面對火星，人類彷彿來到了又一個大航海時代——死亡的危險與無限的可能共存——面對這樣的情況，無所畏懼的野心、不著邊際的狂想，或許反而能夠到達理性所不及之處。
<strong>主筆/苗千
2015年，美國猶他州“火星沙漠研究基地”進行艙外活動
在這個擁有數以千億計恆星的棒旋星系——銀河系中，位於星系內側邊緣的一顆名為“太陽”的恆星顯得毫不出眾。它算是星系中一顆常見的“黃矮星”，這樣的恆星大約有100億年的壽命，燃盡燃料之後，在自身的引力的作用下，它最終會演變為一個白矮星。太陽已經燃燒了大約46億年，目前正處於生命的中段，熱烈而穩定。
對太陽進行更加細緻的觀察就會發現，在它的引力作用下，圍繞著它而形成的天體系統暗藏玄機。有八顆主要行星圍繞著太陽運轉，其中內側四顆主要由金屬和岩石構成的行星被稱為“類地行星”，其中位列第三的蔚藍色行星的表面主要被液態水所覆蓋，同時又被一層緻密的大氣所包裹；第四行星看上去則與上一顆截然不同——它的表面被紅色的沙塵所覆蓋，只在極地區域有一些呈白色的乾冰，大氣層稀疏，卻又因為季節變化，會產生劇烈的流動，發生遍佈全球的沙塵暴。
圍繞著太陽運轉的第三和第四行星，它們形成的時間、過程，乃至最初的外貌都頗為相似。但是在隨後40多億年的演化過程中，這兩顆行星卻走上了截然不同的道路。名為“地球”的第三行星一直保持著緻密的大氣層和廣闊的海洋，憑藉其表面溫暖溼潤的環境孕育出宇宙中最大的奇蹟——生命現象。生命在地球上繁衍、進化，直至出現了具有高度智能的人類。
火星的“水手峽谷”綿延4000公里，是迄今在太陽系內發現的最大峽谷
而此時地球上的人類正以好奇又困惑的目光望向名為“火星”的第四行星——是什麼原因，讓這個可能曾經和地球一樣溫暖溼潤的行星，變成了被紅色沙塵所覆蓋的乾燥荒涼的不毛之地？在40多億年的歷史裡，火星是否也曾經如地球一樣衍生出生命？火星生命是否與地球生命相似，它們又會在火星上留下什麼樣的痕跡？人類研究和探索火星，能否更深刻地理解生命的含義和太陽系演化的奧秘？從火星的變遷過程中，人類又能得到怎樣的教訓？在未來，如果人類文明有機會向整個太陽系，乃至整個宇宙擴張，火星能否成為人類的下一個落腳地和中轉站？
人類不僅在利用望遠鏡從地球上觀察火星，各種來自地球的探測器已經飛越了數千萬公里的距離到達火星。它們正在火星的軌道和地面上進行各種勘測工作，為地球傳回關於另一個行星的數據。隨著人類科學的發展，探測火星的意義似乎不言而喻——無論是研究太陽系的演化歷史，還是分析行星形成的過程，乃至為人類尋找下一個落腳地，火星都是一個極為重要的研究對象。
但是每當我們在夜空中注視火星，就會明白這顆紅色行星對於人類來說還具有遠超科學層面的意義，它曾在數千年的時間裡給人類帶來迷惑，同時也寄託著人類某種深刻的情感，映射出人類內心中最深刻的孤獨。
火星在夜空中顯得尤為明亮，又有著與眾不同的紅色，中國古人描述它“瑩瑩如火”。站在地球上看來，火星的移動軌跡和亮度都讓人捉摸不定，它因此得名“熒惑”。因為在冥冥之中感覺到這顆行星與人世間有所關聯，中國古人會通過“熒惑”的位置和動態來占卜地面上的吉凶。出於類似的原因，這顆行星在天空中時東時西、時而凝滯不動的軌道也讓其他的文明覺得難以捉摸，甚至感到厭惡。在4000年前，古埃及人稱火星為“紅色之星”（Her Desher），古巴比倫人稱它為“死亡之星”，羅馬人則沿用了古希臘人的說法，以戰神的名字命名火星“Mars”。
那麼，對於21世紀的人類來說，火星又意味著什麼？人類為什麼一定要去火星？可以說目前重要的原因，就是去尋找生命。
