“太空茫茫，横无际涯。你简直无法想象它多么辽阔，巨大，浩瀚。你会认为成为化学家要走过一段，漫长的道路，与太空相比，这太微不足道了。”
——道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）
《搭车人银河系指南》
宇宙茫茫，浩瀚无垠。事实上，我们绝大多数人根本无法去
想象宇宙究竟有多大。许多人混淆了行星际距离、恒星之间的距
离，他们无法想象星系之间难以想象的间距。
评论员们经常把我们太阳系称做“外层空间”。这种说法实
际上是荒谬的。顾名思义，我们的太阳系是当地的一个行星家族。
它所有的行星都在不同的距离上环绕太阳转动。水星最靠近太阳，
平均距离为4500万千米，冥王星离太阳最远，距离太阳大约d亿
千米。①地球，还有水星、金星和火星被称做内层行星，而木星、
土星、天王星、海王星和冥王星称为外层行星。
现在，说起上亿千米令人咋舌。这种距离对我们今日而言确
实相当惊人。其实，我们太阳系的大小与星际旅行的距离相比实
在是微不足道。让我们作个比拟。设想一个气泡，比方说，直径
3~ 4厘米。再想象这个气泡是一群微小生物的家，它们就生长死
亡在这个气泡里。现在假想这个气泡随溪水流人河流再汇人大海，
最后落在太平洋当中。这就好比我们太阳系的大小（气泡）在我
们这个星系——银河系（整个太平洋）里的情况。现在再来想象
那些小得难以置信的生物（它们的整个太阳系就在气泡里面），
正试图抵达大洋里某个地方的另一个气泡，比方说，距离它5千
米以外。这就相当于我们旅行到距离最近的恒星那儿去，它距离
我们地球大约4光年。
这个类比旨在说明恒星之间的距离要比行星之间的距离大得
多。星系之间，进而是星系家族（或者星系团）之间的间隔，乃
至整个宇宙的规模，按比例而言更是巨大无比。
星际旅行（我们极有希望有朝一日能够掌握这种技术）的主
要问题在于距离、时间和能源。由于恒星之间的距离大得难以想
象，星际旅行所需的时间相应地就很长久，任何可望克服这一限
制的系统都需要对我们而言大得切实际的巨额能量。
问题始于爱因斯坦的狭义相对论。它发表于1905年，当时爱
因斯坦正在位于伯尔尼的瑞士专利局工作。狭义相对论引用了两
个早已公认的科学原理，得出了另外一个原理。这个原理被许多
科学家和不是科学家的人认为是整个科学世界里最不可思议的创
见。
这些原理的第一条来自牛顿的研究成果。牛顿在17世纪80年
代证明，对任何相对于另一观测者作匀速运动的观测者来说，物
理定律相同。因此，如果一辆汽车里的司机和乘客在另一辆车旁
行驶（或者相对行驶），两辆车都以均匀的速度前行，那么两辆
车里的司机和乘客所见的宇宙运动变化的方式便彼此相同。这看
似浅显，却包含了重要的结果。
图14 天文学中的“大小顺序”：从我们所在的太阳系到尚
未观测到的宇宙极限。
第二个事实是在比较近的时间得出的：光在真空中的速度始
终保持不变。这个速度用符号“c”来表示，等于每小时10亿千
米有余。更为重要的是，它与观测者的速度无关。
根据常识，如果飞船A以0．75c的速度朝一个方向运动，飞
船B从对面方向飞来，速度也是0．75c，那么它们的相对速度应
为1．5c。但实际上却不是这样。根据爱因斯坦的公式，两艘飞
船上的人会看见对面的飞船，但速度不是光速的1. 5倍而是略小
于1c（确切地说应为0．96c）。
这一令人吃惊的结果是：如果c是常数，那么时间和空间必
须是相对的。换言之，如果飞船A和飞船B上的乘客看见光以恒速
从对面传来，不管他们自己的飞船速度快慢如何，他们必须用不
同的方法来测量时间——因此，当他们飞行速度加快时，时间减
缓了。此外，由于距离、时间和速度全是互相关联的，所以如果
时间减慢，那么距离的特性对飞行速度不同的观测者来说不可能
相同。换言之，在此情况下，如果我们改变时间，那么按照逻辑
推理，测量结果也必然会改变。旅行速度越快，距离就变得越短
——1米的长度将根据观测者的速度而变化。观测者运动的速度
越快，距离就越短。最后，观测者运动的速度越快，他的质量就
变得越大。
所有这些的最终结果是：如果观测者能够以光速旅行，他们
就会经历三件事——时间变慢到停滞，他们缩小到没有了，而他
们的质量却变得无穷大！
这决不是疯狂的理论或者没有丝毫根据的伪妄之说。爱因斯
坦的狭义相对论自1905年以来，已经被成千上万次实验所证实。
你也许会问，为什么以前没有人想到这个呢？为什么牛顿没有认
识到爱因斯坦推论出来的原理呢？也许，更重要的是，当我们在
