在遙遠的未來的某天，我們將渡過在地球上最後的美好一日。最終，在距今數十億年之後，天空會燃燒起來。太陽將膨脹成苦難的煉獄，充滿整個天空，使天上的一切都顯得微不足道。隨著地球上溫度急速上升，海洋將沸騰並蒸發殆盡，留下焦煳、乾涸的景象。最後，高山將熔化，變成液體，在充滿活力的都市曾經聳立的地方形成熔岩流。
根據物理法則，這無情的未來將是必然會到來的。地球最終將在火舌中滅亡，並被太陽吞噬。這是一條物理定律。
這場災難將在未來50億年中發生。在這一宇宙級時間範圍內，人類文明的起起落落不過是微不足道的小小漣漪。有一天我們將必須離開地球，或者死去，所以，當地球上的環境變得令人無法忍受，人類——我們的後人，將如何應對？
數學家和哲學家伯蘭特·羅素（Bertrand Russell）曾經痛惜道：“沒有任何任何思想或者感覺的火花、英雄氣概和激盪能夠超越生死、保留生命。一切時代的勞作、一切虔誠摯愛、一切絕妙靈感、一切人類非凡才能的耀眼光芒都注定要在太陽系的悲壯滅亡中毀滅。人類成就的整座神殿將必然埋葬在宇宙殘骸之下的廢墟中……”
對我而言，這是英語中最發人深省的段落之一。但是羅素是在一個火箭、宇宙飛船被認為不可能的年代寫出這段話的。今天，有朝一日離開地球的想像已經不那麼牽強了。卡爾·薩根曾說，我們應該變成“雙行星物種”。地球上的生命非常寶貴，他說，我們應該擴張到至少另一個適宜居住的行星上，以防止大災難的降臨。地球運行在一個“宇宙射擊場”之中，其中有小行星、彗星和其他在地球軌道附近漂流的散落碎片，與它們中任何一方的一次相撞就可能導致我們的滅亡。
詩人羅伯特·弗洛斯特（Robert Frost）提出過地球是將在火焰中還是冰凍中終結這一問題，運用物理定律，我們能夠合情合理地預測地球將如何在一次自然災難中終結。
在數千年的時間跨度裡，人類文明面臨的危機之一是一次新的冰川期的出現。最後一次冰川期在1萬年前結束了。當下一次冰川期在今後1-2萬年中到來，北美洲的大部分地區可能會被半英里厚的冰層覆蓋。人類文明在最近短暫的兩個冰期之間的時間裡興旺繁榮，這期間地球異常溫暖，但這樣的周期不會永遠持續下去。
在數百萬年的時間裡，大型流星或彗星與地球相撞可能會造成毀滅性的影響。上一次從天而降的大災難發生在6500萬年以前，一塊直徑6英里的物體猛然撞擊墨西哥的尤卡坦半島（Yucatan Peninsula），造成了一個直徑約180英里的隕石坑，消滅了到那時為止在地球上居統治地位的生命形式——恐龍。另一次宇宙撞擊可能也是當時那個等級的。
距今數十億年之後，太陽將漸漸膨脹，並且吞噬地球。事實上，我們估計太陽在下個10億年中溫度將升高約10%，烤焦地球。它將在50億年後完全吞噬地球，我們的太陽將轉變為巨大的赤星。地球事實上將位於太陽的大氣層之內。
距今數百億年後，太陽和銀河係都將死去。當我們的太陽最終耗盡其氫/氦燃料，它將萎縮成一顆微型白矮星，並且漸漸冷卻，直到它成為一堆巨大的黑色核垃圾遊蕩在太空的真空中。銀河係將最終與鄰近的仙女星系相撞。仙女星係比我們的銀河系大。銀河系的會被撕裂，我們的太陽將被甩入外太空。兩個星系中心的黑洞將在最終的撞擊和合併之前表演一場死亡之舞。
由於人類在某天必須逃離太陽係到鄰近的星體上謀求生存，或者毀滅，問題在於：我們要如何去那裡？最近的星系半人馬星座在超過4光年以外。傳統的化學推助火箭——時下太空項目使用的小馬駒，勉強能達到每小時4萬英里。用這種速度，僅僅是到達最近的恆星就要花上7萬年。
分析一下當今的太空項目，在我們當今可憐巴巴的技術能力和一艘可以讓我們開始探索宇宙的恆星飛船之間有著巨大的鴻溝。自從20世紀70年代早期對月球進行探索以來，我們的載人太空項目將宇航員送入了地球上空僅僅300英里的軌道上的航天飛機（Space Shuttle）和國際空間站（International Space Station）。然而，NASA計劃到2010年逐步停用航天飛機，為獵戶座載人飛船（Orion spacecraft）讓路。獵戶座載人飛船將在50年的間斷之後，於2020年之前把宇航員帶回月球。計劃是建立一個永久性的、人工操縱的月球基地。在那之後，一項人工操作的任務將在火星上實施。
顯然，如果我們想要在某一天到達其他恆星，那就必鬚髮展新型的火箭設計。要么我們必須從根本上提高火箭的推進力，要么我們就得增加火箭運行的時間。例如，一架大型化學火箭可能具備數百萬磅的推進力，但僅僅能燃燒幾分鐘。相反，其他火箭設計，比如離子發動機（在下列段落中詳述），或許具備可能在外層空間中運行上數年的微弱推進力。談到火箭學，烏龜能勝過兔子。
不同於化學火箭，離子發動機不產生突然的、激動人心的推動傳統火箭的高溫氣浪。事實上，它們的推進力通常是用盎司來計算的。要是將它們放在地球上的一張桌面上，它們會因為過於無力而不能移動。但是，它們在推進力上的匱乏在持久力上得到了更大彌補，因為它們可以在太空的真空中運行數年。
一台典型的離子發動機看上去就像顯像管的內部。一根火熱長絲由一股電流加熱，製造出一股電離後的原子，比如氙，它們從火箭底部射出。離子發動機並不是駕著炙熱、爆炸性的氣流行駛，而是乘著稀薄但穩定的離子流。
