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▎科学和技术书籍摘录

离开太阳系

©Calaidaoxiong/文字

Michio Kaku

©Li Zhanping/翻译

火星：地球后花园

在2015年发行的电影《火星人》中，马特。达蒙（Damon）扮演的宇航员遇到了一个前所未有的挑战：一个冰雪奇缘，孤独和无气的星球独自生存。他不小心被队友抛在后面，手头的补给只能持续几天。他必须鼓起勇气，利用自己的所有知识和技能，直到救援队回来接他为止。

这部电影非常现实，让公众了解了移民到火星的问题：例如，一种凶猛而恐怖的沙尘暴 - 像滑石粉一样薄的红色尘埃，在整个星球上扫过，几乎翻倒了航天器。火星的大气几乎完全由二氧化碳组成，大气压力仅为地球的百分之一。如果宇航员意外暴露于火星的稀薄空气中，他们将在几分钟之内窒息而死，他们的血液将开始沸腾。马特，要为自己创造足够的氧气，可以呼吸。基因必须在加压空间站中产生化学反应。

此外，由于食物很快消耗了，剩下的很少，因此他不得不尝试建造一个私人菜园。为了施肥，他甚至不得不使用自己的排泄物。

一点点，Mission Mars宇航员痛苦地痛苦地执行所有必要的步骤，以在火星上建立生态系统，并试图养活自己。这部电影还使我们能够详细描绘新一代的形象。实际上，仍然有一个没有短暂而有趣的人类“火星情节”的时期，可以追溯到19世纪。

1877年，意大利天文学家乔瓦尼（Giovanni）。 Giovanni Schiaparelli注意到火星表面上的奇怪线性图案，似乎是自然形成的，因此他称其为“ canali”（意思是yiwen中的“水道”）。但是，当后代将意大利语翻译成英文时，他们最终将“ i”一词放在最后，并错误地将其植入了“运河”（英语中的“运河”的含义），其含义是“ NUM”一词相距108,000英里 - 自然形成的“水通道”成为人造的“运河”。一个简单的翻译误差演变成一个零散的猜测和期望，最后导致了“火星”神话。

然后，古怪且充满钱包的天文学家帕希瓦（Pashiva）古怪。珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell）开始构建一种理论，认为火星正朝着死亡，绝望的火星人挖了运河，并试图从极端的冰盖中引入水来灌溉像焦土这样的田野。罗威尔（Rowell）致力于这种猜想，并致力于当时在亚利桑那州沙漠的弗拉格斯塔夫（Flagstaff）建造一个非常先进的天文台。 （但是，他从未确认火星上有运河。几年后，火星漫游者会透露那些“运河”只是视觉幻觉。话虽如此，罗威尔天文台在其他领域取得了巨大的成就，例如发现冥王星，并且第一个指出宇宙可能正在扩大。）。

1897年，HG Wells撰写了科幻小说《世界战争》。小说中的火星人打算摧毁人类和“火星”地球，希望使地球的气候与火星完全相同。这本小说创造了一种新的文学类型，或“火星袭击”，最初仅限于专业天文学家圈子的闲置谈话，并突然成为世界上关注人类生存的重大事件。

1938年万圣节前一天，奥森。奥森·威尔斯（Orson Welles）摘录了小说《世界大战》，并将其改编成一系列夸张和现实的无线电短剧。实时的现场表演似乎是对火星人的恶意入侵。因此，有些人开始惊慌失措，并仔细听取了火星入侵的“最新消息” - 地球的力量如何被致命的光束擦除。火星人的巨人“三足飞机”聚集在纽约市，恐惧的观众传播了谣言，谣言迅速散布在美国。后来，混乱终于结束了，主流媒体也发誓要不做这种非常现实的恶作剧。今天仍在追求该禁令。

