太平洋时间时间2021年7月11日，维珍航空创始人理查德·布兰森与其他5名同行者一起乘坐维珍“团结”号太空船，经历了一场一个多小时的太空旅行。
无独有偶，当地时间7月20日，57岁亚马逊创始人杰夫·贝索斯搭乘蓝色起源公司新谢泼德火箭搭载的飞船，进行了三分钟的失重太空旅行。
埃隆·马斯克旗下的SpaceX公司计划在2022年，发射两艘货运飞船登陆火星；在2024年，将有第二批两艘货船和两艘载人飞船再登陆火星。
当一些大型科技公司和资本都开始向太空旅行这一领域发力时，我们也许可以在有生之年进行远距离的星际旅行。那么星际旅行究竟有什么困难，我们的科技又应该发展到怎样的水平才可以进行一次完美的星际旅行呢？
星际旅行无疑是一项需要大量人力物力的活动，并且由于它的新颖性，在很多领域都需要全新的技术才能满足需求，想要进行星际旅行，至少要解决以下的这些问题。
燃料/引擎
每当提到火箭，燃料便是老生常谈的问题。燃料是星际旅行中最重要的材料之一，却也是人类最大的掣肘。
俄国火箭专家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky)基于动量守恒原理，推导出了火箭公式。
这个公式告诉人们，最大速度与火箭排气速度、燃料质量和飞行器质量有关。也就是说，宇宙飞船若是想要飞得足够远，就必须要有很快的排气速度和很小的质量。但某一类型火箭的排气速度往往是固定的，所以人们只能探索新的燃料类型。
目前全世界的主流运载火箭均为固体燃料火箭或液体燃料火箭。
固体燃料火箭
固体燃料火箭的特点为机动性强，对外界的碰撞或摇晃忍耐程度较强，造价低廉。但是却不能进行长时间的工作，因此多被用来装配在导弹上或者当作大型火箭的助推火箭。
中国的长征十一号运载火箭，美国的70吨SLS构型的运载火箭，都搭载了固体燃料火箭。固体燃料火箭的排气速度一般为2,600米/秒。
但很明显，由于其燃烧的时间非常短，排气速度也通常小于液体燃料火箭，一定不是星际旅行的最佳选项。
液体燃料火箭
接下来便是最现阶段最常见的液体燃料火箭，液体燃料主要有甲烷+液氧、氢氟、氢氧等。液体燃料的优点在于能量密度高，排气速度大。例如Space X公司的猛禽发动机，采用甲烷+液氧当作燃料，排气速度可以达到3,730米/秒。
但液体燃料的加注和保存却是非常困难的，因此制作成本往往比固体燃料火箭要高。
那么采用液体燃料火箭可以进行星际旅行吗？答案也是否定的，液体燃料虽然能量密度高，但是仍然无法支撑任何一架大型宇宙飞船行驶出太阳系外。人类仅仅让一架航天飞机飞上太空，就需要用一个巨大的罐子装满液氢。
液体燃料虽然能量密度高，但是液体密度却很小。也就是说，虽然液体燃料相比同等质量的固体燃料可以放出更多的能量，但是为了达到相同的质量，液体燃料需要更大的容器来存储这些燃料。
并且液体燃料火箭一旦点火，就无法将燃料阀门关死，因此总是会有燃料在损失。星际旅行中少不了改变航向或者走走停停的时候，液体燃料明显不是一个明智的选择。
其他的可能？
那么人类还剩下什么呢？诚实地讲，现在人类还无法合成可以使宇宙飞船航行到系外的燃料。除了固体燃料和液体燃料，还有航天飞机上使用的自燃燃料偏二甲肼、可以轻易获得原材料的铝氧燃料。它们的排气速度也都在2,000-3,000米/秒左右。
除了人类现有的燃料，还有一些科学家已经发现或许可以用来成为星际旅行的燃料的物质。
原子氢是个不错的选择，普通的氢气是由无数个氢气分子组成的，一个氢气分子则是由两个氢原子组成的。
当将燃料换成氢原子时，火箭的排气速度是普通氢气分子的两倍，高达16,000米/秒，100%的原子氢燃料的排气速度甚至可以达到20,600米/秒，这是因为排气速度随着推进器颗粒质量的减少而减少。显然，氢原子的质量只有氢分子的一半。
但人类并非穷途末路，根据牛顿第三定律，在真空的宇宙中，只要抛弃一定有质量的东西就能前进。
因此可以射出电荷的离子推进器也在考虑范围之中。霍尔推进器就是一种非常理想的推进器。
2020年1月，中国航天科技集团六院801所宣布20千瓦大功率霍尔推进器点火成功。霍尔推进器的原理，就相当于是向外射出电子，推动卫星或飞船前进。
因此霍尔推进器也被称为无工质推进器，也就是不需要燃料，仅仅通过电能就能前进。