NASA的NSTAR離子推進器在1998年成功發射的深太空一號（Deep Space 1）上進行了測試。離子發動機總共燃燒了678天，創下了離子發動機的新紀錄。歐洲航天局也在自己的智能一號（Smart 1）探測器上測試了一台離子發動機。曾經飛過一顆小行星的日本隼鳥號（Hayabusa）太空探測器由四台氙離子發動機驅動。儘管不怎麼激動人心，但離子發動機將能夠完成行星間遠距離的任務（緊急的除外）。其實，離子發動機有朝一日可能會成為星際運輸中使用的驛馬。
離子發動機有一種更為強大的版本——等離子體發動機。例如，VASIMR（可變比衝磁等離子體火箭，variable specific impulse magnetoplas marocket），使用一束強有力的等離子體將火箭推進太空。 VASIMR由宇航員/工程師張福林（Franklin Chang-Diaz）設計，使用無線電波和磁場將氫氣加熱到100萬攝氏度。超熱的等離子體隨即從火箭底部噴出，產生巨大的推力。儘管還沒有被送入過太空，這一發動機的雛形已經在地球上製造完畢。一些工程師希望等離子體發動機能夠被用於支持去火星的任務，這可以大大將到達火星的行程時間縮短到數月。一些設計使用太陽能為發動機中的等離子體賦予能量，其他的設計使用核裂變（這引起了關於安全方面的擔憂，因為它涉及將大量核材料裝在易發生事故的飛船上送入太空）。
然而，無論是離子發動機還是等離子體/VASIMR發動機都沒有足夠的能力將我們帶到星體上去。要做到這一點，我們需要一套全新的推進設計。設計恆星飛船有一項嚴重的不利條件：就算完成一次到達最近星體上的旅程都需要數量驚人的燃料，而且飛船在到達遙遠的終點之前需要很長的時間。
有一個提議或許可以解決這些問題，那就是太陽帆。它利用了陽光能應用非常小但是非常穩定的壓力這一事實，這一壓力足以將巨型火箭推入太空。太陽帆的概念相當古老，始於偉大的天文學家約翰尼斯·開普勒1611的論文《夢遊記》。
雖然製作太陽帆的物理原理相當簡單，但製造真正能送入太空的太陽帆的進展時好時壞。 2004年，一台日本火箭成功使用了兩台小型太陽帆樣機進入太空。在2005年，行星協會（Planetary Society）、宇宙工作室（Cosmos Studios）和俄羅斯科學院（Russian Academy of Sciences）從巴倫支海上的一艘潛水艇發射了宇宙一號（Cosmos 1）宇航器，但是其攜帶的波浪號（Volna）火箭失靈了，宇航器沒能到達軌道（早在2001年，一次亞軌道飛行同樣失敗了）。但是，在2005年，一艘15米長的太陽帆飛船由日本的MV火箭成功送入軌道，儘管太陽帆沒有完全展開。
儘管太陽帆技術的進展緩慢得讓人痛苦，可太陽帆的支持者們卻有另一個或許可以將他們帶到星星上去的想法：在月球上製造巨型的激光器陣列，能夠向一艘太陽帆發射強烈的激光，使其向最近的星星航行。可是，這樣的星際航行太陽帆的物理原理真的非常令人氣餒。太陽帆本身的寬度必須達到數百英里，並且完全在太空中製造。我們必須在月球上製造數千束強大的激光束，每一束都能夠持續射擊數年到數十年（在一項估算中，發射的激光必須是目前地球能量總產量的1000倍）。
在理論上，一艘龐大的太陽帆或許能夠以光速的一半速度移動。這樣的太陽帆只要花上8年左右就可以到達附近的星體）這樣一個推進系統的優勢在於，它可以使用現有科技，不需要發現新的物理定律來製造。但主要的問題是經濟上和工程上的。工程上的問題是：製造一艘數百英尺寬的太陽帆，並由位於月球上的數千束強大激光束賦予能量，是難以完成的，需要或許是未來100年後才出現的科技。 （星際太陽帆存在一個問題——回收。我們將不得不在一個遙遠的行星衛星上製造第二個激光器陣列，好將飛船推冋地球，或者，飛船能夠迅速繞著一顆恆星旋轉，將它像一台彈射器那樣使用，以便為回程獲得足夠的速度。隨後月球上的激光器可以將太陽帆減速，如此它便能降落在地球上。）
我個人最看好的能將我們帶到星星上去的是沖壓式噴氣核聚變發動機。宇宙中有豐富的氫，沖壓發動機在太空旅行的時候獲取氫，從根本上給予其取之不盡的火箭燃料。氫收集起來後可隨即被加熱到數百萬度，足夠熱到讓氫融合，釋放出一次熱核反應的能量。
沖壓式噴氣核聚變發動機是由物理學家羅伯特·E.巴薩德（Robert E.Bussard）在20世紀60年代提出的，後來由卡爾·薩根推廣。巴薩德計算，—台重達約1000噸的沖壓式噴氣發動機理論上或許能夠保持相當於1克力的穩定推力，這個力與站立在地球上相同。如果沖壓式噴氣發動機能夠將1克的加速度保持一年，它就可以達到光速的77%，足以使星際旅行真正成為可能。
沖壓式噴氣核聚變發動機的要求很容易計算。首先，我們知道遍布宇宙的氫氣的平均濃度。我們同樣能夠計算要獲得1克加速度必須燃燒多少氫氣。這一計算反過來決定用於收集氫氣的“勺子”該有多大。出於一些合理的假設，我們可以看到我們需要一個直徑約160千米的勺子。儘管在地球上製造這麼大的一個勺子是無法完成的，但在太空中製造它卻會因為失重而容易一些。
