人类有史以来最大的脑洞是什么？
答案或许千奇百怪，而一个可能的回答是，把火星「复制」成地球，进行「火星改造」和「火星殖民」。
那么，火星究竟会不会成为下一个地球？
这个问题关乎人类的未来，也关乎现在。
◆火星比地球小得多，但属于太阳系与地球最类似的行星，从图上可以看出火星上面类似地球的山脉，以及上方的极地。
图片来源：TheIndependent
毕竟，在年前后，世界正在上演「火星热」。不仅各国趁火星的「发射窗口期」向火星发射探测器，且各大商业航天公司也都在为「火星殖民」做着准备。
如果「火星殖民」压根就是一场大梦，是不是这些工作就打了水漂呢？
火星变地球是一场惊心动魄的智力游戏，谁能开出最大的脑洞，想出最靠谱的办法，谁就可能改变人类的未来。
火星如何地球化？
想要火星变成地球，先要看看它有没有潜力。
火星与地球比较类似的地方主要有三点。
第一，火星一天的时间是24小时40分钟，和地球最接近。一年虽然有天，却有和地球类似的季节。
第二，火星的转轴倾斜角度和地球相当类似。
第三，火星上有氧气也有水。
这些都让火星成为太阳系中和地球最接近的星体，从距离和相似性两方面比较，火星也是目前发现的最有可能地球化的星体，其成本相对其他星体可能也是最低的。
◆NASA构想的第一批火星移民。
图片来源：NASA
但是，火星也和地球有很多不同，这使得改造火星仍然非常有挑战性。
主要有以下几点：
第一，火星质量较小，重力不到地球的40%，因此火星没有足够强的磁场，不能像地球那样抵御太阳辐射，也无法形成地球这样的大气。
第二，火星的大气层很稀薄，只有地球的0.7%。而且，火星的大气中，95%是二氧化碳，氧气只有0.1%。相比之下，地球的大气有20%的氧气，只有0.04%的二氧化碳。
第三，火星由于大气稀薄，温差极大，最高气温大概有27℃，而最低气温却能达到-℃。要知道，地球上勘测到的最低温也不会超过-90℃。人体能接受的最低温度大概在-40℃左右，显然无法在火星的环境中生存。
第四，火星气压极低，只有6百帕，大约是地球表面气压的0.6%，远低于人体可承受的「阿姆斯特朗极限」61.8百帕。人只要在火星上暴露，就会血液沸腾，然后原地爆炸。
第五，火星的表面分布着广泛的氧化铁。土壤中还有另一种有毒化合物——高氯酸盐，在这样的土壤中，植物难以生长。
如何解决这些问题，让火星宜居呢？
科学家们几十年来都在比着开脑洞。
总结起来，想要使火星地球化，大概需要四个步骤：
1.建立磁场
2.改造大气和温度
3.改造水、气体和土壤
4.适应火星生活
四个步骤中，第一个听起来最奇怪，因为磁场似乎看不见摸不到，要如何建立？
关键是，磁场有什么用呢？
对于人类来说，作用超乎想象，它最大的作用是抵挡住太阳风。
太阳其实就是每分每秒在爆炸的许多核弹。人类造过的最大核弹是沙皇核弹，它只有太阳每一秒释放能量的18亿分之一。
◆沙皇核弹（TsarBomba）如果在巴黎市区爆炸的话，将完全将这座城市抹除。图片上红色圆圈之内意味着被完全破坏，该圆圈的半径为35公里。黄色圆圈是火球的大小，半径为3.5公里。
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这么大的核爆，产生的辐射是难以描述的。
之所以这些辐射没有把地球上的生物都杀死，就是因为磁场的存在。磁场像一个盾牌一样，让大部分太阳风在地球的两边擦肩而过。剩下的则由大气层再进行拦截。
◆地球的磁场是从地球内部延伸到太空几万公里，其面对太阳的一面会形成一个弓形震波，将太阳风挡住，使其从地球两侧掠过。在弓形震波的内侧是一层层的磁层，磁层和地球之间的弧形地带是等离子层。
图片来源：Wikipedia
没有多少磁场和大气的火星常年受太阳风吹拂，才变成现在寸草不生的样子。
想要火星地球化，就必须加强火星的磁场，让它足以抵御太阳风。
怎么才能加强火星的磁场呢？
一开始，科学家的想法也比较简单粗暴，想要直接在火星上赤道上铺设一圈超导体螺线管，并接在一个巨大的电流源上。这种做法的好处是不需要任何新的发明，但问题在于，这么做在地球上都需要一笔巨款，更别提火星了。