2015年4月，美國宇航局發佈火星勘測器高分辨率成像設備拍攝的火星表面圖像
<strong>尋找火星生命
尋找火星生命——不僅是一個科學問題，也是一個會令整個人類社會都為之興奮的話題——這關係到了人類社會的各個維度：生命的本質是什麼？人類是否孤獨？生命是否還有更多的可能？但是面對這樣一個與地球同源，當前環境卻又大不相同的臨近行星，人類又該從哪裡開始去尋找火星生命的痕跡？
想要在火星尋找生命的痕跡，首先涉及人類如何去理解生命現象本身。問題在於，地球是目前人類已知的宇宙中唯一產生出生命現象的行星。去外星尋找生命，只能從人類對於地球生命的理解出發。生命的存在依賴於各種條件的配合，那麼什麼才是最關鍵的因素？從人類對於地球的理解來說，想要證明一個環境能夠孕育出生命的標準很高——需要有水，有構成生命的必要元素（比如碳），還要有穩定的能量來源，而且這些條件又需要在同一個地質時期內全部被滿足。在一個環境中即使這些條件全都具備，人類科學家也還需要對其具體評估，然後再去界定在特定的條件下會產生出什麼類型的生物。
在所有支持生命存在的因素之中，水是最重要的。“跟隨水的蹤跡”是目前人類行星科學家們尋找地外生命跡象的首要準則。水是生命之源，水可以深刻改變一顆行星的環境，也能夠孕育出生命。火星蘊含著大量的水資源，這個結論固然已經被證實，無可置疑。但是火星所儲存的水是否能夠，或者曾經能夠在火星營造出一個適合生命現象產生的環境？再進一步討論，如果火星在40多億年的歷史中，尤其是在自然環境尚未變得像現在這樣惡劣時，曾經產生出類似於地球的生命現象，那麼它們又可能在火星留下什麼樣的痕跡？
研究火星上水的存在形式和變化過程，是理解火星和尋找火星生命的關鍵。並不是只要有液態水就能夠孕育出生命，水資源要新鮮，不能含有太多的鹽分。在高鹽度的環境中細胞的滲透壓過大，無法生存。另外，水的酸度也很重要。雖然在地球上的一些極端環境中，人類發現了可以在酸性環境中生存的生物，但顯而易見的是，在相對中性的水中可以出現更多的生命形式，也就有更大的可能演化出複雜的生命體。而且以地球的環境類比，行星的液態水最好是存在於表面，有穩定的水源和水流，比如穩定的湖泊或是河流最適合生命現象的產生和繁衍。
目前人類對於火星的探測顯示，在它40多億年漫長的歷史中，或許有幾百萬年的時間，在表面上曾經存在過由液態水形成的河流。這樣的時間長度，相比於幾十億年的行星曆史來說雖然只是短短的一瞬，但也有可能就是在這期間衍生出過火星生命。以地球為例，生命現象的存在，除了水分之外，還需要碳、氫、氮、氧、磷和硫等構成生命的必要元素——相比之下，氮元素和碳元素又比較特殊，它們需要存在於土壤之中，卻又不能夠與土壤中的礦物質結合得太過緊密，讓微生物無法採集和利用。這些物質需要能夠溶於水中，容易被微生物所吸收——這些條件火星都有可能滿足。
2018年12月，歐洲航天局公佈的“科羅廖夫環形山”照片
在火星的漫長曆史中，是否曾經有過哪怕一段極短的時間，所有出現生命現象的條件都同時得到了滿足？這還需要對火星的岩石和土壤進行進一步研究。2008年抵達火星的“鳳凰號”（Phoenix）探測器檢測到火星土壤略呈鹼性，pH值為7.7。火星土壤中含有鎂、鈉、鉀和氯元素，這些都是種植植物所必需的元素，不過在其中也還含有0.6%的高氯酸鹽。科學家們相信，在遠古時代的火星土壤中，其中的氮元素可能容易被生物所取用，至於其他物質，例如磷元素的情況，還需要進一步探測。如果人類的探測器能夠在火星土壤中發現一些相對集中的富含氮元素和磷元素的沉積物，就有相當大的可能說明這些物質曾經可以溶於水，並且可能曾經被火星的微生物所吸收，參與了微生物的新陳代謝過程。