基本上，沖壓式噴氣發動機能夠無限期地自我推進，最終到達銀河中遙遠的恆星系統。根據愛因斯坦的理論，在火箭內部時間會減慢，達到天文學距離而不用讓船員們進入生命暫停狀態或許會成為可能。根據飛船內部的時鐘，在加速度1克達11年後，宇宙飛船將到達400光年之外的昴星團。在23年後，它將到達離地球約200萬光年之外的仙女星系。理論上，宇宙飛船或許能在一名船員的生命期限內到達可見的宇宙極限（儘管地球上可能已經過去了數十億年）。
主要的不確定因素可能是聚變反應。定於在法國南部建造的ITER聚變反應堆結合了兩種氫的罕見形態（氘和氚）以取得能盤。然而，在太空中，氫最豐富的存在形式是由被一個電子圍繞的質子構成的。因此，沖壓式噴氣核聚變發動機將不得不利用光子-光子聚變反應。儘管物理學家們研究氘/氚聚變過程已經數十年，但光子-光子聚變反應過程獲得的了解不足更為難以實現，並且產生的能量要遠遠更少。因此，在未來的10年中，掌握難度更高的光子-光子聚變反應將是一大技術挑戰（除此之外，一些工程師對於沖壓式噴氣發動機能否在其接近光速的時候克服曳引效應感到懷疑）。
到光子-光子聚變反應的物理問題和經濟性問題獲得解決之前，對於沖壓式噴氣發動機的可行性很難作出精確的估計。但是，在計劃去往星星上的任務時，這一設計被列在簡短的備選名單之內。
1956年，美國原子能委員會（USAtomic Energy Commission，AEC）開始在漫遊者計劃（Project Rover）中認真研究核火箭。理論上，一個核裂變反應器會將氫之類的氣體加熱到極端高溫，隨後這些氣體會從火箭的一端噴出，製造出推力。
由於涉及有毒核燃料在地球大氣層中爆炸的風險，早期的核火箭發動機被水平放置在鐵路軌道上，在那裡，火箭的表現可以獲得精心的檢測。漫遊者計劃中測試獲得的首台核火箭引擎是1959年的奇異1號（Kiwi 1，恰如其分地用澳大利亞不會飛的小鳥命名）。在20世紀60年代，NASA加入了AEC一同製造核子引擎火箭推進系統應用（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications，NERVA），這是首枚豎直而非水平地進行試驗的核火箭。在1968年，這枚核火箭以頭朝下的姿勢進行了點火試驗。
這一研究的結果喜憂參半。火箭是非常複雜的，並且常常失靈。核發動機的劇烈振動時常震裂燃料棒束，導致飛船四分五裂。高溫燃燒氫氣所造成的腐蝕同樣是個反復出現的問題。核火箭項目最終於1972年終止。
（這些核火箭還存在另一個問題：失控的核反應器的危險性，就如小型原子彈的情況一樣。儘管當今的商業核電站依靠稀釋後的核燃料運轉，不會像廣島原子彈那樣爆炸，但這些核火箭依賴高濃度鈾運行，並且因此能夠以連鎖反應的形式爆炸，製造出一起微型核爆炸。當核火箭項目即將結束時，科學家們決定進行一次最後的試驗。他們移走了操縱桿［它用於抑制核反應］，反應堆隨即進入超臨界狀態，並且爆炸成為燃燒的火球。核火箭這一壯觀的謝幕甚至被捕捉為影像。俄羅斯人很不滿。他們認為這一驚人之舉違背了《部分禁止核試驗條約》［Limited Test Ban Treaty］，該條約禁止原子彈的地面爆炸。）
多年來，軍方周期性地重新考慮核火箭。有一項秘密計劃被命名為“森林風核火箭”（Timberwind nuclear rocket），它是20世紀80年代軍方“星球大戰”計劃的一部分（該計劃在其存在細節遭美國科學家聯合會［Federation of American Scientist］披露後被放棄）。
核裂變火箭最令人擔憂的是它的安全性。儘管人類進入太空時代不過50年，但是化學推助火箭在這段時間內遭受了約1%的災難性失敗（“挑戰者”號［Challenger］和“哥倫比亞號”航天飛機［Columbia Space Shuttles］的墜毀悲劇性地導致14名宇航員喪生，並進一步證實了這一失敗率）。
但是，在過去幾年中，NASA已經重新開始了核火箭研究，這是20世紀60年代NERVA項目以來的第一次。在2003年，NASA命名了一項新計劃——普羅米修斯（Prometheus），得名於為人類帶來火種的希臘天神。在2005年，“普羅米修斯計劃”獲得了4.3億美元的撥款，儘管這一撥款在2006年被削減到了1億美元。這一計劃的前景尚不明朗。
還有一種可行性不太明確的可能，即使用一系列迷你原子彈來推進一艘恆星飛船。在“獵戶座計劃”中，迷你原子彈被從火箭底部依次噴射出來，這樣宇宙飛船就可以“乘坐”由這些迷你氫彈製造的衝擊波。理論上，這一設計可以使一艘宇宙飛船達到接近光速的速度。這一設想在1947年由協助設計最早的氫彈的斯坦尼斯勞·烏拉姆（Stanislaw Ulam）構思，由泰德·泰勒（Ted Taylor，美國軍方核彈頭的主要設計者之一）和普林斯頓高等研究學院（Institute for Advanced Study）的物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）進一步發展。
