如果我们能够用尺子测量恒星的半径，我们就会发现这个半径通常并不是一成不变的，而是周期性的变大变小。

这是由于通常的恒星是一些等离子体向外的气体压强和这些等离子体在引力作用下的向内压强相互抗衡组成的天体。当引力大于等离子体的压强的时候，恒星就会向内收缩，然而如同被压缩的气体一样，收缩的等离子体的压强会变大，从而能够抗衡引力。然而惯性作用下，向内收缩的气体会继续向内收缩，导致等离子体的压强大于引力形成的压强。这样向外的力要大于向内的力，从而导致恒星向外扩张。这样循环往复，形成周期性的振动。

人类观测到的第一种这样的振动，就是变星。

聆听星之声

由于众所周知的原因，我们和恒星之间的真空不能传递声音，所以恒星所奏的乐章，我们是无法直接聆听到的。

早在十六世纪末，大卫·法巴雷克斯就发现了鲸鱼座的蒭藁增二（读作 chú gaǒ zēng èr）的周期性消失现象。而之更多的周期性变化的恒星被发现，这些恒星被称为变星，人们意识到恒星并非一成不变的。¹

有些变星可以被解释为恒星自身的脉动行为。由于恒星的亮度是与表面积成正比的，所以当恒星的半径周期性变化的时候，恒星的亮度也会变化。

来自National Schools' Observatory

这是人类第一次听到星之声。

弦外之音

往水中两个不同的地方同时扔两块石头，我们会看到有两组水波产生。这两组水波在经过对方的时候，会产生很复杂的波纹。

同样的事情也会发生在恒星之中。且不管恒星中这些振动的起源，我们可以想象如果恒星中有两种甚至多种不同的振动，这些振动相互叠加，形成看似复杂的花样。

恒星可以产生复杂的振动，这是不同的振动模式的叠加。Public Domain

我们的太阳，就是时时刻刻进行着这样的振动。这些振动模式使得太阳的形状产生精细的变化，例如其中一种振动模式（p 模式）可以让太阳变成这样。

日震的 p 模，模式的幅度被夸张了 1000 倍。这样的振动的周期是五分钟，也就是频率只有 3.3 毫赫兹。来自 Marshall Space Flight Center, NASA

另一种声音

由于恒星的上述振动与恒星的质量和大小有关，这些我们可以观测到的振动频率都是（毫赫兹量级）低频的振动。然而，在恒星之中很可能存在另外一种机制完全不同的声音。

发表在物理评论快报上的一篇论文中表明等离子体中可能存在一种频率高达太赫兹的声波振动。² 这种振动起源于等离子体的流动，当一股流动的等离子体撞到另一股停滞不前的等离子体的时候，会在相遇的界面上形成特定模式的流动形式，这些流动会产生高频的声波振动。

由于恒星中也有与实验中类似的偏离平衡态的行为，所以恒星中可能也会有这样的声波。

参考

参考维基百科：变星 ↩
Adak, Amitava, Robinson, A.\,P.\,L., Singh, Prashant Kumar, Chatterjee, Gourab, Lad, Amit D., Pasley, John & Kumar, G. Ravindra (2015). Terahertz Acoustics in Hot Dense Laser Plasmas. Phys. Rev. Lett., 114, 115001. ↩

太阳系内行星的符号

2015-01-01T00:00:00+00:00

行星名称	符号	Unicode	图形	符号的来源
水星	☿	U+263F	Mercury	旅行者和商人的保护神墨丘利的插有双翅的头盔和他的神杖
金星	♀	U+2640	Venus	爱和美的女神维纳斯手中的镜子
地球	⊕	U+2295	Earth	带有赤道和一条经线的球体
火星	♂	U+2642	Mars	战神玛尔斯的盾牌和长矛
木星	♃	U+2643	Jupiter	万神之王朱庇特的闪电或他的神鹰
土星	♄	U+2644	Saturn	农神萨图尔努斯的镰刀
天王星	♅	U+2645	Uranus	天王星发现者弗里德里希·威廉·赫歇尔姓氏开头的字母H
海王星	♆	U+2646	Neptune	海神尼普东的三叉戟