生命维持系统
在电影《太空旅客》中，来自地球的5,000多名游客们需要在飞船上的休眠舱内休眠120年后到达目的地。
在电影《星际穿越》中，“永恒号”上的成员通过休眠来等待长时间的飞行。
的确，除非人类成功研发出可以极大延长人类寿命或者空间穿越技术，否则生命维持技术则是星际旅行最基本的要求。
生命维持技术包括人体休眠技术和生存环境保障技术。
人体休眠技术
人体休眠技术是科幻电影中经常提及的技术，一般是通过营养液或超低温将人体细胞活动速率降到最低水平，来达到延迟衰老的目的。
事实上，尽管全球有一些公司和机构正在提供人体冷冻的服务，例如美国的阿尔科生命延续基金(Alcor Life Extension Foundation)愿意以200,000美元的价格为客户进行全身冷冻。
但是目前在全世界还没有报道任何人可以在冷藏后复生。也没有任何实验可以证明，细胞可以在冷冻一段时间后保持完好。
然而这些并无法说明这项技术毫无出路，例如，科学家可以通过注射一些药剂来保持细胞活性的同时降低活动速率。
生存环境保障系统
除了人体休眠技术，在星际旅行中还应当在宇宙飞船中营造一个适宜人类生存的环境。
1984年起，美国石油大王爱德华·巴斯(Edward Bass)豪掷2亿美元，在美国亚利桑那州建造了“生物圈二号”项目，目的是在一个完全封闭的环境中打造出完全独立的一个生物圈，包含大自然中的各个必要部分。
同样的情况也适用在宇宙飞船上，在长期的飞行中，如何携带足够的食物是一个严峻的问题，因此可以联想到建造一个人工生态圈来达到自给自足的目的。
如果想要制造一个封闭的生态环境，至少需要一种自养生物来生产有机物，每一种生物新陈代谢产生的废弃物必须能被至少一种生物所利用，也就是说，至少需要有非生物环境、生产者、消费者和分解者。
遗憾的是，“生物圈二号”计划在短短两年时间内，就曾因为缺氧和大量动物死亡打开过24次。这证明人类还没有创造出一个完全独立的生物圈的实力。
另一种折中的方案是并不全部使用生物来进行生物圈中的部分，还可以用机器来替代一部分生物圈中的角色，例如分解者，可以利用细菌培养装置快速分解排泄物，再转化为可被利用的燃料或肥料。
科学家们已经在做类似的研究了，在2007-2011年，俄罗斯、欧洲空间局和中国联合开展了一项名为“火星-500”的火星载人航天测试，目的是在一些机器的帮助下模拟在火星的生活。
这次实验是成功的，实验的三个阶段分别长15天、105天、520天。参与饰演的志愿者在没有任何外界参与的情况下模拟了在火星生活的状态，留下了宝贵的心理和生理医疗数据。
重力
除了完备的生物圈体系，稳定的重力也是人类必须的一种环境，目前最简便的制造重力的方法，就是使飞船沿一个固定的轴转动，利用离心力制造一个稳定垂直于地面的力。
这种技术也是广泛出现在各个科幻电影中的技术。例如《太空旅客》中的阿瓦隆号和《流浪地球》中的领航者号空间站，都被设计成了一个大圆环的形状。
足以自保的能力
在星际旅行的过程中，除了长时间乏味的航行，还有可能遇到各种意外情况。
例如飞船需要出舱维修、飞船遭到陨石碰撞、宇宙射线轰击飞船等等。甚至还可能会有许多人类无法预想到的情况。那么坚固可靠的装备和飞船就是迫切需要解决的问题了。
高能粒子
在我们头顶上的宇宙看似平静，实际却暗流涌动。大量肉眼不可见的粒子时刻在宇宙空间中高速穿梭。
其中最常见的就是来自于太阳的“太阳风”，“太阳风”指的是太阳大气射出的超高速等离子体，也就是带电粒子流。
在这些等离子体中，有73%的是氢，25%的是氦，还有其他一些人类目前无法探明的物质。与核聚变的原理相同，这些射出的等离子体携带着大量的辐射， 奔腾着肆虐着四周的一切物质。
这导致国际空间站的宇航员们每天受到的辐射量是航空工作者或放射科护士的200倍。“在太空中一天受到的辐射等于在地球上全年的剂量。”研究地球上的宇宙辐射的物理学家 Marco Durante 曾经这样点评宇航员的工作。
因此如何建造一艘足以抵御宇宙射线的飞船关乎到星际旅行能否顺利进行。我们或许可以从自然中寻找答案。
有人可能会想到，为什么我们在地球上感受不到这些粒子的冲击呢，这是因为地球的磁场保护了地球上的所有生物。
