人類遷徙計劃 （feat.譯者補完篇）
我們有足夠的能量，讓現在的全部人類都離開地球嗎？—Adam許多科幻電影裏都常見到一類場景：因爲污染、人口過剩、熱核戰爭，人類放棄了地球。
但要把人類弄進太空可相當困難。假設人口並沒有遭遇急劇減少，那把全人類都發射到太空中，物理上是可能的嗎？咱甚至可以先不着急考慮要去什麼地方——就假定我們不需費心找新家，只要不留在地球上就成。
要想知道這是否可行，我們可以從最小能量需求開始：每人40億焦耳。這是最低開銷，沒有討價還價餘地的。不管我們用什麼手段，火箭也好，地球大炮也好，太空天梯也好，把65公斤的人或者65公斤的任何東西移出地球的引力井，至少也要花費這麼多能量。
引力勢能=1/2 * 65kg * (地球逃逸速度)^2
使某個物體脫離地球所需的能量，等於它以地球逃逸速度運行時的動能。
40億焦耳是啥概念？ 這大概是1兆瓦時或者1000度電，相當於一個普通美國家庭在一兩個月時間內的電力消耗，還相當於一輛麪包車裝滿AA乾電池、或者90公斤汽油所儲存的能量。
四十億焦耳乘以七十億人，等於2.8*10^19焦耳，或者8拍瓦時（8萬億度）。這是每年全球能源消耗的百分之五。挺多的，但還沒到不可能的程度。
（#原文2.8*10^18 有誤，此處改正。）
但這只是理論最小值。實際上，要消耗能量取決於我們的運輸手段如何。 如果我們用火箭運輸，那消耗的能量就要比最小值多一大截。這來自於火箭的根本麻煩：火箭要把自己的燃料也發射出去。
讓我們先討論一下這90公斤的汽油，因爲這有助說明太空旅行的一個核心麻煩。
要發射一艘65公斤重的飛船，需要燃燒掉約90公斤的燃料。（單位質量的汽油擁有的能量與火箭燃料差不多，所以我們接下來就抱住這個栗子不放啦。）那麼，燃料裝船——飛船現在重155公斤。 一艘155公斤重的飛船需要215公斤的燃料，所以我們再加裝125公斤燃料……
還好，我們倖免於掉進“每加1公斤載重就要補充1.3公斤燃料”這個無限循環，因爲我們其實不需要把所有燃料都一路帶上天。我們是一邊走一邊燒燃料，因此飛船質量越來越輕，所需的燃料也越來越少。但燃料的確是要走一部分路程的。那麼爲了能達到指定的速度，需要燒掉多少推進劑呢？齊奧爾科夫斯基火箭方程告訴我們：
Δv=v排氣*ln(m始/m末)
（m始 和 m末 分別是燃料燃燒之前和之後的飛船總質量，v排氣 是燃料的“排氣速度”，對於火箭燃料，排氣速度在2.5-4.5千米/秒之間。）
關鍵在於Δv 和 v排氣 之間的比例——前者就是我們想要達到的速度，而後者是推進劑噴出火箭的速度。每公斤飛船所需的燃料公斤數，就是e的這個比例的次冪；而這個指數可是增長得相當之快。要想離開地球，我們需要的Δv是13千米/秒，豎直向上；而v排氣 又不會超過4.5千米/秒太多。由此可得，燃料與飛船的比例至少要有 e^(13/4.5)≈20。
總之呢，結果是：要使用傳統的火箭燃料克服地球引力，1噸重的飛船需要20至50噸燃料。人類總重量約4億噸，全發射出去需要幾十萬億噸的燃料。這實在太多了，假如我們的燃料是基於烴類化合物的，那要佔去全球剩餘石油儲量的一大部分。這還不算飛船本身、食物、水還有我們的寵物(光是美國的寵物狗可能就有大約一百萬噸)的重量。我們還得需要燃料來製造所有這些飛船，把人運到發射場地，等等。我不是在說化學燃料方式一定是完全不可能，但它絕對不在“有可行性”的領域。
但火箭並非我們唯一的選擇。的確，以下方案聽起來很瘋狂，但沒準實效會更好……我們可以試着 (1)爬着繩子上太空（不是比喻），或者(2)用核彈把我們炸進太空。嚴肅點兒！這些都是實際存在的——哪怕是魯莽了點兒的——的發射系統想法，並且自從太空時代的早期，人們就一直在琢磨這倆辦法。
第一種途徑就是所謂的“太空電梯”概念啦，科幻作家最喜歡了。想法是：我們發射一顆衛星環繞地球運行，衛星上繫着一根纜繩。衛星要足夠遠，讓離心力足以把纜繩拉緊。接着就讓人們攀着纜繩上去就行了，用普通的電動馬達就好，以太陽能、核電站或者隨便什麼好用的東西供電。工程上，這個方案的最大障礙是這根纜繩要足夠強，得比我們眼下最強的材料還要抗拉好幾倍。基於碳納米管的材料也許有希望能提供所需的強度——所以呢，那一長串工程學問題裏又多了個新成員，這些問題的共同特點就是：只要祭出“納米”這個前綴，就可裝作迎刃而解的樣子啦。