直到年，美国科学家詹姆斯·格林（JamesL.Green）提出，也许把磁场放在火星和太阳之间，成本会更低，效果也更好。
按照格林的建议，这个磁场应放置在火星和太阳之间的拉格朗日点（Lagrangianpoint）上，效果最佳。
拉格朗日点又称平动点（librationpoint），是两个星体间的一个相对静止的平衡点。放在这个位置，磁场相对稳定许多，也不需要总去维护。
据格林推测，有了这个护盾的保护，火星的大气就可能在短短几年的时间达到地球气压的一半。
◆磁场L1抵挡太阳辐射的模型，该设施又名磁屏蔽，可以为火星创造一个适宜生命生存的基本环境。L1指的是拉格朗日点的一个位置，两个星体之间的拉格朗日点共有五个。
图片来源：Wikipedia
为火星建立一个磁场护盾确实是很巧妙的办法，人类有没有可能建成呢？
据模型推算，想要建造这样的一个护盾，大概需要1-2T磁力的磁铁。
T是磁场的单位特斯拉，这个单位是相当大的单位，因为一般的磁铁只有0.3T磁力，地球的磁场在表面一般只有0.25到0.65高斯，而1T相当于1万高斯。
人类目前在地球上倒是可以建造T的磁场，但只能维持微秒，而一般的核磁共振有3T左右。
因此，建造一个这样强度的磁场，对于人类来说并不难，但它的体量却需要很大，而且关键在于如何把它送过去，然后安置在宇宙空间中。
这，需要许多人类现在没有的技术。
在现在阶段，我们还只能假设。
假设有一天真的顺利建造了磁场，迎面而来的就是第二个问题，如何改造火星的大气，包括大气的成分、气压和温度。
这一点看起来似乎没有磁场那么难，但实际上却可能更有挑战性。
火星的大气中虽然二氧化碳含量很高，但它的大气太稀薄。所以想让火星适宜人类，首先要做的还不是往火星上投放氧气，而是让火星温度升高，产生温室效应，在火星上裹上一层保护层，然后再调整各类气体的比重。
幸好，人类是制造温室效应的行家。
不过科学家们的解题思路各有不同。
第一种方法是在火星上引入氨气（NH3）。氨也是全球变暖的元凶之一。
采用氨的好处是，可以就地取材。由于大量小行星、彗星上都存有氨，可以通过改变这些星体的轨道，通过让其撞击火星，给火星带来氨。而撞击还可以带来热量，使火星上的冰融化成水，进一步增强大气循环。
这种间接的方式，看起来很有可行性。
不过，也有科学家对此表示反对，他们认为氨在火星大气下是不稳定的。在氨来到火星之后的几个小时，就会分解成氮和氢，这两种气体很可能都会迅速耗尽。
无奈之下，另一群科学家又提出了甲烷说，但后来却发现甲烷可能和氨气没什么区别，都不会真正在大气中居住下来。
于是，科学家们又开始琢磨另外的办法。
氟化合物开始被考虑，尤其是六氟化硫（SF6）、氯氟烃（CFC）和全氟化碳（PFC），它们都会产生比二氧化碳更强大的变暖效应。
不过，由于火星本身拥有的氟并不多，或者不容易开采。最好的办法是用火箭装载足够的氟化合物撞击火星，只是需要的氟化合物可能有几千吨。这样，成本就上来了。
先不考虑氟化合物的成本和容纳的成本。仅仅建造一个火箭目前都需要1亿美金左右，而现在的火箭平均载重一般不超过20吨，要运送几千吨的氟化合物，造价至少也有几百亿美金。更不用说这个过程中的人力成本和时间成本了。
效果更好的方法也许是用二氧化碳气凝胶覆盖火星，让火星产生温室效应。这种气凝胶很轻，稳定性也很好，问题是这一技术从年代才开始成熟，成本也比其他方案更高。
◆气凝胶（aerogel），由气体取代液体在凝胶中的位置制造而成。年由美国科学家塞缪尔·奇石乐（SamuelStephensKistler）发明，年代末期开发出第一个二氧化碳气凝胶。该物质坚硬而干燥，极轻，吸湿，隔热性极好。图为气凝胶阻断火焰烧毁鲜花。
在所有改变火星大气的方案中，最极端的要数核爆火星的方案，就是向火星扔核弹。
核弹的成本不算高，它巨大的爆炸会使火星两极和地下的冰盖融化，燃烧和蒸发产生大量二氧化碳、氢气和氧气。而冰的融化则会在火星制造5米到11米深的海洋。核弹策略也是马斯克（ElonMusk）一度相当支持的做法。
这个方案之所以可行性很低，是因为核爆也许会带来温度，但可能提高火星的辐射，并且可能让火星进入漫长的核冬天，最后适得其反。