在火星大氣層中，尤其是遠古時代的火星大氣層中含有大量的二氧化碳。在2012年抵達火星的“好奇號”（Curiosity）探測器在火星一個乾涸的“湖底”也發現了大量的碳元素。有些生物有可能可以直接通過代謝過程，從二氧化碳中提取碳元素，通過溶解於水中的二氧化碳建設細胞組織。“好奇號”在火星土壤中發現了黃鐵礦、磁鐵礦和雌黃鐵礦，這也可能具有重大的意義，因為這些礦物有可能為一種特殊的生物提供能量來源——這就是目前“好奇號”還在尋找的“化能自養生物”（Chemolithotrophs），這種生物能夠通過存在於岩石中的化合物獲得生命活動所需的能量。
假如真的曾經存在過與地球生物類似的火星生物，那麼經過數十億年的歲月變遷，加之火星氣候發生了鉅變，此時登上火星表面的人類探測器，乃至在未來親自登上火星探索的人類宇航員，應該如何尋找和判斷火星生命留下的痕跡？這又涉及了可能存在的火星生命如何保存以及如何改變火星土壤的問題。在這方面，人類需要理解生物降解的過程，推導出古生物的遺蹟留存至今的狀態，並且以地球作為參照來給出答案。
即使是在地球上，人類也極少能夠發現在幾十億年前生命存在過的證據。不同類型的生物生活在不同的環境中，它們在環境中能夠留下的生命痕跡也各有不同。在地球前20億年的歷史中，所產生的生命形式幾乎都是單細胞生物。如果曾經存在火星生命，有很大可能也是從單細胞生物開始。想要尋找它們在火星存在過的證據，不僅需要這些生物在火星的土壤和岩石中留下足夠多的痕跡，還需要這些痕跡能夠在數十億年的時間裡沒有被宇宙射線所完全摧毀。
由有機物構成的生命體在死亡之後會發生降解，生物的遺蹟轉化為沉積物，進而轉化為岩石。這些物質會一層層地沉積下來，暴露在液體中發生巖化作用，從溼潤的糊狀逐漸變為堅硬的岩石。而水流一遍遍的沖刷，會帶走生物遺蹟中的一些化學物質，土壤中生物遺蹟的化學成分會發生變化，一些物質會發生氧化，變成氣體溢出，有機碳逐漸轉化為無機碳。從這個角度來說，火星上豐富的水資源可能反而不利於生物遺蹟的保存。
即使沒有經歷這些複雜的巖化過程，在火星表面的生物遺蹟也可能受到宇宙射線的轟擊而消失。那麼，在火星表面如果曾經存在過生命現象，它們是否還有可能留下清晰的痕跡？來自宇宙射線的轟擊不大可能讓火星表面的所有有機物分子都完全消失——人類在一些有幾十億年曆史的隕石上仍然發現過有機物分子——也就是說，如果在火星表面確實曾經存在一些生物遺留的有機物分子，那麼時至今日，仍然可能會有一些遺留的痕跡等待人類去發現。經過科學家計算，在火星地表的有機分子，比如氨基酸，在宇宙射線的輻射之下，每隔6億5000萬年就會只剩下千分之一。以這個比例來計算，就算現在火星的表面還存有一些來自遠古火星生命的有機分子，必然也已經所剩無幾了。人類想要尋找大量的證據，可能需要深入到火星的地下去。
在2020年七八月份，地球與火星的相對位置合適，屆時又將有人類的探測器飛往火星。美國航空航天局（NASA）的“火星2020”（Mars 2020）任務將發射一個火星車，專門用以尋找以往火星生命留下的痕跡，也會同時尋找現存的火星微生物。歐洲空間局（ESA）的“火星探測計劃2020”（ExoMars Mission 2020）同樣計劃在2020年7月發射火星探測器，其中包括一個火星車和一個火星科學平臺。歐洲空間局火星探測計劃的主要目標也是尋找火星生命的痕跡，它所發射的火星車不僅可以到處遊走，還會攜帶一個鑽頭，能夠鑽探到火星地面的兩米以下去尋找有機分子的蹤跡。