来自维基百科：行星符号

悬幕

2014-11-14T00:00:00+00:00

本文是基于星际移民之书相关设定的支线故事，

1

站在清晨的格兰达大道上，放眼望去，荒凉的四周只有我一个人。初升的朝阳泛着雏菊般金黄的光辉，从道路远方的消失点处缓缓升起，给天边的几点云朵染上了枫叶般的橘黄。格兰达大道两侧的梧桐树被朝阳拉出一条条幽长的阴影。偶有微风划过，带走三两片枯槁的落叶，在空中摇曳片刻之后，丢弃在这已遍布落叶的大道之上。

如此残破的景象，真让人分不清到底是清晨还是黄昏。我瞥了一眼左上角的时间，「05:35」。也难怪，才这个点，大部分人都还在睡梦之中也是理所当然。更何况，格兰达大道再非昔日车水马龙，华灯夜烁的九号城中心主干道了。随着矿产资源的日渐枯竭，这个因采矿而建立起来的旧城区渐渐落入一片萧瑟之中。很多人纷纷搬离这里，前往以东20公里的九号城新城区，享受着那里现代化的设施与优越的环境。

而今天我的工作，则是回收格兰达大道两侧的梧桐树，以便将它们再移栽到新落成的卡西尔大道上。

时间跳到了「05:40」，是时候开始工作了。我给身边的重型机器人“瓦雷”下达了口头激活指令，机器人从待机状态切换到了工作状态。瓦雷是一个高达三米，重约一吨的人形机器人。只要事先调好需要的工作程序，到了现场之后正确启动，瓦雷就能开始工作。而我只用负责监督着他，确保整个过程不会出现任何差错就行了。重型机械操作师¹的工作就是这么简单。

“瓦雷，开始工作”，我精神抖擞地对他命令道。对于重机操作师来说，感觉最棒的时候莫过于对你的机器人下达命令之时。机器人除了照你所说的去做之外不能做多余的任何事，这可不是什么“正电子脑”与机器人三定律在起作用，他们只是单单按照既定程序工作而已，就这么简单。据说，当年开采小行星的第一批重机操作师前辈们，他们的机器人还没有内置语音识别系统，只能在面板上键入指令。“那工作的乐趣一定少了很多吧……”，我在心里暗自想到。

瓦雷接到命令后，迈着笨拙而又沉重的机械步伐一步一步向眼前最近的一颗梧桐树走过去，每一步踏在格兰达大道破旧的路面上都会伴随着“噔……噔……”的巨大脚步声与“吱……吱……”的机械零件摩擦，并扬起一阵灰尘。我下意识地用左手捂住口鼻，并用另一只手扇走飘进的尘埃，但很明显这完全无济于事，丝毫不能阻挡灰尘飘近的趋势。无奈之下，我只好移步至大道另一侧，让瓦雷独自在一旁工作。

也不知道格兰达大道是有多久无人问津了。还记得六年前²，我刚完成在行星大学的学习，作为行星大学的第一期学生，被分配到新近落成的九号城西北的赤铁矿区进行开采作业。矿区的条件异常艰苦，几个破旧的密封生活舱稀稀拉拉地摆放在矿洞入口附近，没有封闭的穹顶，在户外工作时就必须得穿上增压服。不过，在沙暴来临的大雪月，就可以回到九号城的穹顶内，安逸地享受一段难得的长假。这段时间的格兰达大道会变得分外热闹，梧桐树下的咖啡座、沿街排列的各色酒吧、十字路口处的“天外天”中餐餐馆全都一座难求，带着自己的机器人前往机械修理店的机师也络绎不绝。还有不少情侣彼此羞赧地牵着手，迈着闲逸的步伐，漫步在夕阳中的大道上。在树荫之下，在梧桐树前，亲吻着对方的脸颊，并留下只属于他们的爱情悬幕。

对了，何不趁此机会再来细细观摩一下梧桐树上的那些悬幕，这应该是度过无聊工作时间的好方法。

2

六年前，悬幕才刚从地球流行到火星的各大城市。早在公元纪年的上世纪初，地球上的互联网巨头——谷歌公司（Google Inc.）就已经开发出了“现实增强技术”的初代终端机——“谷歌眼镜”。在太空产业化兴起的时代，谷歌眼镜就已经在太空航行、小行星采矿领域得到了广泛应用。飞船驾驶员将眼镜与飞船的控制系统相连，根据眼镜中所呈现的信息，能够实时监测飞船的状态。同样，小行星上的重机操作师也能用眼镜监测机器人的工作情况。不过，那时的谷歌眼镜功能并不强大，地球上的人们用它拍照、上网、浏览社交圈、进行实时全景导航，功能和古代的智能手机差不多。