而且，即便用核武器来释放二氧化碳和氧气，这些二氧化碳和氧气也未必能形成真正有效的大气层。
改变火星的大气是一场巨大的化学实验，而只要大气真的能因此改变，火星的温度自然会升高。
目前火星的平均温度低，一方面是因为没有大气，还有就是缺乏水。大气相当于衣服，水则是衣服里留住热量的内衬。火星之所以留不住热，有一个原因就是大地的散热太快。
想要提高温度一种想法就是解放火星上的水，让水更多地留住温度。但在这之前，还是要制造一个不至于让水再次冰冻的大气。这两点是相辅相成的。
除了引入其他气体或核爆的方法，还有一种成本很高但比较稳定的办法，就是在火星上建造镀铝薄膜制成的反光镜子，将这些镜子安置在环绕火星的轨道上，用来增加日照，从而提高温度。
如果能够加厚火星的大气，提高温度，将冰融化，那么剩下的工作就是调整气体的成分了。
对于这些，科学家有更多的脑洞。
在火星居住
调整火星的水、气体和土壤，虽然是火星地球化的第三个步骤，却是最早被严肃思考的。
早在年，著名天文学家、科普作家卡尔·萨根（CarlSagan）就提出过一个看似荒诞不经的大胆设想。
◆卡尔·萨根是美国著名的天文学家、天体物理学家和科普作家，也是非政府组织天文研究机构行星学会的创始人，同时，他也是天文生物学的创始人。
图片来源：ABCNews
当时他想要改造金星，他提出要在金星的上释放大量的藻类，让这些藻类来吸收二氧化碳并释放氧气。
但是后来苏联对金星大量探测后发现，金星大气条件太严苛，找不到能在那里存活的藻类。
而就算找到了，藻类也会由于落入高温的内大气层而被重新氧化，再次变成二氧化碳。
后来，卡尔·萨根就把目光投向了火星，想要在火星上依样画葫芦。
年，他写了一篇文章来讨论在火星上搞行星工程，这一次引起了NASA的注意，科学家普遍认为改造火星大气不是不可能的。
现在，科学家注意到，如果前两个步骤实现了，那么再往火星的水和陆地上投放大量的藻类和地衣，的确可以改造空气，吸收二氧化碳和排出氧气。而且，如果届时植物的效率不够高，还可以直接通过电解的方式来改造。
当火星的温度和大气的成分都改变以后，火星的气压也会升高。如果火星能够达到百帕，那么在火星上就不再需要压力服。
有了这些之后，人的移居可能性就会迅速提高了。
需要解决的似乎只是如何建造房屋和如何种植食物。
关于这些，科学家的脑洞更大了。
在火星上，也有同地球相似的「熔岩管」，这是地表下岩浆流动的通道，冷却后形成均匀的隧道，在熔岩管中居住可以免遭辐射，也更容易进行封闭工程。这些「熔岩管」将是很好的人类居住点。
◆熔岩管指的是地下熔岩的天然通道，火山喷发时岩浆会从这里流出，之后则会冷却成为通道。在月球和火星都有类似的熔岩管。
有了选址之后，人类就会利用人工智能技术从火星表面挖掘材料，加工成类似混凝土的材质，再通过3D打印使结构扩大成人类栖息地。
实际上，NASA常常有开脑洞大赛，鼓励全球有志之士设计建筑，这些建筑包括冰屋、真菌设计等。
有一种设想是，人类甚至可以不需要完全改造火星，就可以在火星居住。这种设计是一系列气泡房，在这些建筑中，有适应地球的重力，以及空气和水。人们居住在一个个和地球完全一样的环境中，与世隔绝。
这些建筑就像一个个吸附在火星上的虫卵一样，保护人类不受外界恶劣条件的干扰，并互相连接。一旦这种技术确定成熟可应用，不只是火星，在其他星球上也可以照搬。
◆由亚克·英格斯集团（BjarkeIngelsGroup）设计的火星建筑在迪拜的沙漠试验，迪拜在年就宣布将在一个世纪内殖民火星。
而且，这些定居点的材料通常就在星球或太空中。比如，火星上就有足量的「铁」和「硅」可以用来建造这些建筑。
在建筑中，植物可以培育，并绕过火星的有毒土壤，建立地下的水培温室。为此，人们可以创造特殊的照明条件、封闭的水循环系统或利用专门培育的转基因种子来完成种植。
◆火星生物园概念图，可以看到室内种植区。
可以发现，要解决这些问题，离不开技术的全面变革和大量的能源供给。而且，它们都比我们想象的时间要长得多，几乎每一项都需要上百年才能做到。
假设这些都能解决，火星就拥有人类生存的所有必要条件：磁场、大气、水、氧气和粮食。