無論人類對於尋找火星生命寄予了怎樣的希望，一個必須面對的現實是，人類目前仍然對火星所知甚少，對於火星生命可能的狀態和經歷，也都只能通過對於地球生命的研究進行類比。也正是因為如此，或許一個發現就有可能改變全局。
“火星快車號”（Mars Express）人造衛星曾經在火星大氣中檢測到氨的成分，這有可能是來自火星生物，也有可能來自於火星的火山；而火星微量氣體任務衛星（ExoMars Trace Gas Orbiter）也曾經在火星的大氣中發現些微的甲烷成分，這同樣激發了人們關於火星存在著微生物的想象；“好奇號”火星車曾試圖分析火星大氣中甲烷所含有的同位素，希望以此來判斷這些氣體是由生物釋放還是另有來由，結果顯示這些氣體源自火星生物的可能性不大，即使來自火星生物，也是在地表以下極深的位置，人類的探測器目前無法觸及。
最大的驚奇仍然可能來自於水的啟示。“火星快車號”人造衛星從2003年開始就對火星進行地質探測，在衛星上還搭載了一個名為“火星次表面和電離層探測先進雷達”（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding）的科學儀器，可以對火星地表以下進行勘測。在軟件升級之後，經過三年多的探測和分析，科學家們發現在火星南極高原（Planum Australe）區域的冰層之下，很有可能存在有大量的液態水。
根據科學家們2018年7月在《科學》（Science）雜誌上發表的論文報告，在這個區域的冰川表面1.5公里以下，可能存在有20公里寬、大約幾十釐米深的大量的液態水。人們對於在火星地表之下可能存在有液態水早有懷疑，但這是至今為止人類獲得的最為可靠的探測證據。另外考慮到目前雷達還只是對火星的南極高原區域進行勘測就已經有了這樣的發現，一旦這個猜測被證實，科學家們就有理由推測，在火星各處都可能在地表以下儲存有大量液態水。
這個尚未被確認的發現難以不讓人聯想到人類在地球的類似經歷。直到20世紀下半葉，人類才在地球南極附近的冰面下發現了世界最大的淡水湖之一——沃斯托克湖（Lake Vostok）。這個230公里長、50公里寬、800米深的淡水湖被深埋在大約3.7公里的冰面之下。在人類發現它之前，這個淡水湖已經與世隔絕了至少1500萬年的時間。在這種沒有陽光照射，溫度低於0攝氏度的極端惡劣的條件下，科學家們仍然從湖水中發現了眾多微生物的痕跡。
在火星的地表以下，是否真的存在含水量巨大的火星湖或是地下海洋？在這樣的環境中固然可以免受宇宙射線的襲擊，但水的含鹽量會不會太高？如果人類真的有機會探測到火星的地下湖，是否會發現一個全新的世界？這些疑問，需要未來一代又一代的火星探測器，乃至親自探訪火星的人類宇航員給出答案。
2017年5月30日，美國國家航空航天局發佈了新款火星車的概念圖片
<strong>探索火星之夢
“因為它就在那兒。”——當被問到究竟為什麼一定要攀登珠穆朗瑪峰時，喬治·馬洛裡（George Mallory）這樣回答。這位英國探險家最終於1924年，在攀登珠峰的過程中與同伴安德魯·歐文（Andrew Irving）一同遇難。而關於在遇難之前他們究竟有沒有實現畢生的理想，成功登頂珠峰，人們已經為之爭論了將近100年的時間，至今仍然沒有答案。
“因為它就在那兒。”在這句簡單的回答中蘊含著人類最強烈的激情。這種激情不是為名利所驅動，也不會被困難和危險所阻撓。因為看見而渴望到達和征服，是人類作為智慧生命所獨有的情感，這種情感驅動著人類走遍地球，又把目光投向宇宙。渴望踏上火星，探索火星，這樣的夢想不僅僅是為了科學的進步，它基於科學和理性，又超越了科學和理性，其中還包含著一種人類與生俱來的崇高。