在20世紀50年代和60年代，科學家對這種星際火箭進行了精密計算。據估計，這樣的宇宙飛船可以在一年內飛到冥王星並返回，最高速度為光速的10%。但即使是以那樣的速度，它也需要用約44年的時間到達最近的恆星。科學家們推斷，以這一火箭推進的太空中的方舟必須得航行幾個世紀，歷經數代船員，他們的後代將在飛船上出生並在飛船上度過一生，這樣他們的後人才能到達最近的恆星。
1959年，通用原子技術公司（General Atomics）發表了一份報告，估算了一艘獵戶座宇宙飛船的大小。最大的一種被稱為超級獵戶座（superOrion），重達800萬噸，直徑400米，由1000枚以上的氫彈提供動力。
但是這一項目最大的問題在於發射過程中核放射性沉降可能造成污染。戴森估計，每次發射產生的核放射性沉降能導致10個人患上致命的癌症。此外，發射產生的電磁脈衝極為強烈，會造成鄰近的電子系統短路。
1963年，《部分禁止核試驗條約》為這一計劃敲響了喪鐘。最終，推動這一項目的主要驅動者——原子彈工程師泰德·泰勒放棄了（他曾經向我透露，當他意識到迷你原子彈所包含的物理原理同樣可以為恐怖分子所用、製造出便攜式原子彈的時候，他終於感到夢想破滅了。儘管這一計劃因為被認為十分危險而最終遭到終止，但它的名字在獵戶座宇宙飛船身上沿用了下去，NASA選擇了這一名字來取代2010航天飛機［Space Shuttle in 2010］）。
核動力火箭的概念由英國星際協會（British Interplanetary Society）在1973年-1978年間短暫地複興了。 “戴達勒斯計劃”（Project Daedalus）是一項預備性質的研究，目的是研究是否可能建造能夠到達巴納德星（Barnard's Star）——一顆距離地球5.9光年的恆星的無人駕駛宇宙飛船。 （巴納德星之所以被選中，是因為據推測它有一顆行星。自那時以來，天文學家吉爾·塔特［Jill Tarter］和瑪格麗特·特恩巴爾［Margaret Turnbull］編纂了鄰近的17129顆可能擁有適宜生命存在的行星的恆星名單。其中呼聲最高的是印第安座ε星［Epsilon Indi A］，距離地球11.8光年。）
為戴達勒斯計劃所策劃的火箭飛船非常龐大，它將不得不在太空建造。它的重量將為5.4萬噸，其重量幾乎全都在火箭燃料上，能夠達到光速7.1%的速度，載重450噸。不同於使用微型裂變原子彈的獵戶座計劃，戴達勒斯計劃會使用由電子射線點火的氘/同位素氦-3混合物。由於其面臨難以逾越的技術難題，以及對於其核推進系統的焦慮，戴達勒斯計劃同樣被無限期擱置了。
工程師們有時會說起“比衝”（specific impulse），它使我們可以將各種各樣的發動機設計的效率進行排名。 “比衝”被定義為每份推進劑質量單位中動量的變化，因此，發動機效率越高，將一架火箭推入太空所需要的燃料越少。反過來，動量是力作用了一段時間之後的產物。化學火箭儘管有非常大的推力，但只運行數分鐘，因此比衝很低，離子引擎由於可以運行數年，能具備高比沖和非常低的推力。
比衝是用秒來測量的。一架典型的化學火箭的比衝為400-500秒。航天飛機發動機的比衝是453秒（化學火箭達到過的最高比衝是542秒，使用了氫、鋰和氟混合而成的推進劑）。 “智能一號”離子發動機的引擎比衝為1640秒，核火箭能達到850秒比衝。
可能存在的最大比衝會來自一架能達到光速的火箭，它將具備約3000萬的比衝。以下表格列出了不同種類的火箭發動機的比衝。
（原則上，激光帆和沖壓噴氣發動機由於根本不具備任何火箭推進劑，所以擁有無限的比衝，儘管它們也有自己的問題。）
對許多這類火箭來說，遭受的最嚴重的反對意見在於它們極為龐大和沈重，因而永遠無法在地球上建造，這就是為什麼有些科學家提出在太空中建造它們。在那裡，失重也許會使宇航員們能夠輕易抬起重得不可思議的物體。但現在的批評者們指出，在太空中裝配它們的費用巨大得無法承受，比如，國際空間站需要超過100次的航天飛機發射才能完成裝配，其成本已經逐步累積到1000億美元。它是歷史上最昂貴的科學項目。在太空中建造一艘星際飛船或者沖壓噴氣勺的花費比它還多許多倍。
但是，正如科幻作家羅伯特·海茵萊因（Robert Heinlein）喜歡說的那樣，如果能夠將飛船送到地球上空160千米處，那麼你已經在任意遨游太陽系的道路上成功了一半了。因為，任何形式發射的前160千米內，火箭都掙扎著要擺脫地心引力，這顯然是花費最巨大的部分。在那之後，火箭飛船幾乎就能輕鬆航行到冥王星以及更遠處。
在未來，有一種方法能夠大幅減少成本，那就是太空升降艙。順著一根繩索爬上天堂的想法非常古老。例如，像在童話《傑克與魔豆》（Jack and the Beanstalk）中那樣，但它或許能成為現實——如果繩索能高高送入太空的話。此後，地球自轉產生的離心力將足以抵消地心引力，繩索將永遠不會落下。繩子會魔法般地垂直升入空中，並且消失在雲間（想像一個在軸上轉動的球體。它看來在對抗地心引力，因為離心力將它推離了自轉中心。同樣的，一根非常長的繩子由於地球轉動可以“掛”在空中除了地球的自轉外，保持繩子的狀態無需任何事物。理論上人可以爬上繩子並且向上進入太空。我們有時向在紐約城市大學學習物理學課程的學生提出問題，要他們計算這樣一根繩子所承受的張力，不難發現，繩子所承受的張力甚至足以使鋼絲繩猛然斷裂。這就是太空升降艙長期以來被認為不可能實現的原因。
