互动科普

在科幻小说中，太空旅行者面临的最大威胁来自那些庞然大物：疾驰的小行星、饥饿的怪兽，还有帝国巡洋战舰。不过在现实世界里，对太空旅行者而言最可怕的危害，却是最细微的东西——高速运动的带电粒子，也就是所谓的宇宙射线(cosmic rays)。在漫长的旅程中，宇宙射线会给宇航员带来严重的辐射，剂量足以致癌。深空(deep space)探险中存在的大部分挑战，只要提供足够的时间和金钱，工程师们应该都能解决，但宇宙射线不同。它们会带来难以降低的风险，处理它们需要作出一些根本性的让步。宇宙射线可能会成为探访火星的绊脚石。

在实验室中，宇宙射线最初是作为一个小麻烦出现的。18世纪，物理学家就注意到，带电的物体无法保持电荷恒定的状态，物体的电荷会通过空气慢慢地泄漏出去—— 一定是某些东西电离了空气，使之可以导电。许多研究者将原因归咎于脚下的土壤和岩石所产生的环境放射现象。奥地利物理学家维克托·赫斯(Victor Hess)在1912年解答了这个问题。他乘坐气球升入高空，发现气球升得越高，电荷从他的验电器上逃走的速度就越快。所以说，导致空气电离的原因是来自太空的某种神秘现象——“宇宙射线”也就因此得名。

到1950年，物理学家已经意识到，这个术语实际上是用词不当。宇宙射线并不是射线，而是离子——大部分是质子，还有少量更重的原子核掺杂其间。它们冲击着大气层顶部，速度接近光速。大部分离子来自太阳系以外，不过是什么将它们弹射到如此高速，至今仍是一个未解之谜。曾经将宇宙射线视为麻烦的实验学家，现在已经乐于将它当作一种观测工具。20世纪50年代末，我和我的同事推断出太阳风的存在；而宇宙射线强度的变化，正是我们采用的观测方法之一。

与普遍流行的说法不同，保护地面上的人免受宇宙射线全力攻击的，并不是地球磁场，而是庞大的地球大气层。每平方厘米地面都承受着一千克空气的压力。来袭的质子平均需要穿越大约70克大气气柱(vertical column)，相当于穿透了1/14的地球大气，才会在20千米到25千米的高空，与空气中的一个原子核发生碰撞。剩下的大气层则负责将最初碰撞所产生的“弹片”吸收掉。这种冲击会将一两个质子或中子撞出原子核，并释放出一阵高能伽马射线和π介子(pion)。每道伽马射线都会传入大气更深处，最终创造出一个电子和一个正电子。它们互为反物质粒子，这两个粒子再相互湮灭，产生出能量更低的伽马射线……如此循环，直至伽马射线弱到无法再创造粒子为止。

与此同时，π介子会迅速衰变成μ介子(muon)，然后传播到地面。当μ介子穿透我们身体时，它们会产生离子，破坏化学键。我们每年接收到的宇宙辐射当量剂量约为0.03雷姆(rem)(随着海拔高度不同而变化)，相当于几次X光胸透的水平，不足以对我们造成严重伤害。

在大气层以外，宇宙射线轰击强烈。大约每秒钟都会有一个质子或更重的原子核穿透你的指甲，因为每秒钟在你体内穿梭的离子可能多达5,000个。每一个都会留下一连串被破坏的化学键，开启一系列连锁反应；这与在大气层中发生的一样，只是参与破坏的离子数量变得过大。与质子相比，宇宙射线中相对较少的较重原子核可以造成同样的，甚至更大的破坏，因为它们破坏化学键的能力与所带电荷的平方成正比。例如，一个铁原子核所产生的破坏就是质子的676倍。在这种辐射中暴露一周或者一个月，并不会造成严重的后果，但是为期两三年的火星之旅就另当别论了。NASA所做的一项估测显示，每年宇宙射线大约会切断宇航员体内1/3的DNA。