高速路上行进时，爷爷怎么没有突然变得像大象那么重，当人们
站在路旁或以不同的速度运动时，大家的手表怎么始终显示同样
的时间呢？
这些问题的答案在于它们与速度的大小有关。我们之所以在
日常生活中没有注意到这种现象，是因为运动的速度还不够快。
如果牛顿想到以接近光速的速度旅行的话，他也许在17世纪就推
论出相对论了。但是，当时连光速的大小也不知道，所以我认为
牛顿是可以原谅的。
最近在一艘飞船上进行的一项实验说明了狭义相对论的结果，
显示当速度较慢时这种效应多么微小。即使以每秒钟5英里（约8
千米）这样不算很慢的速度在轨道上旅行，飞船上钟摆的节律也
仅比地球上的钟慢不到千万分之一秒。
我们目前能够达到最接近光速的速度，不是用像宇宙飞船这
样庞大的物体得到的，而是用单个基本粒子获得的。在日内瓦附
近的欧洲核子研究中心和芝加哥的费米实验室的巨大粒子加速器
里，将亚原子粒子加速到接近光速，结果发现它们的质量增加恰
如爱因斯坦的计算推测的那么大。
所以，爱因斯坦的这条定律，即没有任何物体能以光速旅行
乃是无可辩驳的法则——它是我们宇宙中的活生生的事实。因此，
我们有朝一日有望飞越星际距离的方法，要么是以与爱因斯坦的
理论不相冲突的速度旅行，要么发明某种绕过相对论而又不破坏
其法则的巧妙旅行方法——人类在过去已证明自己擅长于此。
首先，我们考虑一下我们有朝一日能够以亚光速在恒星之间
旅行。
在一个世纪的大部分时间里，这种可能性一直是科幻小说的
主题之一。最近几十年来，越来越多的科学家在考虑这种可能性。
对于大多数航天工程师和空间科学家来说，这是我们或宇宙中可
能存在的任何其他文明能够跨越星际距离的唯一切实可行的方法。
所有常规的空间推进系统（这里我指的是不利用空间本身的
某些奇异特性——诸如卷曲或蛀洞——的发动机），必须符合牛
顿的第三运动定律。这条定律是：“所有的作用力都存在一个大
小相等、方向相反的反作用力。”在这方面，飞船与喷气式飞机
或气垫船没什么两样。喷气机尾部喷射燃气，推动飞机往前进—
—原理很简单。对星际探索者来说，困难不在于这一系统本身，
而是一个量值问题。要在一个人的有生之年抵达最近的恒星，飞
船必须由一个强大的装置提供必要的加速度。
迄今为止，我们研究出来的空间交通工具全都采用化学推进
——把燃料混合在一起反应产生能量，喷射注入发动机一端的很
小的小孔，推动飞船向前进。这与喷气机的推进原理大同小异。
我们制造的空间交通工具的最大能量需求是逃离地球引力所
需的能量——要达到所谓的逃逸速度（从地球逃逸的速度大约为
11千米／秒）。这是“土星5号”火箭运送有效负载进人地球轨
道，顺利实现抵达月球的第一步所需的能量，或者说是将航天飞
机或“阿利亚娜号”火箭以及它们的有效负载送人轨道所需要的
能量。一旦进人太空，那里几乎呈真空状态，引力也弱得多，事
情就好办多了，例如飞往月球的阿波罗飞船一旦进人轨道，就只
需要相对较小的发动机和推进器从它们的排气口排出热气，调节
航线就行了。不然的话，飞船将完全任凭地球大气层外的引力摆
布。
这种形式的推进代表我们今天的水平。一些无人驾驶的飞船
利用太阳能或小型核反应器产生能量发动飞船上的机器，但化学
能目前仍然是推进系统的主要能源形式。尽管如此，下一步更精
湛的技术水平——很可能就在不远的将来——将是某种形式的人
工操纵的裂变动力装置宇宙飞船发动机。
核裂变是地面核反应堆和核潜艇的动力源，是最早的原子弹
爆炸释放巨大能量的罪魁祸首。当大量不稳定的原子核衰变时，
我们就说它们经历了核裂变，结果是释放出能量。这一能量的大
小取决于发生裂变的材料的质量大小。这可以用堪称历史上最著
名的公式计算出来（也是爱因斯坦导出的）：E＝mc2，其中m等
于物质的质量，而c为光速。
核裂变是我们今天掌握的、能够控制的最强大的能源。它在
生产供家庭、办公室和工厂用电的能源中所占的百分比日益增加。
虽然它有一定的危险性，特别是其废料（主要是钚239，它的半
衰期为 24 000年）。②尽管发生灾难事件的风险始终伴随着核
裂变，它却是一种非常适用的有潜力的能源。由于核裂变永远无
法满足在恒星之间实际旅行所需的巨大能量，因此在关于空间飞
行能源需求的探讨中，核裂变只能在其起步阶段——行星之间旅
行时起重要作用。
让我们回到气泡的比拟上来。核裂变可以帮助生活在气泡中
的微小生物抵达气泡里面的任何地方，但是，如果它们想要越过
海洋抵达另一个气泡，核裂变的价值就很有限了。如果它们漂浮