许多人感染了这种火星恐慌或狂热。卡尔，当时还很年轻。萨根（Sagan）完全对与约翰（John）等火星有关的小说着迷。约翰·卡特（John Carter）的火星系列。 1912年，埃德加（Edgar）以“塔尔赞”（Tarzan）系列著名。莱斯。埃德加·赖斯·伯劳斯（Edgar Rice Burroughs）开始尝试科幻小说，写了一个关于“内战期间美国士兵被传送到火星的故事”。由于火星的重力比地球弱，因此Burroughs将“ John Carter”视为超人 - 他可以轻踢跳远，并与外来的“ Tharks”作斗争，并拯救了美丽的Dejah Princess Dejah Thoris。文化史学家相信约翰。卡特的超级大国定义塑造了超人故事的基础。作者在1938年出版并首次亮相的动作漫画中，将这种超级大国归因于重力 - 地球的重力比超人的父母巨星K k弱得多。

火星上的生活

科幻小说中的“火星上的设置”似乎很浪漫，但实际上非常令人沮丧。为了成功地在火星上立足，其中一种策略是在现场使用资源，例如“冰”。由于整个火星都被冻结了，因此您可能必须这样做，只能拼命地挖掘。您只能在深入几米之后触摸永久冻土层，然后可以挖出冰并将其融化并净化以饮用水或提取氧气（用于呼吸）和氢（用于加热和火箭燃料）。为了抵抗辐射和沙尘暴，殖民居民可能不得不挖山，钻岩石并建造地下庇护所。 （火星气氛太薄，磁场很弱，因此无法像在地球上那样吸收或折射空间的辐射，因此这确实是一个大问题。）或者，我们可以使用火山附近的巨大熔岩通道（如前所述）来建造第一批火星基地。鉴于火星上有许多火山，因此这种渠道应该足够。

火星的“日”大约与地球上的一天相同，而火星轴相对于太阳的倾斜度幅度也与地球轴的倾斜度相似。但是火星居民必须尝试在这里习惯重力（只有40％的地球），就像在月球上一样，他们必须进行很多强烈的运动，以避免肌肉骨骼萎缩和变性。此外，火星居民还必须面对严重的寒冷气候，并且必须找到不要始终冻结死亡的方法。火星上的温度很少高于冰点。太阳下​​山后，温度可能会急剧下降至负127摄氏度。因此，如果发生停电或任何电源问题，它将威胁生命的安全。

即使由于上述障碍，我们可以在2030年成功执行第一批载人火星任务，也有可能在2050年或更晚之前收集足够的工具和必需品，以在火星上建立永久的外星据点。

火星上的运动

“使用运动来预防肌肉萎缩”对火星至关重要，因此宇航员必须进行大量剧烈运动。但是他们可能很高兴发现他们实际上拥有超人超级大国。

但这意味着火星上的运动场所必须重新设计。火星的重力仅占地球的重力。任何在火星上扔球的人都可以将距离地球上的距离远离三倍。因此，必须扩大棒球场的大小，其基准袋的位置，甚至足球场的大小。

此外，由于火星的大气压力仅占地球的压力，因此棒球和足球的空气动力学将大不相同，最大的影响是“球控制精度”。在地球上，一流的运动员已经努力工作了很多年，并发展了一种神秘的精确球控制技能，因此他们获得了一百万美元的合同，并且该技能与控球的“旋转方法”有关。

当球在空中移动时，它会导致气流干扰。这些小的旋风（涡旋）将稍微改变球运动的方向并降低其速度。 （以棒球为例，棒球缝合线会导致涡旋产生，这决定了球旋转的方式。高尔夫球在球形表面上使用小凹陷，而美式足球则取决于球的连接方式。）

足球运动员将球投掷，让球在螺旋路径上迅速在空中旋转。旋转可减少球形涡流，使其可以更准确地通过空气绘制，并尽可能不间断地移动更长的距离。此外，快速旋转的足球就像一个小陀螺仪，可以稳定相同的方向，使球在正确的路径上移动，并且队友更容易接球。

应用相同的气流原理，许多棒球神话也可能是正确的。所有年龄段的年龄段是棒球投手声称能够投掷“指关节球”和“曲线球”来控制球的运动轨迹，这似乎违背了常识。

但是，缩短的图像记录表明此语句是正确的。如果可以最大程度地减少棒球后棒球的旋转次数（例如蝴蝶球），则可以将气流干扰最大化，并且棒球不规则地移动。当棒球迅速旋转时，整个球将朝某个方向移动，因为球体的一侧的气压大于另一个方向（此动作称为“伯努利的原理”。

