我们能成为火星人吗？
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火星是太阳系中自内向外的第四颗行星，也是目前所知离太阳最远的类地行星。随着水星和金星表面存在生命的想象相继破灭，火星成了地球以外的太阳系行星中表面存在生命的最后希望。这一特点正是过去几十年人们对火星的兴趣经久不衰的主要原因之一。
迄今为止我们尚未在火星上探寻到生命存在的任何确实证据。那么将来会如何呢？一种可能性是：在不太遥远的将来，火星上就会出现生命，而且是高等生命。
当然，读者们想必猜到了，我指的是人类自己——在不太遥远的将来，人类有可能登陆火星、建立基地；更长期地讲，则有可能向火星 移 民 甚 至 将 火 星“ 地 球 化”（terroforming）。因为哪怕火星上连最原始的生命都不存在甚至无法存在，它也依然是除地球以外太阳系行星中环境条件最接近地球的，是人类向其他行星移民的首选之地。
事实上，很多科学家早就在研究载人登陆火星的可能性了。1989年7月，这种热情延伸到了国家领导人的层面上，美国总统老布什（George H. W. Bush）在阿波罗登月20周年的纪念讲话上提出了包括载人重返月球及载人登陆火星在内的所谓“太空探索倡议”（Space Exploration Initiative）。2004年1月，美国总统小布什（GeorgeW. Bush）重申了父亲的倡议，取名为“太空探索新图景”（New Vision for Space Exploration）。2010年，又一位美国总统奥巴马（BarackObama）也发表了热情洋溢的讲话，展望了于21世纪中期完成载人登陆火星计划的前景。而最近热映的影片《火星救援》（The Martian）则把载人登陆火星的时间定为了21世纪30年代，并且将公众的热情推上了高潮。
当然，影片是不能当真的，而政治层面的倡议则既不能不当真，也不能太当真——因为载人登陆火星那样的计划若要实施，离不开政治层面，但另一方面，那样的计划并非单纯取决于总统，而且计划的长度将大大超出单个总统的任期，从时间上讲也绝非单个总统的倡议所能决定。昔日的超级超导对撞机（Superconducting Super Collider，SSC）的下马就是例子。
虽然载人登陆火星计划能否启动，何时启动，都还是未知数，但很多人在憧憬着那一天，很多机构也在进行着可行性研究，其中包括美国国家航空航天局。1998年，美国航天工程师祖布林（Robert Zubrin）等人甚至组建了一个称为“火星学会”（Mars Society）的组织，专门研究诸如建立火星基地的可行性那样的课题，该组织的成员和支持者分布在几十个国家，其中包括了有专业学历或经历的科学家、工程师及宇航员等。当然，这方面所有的研究或设想都还或多或少停留在“纸上谈兵”的阶段，并且限于领域的特殊性，在同行评议等方面还难以达到如主流学科那样的严谨性。因此，对我们下面将要介绍的这方面的信息需多存怀疑之心，莫要当成定见——哪怕只是目前意义上的定见。如果有一天载人登陆火星乃至建立火星基地等计划真的进入实施阶段，显然会有更正式也更高水平的研究和实验。但在目前，我们只能用下面这些信息来解解馋了。
载人登陆火星的第一步当然是飞往火星，跟飞往月球的区区三天左右的单程飞行不同，火星虽是地球在行星世界里的邻居，串个门可不容易。飞往火星的轨道有若干选择，其中最节省燃料的是1925年由德国科学家霍曼（Walter Hohmann）提出的所谓霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）。
这个轨道的主体部分是近日点与地球公转轨道相切，远日点与火星公转轨道相切的椭圆轨道的一段。简单的计算表明，沿霍曼转移轨道飞往火星的单程飞行时间约为8个半月，这样的飞行时间对无人探测器来说这不算什么，一旦考虑载人可就成为大问题了，因为这段时间内宇航员所需的食物、氧气等都不是小数目，对于每千克载荷都极其昂贵的行星际飞船来说实在是不可承受之重。除此之外，沿霍曼转移轨道前往火星要求飞船抵达轨道远端时恰好能与火星相逢，这样的条件平均每两年多才会满足一次，从而意味着一旦发生什么事，比如像影片《火星救援》中那样需要向火星上的宇航员提供额外补给时，后续飞船不是随时能够出发的。当然，若不惜多花费燃料，则条件可以放宽，但前提是要有更大推力的火箭。