在什么地方（比方说斐济附近），却要抵达美国，那么核裂变就
彻底地无济于事了。
即使在我们太阳系以内旅行，采用核裂变也决不是一蹴而就
的事。发动飞船所需的燃料量非常之大，使飞船几乎没有可载人
或装货的地方。此外，一旦发生事故，就像前苏联的切尔诺贝利
核电站（1986年8月6日出事爆炸，后果严重）事件那样，核能的
潜在致命射线更增加了空间旅行的危险。不妨想象一下，运气不
佳的航天飞机“挑战者号”把核原料运到轨道上，作为一架正在
建造的飞往火星的大飞船的能源。尽管可以研究出比较安全地运
输到轨道的技术，但多数人肯定会对这种计划感到不舒服。
一种更加强大的核能形式来自所谓的核聚变过程。早在1989
年，两位科学家，弗莱施曼（Martin Fleischamnn）和庞斯
（Stanley Pons）宣布他们发明了一种称作“冷聚变”的技术。
它只需一对电极和一些装在罐里的普通化学试剂就行了。消息传
来，人们为之兴奋不已。不幸的是，他们的实验证明是不可重复
的，人们的注意力再度回到研究核聚变的常规努力上来。
聚变机制是太阳或任何恒星的动力源。在实验室里，聚变过
程把像氘和氚（它们是氢的重同位素）这种小的原子核聚合在一
起，产生巨额的能量。③
在几乎长达50年的时间里，科学家一直致力于研究核聚变—
—至今只取得了很有限的成功。核聚变有许多工作要做。它是一
种相对说来比较洁净的能源，因为它不使用像铀238这样危险的
放射性元素。铀238在现代快中子增殖反应堆里转变成钚239，它
具有产生远比核裂变的能量大得多的潜力。这些是该系统的优点，
不利之处是如何控制和效率的问题。
要产生核聚变，温度必须达到1000万摄氏度左右（相当于太
阳核心的温度），这样才能迫使带正电荷的原子核克服它们之间
的静电排斥力。这种聚变物质以过热等离子体的形式存在。它无
法保存在任何形式的物理容器里。此外，迄今引起聚变所需要的
能量比由此获得的能量还要远远大得多，这就意味着目前它的效
率是负的。
尽管有这一条公认的严重缺点，核物理学家还是希望能在不
远的将来解决这个问题。核聚变被视作最有希望解决日渐严峻的
地球资源危机的方法。可惜，即便是这一能源对于从地球出发的
恒星际旅行者来说用途也很有限。即使要达到光速的某个很小的
百分比，所需的聚变材料数量也大得惊人，根本无法实现。
据计算，要使一艘飞船加速到光速的5％所需的燃料几乎是
其质量的8倍。这还只是加速一次。如果飞船要停靠在目的地，
它将需要使用更多的燃料——整个质量再增大4倍。如果我们假
设往外飞行使用了一半燃料（质量为飞船生活舱和货舱质量的4
倍），另外还需要4倍于飞船质量的燃料。那么一次起飞和停泊
就需要[8×4×飞船主体质量（不包括燃料）]——或者说生活
舱加货舱质量32倍的燃料。
图15 使用核裂变和核聚变的飞船尺度大小比较。
绕过这个问题的一种可能的方法是采用聚变冲压式喷气发动
机。虽然我们把太空视为完全真空的，但实际上它含有氢原子，
它们稀疏地分布在恒星和行星之间。因此从理论上说，可以建造
一艘宇宙飞船，其一端附有很大的扇斗，收集氢原子作为燃料。
乍一看这个设计似乎根本不切实际。因为氢的分布非常稀薄
——太空中的物质太少，不能产生足够的动力。但是，假如飞船
运动得非常快，它就会像人在小雨中奔跑那样，淋得湿透，因为
他们一面奔跑一边迎着雨滴。或者说，像大海鲸一样一边游泳一
边吞食浮游生物。这样的交通工具看上去很笨拙，却能够为自己
提供动力，并以对行星际旅行来说相当可观的速度飞行。
因此，核聚变被视为我们有朝一日在太阳系的行星之间定期
旅行时最有可能采取的方法——假如控制和能源效率的
图16 聚变冲压式喷气发动机。
问题能够解决的话。它是一种适合在行星之间旅行时（要求
速度在每小时几十万千米）使用的燃料，使我们能够在几星期内
到达火星。但是，正如我们前面所述，行星之间的距离（在气泡
里旅行）与恒星之间的距离（在大海中旅行）是不可同日而语的。
利用聚变动力达到的速度，比方说，250 000千米／小时，我们
可以在2年左右的时间里到达我们太阳系的外缘。而要到离我们
最近的恒星则需要1000代人的时间才能完成单程旅行。即使这一
相对说来很平常的速度要维持这么长的时间，单是燃料需求就使
它绝无可能了。
除了比较常规的关于使用原子能的想法——核裂变和核聚变
都算在内，在近几十年里还有过几次试图发明不同寻常的系统，
以利用核技术（归根结底，核技术是我们掌握的最先进的能源）
来产生高速度的尝试。其中之一是想利用核爆炸的能量来推动飞
