在行星科學(xué)領(lǐng)域，有一個(gè)近乎公開的秘密：大部分人最初加入這個(gè)領(lǐng)域，是受到了金·斯坦利·羅賓遜（KimStanley Robinson）在20世紀(jì)90年代的著作《火星三部曲》的激勵(lì)。這本書描述了從殖民火星到最終將火星“地球化”等故事情節(jié)，在研究火星的學(xué)者中頗具影響力。

但在2019年，當(dāng)我重新閱讀這套科幻小說(shuō)時(shí)，注意到通過(guò)全新的硅氣凝膠系統(tǒng)，我們或許可能移居到火星。

書中一些設(shè)想的情節(jié)仍然遙不可及。把第一個(gè)人送上火星，尚且需要漫長(zhǎng)的努力，那就更不用說(shuō)把火星改造成人類的居住地了。許多嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方案試圖將火星改造為類似地球的星球，但是這些方案都要求巨大的工業(yè)生產(chǎn)能力，而且還不切實(shí)際地設(shè)想火星上存在足夠的二氧化碳。幾年前，當(dāng)我們開始考慮這個(gè)問(wèn)題時(shí)，決定采取完全不同的思路。在研究火星的歷史氣候時(shí)，我們很快發(fā)現(xiàn)火星在歷史上是一個(gè)間歇性宜居的星球。它與地球并不相似，是一個(gè)獨(dú)特且完全不同的星球。所以，當(dāng)我們思考如何讓火星成為人類未來(lái)的宜居地時(shí)，應(yīng)該更多地從火星上獲取靈感。

火星上存在一種特別有趣的自然現(xiàn)象，被稱作“固態(tài)溫室效應(yīng)”（solid-state greenhouse effect），即每當(dāng)火星進(jìn)入夏季，其兩極冰冠下的冰層都會(huì)被急劇地加熱。這一現(xiàn)象出現(xiàn)在當(dāng)可見光傳播到冰冠下絕熱物質(zhì)的內(nèi)部時(shí)，由于能量被束縛，會(huì)產(chǎn)生急劇的加熱效應(yīng)。

受這一現(xiàn)象和幾年前我給學(xué)習(xí)行星氣候的研究生布置的一個(gè)問(wèn)題的啟發(fā)，我們開始研究在火星表面覆蓋一層薄薄的透明固體材料，到底可以讓火星產(chǎn)生多少熱量。在試驗(yàn)中，我們使用了硅氣凝膠，這種特別的材料兼具極好的絕熱性和低密度性（超過(guò)97%的成分為空氣），且對(duì)可見光近乎透明，這些特點(diǎn)使得它成為創(chuàng)建固態(tài)溫室效應(yīng)的理想材料。

美國(guó)航空航天局（NASA）已經(jīng)將硅氣凝膠用于火星探測(cè)器內(nèi)部的隔熱和其他項(xiàng)目。通過(guò)綜合了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、模型和第一性原理理論，我們發(fā)現(xiàn)僅需2到3厘米厚的氣凝膠材料布置在火星表面或不太高的地方，就可以隔絕大部分有害的紫外線并使得火星表面維持足夠藻類或蔬菜生長(zhǎng)的溫度。相比以前的方案，我們的方案從一個(gè)局部的區(qū)域逐漸展開，更有可能將火星改造成宜居地。

那下一步需要做些什么？雖然這個(gè)方案的基礎(chǔ)物理部分已經(jīng)十分完整，但是在如何利用這種方案建造一個(gè)真實(shí)的火星居住地，依舊有很多工作需要完成。首先硅氣凝膠非常脆弱，要作為堅(jiān)固的外部防護(hù)并且能控制內(nèi)部的壓力，它還需要改進(jìn)，比如與其他材料混合。還有一個(gè)問(wèn)題是，如何給火星上提供足夠的硅氣凝膠。由于硅氣凝膠足夠輕，因此可以從地球向火星運(yùn)輸，但是最好的方式還是能在火星上生產(chǎn)硅氣凝膠。

硅氣凝膠的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制造方案包括一個(gè)高壓的二氧化碳干燥流程，這些二氧化碳可以從火星大氣中獲取。值得注意的是，地球上的一些生命體（如玻璃海綿和硅藻浮游植物）能夠高效制造納米尺度的硅氣凝膠。設(shè)想一下，火星上的生命體最終很有可能生產(chǎn)類似硅氣凝膠的材料，形成一個(gè)可維持和適合居住的生態(tài)系統(tǒng)。

事實(shí)上，我們下一步計(jì)劃提高在實(shí)驗(yàn)室的火星試驗(yàn)的規(guī)模和復(fù)雜度，并且在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行初步的試驗(yàn)。雖然火星非常獨(dú)特，但地球上有一些不宜居住的地區(qū)與其十分相似，如智利的阿塔卡馬沙漠和南極洲的麥克默多干谷區(qū)域。如果我們能在這些地區(qū)驗(yàn)證了方案的可行性，那在證明它在火星表面的可行性上，將前進(jìn)一大步。

而火星改造的最大障礙將是“行星保護(hù)”：任何試圖轉(zhuǎn)移生命到火星的計(jì)劃，都必須避免污染已有生命的土地。相較于之前提出的對(duì)火星全球的地形改造方案，我們這種局部和可擴(kuò)展性的方案更容易操控，但未來(lái)“行星保護(hù)”依然是一個(gè)需要詳細(xì)考慮的問(wèn)題。

要在其他行星上建造一個(gè)切實(shí)可行和自給自足的棲息地，我們還有很長(zhǎng)的路要走。如果人類選擇將火星改造為一個(gè)適合居住的星球，我們的研究將能提供一個(gè)在未來(lái)幾十年就可實(shí)現(xiàn)的可行方案，而不需要花費(fèi)幾個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。這是非常值得激動(dòng)的事情。

（本文譯者高宏是大連海事大學(xué)的物理系教授，目前的研究興趣包括聚變物理理論和模擬，復(fù)雜系統(tǒng)的同步動(dòng)力學(xué)及其在自然、社會(huì)、哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)、藝術(shù)等多領(lǐng)域交叉學(xué)科的應(yīng)用。）

本文原載于《光明日?qǐng)?bào)》2020年01月23日 14版