人类发展的唯一障碍是无知，这并非不可逾越。
——罗伯特·戈达德
直到1992年， 当第一颗系外行星 被发现时，从来没有直接证据表明在我们的太阳系之外发现了一颗行星。 在首次发现三十年后， 又发现了数千颗系外行星 。 此外，数以百计的行星位于「宜居带」内，这表明液态水，也许还有生命存在的地方。 然而，要到达那里，我们需要一个勇敢的船员离开我们的太阳系，以及一个更勇敢的代际船员，让他们出生在一个他们无法选择的任务中。 他们可能永远不会把我们的太阳系看作是无数其他太阳系中的一个亮点。
让几代人在同一艘宇宙飞船上生活和死亡的想法实际上是一个古老的想法，火箭工程师罗伯特·戈达德（Robert Goddard）在1918年的文章【最后的迁徙】（The Last Migration）中首次描述了这个想法。 当他开始制造可以进入太空的火箭时，他自然而然地想到了一种可以继续前进、前进、更远并最终到达新恒星的飞船。 最近，美国国防高级研究计划局（DARPA）和美国宇航局（NASA）启动了一个名为「 100年星际飞船 」的项目，目标是到2100年促进星际旅行所需的研究和技术。
这种将一个物种从其母星中解放出来的概念对戈达德来说很有吸引力，但自有记载的历史开始以来，它也一直是水手和观星者的梦想。 每个盯着夜空的孩子都想象着飞过夜空。 但是，通常，他们也想回到地球。 有一天，我们可能需要在宇宙飞船上建造一座人类驱动的城市，然后踏上前往另一个太阳系的世代航行——永远不会回来。
距离、能量、粒子攻击
这样一项宏伟的任务需要克服许多巨大的挑战，第一个也许也是最明显的挑战是距离。 不包括太阳，已知最接近地球的恒星（比邻星）距离地球4.24光年，约25万亿英里。 虽然4.24光年在宇宙尺度上只是一个跳跃，但以我们目前的技术，要达到这个目标需要相当长的时间。
美国宇航局于2018年发射的帕克太阳探测器是人类有史以来移动最快的物体，时速为430,000英里。 但即使以这种速度，也需要6,617年才能到达比邻星。 或者，换句话说，大约需要 220 代人才能完成这次旅行。
使用目前的技术，大约需要220代人才能到达比邻星。
减少这个数字的唯一方法是加快行动速度。 这就引出了我们的第二个挑战：找到推进和维持所需的能量。 为了减少到达新恒星所需的时间（和世代数），我们需要通过燃烧更多的燃料或开发技术比目前更好的新航天器来提高速度。 无论使用何种技术，加速都可能需要来自这些来源的一种或多种来源：预包装（不可再生）燃料，从星光中收集的能量（在恒星之间更具挑战性），星际介质中的氢等元素，或通过弹弓从天体上射出。
推力技术的最新进展可能有助于重新关注这个问题。 核聚变提供了一个很有前途的解决方案，因为它产生的辐射更少，比其他方法更有效地转换能量，这将使航天器达到更高的速度。 正如 代达罗斯计划 （英国星际协会）和 远射计划 （美国海军学院/美国宇航局）所设想的那样，利用核聚变为人类一生中的星际旅行提供了一条途径。 这些研究表明，核聚变动力航天器可以达到每小时6200多万英里的速度，有可能将前往附近恒星的旅行时间缩短到45年。
然而，即使我们通过设计一种令人难以置信的快速、省油的发动机来解决距离和能量的挑战，我们也面临着另一个问题：微流星体的威胁始终存在。 想想看，一粒以90%的光速移动的沙子含有足够的动能，可以变成一枚小型核弹（两千吨TNT）。 鉴于漂浮在太空中的可变粒径以及为这项任务提出的极高速度，任何遭遇都可能是灾难性的。 这也需要进一步的工程来克服，因为我们现在可用的厚屏蔽不仅会随着时间的推移而退化，而且可能太重了。 一些解决方案可能是制造更轻的聚合物，可以在飞行中根据需要进行更换和固定; 利用广泛的远距离监测，在撞击前识别大型物体; 或者从航天器的前部开发某种保护场，能够偏转或吸收入射粒子的冲击。
生理和心理风险
正如美国宇航局 双胞胎研究 、SpaceX Inspiration4 任务 以及美国宇航局其他一年零六个月任务所证明的那样，一代飞船的船员将面临另一个关键问题：生理和心理压力。 绕过提高飞船速度或保护飞船不与碎片相撞的技术限制的一种方法是，使用冬眠或滞育来减缓生物学。 然而，在模拟冬眠或卧床休息研究中，暴饮暴食和整天躺着几乎没有运动的人患 2 型糖尿病、肥胖症、心脏病甚至死亡的风险更高。 那么，熊是怎么做到的呢？