船向前进。
有人设计一种从理论上考虑的称做“奥利安”（Orion）的
飞船，它利用一组热核弹头，分别以每3秒钟一次的频率从飞船
的后面推动。爆炸将产生一种热离子，它冲击所谓的“推进板”，
推动飞船向前进。虽然这种方案还是在我们太阳系的范围内进行
核爆炸（假设确有办法使这种装置非常安全的话），估计这一系
统的效果最多可望达到光速的3％（2500万千米／小时）。要获
得这一速度，几乎需要300000枚一吨级的炸弹，这就使它几乎完
全不切实际了。
这些尝试中比较有希望的，可能是利用所谓反物质的奇特材
料。
宇宙中所有的物质都是由原子组成的。这些原子又由被称作
亚原子粒子的物质——中子和质子构成，它们全都存在于原子核
中，而电子则包围着原子核。这在20世纪初就已广为人知。这应
归功于诸如卢瑟福（Ernest Rutherfold）、查德威克（James
Chadwich）、普朗克（Max Plank）和其他先驱者的研究。20世
纪另外一位有影响的富有创新精神的物理学家狄拉克（Paul
Dirac），在1929年预言所有已知的亚原子粒子都有特性相反的
对应物。④它们被称为反粒子。
电子带负电荷，反电子（或正电子）具有相同的质量但是带
正电荷。一个反质子是带负电的。像质子一样，它存在于可被设
想为反原子的原子核里。但是对未来星际发动机工程师和设计师
来说，最重要的是当物质和反物质互相接触时，它们立即互相湮
灭同时产生能量。
在狄拉克时代，反物质只不过是一个理论概念，是他把量子
力学、电磁学和相对论的数学公式组合在一起时突然冒出来的。
因为它与物质一接触立即就湮灭了，所以在我们的宇宙中没有发
现自然状态的反物质；也一直无法通过实验来捕获它，直到最近
才有突破。今天，我们可以在粒子加速器里制造小批量的反物质
了。
要制造一个反质子，要把“正常的”质子送人粒子加速器环
里旋转。在加速器里，它们在强磁场中被加速，直到速度达到光
速的50％。然后，让它们与金属原子核相碰撞。这一过程产生粒
子和反粒子对（以及X射线和各种其他形式的能量）。然后，在
反质子和质子互相作用并彼此湮灭之前，将反质子与质子分离开
来。
然而，如此难于驾驭的稀有物质，怎么样才能用作推进剂呢？
显然，要利用这种资源，我们必须要能控制粒子和反粒子的互相
湮灭，并且利用这一过程产生的能量作为飞船的能源。实际上，
这样一个系统的简单装备早已在设计之中。其想法是将微量反物
质射人一个注满氢的中空的钨砖块里。粒子立即湮灭，释放的能
量使钨块加热。然后冷氢被挤压至该装置的中心，在那里被迅速
地加热到3000K，从发动机喷射出去，推动飞船前进。
图 17 反物质驱动装置。
反物质驱动的最大优点是只需很少的燃料即可产生有效的加
速度。最大的欠缺在于生产足够使用的反物质所遇到的困难。目
前在全球的粒子加速器里用以产生反物质的能量只有十万分之六
以获得粒子而告终。所以，它的制造效率低得可怜，它目前的市
场价值约为每一克 10 000 000 000 000 000美元（每克1亿亿美
元）。
要利用反粒子，我们还会遇到防护容器的问题。就像核聚变
产生的超热等离子体一样，必须发明特殊的磁防护容器系统防止
反物质在使用之前就与物质发生相互反应。
这些困难都不足以阻止高级的文明——我们未来的文明，或
银河系内外的其他高级文明使用反物质。我们只要回顾一下我们
自己的技术发展就会明白没有什么技术问题是不可逾越的。第一
次世界大战后不久，卢瑟福发现某些原子的核可以通过轰击而分
解。在稍多于四分之一个世纪的时间里，这项研究成果导致广岛
和长崎的原子弹爆炸。再想一想牛顿时代，自然哲学家们要想象
控制“土星Ⅴ号”火箭的威力，或者设计一架喷气式发动机有多
困难就行了。
就目前的技术水平而言，反物质实在太昂贵，无法生产。但
是，这些技术问题在未来二三十年里肯定可以解决。如果我们视
野开阔些——相对于文明延续的时间以及高级文明在其他星球上
可能经历的年代而言，二三十年的时间实在算不了什么。回顾人
类千年来的历史，从第一颗原子弹到掌握反物质发动机之间只不
过是弹指一瞬间。对其他文明来说，情况可能也一样。
选择反物质推进系统为行星际旅行提供了希望。然而，即使
我们充分认识到这种技术的潜能，我们仍然不能绕过宇宙的自然
法则，仍将受到光速的限制，停留在亚光速上。这就意味着星际
旅行者要么接受以接近光速的速度旅行（对访问许多星球和在那
儿实行殖民的目的来说这一速度还是很慢的），要么以更慢的速