问题是，这些真的能实现吗？
人类能否征服火星？
想象永远是美好的，但现实往往并不如意。
现实中，不要说火星地球化，就连能不能去到火星都是一个问题。
目前，人类还没有登上过火星，只是派去了一些探测器在火星着陆，再向地球传送一些数据。
从这一点看，想要使火星变成地球，并居住其上，至少需要几百年，乃至上千年或更长时间，依旧无比遥远。
不过，从另一个角度看，人类从航天至今，才只有短短半个多世纪，占人类文明史的不到百分之一，占人类历史的不到万分之一的时间。
仅仅这么短的时间，人类就完成了登月和探测火星，这一成就还是让人感到振奋的。
年，NASA发射的「水手4号」第一次掠过火星；
年，苏联的「火星3号」第一次登陆火星；
年「海盗2号」传回第一张火星的彩色图；
年「火星全球勘测者」完成了对火星的地图绘制；
如今，各国已经能够向火星发射探测器，并一次性完成环绕、登陆、巡视的任务。
年5月15日，中国的天问一号探测器在火星着陆，祝融号火星车在火星表面的巡视探测也已经进行了一段时间。
◆祝融号火星车的效果图。
图片来源：CNSA
而在年的7月份，赶在火星26个月一回的「发射窗口期」内，美国、阿联酋也相继发射了探测器去往火星，与中国一道进行「同场竞技」。
年2月份，天问一号与阿联酋的「希望号」（HopeMarsprobe）就已经进入了环火轨道，而美国的「毅力号」（Perseverance）探测器则在2月18日就已经成功降落火星。（参见《人类对火星的热情，为何在今年爆发？》）
◆美国的毅力号探测器。
图片来源：NASA
马斯克的公司SpaceX这些年在航天上的技术创新也是巨大的。马斯克致力于建立低成本的太空商业与星球间的无障碍通讯。
◆与贝索斯想要在地球轨道上建造生活区的想法不同，马斯克主要把精力放在火星上。
图片来源：WonderfulEngineering
年，SpaceX发射了猎鹰一号，是世界首个由私企投资发射的轨道级液体燃料火箭；
年，猎鹰九号运载火箭在发射后成功回收，是航天史上第一个能重复多次使用一级助推器的液体燃料运载火箭，大大降低了航天成本。
◆SpaceX公司的星际飞船。
图片来源：NewScientist
马斯克还宣布，将在年发射载人航天器登陆火星，为火星殖民迈出关键一步。
上述的成就已经不容小觑，不过，距离把人送到火星并安全返回，其实还是超乎想象的遥远。
按照目前的技术，去往火星需要多少钱，又需要多长时间呢？
根据航天机构的预估，从地球到火星，如果利用「霍曼转移轨道」大约也至少需要9个月时间。即使增加燃料也需要6-7个月的时间。
需要的花费也不少，按照以往将宇航员送上太空的方式来计算，在每个人身上投入的成本约为亿美元，代价太高。
年7月20日，世界首富贝索斯刚刚完成了自己的首次太空旅游。但贝索斯的旅行，只是到太空冒了个泡就回来，每一个乘客一分钟却要花掉万美元。
◆贝索斯（左二）和一起太空旅行的宇航员，左一是贝索斯的弟弟，另外两个是18岁的青年戴曼和82岁的芬克。贝索斯搭乘的火箭是自己公司蓝色起源的火箭「新谢泼德号」（NewShepard），该火箭当天从美国得克萨斯州发射，触达公里的太空。贝索斯的旅行打破了过去最年长和最年轻的宇航纪录，也是世界首富第一次太空旅行。然而，由于只是刚刚进入太空几分钟就回来，贝索斯遭到了马斯克的嘲笑。
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为了解决火星移居问题，世界各国和商业公司正在越来越多地行动。好消息是，目前还没有哪个难题导致整个计划被完全放弃。
这也许就是希望所在。
目前人类都做了哪些努力和预估呢？
美国犹他州有一个火星沙漠研究站（MarsDesertResearchStation），在那里有着直径长达8米的模拟太空舱，研究人员会按照太空的饮食、通讯来生活，模拟火星的环境。
◆位于美国犹他州的火星沙漠研究站。
图片来源：TheMarsSociety
除此之外，美国的肯尼迪航天中心、以色列的火星居住实验室，也在做同样的事。
中国在甘肃的戈壁沙漠和青海的柴达木盆地建立了火星模拟基地，宇航员可以在这里进行生存技能的训练，公众也可以来体验火星生活。