在冬眠或冬眠期间，熊简直是非同寻常的。 他们的体温下降，心率骤降至每分钟五次，几个月来，他们基本上不吃东西、不排尿、不排便。 值得注意的是，他们能够保持骨密度和肌肉质量。 他们的冬眠技巧的一部分似乎来自通过保持稳定的血糖水平来降低他们对胰岛素的敏感性。 他们的心脏也变得更有效率。 熊基本上激活了一种节能的「智能心脏」模式，仅依靠四个腔室中的两个来循环更浓稠的血液。
2019年，华盛顿州立大学乔安娜·凯利（Joanna Kelley）领导的一项开创性研究 揭示了熊在冬眠期间的显着基因表达变化 。 研究人员使用与美国宇航局双胞胎研究相同的Illumina RNA测序技术来检查灰熊进入食欲亢进状态（当熊吃大量食物以将能量储存为脂肪）时，然后在冬眠期间再次检查灰熊。 他们发现，在冬眠期间，全身组织都发生了协调的动态基因表达变化。 虽然熊很快就睡着了，但它们的脂肪组织却一点也不安静。 这种组织显示出广泛的代谢活动迹象，包括冬眠期间1000多个基因的变化。 这些「冬眠基因」是那些宁愿在一代船上停滞不前也不愿保持清醒的人的主要目标。
我们可以在生成船上利用的另一种生物学机制是滞育，它使生物体能够延迟自身发育，以便在不利的环境条件（例如，极端温度、干旱或食物短缺）中生存。 许多飞蛾物种，包括印度粉蛾，可以根据环境信号在不同的发育阶段开始滞育。 如果没有食物可吃，就像在贫瘠的沙漠中一样，等到更好的时机和营养雨落下是有意义的。
滞育实际上并不罕见; 在100多种哺乳动物中观察到 胚胎滞育。 即使在受精后，一些哺乳动物胚胎也可以决定「等待」。 囊胚（早期胚胎）不会立即植入子宫，而是可以保持休眠状态，很少或根本没有发育。 这有点像攀岩者在攀登过程中停下来，例如当暴风雨到来时，然后检查他们可能采取的所有潜在路线并等待风暴过去。 在滞育中，即使胚胎没有附着在子宫壁上，胚胎也可以等待糟糕的情况，例如食物短缺。 因此，怀孕的母亲可以在不同的妊娠期内保持怀孕状态，以等待环境条件的改善。 让人类冬眠或滞育的技术在21世纪并不存在，但有一天可能会。
失重、辐射和任务压力对宇航员的肌肉、关节、骨骼、免疫系统和眼睛的影响不容小觑。 这种任务的生理和心理风险尤其令人担忧，因为大多数现有模型都是基于相对较短的旅行，并且在很大程度上免受地球磁层的辐射，迄今为止最广泛的研究来自 斯科特·凯利上尉的340天旅行 .
人造重力 ——本质上是建造一个旋转以复制地球重力影响的航天器——将解决其中的许多问题，尽管不是全部。 另一个主要挑战是辐射。 有许多方法可以尝试减轻这种风险，无论是在飞船周围屏蔽、先发制人的药物（美国宇航局正在积极 研究 ）、频繁地对游离 DNA （cfDNA） 进行时间监测以及早检测可操作的突变，还是对宇航员进行细胞和基因工程以更好地保护或应对辐射。 对辐射的最佳防御，特别是在我们太阳系外的长期任务中，可能是通过这些努力的结合。
但是，即使辐射问题得到解决，也必须解决孤立和有限的社会互动的心理和认知压力。 试想一下，如果你不得不与你的同事和家人一起工作和生活，一辈子， 在同一栋楼 里。 虽然我们可以仔细挑选第一代宇航员执行长期的飞船任务，但他们的孩子可能难以适应新家的社会和环境方面。
在地球上执行的模拟任务表明，在与一小群船员隔离500天后，大多数关系都变得紧张甚至敌对。
在地球上执行的模拟任务，如 火星-500项目 ，已经表明，在与一小群人隔离500天后，大多数关系都是紧张的，甚至是对立的。 小说和非小说中都出现了许多关于「太空疯狂」的描述，但它们的建模和与风险的联系是有限的。 根本没有办法知道同一个船员及其后代在 10 年或 100 年后的表现如何，当然也不会超过数千年。 人类历史上充斥着纷争、战争、派系和政治背刺的例子，但也充满了合作、共生和共同治理的例子，以支持大目标（例如 在南极洲的研究站 ） ).