度，因而花费更长的时间到达太阳系以外的地方。
我们不妨想象一下，到一个距离地球100光年、我们认为可
能有生命存在的恒星系统去旅行，旅行速度为 0．95c（这就是
说，光速的95％）。单程旅行需要105年才能完成。幸亏根据狭
义相对论的奇特效应，旅行只是对于那些在地球上的人来说是
105年。因为种种原因，我们旅行的速度越快相对时间就流逝得
越慢，对飞船上的人来说，这105年将只是31年多一点而已。
不用说，时间还是太长，行不通。即使我们能够研制出一个
有效的生命暂停系统，让飞船上的人睡眠，明显地减缓他们的新
陈代谢，鉴于许多感情的、实际的、道德的和商业的原因，来回
62年的航程（再加上在目的地停留的时间）也是不会受欢迎的。
就像研制反物质驱动装置带来的问题一样，休眠和生命暂停等技
术方面的困难最终必将被克服，但具体运用却障碍重重。
派去做这种长途旅行的人返回地球时可能发现整个政治结构
已经彻底改变。出资赞助旅行和研制支撑技术的组织和机构已不
复存在。飞船上归来的人几乎可以肯定他们的亲人早已故世（因
为地球上已经过了 2×105年——两个多世纪，而他们只过了62
年），他们曾经熟悉的一切几乎全都变得难以辨认。即使只有30
年（上述旅行的一半时间），发生的变化也会超出人们最初的想
象。试想英国1966年最后赢得世界杯冠军时和现在之间的差别吧。
当时，甲壳虫乐队身穿画着地图的衣衫和超短裙，流行蓄长发，
这些在现在，其实算不了什么；毕竟，我们大多数人至少是能够
认同这些的。流行有重复自己的习性。比较重要的是社会态度的
变化，机构的性质，以及政府的作用和性质的变化。然而，比这
些影响更大的是两个时代之间技术上的差异。1966年离开地球的
旅行者返回地球时，他们所使用的设备即使以我们今天的眼光来
看也已陈旧不堪。请记住，这儿所举的例子是在20世纪后半叶一
个相对而言比较短的时间范围内。技术正以几何级数式的速度发
展。随着它的发展，许多曾经一度被视作神圣的社会传统和个人
态度也随之迅速改变。如果这种几何级数式的变化继续下去，在
未来几个世纪里，30年的差异将会变得更加明显。
除此以外，还有领导结构和经费问题。任何历时超出（比方
说）10年的旅行都很容易产生问题，因为机构和领导的改变，政
府的起落，和重心的转移等，这些使长时期的航天飞行几乎没有
可能进行。更何况，任何努力都需要在一个合理的时间范围内见
到对投资者的回报，当然是在投资者的有生之年。由于长期旅行
不能满足这个条件，它必须依靠慈善事业，所以问题必然会产生。
亚光速旅行的唯一可能的其他选择——“太空方舟”长期以
来一直是科幻小说的主题。太空方舟的想法是建造一艘硕大的宇
宙飞船，在可能持续几百年甚至几千年的整个飞行期间，旅行者
可以一代又一代地在里面生活。这必须是一艘硕大的宇宙飞船，
它必须能够在几千年的时间里，维持人数众多的机组人员和乘客
的生活需求。速度倒不需要特别快。如果飞行设计为5000年，距
离250光年，速度可以定在5％的光速（略大于4000万千米／小
时）。当然，建造这样一艘能够维持这么多人的宇宙飞船，用我
们今天的技术是无法完成的。其实，我们无须去考虑这些困难，
因为在设计者动笔之前，需要考虑克服的障碍实在太多了。
首先，还是时间长短的问题。世界联合政府（因为一国政府
要作此努力简直难以想象）愿意出资进行这种飞行的唯一理由，
是为了避免全球性的灾难。换句话说，它将真的是《圣经》里所
说的那种方舟，由全球性的大灾难触发建造，且被认为是人类唯
一逃避灭顶之灾的方法。世界上的人只有一小部分能够乘上飞船
飞向那茫茫宇宙。
这个想法听起来非常激动人心，很浪漫，除了技术上的困难
难以想象之外，究竟还有什么不好呢？飞船上的人如何在物质上
和心理上自己维持下去呢？
我们必须假设，有能力建造一艘可容纳几千名旅行者的飞船
的任何文明早就克服了技术上的障碍——自我维系的方法，食物
的生长，水和食物循环使用的方法。⑤但是在某种意义上来说，
心理上的考虑可能比技术上的问题更加困难重重。方舟上前几代
人没有希望看见一个新世界，他们不停地飞行，只知道他们遥远
的子孙后代有可能到达一颗遥远的行星。然而，我们只需看一下
人类在地球上罪恶地忽视环境保护，对子孙后代的生活质量和健
康漠不关心，就会明白这一动机是很难维持长久的。
比心理问题更严重的是，反对采用方舟（除非是世界毁灭这
最后一种情况）的最有说服力的论据是“速度指数曲线”的想法。
这是一张简单的图，它说明我们这个文明旅行技术的发展随