危害与防护

一些不幸的人曾经在核爆炸和实验室事故中，暴露在短暂却强烈的伽马射线和高速粒子爆发之中。他们为高能辐射的生物学后果提供了唯一可用的定量信息。这些人已经遭到细胞损伤，患癌症的风险也增加了。一位火星旅行者吸收的辐射剂量尽管是在一段时期内逐渐累积的，但总量会与这些人吸收到的差不多。没有人知道这两种情况是否真的相同，但这种可比性令人担忧。自然的生物修复机制也许能跟上破坏的脚步，也许不能。

美国俄克拉荷马城联邦航空局民用航空医学研究所的华莱士·弗里德伯格(Wallace Friedberg)和他的同事最近研究了这种情况。在去年8月发表的一份报告中，他们估计火星宇航员吸收的辐射剂量可能会超过每年80雷姆，而美国核电站工人的合法辐射剂量限制仅为每年5雷姆。每10名男性宇航员、每6名女性宇航员中，就会各有一位最终死于癌症(因为女性患乳癌的风险大于男性)。另外，重原子核还可能导致白内障和大脑损伤。(诚然，原子核的数量是非常不确定的。)

当然，持续轰击的宇宙射线并不是唯一的辐射威胁，太阳同样会突然释放出大量接近光速传播的质子和更重的原子核。这样的爆发有时会在短短一小时内，让宇航员吸收到几百雷姆以上的辐射——对于一位没有防护的宇航员来说，这种剂量是致命的。1956年2月23日的太阳大耀斑就是一个臭名昭著的例子。为了保护宇航员免遭宇宙射线侵害而采取的任何措施，也必须能应付这种太阳灾难。即便能够应付，将火星之旅安排在太阳磁场活动最小的年份仍然是明智的。

意识到这些辐射威胁，2003年NASA在美国阿拉巴马州亨茨维尔市的马歇尔航天飞行中心设立了空间辐射防护计划。他们最初的想法是，用物质将宇航员包裹起来，就像地球的大气层一样保护宇航员。第二种提议是，用磁场使宇宙射线发生偏转，类似于地球磁场对赤道区域和国际太空站所提供的部分保护作用。最近的想法是给太空船加装一道正电荷防护墙，将带正电的原子核反推出去。

2004年8月，NASA在美国密歇根大学安阿伯分校召开了为期两天的会议，评估计划的进展。结论并不乐观：目前还不清楚如何解决宇宙射线问题，甚至连这个解决方案是否存在也无法确定。

物质与磁场

为了达到地球大气层所提供的保护效果，每平方厘米的飞船表面同样需要一千克的防护物质。不过或许只需要500克物质，宇航员就能够应付了。(这相当于海拔5,500米以上的空气质量。)哪怕再减少一克，防护措施就可能起不到预期效果，因为防护物质过少就会来不及吸收那些“弹片”。

如果这种物质是水，它就必须深达5米，因此一个包裹着小型太空舱的球形水箱就将重达500吨左右；更大、更舒适的生活区则需要更多的防护物质。相比之下，航天飞机能够运送的有效载荷却只有大约30吨。最常被提议来担当护卫的就是水。因为无论如何宇航员也是需要水的，并且水中富含较轻的氢元素。较重的元素会减弱防护效果，因为它们原子核中额外的质子和中子会聚集在彼此的阴影中，限制它们与来袭的宇宙射线粒子发生相互作用的能力。为了增加氢元素的含量，工程师们可以使用乙烯。这种物质具有更大的优点——可以被聚合成固态的聚乙烯，因此不需要用容器来盛装。即便如此，所需聚乙烯的质量也将达到400吨——这意味着计划仍然不可行。虽然使用纯氢应该会更轻些，但是必须用沉重的高压容器来盛装，还是无法减轻多少负重。