真正让“现实增强技术”得到飞速发展的，是公元纪年21世纪90年代在地球上推广开来的“现实全息成像技术”和“物体现实标记技术”。那是谷歌公司推出的第七代“谷歌眼镜”，小小的一片薄膜隐形眼镜³中，内置了“现实全息成像技术”显示系统。这种技术能够在三维空间中进行全息成像，让虚拟景物栩栩如生地呈现在人的视野之中，完全将虚拟世界与现实世界联系了起来。而第八代“谷歌眼镜”中融汇的“物体现实标记技术”则几乎开创了一个新时代，它能够对地球上任意的完整可见物体进行独一无二的个体标记，并将标记信息储存在一个庞大的数据库中。只要物体未被破坏，标记信息就永远都能够得到读取。在“物体现实标记技术”的帮助下，世界上再也不存在两个完全相同的物体，所有的物体全都是无可复制的存在。

悬幕也正是在那个时候兴起的。

我第一次接触到悬幕还是在四年前。那时在矿区工作才刚满一年，工资并不高。整日省吃俭用，才终于在一号城的谷歌实体商店中买到了最新上市的“谷歌眼镜10 For Mars”。在导购员的指导下，我操作着自助佩戴仪，小心翼翼地将两片薄如蝉翼的谷歌眼镜放在角膜之上。初次佩戴隐形眼镜并没有感到明显的不适，想必谷歌人体工程学的研究人员在提高佩戴舒适度方面下足了工夫。

闭上双眼，隐隐约约，一片黑暗的视野中出现了一团彩色亮光，亮光慢慢旋转，逐渐变得清晰。

「欢迎来到谷歌眼镜的世界」

字幕随后变暗，新的字幕依次出现。

「新用户请根据使用向导进行设置」

「请登录您的谷歌账号」

「……」

经过冗长的身份验证、偏好设置、网络连接等环节，我依照它的提示，缓缓睁开了双眼。眼前的谷歌实体商店完全变成了另外一番模样！柜台里琳琅满目的商品，它们的编号、名称、产地、价格等信息全部悬浮在商品附近的空中，打开留言后，还能够翻看其他人对于商品的评价。我又看向柜台旁的一名机器人导购员，这时，关于商品的悬幕迅速折叠消失，而与这名导购员有关的悬幕眨眼间就随之出现。这些悬幕会随着观看角度、背景颜色的变化实时调整，以达到最佳的观看效果。为了避免悬幕信息量过大，我将显示模式设置为了“目光焦点显示”，这样除了自己所注视的物体以外，其他的物体的悬幕都会随之隐藏。

惊叹于悬幕的强大功能之时，眼前突然弹出一条来自谷歌眼镜的信息：

「已检测到当前环境新的主题，是否进行更换？」

“是”，我不假思索地回答道。

我睁大了双眼，目不转睛地寻找着周围的环境有什么奇妙的变化，不过似乎什么也没有发生。但是，就在眨眼的下一个瞬间，商店内的色调风格完完全全变了一个样子，从原先的现代感的科技风格转变成了清新亮丽的田园风格：银白光洁的地面，变成了草长莺飞的绿地，支撑着顶棚的四根立柱，变成了挺拔的大树，蜿蜒的藤蔓爬满了四周的墙壁，阳光透过藤蔓的间隙投射出斑驳的光影。后来我才知道，谷歌眼镜会监测你眼部的一举一动，在默认设置下，每一次眨眼其实就是对视野的一次刷新。

3

看着视野中瓦雷的状态监视栏，一切都进展良好。我走近大道另一侧的一颗梧桐树，说道“停止监视，激活悬幕系统”。在眨眼的一瞬，视野中状态监视栏消失了，取而代之的是赫然悬挂在梧桐树干前半空中的几行清晰的字幕。第一行灰色的小字写着：“标记编号：3da8ac9982d245cc”，第二、三行橙色的字稍稍大了一点，写着：“标记对象：梧桐树”、“标记地点：火星九号城格兰达大道（10.08°E,7.66°N,M）”。这些是悬幕系统从标记数据库中所读取的最基本的信息。