一般来说，对于来自地球的世界一流运动员而言，火星上的大气压力低可能会导致他们失去控制球的能力，但也许它也会产生另一个新一代的火星运动员。如果您精通地球运动，那么您可能不擅长搬到火星。

如果您一一认识到奥林匹克赛事，那么您肯定会发现每项运动都必须考虑火星的重力和气压弱，并无一例外地重新调整规则。实际上，新的“火星奥运会”可能诞生了，也许它将包括在不符合地球物理条件的“极端速度运动”等新项目中。

火星的身体状况也可能使某些运动更具艺术性和优雅。以精美的滑冰为例。在地球上，跳跃后只能在空中旋转四次，而且没有人取得“五重奏跳跃”。这是因为玩家的跳跃高度取决于“重力强度”和“起飞速度”。在火星上，由于重力减弱和气压减轻，精美的溜冰者肯定会跳三倍，表现出令人叹为观止的跳跃和旋转技巧。体操运动员可以跳入空中并在地球上进行惊人的旋转，因为它们的肌肉力量大于其体重。当您来到火星时，体重会减轻，肌肉力量远远超出了体重。您应该能够执行没人见过的空中旋转。

火星旅行

在宇航员掌握了火星生存，生与死的基本原理之后，他们可以开始享受红色星星的令人愉悦而美丽的回报。

由于火星的重力很弱，它的大气很薄，没有液态水，因此火星上的山脉比地球上的山更雄伟。火星上的奥林巴斯·蒙斯（Olympus Mons）是太阳系中最大的已知火山：它比珠穆朗玛峰峰高两到五倍，并且区域非常宽。如果它位于北美，它可以从纽约，美国延伸到加拿大蒙特利尔。火星上的弱重力场意味着登山背包将不再是沉重的负担，登山者也可以表现出强大的耐力，就像月球上的宇航员一样。

还有三个较小的火山在一条直线上排成一列，靠近奥林巴斯。这些小火山及其地点表明，火星曾经在远古时代发生板块运动。我们使用夏威夷群岛来说明：地球太平洋下有一个稳定的岩浆池。岩浆产生的压力将定期向上推动，导致岩浆穿透地壳，并在夏威夷岛的连锁店上产生新岛屿。但是，火星的盘子运动似乎已经很久以前结束了：火星的核心冷却是最明确的证据。

Mariner Valley是火星上最大的峡谷，也应该是太阳系中最大的峡谷。如果您将峡谷搬到北美，您可能可以从纽约到洛杉矶一路跨越。远足的爱好者在美国见过大峡谷，如果他们看到了如此庞大的外星峡谷，他们会感到惊讶。但是，水手峡谷与大峡谷不同，这并不是由于河流穿过而引起的。最新理论指出，这座宽度超过4,800公里的峡谷与美洲的圣安德烈亚斯断层相似，并且位于两个板块的交界处。

但是，顶级旅游景点可能是红色星星的两个巨大冰盖。它们的特征由两种类型的冰组成，它们的组成与地球上的冰不同。第一种成分是“冻结水”，它是火星的固定地面，几乎全年保持不变。另一种成分是干冰，即固体二氧化碳，它将随着季节性变化而扩展或收缩。在夏季，干冰蒸发并消失，仅留下由冰块制成的冰盖，这将导致一年中极端的冰盖变化。

与地球表面特征的不断变化相比，在过去的数十亿年中，火星的基本地形几乎没有变化。因此，我们找不到可以与火星相对应的地球上的任何地形 -​​ 包括很久以前留下的数千名巨型陨石坑。地球也有这种大小的陨石坑，但大多数人被水流侵蚀和擦除。此外，由于板块的运动，地球的地貌将每千万年度骑自行车，所有古老的陨石坑都已重生为新的地形。但是看火星，这似乎是随着时间的流逝而冻结的。

实际上，在许多方面，我们比地球表面更了解火星地面。地表的大约四分之三被海洋覆盖，而火星没有海洋。我们在火星周围发送的各种探针总是可以以一英寸的形式拍摄火星表面的照片，提供了火星地面的各种细节：将冰，雪，尘埃和沙丘结合在一起，火星创造了地球从未见过的各种新的地质地面。越过这样的新颖的火星土地无疑将是所有远足爱好者的梦想。