再来考虑一下磁场防护盾的前景。一个在磁场中穿行的带电粒子受到磁场影响，可能无法保持原来的运动方向，会朝着某个特定的角度发生偏转。根据磁力线的分布，粒子几乎可以被送往任意方向，甚至被迫永无休止地绕圈。在接近低纬度地球磁场的过程中，如果一个带电粒子的能量不够大，它也许会被送回太空。为了达到同样的效果，太空船也可以携带一个磁场。

不过，这里有一道大难题，就是单个宇宙射线质子的巨大动能。为了有效地保护宇航员，就需要击退能量接近20亿电子伏(electron volt，粒子物理中常用的能量标准单位)的数量极其庞大的宇宙射线质子。想在几米的空间范围内阻止它们，防护盾就要包含一个20特斯拉(Tesla)的磁场，这相当于赤道上地球磁场强度的60万倍左右。产生如此强大的磁场，需要使用由超导线圈构成的电磁铁，近似于粒子加速器中使用的电磁铁。美国麻省理工学院的丁肇中(Samuel C. C. Ting)领导的一个设计小组发明了这样一个系统，质量仅有9吨——相对物质防护盾，这是个巨大的进步；但考虑到需要一直带着它着陆火星，再发射返航，９吨仍然是个令人气馁的重量。

磁场方案还有很多细节需要推敲。在磁极附近，磁场无法提供明显的防护作用，因为磁极附近，来袭粒子的入射方向与磁场平行，而不是相交。这就是除了生活在赤道区域的人们之外，地球磁场几乎无法提供保护的原因。为了保证宇航员身处的位置与赤道区域相似，太空船的生活舱必须是圆环形的。宇航员将不得不忍受20特斯拉的磁场，没人知道那会产生怎样的生物学影响。已故的约翰·马歇尔(John Marshall)是美国芝加哥大学的实验物理学家，曾经在多年前跟我提过，当他把脑袋伸到一块旧的粒子加速器磁铁的缺口之中，忍受着0.5特斯拉的磁场时，头部有任何移动，他的眼睛里都会产生细微的闪光，嘴里都会涌上一股酸味(这可能是唾液中电解质引起的)。

假定一个强磁场可以通过这种方式影响人体的化学平衡，那么研究者就需要进行一些实验，来证明20特斯拉防护盾的安全性。如果证明它是危险的，工程师也许就不得不使用一个反向的电磁铁，来抵消生活舱内的防护磁场。显然，第二个磁场会使这个系统变得更加复杂，也更沉重。

一些研究者提议，使用一个延伸范围远远超过几米的磁场来实现防护。这个磁场可以使用等离子体向外延伸，就像太阳风中的电离气体，可以将太阳磁场携带到距离太阳很远的地方。拥护者声称，这样一个“膨胀的”磁场并不需要20特斯拉那么强大；1特斯拉，甚至更弱的磁场也许就足够了。不幸的是，这种方案忽略了一个事实：等离子体非常不稳定。为了从核聚变中输出能量，过去50年来，科学家一直尝试着将等离子体束缚在一个磁场之中。实验室中的种种努力已经展示了等离子体的惊人能力——它可以挣脱任何想控制它的企图。即使等离子体可以被驯服来膨胀磁场，它应该也只能起到减弱，而不是增强防护盾的作用。磁力线会呈辐射状向外扩张，分散到范围更大的周边环境中，一个来袭的质子就只能穿过较少的磁力线。因此防护盾的强度会下降，就像磁场在地球中纬度和两极区域的表现一样。

无能为力

其他的研究者另辟蹊径，提出了给飞船充电的构想。如果相对于周边的太空，飞船的外壁拥有20亿伏的电压，它们就可以将能量低于20亿电子伏的所有宇宙射线质子通通击退。一个类似的月球基地方案也已经提出。