着时间的推移而按指数规律变得越来越快。在人类社会进步的最
初10万年里，我们可以达到的最快速度大约为15千米/小时——
狩猎者奔跑的速度。大约4000年前，随着马的驯化，这个速度翻
了一倍多。到了19世纪末，由于火车和汽车的发明，速度又翻了
一倍。在接下来的50年里，飞机的发明使速度增加了3~4倍。喷
气飞机的问世又增加了几倍。最后，在过去40年里，宇宙飞船的
建造使人类旅行的最大速度再次加快4倍（大约可达40000千米/
时）。这个变化可以画一张指数函数曲线图，如果曲线继续下去，
可以看见到2140年人类的速度可以达到光速的5％，而到22世纪
末可以达到光速的10％。
虽然这听上去像是好消息，可对方舟里的人来说，它彻底摧
毁了他们存在的理由，因为早在他们抵达目的地之前，他们几乎
肯定会被他们离开时留在地球上的那些人的后代超过。后来的这
些人将乘坐最新设计的宇宙飞船旅行，以比他们快许多倍的速度，
从他们旁边掠过。
方舟想法的另一种形式是长期殖民。物理学家蒂普勒也曾借
助于这种想法：我们有朝一日能够通过“行星跳”的方式殖民银
河系。他这种想法的依据是南太平洋的岛民利用“岛屿跳”的办
法散布到太平洋的各个小岛，然后再巩固下来。采用这种模式，
他认为有两个时间因素要考虑。其一是星际旅行所需的时间
（t1），其二是建立一个殖民地和准备下一次跳跃所需的时间
（t2）。旅行所需的时间，保守些的估计是在1000~10 000年的
范围内。殖民化和巩固的合理时间大约要延续100代人。
利用这个系统，即使旅行速度比较适中（毕竟，他把星际旅
行的时间安排在 1000~10 000年的范围里），由于速度按指数规
律增长，人类将在短得惊人的时间里在整个银河系殖民。第一批
人经过长期旅行从地球到达行星A。这批登陆者将安营扎寨，经
过约100代人的时间，他们将会积累足够的资源发射两艘新的飞
船。这次是在行星B和行星C上着陆，如此周而复始。请记住旅行
者的技术将不断改进，因为知识没有理由失传，很可能旅行时间
（以及巩固阶段）将随着技术的进步而显著地缩短。这将使银河
系的殖民化更加迅速。
即使我们假设每一步所需的时间是一个常数，旅行时间和巩
固时间合在一起的平均值为 10 000年（t1＋t2＝10 000）；假
设在一个平均大小的星系里有10亿颗合适的行星,那么所有这些
行星将可以在不到100万年的时间里抵达并被殖民（见第十章）。
有一种很清醒的想法，认为地球也可能曾经是殖民地，不知
因为什么缘故，殖民进展不是很成功。殖民化的“波”往前推进，
把我们留在后面（见第九章）。如果情况真是这样，那么这种殖
民化的过程可能意味着我们银河系中所有的人类生命都来自一个
母行星——人类的发源地。人类可能在一颗行星上形成，在那儿
比其他的星球上更早开始进化。抑或，这种殖民过程将在未来由
我们自己来完成，地球将是人类的老家，也许是独一无二的家，
在未来的几千年里，我们将遍布整个银河系甚至于更加遥远的星
系。⑥
综观这里提供的各种实际的星际旅行方法，前景似乎十分平
淡。当然，假设我们能够生存下来，那么人类将会在1~2个世纪
的时间里使整个太阳系成为我们的家。在我们的孙子一代，我们
应当能够享受到月球上去的周末旅行，到火星上去度假。开采小
行星的矿藏将在并不遥远的将来为我们提供实际的矿产资源，即
使太阳系的更遥远的地方，边远的行星——天王星、海王星和冥
王星有朝一日也将被彻底地探测。在未来1000年的时间里，几乎
可以肯定人类将生活在太阳系的每一颗行星上。这件事本身十分
激动人心，但是对于寻找外星生命，尤其是智慧生命，并与他们
沟通却没有提供什么希望。要寻找外星生命，我们必须冒险到那
些星球上去，必须以比我们今天能够想象的更快的速度到达那里。
到那些星球的旅行时间应该至多是几个月时间而不是在几千年里
完成。从事星际旅行研究的理论家认为（即使最前瞻的理论家也
不例外），只有两种方法可能达到这一点。
这些想法都试图改写物理法则（而根据定义，它们是不可违
背的）。它们都属于新兴的、或者说边缘物理学的范畴，而且纯
粹是理论上的；这两种想法不论从哪一方面来说在可预见的将来
都是不切实际的。尽管如此，这些概念也许蕴含着希望的种子，
有朝一日，我们遥远的后代将能够利用这些方法轻松地穿越上千
万光年，就像我们今天横跨大西洋一样。
第一个设想是一种称作“蛀洞”的理论结构可能是通向群星
的途径。蛀洞的想法是从早已被公认并被反复验证的现已被视为
传统物理学的理论——爱因斯坦的广义相对论推论出来的。但是，