在人類數千年的文明史中，絕大多數的時間裡，火星和夜空中其他的星辰一樣，都只是屬於遙不可及的另一個世界。站在地面上的人注視著火星的移動和亮度變化，希望能夠以此預知人世間的吉凶禍福。人類在4000多年前就已經有了觀測火星的記載。在距今3600多年前的古埃及第二十八朝新王國時期，因為觀察到火星移動軌跡的來回往復，因此當時的古埃及人稱火星為“平線上的荷魯斯”（Horus of the Horizon），中國也早在周朝和秦朝時期就有觀測火星的記錄。時至公元前4世紀，因為觀察到月亮遮掩住了火星，古希臘哲學家亞里士多德判斷，火星在天空中的高度更高於月亮。
1972年，在莫斯科舉行的蘇聯經濟成果展上展出與“火星3號”探測器同等大小的模型
儘管現代人很難想象站在地球表面，通過肉眼進行觀測就能取得開創性的天文學發現，實際上，在望遠鏡被髮明之前，人類就是通過肉眼觀測包括火星在內的天體，獲得了開創性的發現，進而促進了科學的發展。在16世紀下半葉，丹麥天文學家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）正是在汶島的觀象臺上，花費了20年的時間用肉眼觀測天體運行的軌跡，記下了大量的筆記。這些筆記之後被他的助手約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）詳細研究，終於在歷史上第一次計算出火星運轉的橢圓形軌道，並最終得出了“開普勒三定律”——這個偉大的發現在某種程度上也啟發了牛頓建立經典力學。
而第一個利用望遠鏡觀測火星的人很有可能是意大利物理學家伽利略。1609年，正在威尼斯訪問的伽利略受到荷蘭眼鏡商的啟發，親手製造了人類第一臺天文望遠鏡。伽利略利用自制的望遠鏡觀察了太陽系包括火星在內的諸多天體。隨著人類製造望遠鏡技術的不斷改進，人類對這顆紅色行星的瞭解越來越多，觀測到了火星極地區域的冰蓋，又開始測量一個火星日的時長和它與地球的距離。在1698年，荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）甚至就出版了一本討論在火星上是否存在生命的專著。
在17世紀探討火星生命存在的可能，於現代人看來可能為時過早，難免充滿錯誤和主觀臆測。時至18世紀，英國天文學家威廉·赫歇爾（William Herschel）在英國皇家學會上關於火星的發言則大多是基於實際觀測和理性判斷，他認為在火星表面可能存在著大氣層，而通過觀察發現的火星某些區域的明暗變化，很有可能是由大氣層中的雲和水蒸氣造成的，因此火星生命與地球生命的生存環境可能比較相似。
時至19世紀，意大利天文學家喬瓦尼·斯基亞帕雷利（Giovanni Schiaparelli）在1877年根據觀測繪製了第一幅關於火星表面的詳細地圖，在這幅地圖上有些類似“溝渠”的形態，這引發了人類關於火星生命的更加豐富和長久的聯想。美國天文學家阿薩夫·霍爾（Asaph Hall）則在同一年發現了火星的兩顆天然衛星。
2006年12月4日，美國“鳳凰號”火星探測器在一個熱真空容器中進行模擬火星登陸環境的測試
人類對於火星的理解越來越深，但直到20世紀初期，想要發射探測器到火星進行直接的觀測，仍然還只是一個不切實際的夢想。從發現這個天空中令人捉摸不定的紅色天體，到研究它的軌道週期，判斷它的自然環境，直至發送探測器抵達火星，人類花費了幾千年的時間。