首位深入研究太空升降艙的科學家是俄羅斯幻想家、科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。在1895年，他受埃菲爾鐵塔啟發，想像一座能夠升入太空的塔，將地球與一座太空中的“空中城堡”聯繫起來。它將從下而上進行建造，從地面開始，工程師將慢慢把升降機延伸到天上。
1957年，俄羅斯科學家尤里·阿特蘇塔諾夫（Yuri Artsutanov）提出了一種新的解決方式：以相反的順序建造太空升降艙——自上而下，從太空開始。他想像一顆位於太空中地球靜止軌道3.6萬英里處的衛星，從那裡，可以降下一根纜索到地球上。隨後，纜索將被錨固在地面上。但是一台太空升降艙的系規必須耐受大約60-100gpa（吉帕斯卡）的張力。鋼大約在承受2gpa的時候就會斷裂，這使得這一構思遙不可及。
隨著亞瑟·C.克拉克於1979年出版的小說《天堂噴泉》（The Fountains of Paradfae）和羅伯特·海茵萊因於1982年出版的小說《星期五》（Friday）的推出，太空升降艙的概念傳達給了更多的受眾。可是，由於沒有任何進展，這一概念萎縮了。
當化學家們開發出碳納米管的時候，這一等式發生了翻天覆地的變化。在1991年，日本電氣（Nippon Electric）的飯島澄男（Sumio Iipna）的研究成果突然激起了學界的廣泛興趣（儘管碳納米管的遠源要追溯到20世紀50年代，這一事實如今卻被忽略了）。令人矚目的是，納米管的強度比鋼絲繩更大，同時也更輕。事實上，它們超過了維持一個太空升降艙所需要的強度。科學家相信一根碳納米管纖維能夠承受120gpa的壓力，這還遠遠在斷裂點之上。這一發現重新點燃了製造太空升降艙的熱情。
1999年，NASA的一項研究對太空升降艙進行了認真的考慮，想像了一條約1米寬、4.7萬千米長的帶子，能夠將約15噸的有效載荷傳送到地球軌道中。這樣的太空升降艙可能在一夜之間改變太空經濟。建造開支可以減少到原來的一萬分之一，是一項驚人的、革命性的改變。
目前，將1磅重的物體送入環繞地球的軌道要花費1萬美元以上（大致就是一盎司黃金的價格）。舉例來說，每一次航天飛機發射任務的花費多達7億美元，一台太空升降艙可以將費用減至每磅1美元之少。在太空項目開支中如此巨幅的減少能將給我們觀察太空的方式帶來革命性的改變。簡單地按下升降艙按鈕，我們理論上可以憑一張飛機票的代價乘坐升降艙進入太空。
但是，在我們建造一台能夠乘坐其升入太空的太空升降艙之前，必須解決難以克服的實際障礙。目前，實驗室中製造的純淨碳納米管纖維不超過15毫米長。要建造一台太空升降艙，我們必須製造出數千英里長的碳納米管索。儘管從科學的角度來看這只不過是一個技術問題，但如果我們打算建造一台太空升降艙的話，它會是一個頑固而艱難的問題，必須解決。不過，許多科學家相信，在數十年內我們將能夠掌握製造碳納米管長索的科技。
其次，碳納米管中的微型雜質會使長索成為問題。意大利都靈理工學院（Polytechnic of Turin）的尼古拉·普格諾（Nicola Pugno）估計，一根碳納米管中哪怕有一個分子出現誤差，碳納米管索的強度就要減少70%，使其無法達到支持一台太空升降艙所必須的最小吉帕斯卡數。
為了激勵太空升降艙方面的原創思想，NASA為兩項獨立獎項撥了款（獎項效仿安薩里X獎［Ansari X-prize］，這一獎項成功激勵了有進取心的發明家製造出了能夠攜帶乘客到達太空邊緣的商業火箭。X獎在2004年由“太空船一號”［Spaceship One］獲得）。 NASA提供的獎項稱為光束動力競賽（Beam Power Challenge）和系鏈競賽（Tether Challenge）。在光束動力競賽中，參賽隊伍必須將一件重量至少25千克的機械裝置以至少每秒鐘1米的速度送到一根系鏈（從起重機上垂下）向上至少50米處。這聽起來或許很容易，但困難在於機械裝置不得使用燃料、電池或者電線，取而代之的是，機械裝置必須由太陽電池陣電源系統、太陽能集光器、激光器或者微波等適合在太空中使用的能源來提供動力。
在系鏈競賽中，參賽隊伍必須製造出重量不得超過2克的2米長的系鏈，並且必須能攜帶比前一年的最佳系鏈多50%的重量。競賽的目的是鼓勵研究，開發出足以在太空中懸掛10萬千克的輕型材料。獎金分別為15萬美元、4萬美元和1萬美元（在此強調一下征服這一競賽的難度：在2005年競賽舉辦的第一年，沒有人獲得該獎）。
儘管一台成功的太空升降艙可以使太空項目發生根本性的改變，但這樣的機器有它們自己的一系列危害。例如，近地人造衛星的軌道在它們環繞地球運行的時候會不斷改變（這是由於地球在它們下方轉動）。這意味著，這些人造衛星最終會與太空升降艙以每小時1.8萬英里的速度猛烈相撞，足以使系鏈斷裂。為了防止這樣的劫難，在未來不是人造衛星必須設計為帶有小型火箭、能夠在太空升降艙周圍游過，就是升降艙的系鏈不得不配備小型火箭以躲避經過的人造衛星。