要想勾画一幅图画来说明蛀洞如何存在，并且如何把它作为一种
可能的星际旅行手段，则要求将广义相对论扩展到极限（有人说
超出了极限）。
长期以来，科学家认为当一颗恒星燃料耗尽时，便开始衰亡，
衰亡的方式取决于它的质量大小。如果它的质量是我们太阳质量
的3倍左右或者更大，那么它开始收缩，产生冲击波，结果引起
巨大的爆发——自从大爆炸以来最剧烈的爆发。这就称为超新星。
即使这时，因为这颗恒星开始收缩时十分巨大，所以超新星核心
仍剩有某些残存物质。它开始坍缩，迫使物质变得更加稠密，以
至于将亚原子粒子维持在一起的那些强大的力占了压倒优势，这
颗恒星变成了一大锅沸腾的基本物质和能量。这就是黑洞。其所
以这么称呼，是因为它的质量非常大，密度非常高，甚至连光都
无法逃离它的引力场。
爱因斯坦的广义相对论于1916年发表。它是比较局限的狭义
相对论的推广。狭义相对论只考虑了以恒速运动的观察者。但是，
在这一理论发表后，爱因斯坦开始研究物体不断加速时的情况。
他设想一架处于自由落体状态下的电梯，一束光线进人墙上的一
个小孔。电梯里的人觉得光沿直线行进。但是，对于电梯外面的
观测者来说，光却是沿曲线行进的。爱因斯坦指出这一弯曲是由
于电梯正在加速引起的。他接着说，由于引力是一种形式的加速，
光会因此而弯曲。
在爱因斯坦之前，物理学家以三维的眼光看待宇宙，时间被
视为一个额外的量。在广义相对论里，时间是一维，就像长度、
宽度或高度一样，现代的观点认为宇宙实际上存在于所谓的“四
维时空”中。
我们能使四维宇宙形象化的唯一方法是在三维中表达它。想
象一下一张平摊的橡皮垫。现在，在它中间放一个重球——球周
围的垫子因此而变形。同样，时空在一个像恒星这样大质量的物
体周围扭曲。让一颗小石子在靠近重球的橡皮垫上滚动。它沿着
一条曲线滚动，恰似恒星附近的光一样。黑洞质量非常之大，它
的引力场非常之强，它使空间严重扭曲，以至于在它里面形成了
一个“奇点”。在这个点上时空的弯曲变得无限尖锐，以至所有
的物理学定律全都不再有效。正如许多科学家[ 包括最先提出蛀
洞的两名科学家——加州理工学院的索恩（Kip Thorne）和莫里
斯（Michael Morris）]所推理的那样，当两个奇点互相“发现”
对方，并且相互连接在一起时就形成了蛀洞。
只要设想蛀洞的一端在地球附近（例如，正好在太阳系的边
缘），而另一端开口在某一遥远的地方，也许离我们上万光年之
遥，就会明白为什么蛀洞对星际旅行者来说很有用了。由于时空
弯曲的特性，蛀洞提供了一条捷径，免去了用常规方式从A点
（靠近地球）到B点（蛀洞的另一端）之间的旅行。许多光年的
一次星际旅行所需要的只是先做一次短途旅行到蛀洞口（这种旅
行利用原子聚变发生器只需要几星期而利用反物质驱动只需几天
时间），而后从蛀洞另一端出去，再做短途旅行即可到达目的地。
我说“所需要的只是……”，但事实是要到达蛀洞口——即
使它就在我们太阳系的边沿，恰恰就是我们的问题所在。虽然蛀
洞的想法免去了穿越成千甚至上万光年的正常空间所需的时间，
因而这种想法显而易见极具吸引力，但实际障碍却是巨大的。
首先，蛀洞目前仍然纯粹是揣测。它们并非与已知的宇宙法
则相悖，但也不能肯定就一定存在。就算它们确实存在，必定也
十分罕见。第二个问题是，在利用蛀洞之前，无法知道该蛀洞和
宇宙的哪个部分连在一起。更何况，即使它能为我们所用，它也
只能提供非常有限的服务，连接起点到一个固定的目的地。这就
有点像连接伦敦和某个神秘地点的公路，一路上没有岔道也没有
拐弯。
即使我们忽略不计这一弊端，我们也还必须考虑这种联接的
性质，从我们对于黑洞的了解来看，“天然”蛀洞实际上提供的
是一条变幻莫测的通道。黑洞里面可能是宇宙中条件最险恶最不
适宜居住的地方。那儿的引力作用会立即把任何物体分解成某种
由基本粒子和能量组成的“汤”——即使能抵御这些力，一旦陷
入黑洞的桎梏，就将无法逃逸。因此，利用把宇宙中两个不同地
点的黑洞连成蛀洞的想法似乎并不切合实际。唯一的可能途径是
宇宙中某处存在着某种可以通过的黑洞，但它们也许很难找到。
有可能绕过这一难题的一种方法是关于“白洞”的想法。恰
如它的名称，这些理论上的天体与黑洞正好相反。根据理论家们
的看法，白洞不吸收物质和能量，而像是完美无缺的发射器，或
者说像是“宇宙自喷井”。因此，如果黑洞和白洞相接，它们就
可以像一个单程蛀洞，回避从蛀洞“远端”冒出来的逻辑推理问
题。不幸的是，关于这一方案的详细数学分析表明，这样的系统