由于宇宙射线是由带电粒子构成的，而磁场恰好可以改变带电粒子的运动方向，因此地球独一无二的磁场可以将所有射向地球的宇宙射线偏转，从而避免地球表面遭受辐射和高温。
相似地，我们也许可以在宇宙飞船上添加一个磁场发生器，用来保护宇宙飞船不受宇宙射线的破坏。但磁场发生器势必会干扰飞船上的电子设备，因此如何开发与磁场发生器可以共用的仪器也是一个迫切需要解决的问题。
宇航服
除了一艘坚固的宇宙飞船，旅行者们还有可能需要用到宇航服。一件合格的宇航服就相当于一艘只能乘坐一位乘客的宇宙飞船，它必须能够营造生存条件、通讯和抵御外界冲击的作用，因此目前现有的航天服都造价不菲。
如果想要进行星际旅行，一件轻便高效并且价格低廉的航空服是必需品。
空间距离
当以上的所有问题都解决后，那么就只剩下一个最严峻的问题：星际旅行去哪里？
如果单单只是为了在宇宙中闲逛一圈，体验宇宙的悠远和深沉，那么在太阳系里就已经足够。
可如果你需要去到更远的星系，甚至需要在地球危在旦夕的时候进行星际殖民，需要考虑的事情，可就不仅仅是以上这些装备的问题了。
2016年，伦敦玛丽王后大学天文学家古勒姆·安格拉达-伊斯库德(Guillem Anglada-Escude)带领的欧洲南方天文台团队确认行星“比邻星b”的存在，并判断这颗位于半人马座的行星是一颗距离地球最近的有可能适宜人类生存的类地行星。
可即便是距离地球最近的类地行星，也有4.2光年远。也就是说，如果以光速前进，也得在宇宙中穿梭4.2年。但更糟糕的是，人类目前可以让空间飞行器达到的最大速度也只是第三宇宙速度，也就是勉强能飞出太阳系的速度，连光速的千分之一都不到。
如何寻找出更高效的推进方式很重要，但找到后的结果也需要考虑。
在电影《星际穿越》中，有这样的一个故事，作为父亲的宇航员，通过长途星际旅行后到达了一颗位于黑洞旁的行星“米勒”，黑洞巨大的引力导致米勒上的时间流速异常缓慢，等到父亲离开这颗星球时，他的女儿的年龄已经和他一样大。
爱因斯坦曾对这种情况作出过预言，并且在后来各种广义相对论的实验中被证实。
简单来讲，时间会在引力大的地方走的更慢，在引力小的地方走的更快。可以理解为，受到的重力势能越大，时间走的越慢。
这样一来就会出现一个问题，那就是如果人类到达的地方处于重引力区，那么他们和地球时间流速差就会非常大，这将导致信息传输的不及时。
例如，重引力区过了一天，而地球上已经过了一年。如果人类是在危急存亡之际排出先遣队探索新的星域，那么很有可能在先遣队完成探索后，地球上的人类已经灭绝了。
虽然有危言耸听之嫌，但是谁都无法预料当真的灾难来临时人们究竟可以有多顽强。这意味着科学家们必须要在远距离通讯上下功夫，并且如果要进行星际殖民，必须要制定一个万全的人类火种延续计划。
时间流速出现差距的情况可不止这一种。
1905年，爱因斯坦在德国著名物理学期刊《物理学纪事》发表了五篇论文，它们分别论证了原子的存在、光的性质，并在时间和空间、能量和物质概念这样的根本性问题上提出了完全革命性的看法。其中就包括相对论和著名的质能方程：E=mc^2。
爱因斯坦在狭义相对论中指出，当一个物体运动越快时，它周围的时间流速越慢。
与上文中提到的引力影响时间流速的例子一起，被称为“钟慢效应”，在狭义相对论和广义相对论上分别有不同的解释。
质能方程告诉我们，任何有质量的物体运动速度都无法超过光速。因此假设有一天人类制造出可以以接近光速运动的宇宙飞船后，虽然可以以很高的速度到达任何地方，但是地球上也已经过去了很久的时间。也许宇宙飞船上的乘客只是吃了一顿饭，地球上就已经过去十年了。
因此人类如果想要通过星际旅行进行星际殖民计划，必须先要保证自己有足够的耐心去等待不同时间流速所带来的空虚。
在很多科幻作品中提到了虫洞、空间跃迁、曲率引擎等技术，虽然听起来非常炫酷、非常高效，但却是人类最无法探索到的领域，人类目前的技术根本无法研究出任何皮毛，因此还是尽量要将希望放在已经有所进展的领域。
每一天在匆匆忙忙地为自己而活之余，我们也应该放置一些希望在未来，没准你我哪天真就成了星际旅行的乘客。
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