同樣，與隕石微粒的相撞也是個問題，因為太空升降艙遠在地球大氣層之上，而我們的大氣層通常會保護我們免受流星危害。由於隕石微粒撞擊是不可預知的，升降艙必須帶有附加的防禦盾，或許還要有失效保護系統。地球上的極端氣候也會造成問題，比如颶風、潮汐波和風暴等。
還有一種新穎的方式能將物體投擲到接近光的速度，那就是使用“彈弓”效應。在將航天探測器送上太空中的行星時，NASA有時會讓它們繞鄰近的行星快速轉動，這樣它們就能使用彈弓效應提高速度。 NASA以這種方法節省了寶貴的火箭燃料。旅行者（Voyager）宇宙飛船就是這樣得以到達海王星的，它位於太陽系的邊緣。
普林斯頓大學的物理學家弗里曼·戴森提議，在遙遠的未來，我們或許會發現兩顆相互以高速公轉的中子星。通過極靠近兩顆中子星之一，我們可以繞其高速轉動，並且隨後以接近光速1/3的速度甩入太空。事實上，我們將使用萬有引力給予額外的增強以接近光速。理論上，這僅僅是或許可行。
其他人提議我們圍繞太陽快速轉動以加速到接近光速。事實上，《星艦迷航IV:搶救未來》中應用了這一方法。 “企業號”的船員們劫持了一艘克林貢飛船，隨即向太陽疾駛，以打破光障（light barrier）、回到過去。在影片《當世界毀滅時》（When Worlds Collide）中，地球受到與小行星撞擊的威脅，科學家們製造了一台巨型過山車逃離地球。一艘火箭宇宙飛船從過山車上滑下，獲得了極高的速度，隨後在過山車底部快速繞轉、射入太空。
然而，在事實上，這些利用引力將我們推進到太空中的方法沒有一個是可行的（由於能量守恆定律，從過山車上滑下和駛回的過程中，我們最終達到的速度與初始的一樣，因此我們無論如何都不會獲得能量。同樣，繞著靜止不動的太陽轉動，我們最終達到的速度與最初開始時相同）。戴森使用兩顆中子星的方式可能有效的原因是中子星轉動得極快。一艘利用彈弓效應的宇宙飛船從一顆恆星的行星運動中獲取能量。如果它們是靜止的，那就根本不存在彈弓效應。
儘管戴森的提議或許可行，但它對如今被束縛在地球上的科學家們沒有幫助。因為我們將需要一艘宇宙飛船專門用以到達轉動的中子星。
另有一種將物體以夢幻般的速度擲入太空的絕妙方法——軌道炮（railgun）。亞瑟·C.克拉克和其他人在自己的科幻小說中對其大加描繪，在“星球大戰”的導彈防禦系統中它也作為其一部分得到了認真的評估。
軌道炮不使用火箭燃料或是火藥將砲彈推進到高速，而是採用電磁的力量。
軌道炮最為簡單的形式由兩根平行的導線或軌道構成，一顆砲彈橫跨在兩根導線上，組成了一個U形結構。甚至連邁克爾·法拉第也知道，當一束電流被放置在磁場中的時候會遭遇力（這其實是所有電動機的基礎）。通過將數百萬安培的電力送過這些導線，並通過砲彈，軌道周圍形成了巨大的磁場。這一磁場隨後會以巨大的速度將砲彈推下軌道。
軌道炮已經成功將金屬物體以極高的速度射出非常短的距離。非比尋常的是，理論上，一門簡單的軌道炮應該能夠將一顆金屬砲彈以每小時18000英里的速度發射，如此它將進入地球周圍的軌道。基本上，NASA的整個火箭戰隊都可以用一門軌道炮替代，它可以將所有荷載物從地球發射入軌道。
相比化學火箭和槍砲，軌道炮具備極大的優勢。在一桿來福槍裡，膨脹的空氣推動子彈所能達到的極限速度被沖擊波的速度所限制。儘管儒勒·凡爾納在他的經典小說（From the Earth to the Moon）中使用火藥把宇航員發射到了月球上，但我們可以計算出使用火藥所能獲得的極限速度僅及將人送上月球所需速度的一小部分。但是，軌道炮不被沖擊波的速度所限制。
可是，軌道炮也存在問題。它極快地將物體加速，使它們通常會在空氣的衝擊之下被壓扁。荷載物在被射出軌道炮炮筒的過程中會遭到嚴重的扭曲變形，因為砲彈撞上空氣，就好像撞上一堵磚牆一樣。此外，荷載物沿軌道產生的巨大加速度也足以使它們變形。由於砲彈引起的損毀，軌道不得不定期更換。並且，一位宇航員承受的加速度力足以導致他死亡，能輕易壓碎他體內的所有骨頭。
有人提議在月球上安裝一台軌道炮。在地球大氣層之外，一顆軌道炮的砲彈可以不費吹灰之力疾行過太空的真空，但是一門軌道炮產生的巨大加速度就可能毀壞荷載物。從某些意義上來說，軌道炮是激光帆的對立面。激光帆經過一長段時間溫和地獲得自己的速度；軌道炮是有限制的，因為它們將巨大的能量填充進了小小的空間內。
能夠將物體發射到附近恆星上的軌道炮將相當昂貴。一項提議認為，軌道炮應該在太空中製造，延伸達地球至太陽的2/3距離之長。它儲存來自太陽的太陽能，隨即猛地將那些能量排放入軌道炮，以1/3光速送出10噸的荷載，有5000克的加速度。不出意料的是，只有最強壯的機器荷載才能在如此巨大的加速度之下倖存。
太空旅行不是星期天的野餐，巨大的危險恭候著去往火星或更遠處的載人飛船。地球上的生命已經被庇護了數百萬年：地球的臭氧層保護地球免受紫外線侵襲，它的磁場對抗太陽耀斑和宇宙射線，它厚厚的大氣層保護地球免遭流星撞擊，使流星在一進入大氣層的時候就被燒毀。我們將地球上溫和的氣溫與氣壓視作理所當然。但是，在外太空中，我們必鬚麵對這樣的事實：宇宙的大部分處於混亂之中，有危險的輻射帶和大群致命的流星。