除此之外，数据库中应该还记录有其他人在这里留下的悬幕。我打开留言，一长列颜色各异、大小不一的悬幕依次竖向展开。九号城的人们喜欢在格兰达大道的梧桐树下留下自己无处倾诉的话，由于留言可以选择匿名、私密甚至加密发送，也有人把这里当做倾听自己内心独白的树洞，不用担心任何人发现潜藏于其中的秘密。

第一条悬幕的发送日期是火历83年小满月1日⁴，它的字号奇大，配上朱红的颜色十分醒目，甚至还加上了限量版的“外发光”效果，让下面的悬幕都相形见绌。也许这是一名刚买下新款谷歌眼镜的富家子弟，正在周游各大火星城的旅途之中，悬幕的内容居然是：

「匡一恒到此一游！」

看着这几个大字，我无语地摇了摇头。

第二条悬幕被发送者设置为了私密发送，只有拥有访问权限的人才有资格读取。

我又随意翻看了下面好几行公开的悬幕，有抱怨第九城条件太艰苦的，有期盼着沙暴不要结束，这样就可以不用上班的，有欣赏着格兰达大道的落日并现场吟诗的。在这里缔结下山盟海誓的情侣也有不少：

「地球在上，我愿用一生陪你共赏奥林匹斯峰的夕阳……」

「只要你在我身边，我的心海就永不干涸……」

当然，在这下面吐槽公开场合秀恩爱的悬幕更多。

我又移步至旁边的其他几颗梧桐，浏览着这些悬幕就像在翻阅一本忠实记录着九号城发展历程的典籍一般。芸芸众生将自己的喜怒哀乐张贴在这里与他人分享，光阴流转之间，格兰达大道已褪去了昔日的荣光，但这些梧桐树却能还原出九号城一点一滴，就像一面三棱镜，当阳光穿透之时，就能折射出缤纷多彩的风景。

4

时间来到了「09:40」，这已经是我翻阅的第三十四颗梧桐树了，差不多走过了格兰达大道的一半。另一侧的瓦雷依旧认真地工作着，移栽梧桐是一个精细的活，瓦雷首先给梧桐浇灌足够多的水分，让树根周围的泥土变得松软，然后在根部的周围挖出一圈泥土，最后用戴着海绵手套的双手抱住树干，将整个梧桐树连根拔起，并放入旁边的自动货运车上。有好几辆货运车轮番往来于格兰达大道与卡西尔大道之间，对面也有个和瓦雷相似的家伙负责栽种。这样的话，挖出的梧桐就能在第一时间移栽下去。

前面的悬幕并没有什么特别，不过当我翻阅到最后时，一条底色为绿色的私密悬幕引起了我的注意。一般的悬幕底色都是透明的，而底色为绿色则代表我拥有对这条私密悬幕的访问权限。我瞟了瞟发送时间：

「火历89年夏至月22日 24:39」

竟然是在昨天的滞时⁵！谁会在半夜三更前往这里，就为了给我发一条悬幕呢？不对，不一定是专程发送给我的，也许只是输入权限时把我误加进去罢了。

「发送人：匿名」

隐藏得这么神秘，到底是谁发的呢？会不会是矿区的工友Kim，平日跟他关系原本就不好，前天队里选两人负责梧桐树移栽工作时他又没有被选上，会不会对我积怨在身，想趁机捉弄我一下？

「是否打开查看？」

当然要打开了，既然有访问权限有什么不敢看的。

虽然心里这么想到，在下一秒下达命令的时候，嘴唇还是不自觉地抖动了一下，犹豫的语气暴露了我心中的底气。

“打……打开”

「」

什么嘛，明明什么都没有，究竟是谁制造的这样的恶作剧。我的心里气不打一处来，狠狠咒骂着留下这段空白悬幕的人，随即将视野移向他处。

瓦雷的工作效率挺高，已经快把对面的梧桐全部搬运完成了。刚才遭遇的恶作剧也扰乱了我继续翻阅的兴致，我向瓦雷的方向走去，看着他工作挺辛苦的，就让他暂且休息一会。瓦雷便停下手头的工作，在大道这一侧最后一颗梧桐树下缓缓坐下，背靠着这颗孤零零的大树，享受着九号城穹顶之下早午时刻的阳光。我拍拍他宽厚的铁疙瘩肩膀，工作后的余温尚未消散，仿佛能够触摸得到他的体温。没有内置先进的人工智能系统，瓦雷并不能对语音命令之外的任何刺激做出反应，他只是静静地坐在那，微闭着双眼，枯叶落在他的头上，又被风吹到脚边……