一旦飞往火星的问题被解决，下一步就轮到建立基地了。这方面需要考虑的因素也不少，首先是能源。在影片《火星救援》中，能源主要是由太阳能板提供的，这与普通航天器的能源机制相同，也是相对来说比较现实的。但缺点也是有的，比如由于离太阳更远，火星表面的光照逊于地球，一旦遭遇沙尘暴，光照还会剧降。更糟糕的是，火星由于引力较弱，且没有植被和液态水，大气中的浮尘远不像地球上那样容易“尘埃落定”，沙尘暴持续数周乃至数月都是不鲜见的，这对于太阳能发电来说意味着很大的不稳定性。
除去太阳能发电还有别的选项吗？人们设想过一些，但也各有各的缺陷。比如核能发电不受环境影响，但除非能显著小型化，否则起码在建立早期基地时是完全不现实的。利用火星地热也是一种可能性，火星因质量较小，核心不会像地球核心那么热，但毕竟是一个行星级的天体，核心毫无疑问仍是相当热的。但这种“热”是否能抵达地表附近被利用却是很大的未知数，而且是不太乐观的未知数，因为从目前的了解来看，显示浅层地热的诸如活火山那样的东西在火星上可能已绝迹数百万年了。虽然这不足以严格排除利用地热的可能性，但除非事先得到探明，否则是不能依靠的。总体来说，可以确定的是：无论哪种能源，起码在一开始都会是紧缺的，像影片《火星救援》那样在无人外出时还开着基地外的探照灯是很奢侈的。
建立基地需要解决的另一个问题是密闭。
由于火星表面的气压只有地球表面气压的0.6%左右，且主要成分是二氧化碳（约占95%），无论压强还是成分对人类都是致命的，因此火星基地必须密闭且充有适合人类的空气。
在影片《火星救援》中，火星基地内的气压被显示为12.46PSI，约相当于地球表面气压的85%，或相当于地球上海拔1300m处的气压，无疑是相当舒适的。但在这种气压下，基地发生爆炸事故后主人公沃特尼（Mark Watney）用塑料布封闭基地就有点不对劲了，除非那貌似塑料布的东西每平方米能承受相当于地球上8.5吨物体的重量！实际上，考虑到在火星上维持空气的不易，保持如此高的气压实在是舒适得太过奢侈了。在“火星学会”的设想中，火星基地内的气压大约有5PSI就够了，这相当于地球上海拔8200m处的大气压。这当然是不够舒适的——在高度上几乎赶上珠穆朗玛峰了（不过除气压相近外，其他方面——比如温度要舒适得多，更不会有冰雪），但行星探索——起码在早期本就是一种挑战极限的行为，就像火箭发射时宇航员需要承受很大的加速度一样，在居住上也很难把舒适当成追求。
说到火星大气，还有一点可以补充，那就是它虽不能供我们呼吸，有一个作用却不容小觑，那就是对来自太阳风乃至太阳耀斑的带电粒子流产生一定的阻隔作用。因为火星大气对这种粒子流的阻隔作用相当于厚度21cm以上的水，虽不能跟地球大气相提并论，却也并非无足轻重。不过另一方面，由于火星表面的大气密度只有地球表面大气密度的1.6%，因此成为气流时蕴含的能量要小得多。具体地说，火星上的风速要达到地球上风速的8倍，才能在破坏力上赶上地球上的风，因此火星上的风或沙尘暴的破坏力比地球上的飓风差远了。比如每小时100km在火星上算是比较高的风速了，破坏力却仅相当于地球上介于“轻风”和“微风”之间的每小时12km的风，哪怕考虑到火星表面的引力较弱，从而由物体自重产生的抗风能力较弱，像《火星救援》片首那种恐怖的大风也是基本不可能的。
建立火星基地还有一个要素是水。
经过这么多年“跟着水流走”的探测，这方面的情况可以说是比较明朗了：火星上的水基本处于冰冻状态，但总量是巨大的，若全部融化的话，足可覆盖整个火星十几米甚至几十米。从分布上讲，除极地有巨大冰帽外，火星土壤里也很可能含有质量比例为百分之几的水，使基地的选址几乎不受水资源约束。火星堪称丰富的水资源，以及可阻隔部分辐射的大气，使它被很多人视为了比月球更适合移民的星球，而这方面的兴趣，也正是火星探测“跟着水流走”的另一个重要动机。
那么氧气呢——或者更一般地——如何维持包括氧气在内的生命必需物质的循环呢？