◆位于甘肃省金昌市金川区的火星基地1号。
图片来源：新浪
荷兰的非盈利组织「火星一号」宣布会在年选出4人搭载宇宙飞船去往火星，成为第一批「火星移民」。
消息一出，就有20万人提交了申请，直到决赛都还留有名选手。化学家泰勒（TaylorRoseNations）就是其中之一，他说：
「如果我能去火星，成为一只人类小白鼠，我愿意把我的身体捐献给科学。我觉得这对我个人来说是值得的，虽然这是一件自私的事情，但是转过身去看看地球，这是我毕生的梦想。」
阿联酋也规划过一个雄心勃勃的图景，年内在火星建造拥有60万居民的城市。当然，这有点过于乐观了。
马斯克则表示将在年运送万人去到火星，而他自己也承认这是「雄心壮志」。
◆国际宇航大会上，马斯克发表对火星殖民的构想。
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马斯克还有很多相当「科幻」的想法。如为建立一个太阳系内的通讯基础建设而准备的「星链」计划。
为了解决成本和时间的问题，马斯克还设想每趟太空航行能够装载人至人，就可以把成本降至20万美元/人（相当于美国一栋普通住宅的价格），这样就能实现更多人类去往火星。
而如果技术实现突破，发明出「可变比冲磁等离子体火箭」「核热火箭」等，人类就可以在40天内甚至是半个月内到达火星，会比目前多天要缩短10倍左右。
当然，如果这些都实现了，还有火星地球化的那些难题在前面等着。
而就算火星也已经地球化了，人类还是要面临很多问题。
比如在改造火星和殖民的过程中，人类可能还要面临一系列伦理问题，如基因改造、移民权利、资源归属等。
如果居住在火星上，人类还要面对火星的低重力和高辐射。
NASA就表示，更高的辐射可能加速衰老，并导致记忆力下降、患癌几率上升等问题。
◆太空辐射的主要来源
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而低重力可能会导致人的肌肉萎缩、骨质流失、体液分布不良、视力减退、免疫力降低等问题。
◆NASA的双胞胎实验图片，左边是哥哥马克·凯利（MarkKelly），右边是斯科特·凯利（ScottKelly）。在太空站待了多天后，科学家们对两人进行了深入研究，发现由于重力和辐射的缘故，斯科特的细胞衰老得更快，并出现了其他问题。
除此之外，火星由于没有卫星，也就没有潮汐，这对人的精神和身体都有一定影响。
总之，探索火星目前还是起步阶段，最终人类能不能生活在火星上仍然是未知的。
连狂热的马斯克也承认：
「在现有技术条件下，即便你拥有无限财力也去不了火星。」
这就不得不问另一个问题，除了火星殖民，我们还有别的选择吗？
选择的未来
首先，我们可不可以呆在地球上永远不出去呢？
这个取决于人类的寿命和地球的情况。如果地球在没有变糟之前，人类就已经灭绝，其实要不要飞出地球也就无所谓了。
但是人类总是希望自己能够延续下去。
想要延续下去，就不能在一棵树上吊死。地球虽然理论上还有几十亿年的寿命，但我们不能保证这些时间都是适合人类生存的。
近年来，地球面临着气候变暖、冰川融化等环境问题，极端天气频发，地震、火山喷发这样的灾难在各地上演；
同时，科学也让人类意识到，小行星撞击、磁极翻转等灭世灾难虽然概率很小，却不代表完全没有可能。
人类就算不想离开地球，也最好有离开地球去星际殖民的能力。所以科学家需要为人类的未来想一个万全之策。
从伽利略（GalileoGalilei）举起望远镜到今天，人类对太空观察了余年。
这些观察让人类意识到宇宙足够大，地球并不是唯一可能诞生生命和养育生命的星球。通过概率的计算和观察，宇宙中类似地球的星球不会太少。
这些星球都有可能有大气层、水源、温度适宜，可以作为备胎。
美国国家航空航天局（NASA）在年就发现了一颗极其类似地球的星球，命名为开普勒b。
◆开普勒b（Kepler-b）与其母星开普勒的设想图。该星球曾经被视作宜居星球，然而最新的天文观测表明，由于其母星十分活跃且伴随超级耀斑现象，该行星存在生命的可能性几乎为零。
图片来源：sci-news.