不知道此时它的世界是否是一片空白呢？

空白！又让我想到了那该死的空白悬幕。

未完待续…… 下一章：飞幕

具体介绍可参阅星际移民之书 ↩
火星的一年为668个火星日，687个地球日 ↩
从第五代谷歌眼镜开始，就没有框架眼镜，只有薄膜隐形眼镜了 ↩
火星纪年和公元纪年有很大差别，火星历法可参考星际移民之书 ↩
火星计时中24:00以后到次日00:00的时间被称为滞时 ↩

火星的天空

2014-11-10T00:00:00+00:00

我一直在做错误的选择，这些错误有些给自己带来的痛苦，有些伤害了别人。然而有那么一次，纵使是痛彻心扉的错，若时光回转，我还是会做出同样的选择，纵使我那时是如此自私自利。

红色的天空，红色的云。光在恒星内部挣扎了万年，却只花了十分钟便到达这颗行星的大气层。它与空气中的分子相遇，然后改变轨迹。

这是一颗不太适宜人类生活的行星。而我的任务，自然只是部署探测器，收集数据，然后将数据发送给前哨站，简单得很。最终，这些数据将会成为行星探测公司著名的行星数据库的一部分。

然而，我将要消失在这宇宙中，从未存在过。

聚会

我毕业那年，恰好是行星大学¹两百周年。毕业典礼前夜，在行星形成与演化学院有个非常大的聚会，我也有幸见到星际移民局的几位重要人物。

然而聚会这类事情，始终都是极度令人反感的。所以我拍拍衣服，拿了盘点心，独自逃到了后院，在一颗巨树下面躺了下来。点点星光从树枝的间隙间落下来，像一张毯子，轻柔的，带着温暖，睡意一下涌了上来。

我们家这一支，往上数过去，可以追溯到火星第一批劳工移民。我出生在火星，在火星长大，现在倒是可以说，我毕业于火星最有权势的学校。说行星大学有权势，那是因为这所学校大多数研究内容都跟星际移民局有合作，毕业生也大多直接进入星际移民局，有些也可以进入一些驻地的使馆。

醒来的时候，整个学院都安静下来了，想来聚会的人差不多都离开了吧。我坐起身来，才发现角落的一个长凳上坐着两个人，光线暗弱，难以看清面目。我刚要离开，女人开口讲话，这才听出是王晴 Tina，便过去搭话。

Tina 身边坐着一位头发有些花白的中年男子，他穿了长袍安静地坐在那里，表情略带微笑。Tina 介绍说这位是她爷爷，也就是太空生物技术研究所所长。据我所了解，他便是第一个利用生物材料制造出无线电发射器的人。

那天夜晚，在天空的一个角落，一片深深的血红色正在蔓延，那是远处矿场的灯光被空气中的沙尘吸收散射。我心底的邪恶正在挣扎，最终我的灵魂被它吞噬殆尽。

初心

Tina 又开始拷问我，这是她已经问过我无数次的问题：你到底喜欢我什么？

除了要攀附她爷爷的关系，我并不知道她有什么特殊的。喜欢你傻乎乎吧，我回答道。她握拳狠狠地捶了我的背。

我们家族没有什么势力，像我这种人也不太可能进入星际移民局高层，而她的爷爷却能给我提供一部直通云霄的梯子。一定要好好地抓住 Tina，这是我最好的机遇。

我知道自己所爱，为了挤进高层，为了家族的荣耀，感情也不过是垫脚石。就算踏着血和泪上去，也一定值得。Tina 总是说我工作狂的样子好吓人。那一定是面目狰狞，贪婪的要拿出最漂亮的结果，要比任何人的成果都要好。这就是来自心底的黑暗吧。

要走了，出任务。Tina 不情愿地低声哼道。

嗯，注意安全。她走之后，我随手抓了一本行星科学增刊，赶往研究所。

火星上的大使馆需要的时候，特勤部门就会提供调查任务。Tina 就是一名特勤员，而她的特长是生物安全。在她入职的那天，我也被调入太空生物技术研究所负责行星生态改造的研究。