这方面人们也作了考虑，主要的设想有两类。一类是所谓的生物系统（biological system），即通过植物产生氧气，以人或动物的排泄物为肥料或用微生物分解排泄物，等等。这实际上是地球生态系统的微缩，它的最大问题是可靠性不高，一旦生物循环失调，比如某个物种死亡，就可能造成严重后果。事实上，20世纪末科学家们在地球上尝试过的所谓“生物圈二号”（Biosphere 2）计划，就是设图建立一个这样的生物系统，结果失败了。从规模上讲，“生物圈二号”显然要比初期的火星基地大得多，从而回旋余地也大得多，它的失败表明在火星上采用同类系统的风险是很大的。另一类则是所谓的物理化学系统（physical-chemical system），它包括诸如以电解的方式从二氧化碳或水中获取氧气等手段。这种系统的好处是可控性及可预测性都很高——毕竟我们对物理化学的了解要比对生物的了解深入得多，从而起码在初期应该是更可靠的。
虽然生物系统作为生命必需物质的循环缺乏可靠性，但若是长期逗留的话，作为一种辅助恐怕仍是需要的，起码适当地种点庄稼可能是必不可少的，因为从地球往火星运东西毕竟太困难、成本也太高，宇航员必须学会点“自力更生”。这种“自力更生”从荣誉感的角度讲也是有一定吸引力的，就像影片《火星救援》的主人公沃特尼所说的：“如果你能在一个星球上种庄稼，你就算正式完成了对它的殖民。”
那么，火星上能种庄稼吗？按“火星学会”的估计，答案是乐观的。比如庄稼所需的矿物质在火星土壤里大都也有（虽然具体比例与地点有关），通过适当的选址，再以肥料的形式补充某些含量偏低的元素，在火星土壤里种庄稼从理论上讲是不成问题的。而且庄稼对气压的要求比人类低得多，只需0.7PSI（约相当于地球表面气压的5%）就能存活。当然，你的“庄稼棚”若真的维持如此低的气压，则虽对棚子的强度要求可大大降低（因为内外气压差比较小），你自己每次进入却必须穿上宇航服，是很不方便的。因此也不排除像影片《火星救援》中那样采用与基地相同的气压，以方便进出。当然，理论无法代替实验，这方面今后需要尝试的工作之一，也许就是用无人探测器在火星土壤里真的种点东西，或将火星土壤带回地球来做实验。初次用火星土壤种出任何东西——哪怕在地球实验室里都将是一个激动人心的成果。
一旦初步的火星基地取得成功，下一步也许就是“扩容”，相应地，开采矿产、冶炼金属等也将被提上议事日程，使火星基地越来越自给自足。再往后，则也许就轮到向火星移民了，而最终则不排除把火星“地球化”，包括改造它的大气，通过适当的温室效应提高它的表面温度，等等。如此，则渐渐地火星将成为人类的星球，人类将成为火星人。
不过也别太乐观了，这种前景除了要面对技术和资金上的诸多困难外，在政治上也绝非没有反对意见。比如有些人就主张要保持火星的原生态，不能用地球生物来“污染”火星。跟持这种主张的人辩论当然不会有结果的——就像很多其他政治辩论不会有结果一样。不过换个角度思考也许会不无助益：载人登陆火星、向火星移民乃至将火星“地球化”若成为事实，乃是宇宙中一个星球上的高等生命向另一个星球自发扩散的现象。若联系到“稀有地球假设”，认为高等生命在宇宙中也许是稀有的，或即便不像“稀有地球假设”所认为的那样稀有，起码要比低等生命稀有得多，则那样的扩散也可视为是宇宙演化过程中的一个奇迹，远比像火星那样的行星珍稀得多，我们难道不该对这种更珍惜的奇迹给予更多的支持吗？
关于火星我们就谈到这里。总之，火星是一个令人期待的行星，不仅是除地球以外人类最有可能栖居的行星，而且人类踏足火星的那一天有可能是我们这代人都看得见的，这是足令人翘首期待的。
作者简介：
卢昌海 1971年出生，物理科普作家，软件工程师。1991 - 1994年就读于复旦物理系。1994被哥伦比亚大学物理系录取，在《PhysicalReview Letters》《Physical Review D》等专业杂志发表四篇论文，于2000年获博士学位。之后改行从事计算机工作，并从事网站建设和科普文章撰写。在《现代物理知识》发表八篇高级科普文章，另在《中国青年报》等多家报纸或杂志发表过科普作品，在清华大学出版社出版科普专著《寻找太阳系的疆界》，对物理和天文方面的中文科普形成较大影响。
本文摘编自卢昌海著《经典行星的故事》（ 责编：杨 凯）第4章，内容有删减。
（本期编辑：安 静）
经典行星的故事
卢昌海 著
北京：科学出版社 2017.01
ISBN 978-7-03-050824-9
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