方案提出者似乎没有考虑到太空并非空洞无物。在地球附近，太阳风充斥着太空，每立方厘米大约有5个离子和5个电子。这些电子带有负电荷，会受到充满正电荷的飞船强烈吸引。因为电场会向外延伸，直到它的势能低于行星际电子的热能为止。换句话说，这个电场的作用范围从太空船向外延伸可达上万千米，可以从一个庞大的空间中，将电子吸引过来。这些电子会以20亿电子伏的能量击中飞船外壁，表现就像宇宙射线一样，每个电子都拥有与系统击退的质子相同的能量。因此，自然界中的宇宙射线流将被一个强烈得多的人造电子流取代。这些电子与太空船相撞时，产生出伽马射线，这种轰击的强度令人惊愕，最初的宇宙射线问题反而会变得微不足道。

这还不是问题的全部。维持飞船的带电状态是需要能量的，对此所做的简单估计令人咋舌。在20亿伏的电压下产生1安培的电流，所需的功率为2,000兆瓦特(megawatt)，相当于一个大型发电厂的输出功率。而粗略的估计显示，这种方案所需的电流将超过1,000万安培。方案提出者并没有明确指出，他们打算如何将太空船充电到20亿伏。令人费解的是，给太空船充电的概念，与膨胀磁场的想法一样，在缺乏明确工作原理的情况下，已经得到了广泛的关注和资金支持。

其他人提出了更为平淡的选择：更大的火箭或者先进的推进技术可以加快旅程，缩短宇航员的暴露时间。但是飞向火星的最佳旅程或多或少与行星轨道周期成固定比例，大幅度调整航程就需要花费更多燃料，因此需要付出更多金钱。就算到了火星，这个问题依然存在：火星的大气层很稀薄，每平方厘米地表上方只有10克气体。将基地埋设在数百吨土壤以下，可以起到保护作用，但这又需要用到重型机械。

到目前为止，保护宇航员不受宇宙射线侵害的提议还没有带来多少好消息。但令人高兴的是，研究者才刚刚开始对这个问题的生物医学方面展开探索。细胞中的自然愈合过程也许能够处理长期缓慢积累下来的辐射剂量，一些人的身体也许比其他人更擅长此道。假如这样，我们也许就高估了癌症病发率的危险，因为目前的估计都是根据短暂而强烈的辐射爆发作出的。

2003年，NASA在美国布鲁克海文国家实验室设立了美国国家太空辐射实验室，来研究细胞损伤的分子路径，希望能够找到减轻和修复损伤的药物。这个实验室正在精确地研究辐射破坏DNA的过程，查找哪一种伤害不易治疗。目前唯一已知的，可以增强实验鼠抵御辐射损伤能力的化学药物，本身也具有毒性。

如果因为宇宙射线的阻挡，人类太空旅行的冒险传奇被迫不光彩地走向终结，那就太糟糕了。也许有勇士愿意不惜任何代价，前往月球或火星进行探险；即便如此，辐射危害也会拭去人类太空旅行思想上的光辉，更别提全面的太空移民了。

概述/宇宙射线的危害

◆银河系中遍布高速移动的粒子，它们能够切断DNA和其他分子。地球表面的我们受到了很好的保护，因为头顶上的大量空气阻挡了这种宇宙辐射。在靠近赤道的环地球轨道上，宇航员们受到了行星磁场的荫庇。但是那些远离地球的长途旅行者的健康将会遭遇严重威胁。

◆水或塑料构成的球壳可以保护太空旅行者，但是它们的总质量可达400吨——超出重型火箭的运载能力。超导磁场可以击退宇宙粒子，但重量估计有9吨，仍然太重，而且磁场本身也可能危害健康。但其他提案甚至连含糊的可行性都没有。

◆生物医学研究者需要更精确地测定，如果一个人暴露在宇宙射线中，他究竟能忍受多长时间。他们还需要确定，药物到底能不能刺激身体的自愈机制，修复辐射伤害。