但是，从旅游景点的角度来看，火星上的尘埃饱满的尘埃魔鬼可能是一个明显的致命伤害。火星在火星上非常普遍，几乎每天都在沙漠地区扫荡，甚至可能超过珠穆朗玛峰，使地球同伴的兄弟倍增，而地球的兄弟只会扬起风和沙尘暴。此外，还有像行星一样巨大的猛烈沙尘暴，例如沙滩，覆盖了整个火星数周。但是，由于火星上的压力低，这种暴风雨很少造成损害：每小时数百公里的“强风”感觉与微风相似，速度为每小时五到六公里。当风吹时，可能会很烦人。它总是将一堆细沙子吹入太空西装，仪器或车辆，导致操作或故障差，但永远不会吹嘘建筑物和建筑物。

火星的空气稀薄，因此飞机可能需要更大的翅膀才能在火星的天空中飙升。如果飞机由太阳能提供动力，则需要大部分车身来安装太阳能电池板，但是由于成本太高，因此不得在旅游业中使用。因此，在火星上可能看不到“飞越大峡谷”的场景。话虽如此，如果可以克服低温和低大气压的问题，则可能是相对发达的气球和飞艇。与轨道航天器相比，乘坐气球或飞艇可以使游客在距离更远处探索火星地面，并参观各种各样的地区。将来有一天，气球或航天器群可能会成为火星地质奇观的规范。

火星，伊甸园

为了确保人类永远不会从红色星星中脱颖而出，我们必须找到在这座不可居住的土地上创建伊甸园的方法。罗伯特。 Zubrun是一名航空航天工程师。除了为两家公司工作，马丁·玛丽埃塔（Martin Marietta）和洛克希德·马丁（Lockheed Martin）以及火星协会的创始人多年来一直热衷于提倡红星殖民计划，目的是说服公众慷慨捐赠和注射载人的火星任务。过去，他曾经很难找到一个灵魂伴侣，不能独自说话，但是现在，政府和私营企业都一直在向他寻求建议。

我曾多次拜访过Zubrun博士，每次我看到他表现出热情，能量和全心全意的奉献精神。我问他如何迷上太空，他告诉我，当我读过科幻小说时，我小时候就开始了。早在1952年，他就看到冯·布劳恩（Von Braun）解释了十个航天器是如何聚集在地球轨道上的，并执行了太空任务，将70名太空船员运送到火星，他也对此着迷。

我问医生，他如何将对科幻小说的投注的热情转变为终生探索火星的愿望？他说：“这实际上是因为Spnick。” “在成人世界中，斯普尼克的成功令人恐惧。但这对我来说是如此令人兴奋和快乐。” 1957年，世界上第一个成功发射的人造卫星吸引了他的心，因为这意味着他读过的小说很可能成真。 Zubrun坚信科幻小说有一天将成为科学事实。

Zubrun属于“从头开始观察美国并逐渐成为地球上最活跃的太空力量”的一代。后来，越南战争和政治内斗逐渐消耗了人们对政府的期望，因此月亮逐渐散步成为一个遥远而微不足道的梦想。削减预算，取消了计划，尽管公众舆论反对太空计划，祖布伦仍然坚持认为火星应该是美国太空计划时间表的下一个里程碑。 1989年，布什总统宣布，他将于2020年登陆火星，誓言短暂引起了人们的热情和想象力 - 但持续了不到一年。因为研究表明，该计划的资金估计高达400亿美元。美国人感到恐惧。火星任务再次被抛在后面。

Zubrun在人民中徘徊了很多年，主张他的雄心壮志并寻求支持。在理解公众无意支持超出预算之外的任何政府计划之后，祖布伦提出了几种创新但实用的殖民方式。在此之前，大多数人从未认真考虑过“投资未来太空计划”的问题。