路上没有什么人，路灯昏暗，想必是系统故障了。抬头看到星空，猎户座像一张大网一样，似乎要将我罩住，使我永不得解脱。忽然想起，在入职的前一天晚上，我跟 Tina 一起跑到北山区露营。天冷得很，我握着她的手，回忆着多年前贫苦的日子。

想什么呢？她突然用脸蹭了着我的手，打趣道。

没什么，就是觉得生活改变好大。我懒懒地说着，低下了头，继续回想着那些时光。

我小时候很少看到父母，因为他们早出晚归。我自己做午饭，晚饭也要做好等他们回来。他们从来不能理解我为什么非要进入行星大学读书。多年的消磨早就让他们对生活麻木了，而我急于摆脱这种生活。我不断地警告自己，如果不能做到，我宁愿不要把新的生命带到这个世界上来，不要让它受这些苦。而今天，我的愿望终于要实现了，是么？我边想着，边甩甩头，企图回到现实来。

好啦，都过去啦。她突然挣开我的手，一下抱过来。继续说道，我知道你在想什么呢，小时候的那些苦，你我都不必再去想啦，我们的孩子也不会受这些苦的。

正在我回想间，天空突然变得刺眼。那是矿场的方向，一定发生了什么事情。我接通了 Tina 的电话。

温柔

谢天谢地，你没事就好。我气喘吁吁，仔细看着她红红的脸蛋。发生了什么事？

阿先死了。他没逃出来。他死了，怎么能这样就死了。Tina 边哭边说，身体往下沉。我拉住她，把她紧紧地抱进怀里。

嘘～没事啦没事啦。

在那样一个瞬间，我瞥见天空被这爆炸的火光照得血红。在我们和火光之间，有一个穿着格子衬衫的人在盯着我们。于是我抱着 Tina 转过身，背对着他。

说起特勤工作，我只见过一次。那次地球驻火星第四使馆²被盗，Tina 被派往协助调查。我当天恰巧休假，下班时间便过去接她。那个地球使节脾气暴躁，蹬鼻子上脸，对着她比划来比划去，我当时很生气，过去就想教训那人。Tina 一把拉住我，拿一只手指按在我的嘴上，意思是别插嘴。然后她给各位道歉，陪着笑脸听完了那帮混蛋的抱怨。

之前我从来都不能理解 Tina 这样一个性格柔弱的人怎么能胜任特勤工作，那次之后，我就再也没有出现在她的工作中。我们谈过特勤的问题，她坚持认为她做的是对的。也许吧。

这次爆炸事故之后，她拿到了一个很长的假期，天天陪我在研究所做研究。有天她兴冲冲跑过来，跑跑跳跳地拽着我去了另一个实验室，在通知栏停了下来。

我们做这个吧。她边说边拽我的胳膊。

我盯着通知栏上的通知，半晌说不出话来。

Tina，这是你的专业对吧，你确定做这个真的安全？

没事儿，这都做过很多实验了，理论也很完善了。

我们会变成什么呢？我心里不禁一阵恐慌。他们会给我们安装生物无线电通讯模块，这样就可以直接交换大脑的数据，而不需要用嘴说出来了。他们甚至还提供了卵细胞线粒体基因改造，让后代自己长出这样的通讯模块，并且传递下去。这个真的不会被伦理委员会调查么？³

正在疑惑，Tina 已经找来了负责人。所以，我就要变成怪人了，跟 Tina 一起。

散射

在散射理论中，两个电子会越来越接近，然后分开，距离越来越远，永无再见之时。

Tina 有时候会跑来听我讲课，不过从来不在我的课上讲话。但是有那么一次，我在给学生们讲恒星内部平衡，说到我们看到的太阳的光子，其实是很久前产生的，他们在太阳内不停地被散射，囚禁了长达万年，终于才能出来，进入我们的眼睛。然后她满脸幸福的样子，自言自语说，要是能凑近了看看恒星就好了。

我第一次见她那种夸张的表情。第二次见到，是我第一次向她敞开心扉，任由她通过通讯模块读取我对她的爱。这时候我才感觉到，原来自己说的因为她家的权势才跟她在一起这样的话，已经是沦为谎言了。她说将来等我拿到星际移民局的高层的职位，我们一起去补个蜜月吧。