选择我们的新家
在我们发射第一代飞船之前，我们需要获得大量关于我们将第一批定居者送往的候选行星的信息。 一种方法是向潜在的太阳系发送探测器，尽可能多地获取细节，以确保飞船在发射前拥有所需的东西。 关于这些想法的工作已经开始，就像尤里·米尔纳、斯蒂芬·霍金和马克·扎克伯格提出的 突破性星际任务 一样。
这个想法很简单， 凯文·帕金（Kevin Parkin）在2018年详细介绍了 物理学。 如果有一支极轻的航天器舰队，其中包含微型相机、导航设备、通信设备、导航工具（推进器）和电源，它们可以用激光「发射」到前方以加快速度。 如果每个微型航天器都有一个可以被激光瞄准的「光帆」，它们都可以加速以减少运输时间。 这样的「StarChip」可以在大约25年内前往系外行星Proxima Centauri b（一颗在Proxima Centauri宜居带内运行的系外行星），并在25年的数据传输回地球后发回数据供我们查看。 然后，如果选择该位置，我们将获得更多关于可能等待船员的信息。 这个计划的想法归功于物理学家菲利普·鲁宾（Philip Lubin），他在2015年的文章【 星际飞行路线图】（A Roadmap to Interstellar Flight ）中设想了一种可调节的激光器阵列，可以聚焦在StarChip上，总功率为100吉瓦，将探测器推向我们最近的已知恒星。
理想的情况是播种世界，为人类做准备，类似于在火星上执行的任务。 如果这些StarChips有效，那么它们可以用来将微生物和传感器发送到其他行星。 当然，他们也面临着许多挑战，需要他们在旅途中幸存下来，减速，然后降落在新星球上——这可不是一件小事。 然而，这个旅行计划完全在地球上已知的极端微生物的可容忍条件范围内，这些极端微生物在极端温度、辐射和压力下随便生存。 例如，缓步动物 已经在太空真空中幸存下来 ，也许能够前往另一个星球，我们也可以将其他「种子」生物送去。 克劳迪乌斯·格罗斯（Claudius Gros）于2016年首次提出的 这种「创世纪探测器」的想法，可以用地球微生物播种其他行星，这显然违反了所有当前的行星保护准则，但它也可能是为我们的到来准备行星的最佳手段。 理想情况下，只有在机器人探测器对地球进行广泛分析后，才会这样做，以减少对可能已经存在的任何生命造成伤害的机会。
一代船的伦理
这些生物、战术和心理问题是由一个关键的，也是对生成船的最后一个限制因素驱动的： 乘客被困在那里 。 因此，这个问题是必须解决的另一个挑战：道德因素。 将一整群人放在一艘航天器上，并期望他们在那艘飞船上进一步繁衍后代，这有什么道德规范？ 他们必须知道，他们所居住或出生的船是他们唯一能知道的世界。 某些社会、经济和文化基础设施需要与娱乐活动一起建造到一代船上。
紧身衣、虚拟/增强现实相机套装和沉浸式体验套装已经为地球上的娱乐目的而建造，这些对于一代船员来说是必不可少的。 团体可以在虚拟环境中相互比赛，与传统体育赛事和设备相比，这需要更少的基础设施。 毕竟，电子游戏不仅仅是探索和娱乐活动; 它们是 社会的技术粘合剂 。 当然，游戏只是拼图的一部分。 一代船上的生活将从根本上不同，不可否认的是，这比地球上所经历的任何事情都更具挑战性。
一些批评将航天器与人类一起发送的批评者认为，如果星际任务不能在宇航员的一生中完成，那么它就不应该开始。 相反，由于推进技术、船舶设计和火箭技术（以及我们的基因组和生物工程方法）都将继续改进，因此最好等待。 甚至有可能，如果我们在2500年向比邻星b发送了一艘世代飞船，它将被另一艘在3000年发送的具有更先进推进力的航天器通过。
罗伯特·福沃德（Robert Forward）于1996年首次提出这种「不断过时的假设」，作为一项思想实验，令人信服。 大多数技术确实趋于变得更好，而且几乎所有人类社会的技术都在不断改进。 那么，如何知道什么时候是正确的时间呢？ 预测未来是出了名的困难。
我们试图避免的灭绝可能会在500年的滞后中发生，导致所有生命在没有备份的情况下消失。
然而，一个好的选择不应该是一个完美的选择的敌人。 我们可以派出两艘船——第一艘在 2500 年，第二艘在 3000 年——而不仅仅是一艘。 如果新船赶上旧船，他们很可能能够互相帮助，并且应该计划这样做。 此外，这种过时的担忧忽略了等待太久才采取行动的关键风险。 我们试图避免的灭绝可能会在500年的滞后中发生，导致所有生命在没有备份的情况下消失。
但是，即使有先进的娱乐设施，并且随时都有新的、增强的飞船出现的潜在希望，船员们还会盯着窗外不断繁星点点的天空，想着蓝色的海洋吗？ 或者，他们也许会为成为「被选中的人」而感到高兴，拥有探索和建立新世界的非凡机会？ 现实情况是，这艘船将是他们的世界，对大多数人来说，这将是他们唯一能体验到的世界。
然而，这种经验的局限性实际上与历史上所有人类的生活并没有太大区别。 所有人类都被困在一个世界里，仰望星空，想着「万一呢？ 这艘船，地球，虽然庞大而多样，但仍然只是一艘景观、环境和资源有限的单一船，直到 21 世纪，每个人都在这里生活和死亡，没有选择离开。 几百名宇航员暂时离开了地球，但他们都不得不返回。 这艘飞船只是我们长大的飞船的缩小版，如果做得好，它甚至可能通向一个比我们继承 的星球更好的 星球。 这颗新行星可以成为扩大宇宙生命的沃土，同时也提供了如何保护地球上生命的课程。