延長太空旅行首先要解決的問題是失重。俄羅斯科學家對失重的長期研究表明，在太空中人體流失寶貴的礦物質和化學元素的速度比預想中快得多。儘管經過嚴格的訓練，但在空間站度過一年以後，俄羅斯太空人的骨骼和肌肉仍然嚴重萎縮，他們在剛回到地球的時候只能像嬰兒一樣爬行。肌肉萎縮、骨骼惡化、紅細胞產量減少、免疫反應低下以及心血管系統功能減弱，看來是長時間在太空中失重帶來的不可避免的後果。
去往火星的任務或許要花上數月到一年，它將推進宇航員忍耐力的極限。對於飛往近處恆星的長距離任務而言，這個問題將是致命的。未來的宇宙飛船或許不得不旋轉、通過離心力製造出人造重力以維持人們的生命。這—調整將大大增加未來宇宙飛船的花費和復雜性。
其次，宇宙中存在以每小時數万英里速度飛行的流星，這或許會要求宇宙飛船必須裝備額外的防禦盾。對航天飛機機身的詳細檢査顯示了幾次微小的、但有致命可能的小型流星撞擊。在未來，宇宙飛船可能必須為船員配備—個特別雙重加固的艙室。
外太空中的輻射強度比過去所認為的要強很多。例如，在11年的太陽黑子週期中，太陽耀斑發出巨量的致命等離子體，向地球奔騰而來。在過去，這一現象迫使空間站上的宇航員們尋找特殊的保護，對抗亞原子顆粒組成的可能致命的火力網。在這樣的太陽爆發期間進行太空行走是致命的（舉例來說，哪怕是從洛杉磯到紐約作一次簡單的橫跨大陸旅行也會使我們接受在每小時飛行1毫笛姆輻射的照射。在整個旅程中，我們被暴露在幾乎相當於一台牙科X光機的輻射之下）。在外太空，地球的大氣層和磁場不再保護我們，輻射照射會成為一個嚴重的問題。
到目前為止，我介紹的火箭設計有一項始終存在的非議。那就是，哪怕我們能製造出這樣的恆星飛船，也要花上數十年到數百年才能到達附近的恆星。這樣的任務需要數代船員參與，他們的後代將到達最後的目的地。
《異形》（Alien）和《人猿星球》（Planet of the Apes）等電影提出了一個解決方法，讓太空旅行者們接受暫停生命，也就是說，他們的體溫會被小心翼翼地降低，直到身體功能幾乎停頓。冬眠的動物每年冬季期間都這麼做，某些魚類和蛙類可以在冰塊中凍得一動不動，但當溫度上升時又能解凍。
研究這一奇特現象的生物學家們發現，這些動物具備創造天然“抗凍功能”的本領，能夠降低使水結冰的凝固點。這一天然抗凍功能由魚體內的蛋白質和蛙體內的葡萄糖構成。通過使血液中充滿這些蛋白質，魚可以在N極-2℃的氣溫下生存，蛙類進化出了維持高葡萄糖水平的能力，因此可以阻礙冰晶形成。儘管它們的身體也許會被從外面凍僵，它們的身體內部卻沒有凍結，這使它們的身體器官能夠繼續運轉，雖說速度會減緩。
然而，使這一能力適合人類是有問題的。當人體組織被冰凍，冰晶就開始從細胞內部形成。隨著這些冰晶變大，它們能夠穿透和摧毀細胞壁（希望在死後將自己的頭部和身體冷凍在液氮中的名人們或許會重新考慮）。
雖然如此，近期還是在不會自然冬眠的動物如老鼠和狗身上取得了有限暫停生命的進展。在2005年，匹茨堡大學（University of Pittsburgh）的科學家們成功地在狗的血液流乾並使用特殊冰凍液體作為替代後將狗復活。臨床死亡3小時後，狗在心臟复跳後重獲生命（儘管大多數狗在這一程序後很健康，但有幾隻遭受了一些大腦損傷）。
同一年，科學家將老鼠放入含有氫化硫的房間中，並且成功地將它們的體溫減為13℃長達6小時。老鼠的代謝率下降到了原來的1/10。在2006年，波士頓馬薩諸塞州綜合醫院（Massachusetts General Hospital）的醫生使用氧化硫使豬和老鼠進入了暫停生命狀態。
在未來，這樣的步驟或許可以拯救發生嚴重意外或數著秒數過日子的心髒病患者。生命暫停允許醫生“凍結時間”，直到患者有法可醫。但將這樣的技術應用於人類宇航員或許還需要數十年以上，因為他們可能需要暫停生命幾個世紀。
還有一些方法能讓我們通過更先進、未經驗證、接近科幻小說的科技到達其他恆星。最有希望的提議是使用以納米技術為基礎的無人駕駛探測器。在本篇討論中我自始至終都假設恆星飛船必須是巨大的裝置，消耗巨量能源，能夠將大批人類船員帶去恆星，類似於《星艦迷航》中的“企業號”。
更合適的途徑可能是首先以接近光速的速度發送一架微型無人駕駛探測器到遙遠的恆星，正如我們早先提到的那樣，在未來，有了納米科技可以製造出微型宇宙飛船，它們利用的是原子和分子大小的器械的力量。例如，離子，由於它們很輕，因此能夠使用實驗室中的普通電壓輕易加速到接近光速。或許可以使用強大的電磁場以接近光速的速度將它們送入太空，而非使用巨大的助推火箭。這意味著，如果一台納米機器人被電離，並且放入一個電場中，它將毫不費力地被提速到接近光速。這台納米機器人隨即會向恆星們滑翔而去，因為太空中沒有摩擦力。通過這種方法，許多困擾大型恆星飛船的問題就都立刻迎刃而解了。無人操控的智能納米機器人宇宙飛船或許僅需花費製造和發射一艘巨型載人恆星飛船所需開支的一小部分就可到達近處的恆星系統。