将是不稳定的，白洞将很快消亡，飞船无法通过。
除了利用天然蛀洞，对热衷于此的人来说，寄于厚望的是人
造蛀洞。
自从索恩和莫里斯于1987年在《美国物理学杂志》的一篇论
文中首次提出蛀洞以来，⑦世界上有成百上千位理论物理学家在
研究这一设想，并不断地围绕这些超前的数学结构理论添加新的
理念。其中受到该领域研究人员怀疑的一项结论是：为了构造一
个可以工作的蛀洞必须满足一组很严格的条件，其中包括一些很
明显的事实，即蛀洞的结构必须符合广义相对论，蛀洞内的“潮
汐力”必须保持在最小值。他们还提出了蛀洞必须符合的形状和
创造蛀洞所需的物质材料的质量。不幸的是，数学证明为了制造
一个人造蛀洞，需要所谓的“特异物质”，它具有“负质量”这
一异乎寻常的特性。
虽然热衷于蛀洞的人坚持认为这种不可思议的想法可以在物
理定律的框架内实现，大多数科学家如今却摒弃了这一想法。如
果他们是正确的话，那么看来蛀洞就永远不能制造了——无论文
明变得如何先进，因为物理法则是不能违背的。如果他们错了，
而蛀洞的支持者是对的话，那就必须找到特异物质，并在建造和
使用蛀洞之前大批量地制造这种特异物质。
第二种可能的方法是伸展或扭曲物理法则，这可能比人造蛀
洞的想法更加不着边际。这就是卷曲驱动的想法，或者说“超空
间”旅行。就像方舟的想法一样，这种假想的星际旅行方法俘获
了科幻作家和爱好者的想象，它是电视连续剧《星际迷航》的重
要想法之一。
卷曲驱动曾被形象化为这样一种装置——它使航天飞机能够
避开必须以亚光速旅行的规定，免去必须符合物理定律的麻烦。
即使这样，它仍戏剧性地伸展了某些传统的物理概念。
也许能更确切地描绘卷曲的另一个名称是“冲浪”。这是因
为它建立在巧妙地操纵时空本身的基础上，从而使太空车在某种
“波浪”上运动。宇宙飞船应该能够改变时空：位于飞船后面的
时空膨胀，而飞船前面的时空则收缩。这就意味着即使飞船本身
的运动比较慢，出发点也会被往后“推出”巨大的距离，而目的
地则被向前“拉近”了。
这听上去十分荒唐，可它在广义相对论法则的范围内又是可
能的。困难不在于理论上不可能，而在于在可预见的将来实际上
行不通，因为要做到这一点需要的能量超出了人们的想象。
对太阳的观测表明它的质量使时空弯曲，它使光线正好偏折
1／1000度。对于想要利用时空扩张和收缩的宇宙飞船来说，时
空扭曲的程度必须远大于此。在某些方面来说，飞船就有点像一
个黑洞。以此为依据计算所需要的能量，结果听起来照样令人沮
丧。要制造一个典型飞船大小（比方说一个直径为20米的盘状体）
的黑洞，我们大约需要将 30 000个地球的质量压缩到这个狭窄
的空间中去。用能量来表示，这大约相当于太阳一生输出的全部
能量。
那么我们对推进系统的这番审视得出了什么结论呢？说我们
永远也不可能到达别的恒星系统显然是荒谬的——将近两个世纪
以前，在史蒂文森的“火箭号”机车首次实验之前，一位著名的
物理学家发表了一个严正声明，说人类的身体无法承受每小时30
千米以上的速度，火车上的乘客将会粉身碎骨。只要人类的态度
不出现戏剧性的逆转，我们天生的发现欲望不泯灭，我们就将继
续去面对和克服摆在我们面前的技术难题，无论是地球上的或者
是在空间探索领域中的困难。然而，空间研究耗资巨大——尽管
它本身魁力无穷，相当多的人对它并不熟悉，他们把它看成是浪
费金钱，而没有认识到我们早已在30多年的空间探索中获益匪浅。
基于这些事实，至少在不远的将来，发展将会很缓慢。
我们很可能将探索我们太阳系最遥远的幽深之处，但是，正
如此处强调的那样，要抵达遥远的恒星则需付出坚持不懈的巨大
努力。最终，所有的问题将会被克服。也许最初到其他恒星系统
的飞行将是速度很慢的无人驾驶飞船，宛如一头老牛拉着一辆破
车在通往目的地的旅途上颠簸，一路上它不断地被比它先进的车
辆超过。
无论采用哪种方法，人类终有一天会站在环绕另一颗恒星转
动的行星上，感受到那颗恒星的热量。不仅如此，总有一天，我
们将研究出能够产生以接近光速的速度旅行的宇宙飞船所需的巨
大能量的方法，甚至还可能设法绕过爱因斯坦和其他科学家揭示
的法则造成的限制。当那一天到来时，我们将开始进行真正的星
际旅行。
但是，也很可能早在那一天到来之前，来自其他星球的生命
将先行抵达地球——也许他们只比我们先走了很微小的一步。说
不定他们早已来过……而又悄然离去。
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