那种幸福，也是我最后一次见到了。多数情况下，人的希望就像一个薄薄的气球，气球越来越大，直到最后碰上针尖，瞬间爆裂。

第二天她的爷爷被杀害了。她得知消息后在赶往现场的途中被注射了毒药。虽然经过抢救，但是没有醒过来。医院说需要一天之内拿到解毒剂，可惜现在火星没有储备。

我蹲在走廊的角落，感受着越来越沉重的心跳。嘴唇不听话地抖动着，泪水哗哗哗滚下来。我知道的，每次出事情，我第一反应都不是去解决问题，而是独自伤心。懦弱。愚蠢。

恒星

我从行星探测公司拿到了药物，条件是我作为行星勘探员外出采集数据。Tina 的治疗很成功，但是还没有等她醒来，我就被从医院拖走，登上了这艘飞船。临行前，他们发消息来说，Tina 醒来了。我下意识地使用了通讯模块，却徒劳无功，超出了最大通讯距离。

他们告诉我凶手被抓，并处以死刑。 Tina 现在很快乐，只是暂时失忆了。

我脚下的这颗行星，贫瘠而无任何生命的气息。我没有足够的燃料飞回火星，但是却能够飞往头顶这颗陌生的恒星，如那扑火的飞蛾，长眠在熊熊烈火之中。等待有那么一天，它耗尽燃料，爆发出光芒。而我，就会随这些碎片一起，成为一颗可以孕育生命的行星。

行星大学是火星上学校，坐落在星际移民局旁边，以星际移民研究为核心的综合大学。 ↩
地球在火星建立了多家使馆，以负责不同地球的事务。第四使馆负责星际移民局附近。 ↩
这是伦理委员会的一大丑闻之一，他们拿了几位研究人员的贿赂，决定默不作声。 ↩

火星的日落

2014-10-18T00:00:00+00:00

有位朋友曾经是火星旅游景点勘探员，他常常给我描述火星上很多迷人的景色。其中提到最多的是火星的日出日落，比如说，蓝色的太阳。这篇小短文中，我就说说火星的日出日落吧。

火星有两颗卫星，火卫一 Phobos 和火卫二 Deimos. 两颗卫星公转周期都非常短，所以火星上日食是经常发生的。只是由于两颗卫星比较小，形状不规则，不会像地球这样发生完美的日全食。

日落

火星蓝色的日落，火卫一 Phobos 正经过太阳前面。Credit: NASA/JPL-Caltech/Cornell/Texas A&M

除了照片，还有一段古老的视频。

有时候天空有些如丝的薄云，我们就会看到蓝色和紫色的云彩。

更大的角度来看日落。File:MarsSunset.jpg

由于火星大气中颗粒的作用，火星的日落会出现不同的颜色，例如上面的蓝色。不同的天气状况会出现不同的日落，除了蓝太阳，也会有红色的日落。

最后给大家一张我这位火星旅游景点勘探员在一次出任务的时候拍回来的照片。

黄昏中的旅游景点开发站。Walter Myers

探测系外行星大气

2014-10-17T00:00:00+00:00

行星探测方法

探测系外行星的方法中，凌日/星法是现在用的最多的。¹

当行星经过恒星和我们之间的时候，恒星的亮度会变化。图片来自 Photometric transit method | Detecting Extrasolar Planets @ Nova Celestia.

当行星运行到恒星与你们地球之间的时候，远处就会看到恒星亮度的减弱。而且减弱的曲线和时间也跟系外行星自身的大小和轨道的参数有关。

探测大气是否存在

如果仅仅需要知道行星是否存在大气，只需要看光谱的变化。

在详细解释之前，补充两点背景知识：

化学分子对不同波长的吸收

Burrows 2014

对于不同的波长，不同的化学分子有不同的散射界面。散射界面越小，就显得越透明。

图中有一个有趣的例子是二氧化碳。二氧化碳的散射界面在波长比较长的时候变得很大，可以将这些波长“囚禁”起来，而这些波长正好是产生热效应的波长，所以二氧化碳是一种温室气体。
大气层的密度随着高度变化