這樣的納米飛船可以用於飛往近處的恆星，或者像一位退休的美國空軍航天工程師杰拉德·諾德利（Gerald Nordfey）建議的那樣，用於向一艘太陽帆施加壓力，以便將其推進太空。諾德利說：“如果有一群針頭大小的恆星飛船排成隊形飛行，並且相互聯繫，你就可以實際上用一束閃光推動它們。”
但是，納米恆星飛船面臨挑戰。太空中飛過的電場或磁場改變方向的同時可能會改變飛船的方向。為了對抗這些力量，我們需要在地球上將納米飛船的電壓增強到極高的水平，這樣它們就不會輕易改變方向。其次，我們或許不得不送出數百萬艘的一大群這樣的納米機器人恆星飛船，以保證有少量能夠真正成功到達目的地。向最近的恆星送出大群恆星飛船或許看起來很奢侈，但這樣的恆星飛船很廉價，並且可以數以十億計地大批生產，這樣它們中只要有一小部分到達目的地就行了。
這些納米飛船會是什麼樣的？ NASA的前領導人丹·古德林（Dan Goldin）想像了一個可樂罐大小的宇宙飛船艦隊，其他人則談論針那麼大小的恆星飛船。五角大樓已經在調査開發“智能塵埃”（smart dust）的可能性，塵埃大小的粒子內部裝有微型探測器，能夠噴灑遍整個戰場，給予指揮官實時信息。在未來，可以想像“智能塵埃”或許會被送往近處的恆星。
塵埃大小的納米機器人的電路系統將使用半導體產業應用的蝕刻技術製造。這一技術能夠製造出小至30納米、或者約150個原子寬的元件。這些納米機器人能從月球使用軌道炮或者甚至是粒子加速器發射，粒子加速器一般能將亞原子顆粒發射到接近光速。這些裝置非常便宜，可以被數百萬計地發射入太空。
一旦它們到達某個附近的恆星系統，納米機器人可以在一顆荒無人煙的衍星衛星上著陸。由於行星衛星的引力小，一台納米機器人可以毫不困難地著陸和起飛。由這樣的一顆行星衛星所提供的穩定環境，它會是理想的運行基地。納米機器人可以建立一家納米工廠，使用在行星衛星上發現的礦物，以建造一個能將信息發送回地球的強大的無線電台。或者納米工廠可以被用於製造數百萬個納米機器人復製品，以探索那個恆星星系和去其他附近的恆星探險，重複這一過程。由於這些飛船是機器人化的，因此它們不必在使用無線電發送回信息後飛回地球。
我剛剛描述的納米機器人有時被稱為“馮·諾依曼探測器”（von Neumann probe），以著名數學家約翰·馮·諾依曼（John von Neumann）的名字命名，他解出了能夠自我複制的圖靈機的數學公式。原則上，這樣自我複制的納米機器人恆星飛船或許能夠探索整個銀河系，而不僅是附近的恆星。最終，或許會產生一個由數万億個這樣的納米機器人組成的球體，它們越來越快地增加，同時變大、以接近光速的速度擴張。這一擴張中的球體中的納米機器人可以在數十萬年內將整個銀河系開拓為殖民地。
一位電氣工程師非常認真地思考著納米飛船這一概念——密歇根大學（University of Michigan）的布萊恩·吉爾克萊斯特（Brain Gilchrist）。他不久前從NASA的先進概念研究所（Institute for Advanced Concepts）獲得了50萬美元撥款，探究建造發動機不大於細菌的納米飛船這一構想。他想像使用半導體行業的蝕刻技術來建造數百萬納米飛船艦隊，它們會噴射直徑僅數十納米的納米粒子來自我推進，這些納米粒子靠通過一個電場來獲得能量，就如在離子發動機內部一樣。由於每一個納米微粒都比一個離子重數千倍，這樣的發動機將攜帶比一台典型離子發動機多得多的推力。這樣，納米發動機將具備與離子發動機相同的優勢——除了它們具備更大的推進力之外。吉爾克萊斯特已經開始蝕刻這些納米飛船的某些部件。迄今為止，他已能在一塊1厘米寬的矽芯片上蝕刻1萬個獨立推進器。最初，他想把他的納米飛船艦隊送到整個太陽系中測試它們的能力，但最終這些納米飛船或許會成為首先到達恆星上的艦隊中的一部分。
吉爾克萊斯特的提議是NASA所考慮的幾個新穎提議之一。在幾十年的停滯狀態之後，NASA不久前對各種各樣的星際旅行提議給予了認真的考慮——這些提議從腳踏實地到奇異荒誕，應有盡有，自20世紀90年代早期開始，NASA主辦了一年一度的先進太空推進研究研討班（Advanced Space Propulsion Research Workshop）。在研討班期間，這些技術被認真的工程師和物理學家小組批駁得體無完膚。更為野心勃勃的是“突破推進物理”（Breakthrough Propulsion Physics）項目，它探索與星際旅行相關的神秘的量子物理世界。儘管兩者沒有共同觀點，但是它們的活動有許多都集中在該領域的領先者——激光帆和各種類型的聚變火箭身上。
由於宇宙飛船設計方面的進展緩慢但穩定，因此假設第一艘某種類型的無人駕駛探測器或許將在本世紀後期或下個世紀早期被送上近處的恆星是合理的。這使它成為一項“一等不可思議”。
但恆星飛船最強有力的設計或許要涉及反物質。儘管它聽起來像科幻事物，但反物質巳經在地球上被製造出來，而且或許某天會為可行的載人恆星飛船提供最有前景的設計方案。
註釋：
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