第二種途徑是核爆脈衝推進，這辦法居然是可行的，足以讓大量物質獲得很高的速度，還真讓人吃驚呢……基本原理是，往身後扔一顆核彈，然後乘上它炸開的衝擊波，獲得速度。你可能會覺得飛船會被核彈蒸發掉；但實際上，如果飛船裝備了精心設計的防護盾，那麼在護盾被轟成渣之前，爆炸衝擊波本身早就煙消雲散了。如果護盾足夠可靠，這套發射系統理論上足以把整座城區送進地球軌道，有可能——只是可能——達成我們的目標。
這個第二途徑背後的工程學原理如此紮實，以至於20世紀60年代的時候，在弗里曼·戴森（#對，就是那個提出戴森球的傢伙）的指導下，美國政府真的試圖建造這樣一艘核爆動力飛船！這項工程的代號是“獵戶座計劃”，在弗里曼·戴森的兒子喬治·戴森所寫的同名書裏有十分精彩的詳述。可惜這項工程還沒來得及造出初號機就被取消了，讓核爆脈衝推進理論的支持者十分傷心。（#其中一定包括大劉吧！必須是吧！）但另一些人則指出，請認真考慮一下這些瘋狂的傢伙要做的事情吧——把我們全部的核武器庫丟進盒子裏面，遠遠甩到高空中，再拿核彈反覆去轟……蒼天啊這個項目如此恐怖怎麼居然進行了這麼久才被取消啊啊？
總之呢，答案是：把送一個人入太空很容易的，但若讓我們所有人都進入太空，足以把我們的資源逼到極限，甚至可能摧毀這個星球。對一個人來講這是一小步,而對於全人類而言這卻是何等巨大的飛躍啊。
覺得料不夠猛並且爲自己拖延症尋找藉口中的譯者友情提供之番外篇：後獵戶時代
以下內容爲譯者搜尋資料後編譯所得，與xkcd無關
獵戶座計劃本身其實比xkcd所描述的更瘋狂。大氣層中核彈爆炸會產生衝擊波，但是太空中沒有空氣，核彈本身沒有多少物質，勉強產生個衝擊波也不給力……對此，獵戶座計劃的方案是使用許多個“脈衝推進單元”，每個單元形狀有點像一個崎嶇的杯子，核彈在杯中，杯蓋是一厚層塑料。使用的時候讓杯蓋衝着自己，朝身後扔出去，引爆核彈；核彈把杯蓋蒸發，產生的等離子流衝擊飛船尾部的推進板，產生推力。計劃中這艘怪物的先進型號在行星之間旅行時自重10000噸，會攜帶800枚核彈，每枚當量爲350噸TNT（其實不是很多……“小男孩”的當量大約是12000噸。不過世界上最小的核彈M-388大衛·克洛科特無後坐力炮炮彈，當量只有10噸TNT），平均每秒爆炸一次，但是卻能攜帶5000噸以上的有效載荷，其中包括大約4000名人類船員。相比之下土星五號重3350噸卻只能攜帶130噸載荷，實在可憐了一點……
當然，這個計劃對飛船的推進板（也即xkcd正文中提到的“護盾”）提出了嚴峻考驗。如何能讓這個板子面對大量高熱等離子流的轟擊而不被轟殺至渣？模擬和實驗表明，如果只進行太陽系內的遷徙的話，每次小核彈爆炸只會讓推進板遭受千分之幾秒的高溫燒灼，時間太短不足以產生明顯損害，也不需額外冷卻。但如果我們想靠這個去半人馬阿爾法星，小核彈肯定不夠給力，大核彈就會產生問題。戴森本人的估計是，使用氫彈的話，此法上限可以達到大約0.1c；但是這是不考慮減速的情況，如果還要留核彈準備減速，那麼最大速度也得減半。卡爾·薩根認爲，這是我們現存核武器庫的一個好去處。無論如何，憑藉現有的技術，獵戶座計劃其實是可以實現的。
0.1c顯然是不能滿足宇宙夢想家，所以他們構想了很多其它方案，不幸這些方案在現有技術下都不可實現，所以不詳細說了。
代達羅斯計劃和遠射計劃。這兩者使用的是“聚變火箭”，在飛船的內部建造一個可控熱核反應堆，然後將產生的等離子體噴射出去。預期這個飛船可以達到0.12c，其實還是不夠給力。問題在於地球上的可控核聚變還沒實現呢……
不列顛軌道飛碟計劃（這名字爲什麼有蒸汽朋克既視感……）。這貨真的長得像一個飛碟……基本原理還是可控核聚變，但是和傳統的聚變火箭不同，這個聚變反應堆是脈衝式的，由此產生的變化電磁場用來發電，這些電力又重新經由電磁鐵轉變爲定向的磁場，將聚變產生的各種亞原子粒子加速推走，使得推進效果更好。不過這個方案遭受的嘲笑比較多。
太陽帆。基本原理是利用光壓推動飛船前進，因爲阿瑟·克拉克的小說而廣爲人知，這裏不再贅述。
磁帆。太陽帆的強化版，用磁場偏轉太陽輻射出的帶電粒子以加速。
不過個人還是認爲，終極解決方案大概是赫赫有名的巴薩德衝壓發動機（記得《宇宙過河卒》嗎？雖然我比較喜歡小說原名Tau Zero……）。它的思路簡單粗暴：一路航行、一路捕獲太空中的氫原子，然後就地用來作爲可控核聚變燃料……