Mark A. Garlick

大气层的密度越往高处就越小，这是一个渐变的过程。大气密度越大，就越不透明。

结合这两点，一种可以分辨有没有大气层的方法是，观测不同波长下的行星的大小（或者直接跟观测挂钩的话，看不同波长下上面提到的 transit 曲线，也就是行星挡住的恒星的光的多少）。

例如有颗系外行星上面只有二氧化碳，当利用凌日/星法测量行星的大小的时候，会发现不同波长的测量给出不同的结果。如果地球人用 15 微米和10 微米的波长分别测一次行星的大小，会发现 15 微米波长下测量的行星的半径要大些，因为这次测量中，大气对 15 微米来说更加不透明，而大气越往底部密度越大，也就是更加不透明，所以 15 微米测量中，上层的大气也能挡住恒星的光芒。而 10 微米测量中，需要更加“厚重”的大气才能挡住恒星的光芒，也就是光可以透过更深层的大气，对应于地球人的观测，就是会看到更小的行星。

所以通过看不同波长的行星的大小，就可以知道行星有没有大气了。

大气层的成分

现在用的方法是分析光谱。光谱有多种，例如透射光谱（有个背景光源，光线透过被观测的物体形成的光谱），发射光谱（被观测物体本身的热辐射或者其他能级跃迁造成的辐射）等等。

S. Seager

当行星运行到地球和恒星之间的时候，地球人可以看到行星大气的透射光谱+恒星的光谱，而当行星运行到快要进入恒星背面的时候，地球人可以看到行星大气的发射光谱+恒星的光谱，当行星再继续，完全被恒星挡住，只能看到恒星的光谱。这样前面两组光谱减去第三组，如此就可以分辨行星的透射光谱和发射光谱。

有了光谱，就可以通过已知的不同分子对光谱的吸收来分析行星大气的成分。

还是用前面那张图：

Burrows 2014

因为光在大气中运行的时候，会遇到很多事情，

分子原子的电子跃迁会产生不同的谱线；
分子的转动-振动谱线；
散射，包括瑞利散射（散射粒子远小于光波长）和米散射（散射粒子大于光波长）。

这样总有些特征性的谱线，例如能级跃迁的谱线，这些是特征性的。然后拿观测到的谱线跟已知的上面这张图对照，就可以发现什么。

当然，真正的数据处理是很复杂的，需要考虑具体的 radiation transfer，然后考虑污染问题等等。而且获取的光谱数据本来就不干净，数据处理就更难了。

另外需要提到的是，光谱的方法不仅仅限于凌日/星法，其他的方法也行，只要拿到光谱就行。

水及其他

一个比较有趣的话题是，系外行星上有没有水（或水蒸气）。

绿线是水蒸气的吸收谱。wikipedia

在 2007 年的一篇 Nature 文章中 ²，他们用了 0.9~1 微米的吸收谱。

总之，可以通过看谱线来分析是否含有水分子。甚至可以分析云层、雾气、冰霜等等。

另外，通过看一些特定的分子的丰度，例如四氟化碳，CCl3F，CFC 类等等，可以外星分析类似地球上工业文明的可能性。³

更多的更详细的介绍请参考星际移民中心的《系外行星文档》。 ↩
论文的 arXiv 链接：arXiv:0707.3064 [astro-ph] ↩
Detecting industrial pollution in the atmospheres of earth-like exoplanets: arXiv:1406.3025 [astro-ph.EP]. ↩

在火星上如何通过星空辨别方向

2014-10-16T00:00:00+00:00

首先要说明白的是，星空上用来辨别北方的位置并不是一成不变的（因为岁差），例如地球上在古希腊时期北极星是小熊座 beta 星又称北极二或帝星，而在将来的公元 16000 年，地球上的“北极星”就是织女星了。

同样的事情在火星也是成立的。不过作为一个示例，我们可以讨论地球上公元 2014 年，也就是火历二十四年的情况。那时候火星上并没有一个像当时地球上北极星这样的亮星来作为指极星。但是只需要找到天津四和仙王座阿尔法，它们连线中点（图中橙色的圆点）始终指向北。

找到天津四和仙王座阿尔法，它们连线中点（图中橙色的圆点）始终指向北。图片制作使用了 Stellerium.

作为一个有趣的补充知识，在大约公元九千年，在地球上找北方的方法，就跟上面一样了！