祖布伦（Zubrun）在1990年提出了“火星直接”计划，并将任务分为两部分，以节省成本。首先，无人飞机暂时命名为地球返回车辆被送往火星。返回火箭仅携带少量的氢（8吨），这将与火星大气中无限量的二氧化碳供应结合在一起，并通过化学反应产生近112吨甲烷和氧气，提供足够的燃料，使火箭继续下一个回归旅程。制造燃料后，地球上的宇航员立即乘坐另一架飞机，火星栖息地单元，但只携带可以到达火星的单向燃料。宇航员降落在火星上，完成了科学实验，离开了火星小屋，进入了第一个任务的“返回火箭”，并使用了新合成的燃料将火箭送回地球。

一些批评家听说，祖布伦实际上只提倡单向宇航员到火箭的单程门票，就好像他们希望他们在红色星星上死亡一样，因此他们感到非常震惊。 Zubrun仔细地解释了这一点，表明可以直接在火星上制造返回燃料。但是他会再加上另一句话：“生活就像是单程票。使用这张门票去火星，建立人类文明并使其发芽也是一种使用方式。”他认为，五百年后的历史学家可能不记得21世纪的所有微不足道的战争和冲突，但他们一定会写一张人类的纸条，以便人类在火星和欢呼声中创造一个新世界。

从那时起，NASA就将“直接击中火星”的战略观点纳入了改变火星计划的基本原理，优先考虑成本，效率和现场材料。 Zubrun的火星社会公司也确实建立了火星基地的原型。他们选择在美国犹他州建立火星沙漠研究站（MDRS），理由是当地环境最适合模拟红色恒星的自然状况：低温，荒漠化，贫瘠，无动物和植物。 MDR的核心是一栋两层楼的圆柱建筑，可以由七个团队成员使用。还有一个星星观察者。 MDR公开招募愿意进入研究站两到三周的志愿者。这些人受过培训可以承担一定的责任和义务，例如进行真正的宇航员 - 例如进行科学实验，维护和维护，观察和记录等。该机构希望尽可能地创建与真实的火星经验，并利用它来测试当人类和相对奇怪的伴侣与世界隔离的情况下，在心理层面上会发生什么变化。自2001年MDR推出以来，有一千多人通过了试点计划。

变形火星

根据MDR和其他几个计划的经验，Zubrun认为，火星殖民计划应按时间表的可预测顺序执行。他认为，殖民计划的第一个任务是建立一个可以容纳二十至五十名宇航员的火星基地。有些人可能只停留几个月，而另一些人可能会呆在余生中，并将基地视为他们永恒的家。如果他们适应一段时间，他们的自我决心将逐渐从“宇航员”变成“移民”或“殖民者”。

一开始，大多数供应都必须从地球上发送。一旦第二阶段进入，火星上的移民人数增加到数千人，他们就能开发和利用当地资源。火星沙土是红色的原因是它含有氧化铁（Rust），因此火星移民可以锻造铁和钢进行工程建设。至于电力，它来自由大太阳能收集场存储的太阳能，火星大气中的二氧化碳可用于种植植物。因此，火星转向自给自足，适合生活。

下一步是整个计划中最困难的一步。有一天，火星移民将不得不探索“缓慢加热大气”的方法，以使红色星星在30亿年内首次流动液态水。只有水才能有农业，然后建造城镇。该计划也进入了第三阶段，使新的文明能够在整个地球上蓬勃发展。

大致估计，变换火星的成本非常昂贵，我们目前负担不起，该计划将需要几个世纪的时间才能完成。但是，地质证据表明，火星，雕刻的河床，绘画和切割河岸，甚至像美国这样的巨大古老海洋的表面上曾经有大量的液态水，这确实使我们非常感兴趣和充满希望。数十亿年前，火星开始在地球领先一步。虽然地球仍然只是一堆熔融岩浆，但所谓的“热带气候”出现在火星上。一些科学家曾推测DNA起源于火星。在他们描绘的版本中，火星被巨大的陨石击中，导致大量碎屑溢出到太空中，其中一些掉落到地球上，火星DNA也发芽。如果这个理论是真的，如果您想看到火星人的风格，则只需要照镜子即可。

Zubrun指出，转变火星并不是一个全新或特别奇怪的过程。毕竟，DNA继续改变地球。生活一直在重塑地球的生态系统，并深入到各个层次，从大气组成，地形甚至海洋生态学到这一类别。因此，当人类准备在将来改变火星时，只需遵循大自然所写的脚本即可。