人類真正開始不計代價發射火星探測器，是在冷戰的陰影和刺激之下開始的。從20世紀60年代初開始，蘇聯一連發射了5個火星探測器，全部失敗；美國航空航天局在1964年11月發射了“水手3號”（Mariner 3）火星探測器希望能夠飛臨火星，同樣收穫了失敗。人類探測器第一次成功的火星探測，是與“水手3號”一同發射的“水手4號”火星探測器。它在飛臨火星的過程中，距離火星最近時只有9846公里。探測器趁機拍攝了火星表面的照片並傳送回地球，這是人類第一次親眼看到另一顆行星表面的照片——這種遍佈隕石坑，荒蕪、死寂的景象讓很多人對於火星的美好幻想破滅，卻也開啟了一個全新的時代。
進入到20世紀70年代，在1971年11月到達火星軌道的“水手9號”探測器拍攝到了讓人吃驚的火星照片，人類第一次見識到了波及全球的火星沙塵暴。緊隨其後，蘇聯的“火星2號”探測器也到達火星軌道，但是與之相伴的“火星2號”著陸器卻墜毀在了火星表面。美國航空航天局在1975年發射了“維京1號”（Viking 1）和“維京2號”（Viking 2）。它們由火星軌道探測器和火星著陸器組成，並且都按計劃完成了任務，其中“維京1號”和“維京2號”著陸器分別在火星表面工作了2245和1281個火星日。
雖然美蘇之間是在冷戰的陰影之下，出於大國競爭的目的而不計代價地發射探測器前往火星，客觀來說，在這樣的競爭狀態下，人類的探測器第一次抵達另外一顆對於人類意義重大的行星，並在人類文明史上留下了濃墨重彩的一筆。
在冷戰結束之後，人類對於火星的探測並沒有停止，越來越多的探測器飛向火星，各司其職，為人類收集關於火星的各種信息。人類對火星瞭解得越多，產生的疑問也就越多——地球和火星同屬太陽系的行星，為什麼差別如此之大？決定行星命運的因素有哪些？在火星中又隱藏著關於太陽系的哪些秘密？
2006年12月4日，美國“鳳凰號”火星探測器在一個熱真空容器中進行模擬火星登陸環境的測試
<strong>藍色星球的紅色兄弟
儘管人們對於恆星和星系的形成原因和過程仍有爭論，但目前的主流理論認為，在大約46億年前，在如今太陽系的區域還只存在著大量的氣體和灰塵顆粒在宇宙中打轉。在一個時機，這些氣體和灰塵顆粒受到了某種擾動——或許是受到了附近超新星爆發的影響，於是它們開始在引力的作用下聚集起來。在中心區域，主要由氫氣聚集形成太陽，這個巨大的新誕生的恆星佔據了整個太陽系99.86%的質量。而在太陽的周圍，剩餘的一些灰塵、氣體和冰聚集擠壓在一起，又形成了一個個由融化的金屬作為內核、具有地幔和地殼結構的類地行星。
如果進行類比，在太陽系的行星系統中，地球和火星就如同是一對在幼年時處處相似，但是之後的境遇卻又完全不同的兄弟（火星形成的時間可能稍早於地球）。相比之下，火星距離太陽更遠，是地球與太陽距離的1.52倍，接收到的陽光是地球的43%。即便如此，火星在形成初期的地表狀況很可能與地球類似。在形成初期火星同樣有活躍的火山活動，噴發出的氣體成分可能也與地球類似，這讓火星擁有了足以保持其表面液態水資源的緻密的大氣層。
火星與地球在組成結構上也頗為相似。這兩顆行星都擁有一個熾熱的、由融化的金屬所構成的內核，又因為這些金屬在內核的流動產生出全球性的磁場；內核之外，兩顆星球都具有地幔和地殼結構，都擁有活躍的火山活動，在表面同樣都覆蓋了大量的液態水，緻密的大氣層又可以保持水分不至蒸發流失到宇宙空間之中。
美國國家航空航天局發生的“維京1號”火星探測器在1978年於火星軌道上拍攝的“奧林帕斯火山”
在太陽系所有的行星中，火星的季節也與地球最為近似，這是因為兩顆行星公轉的傾角相似，而火星公轉的週期大約是地球兩倍——一個火星日和一個地球日的時長大約相同，但一個火星年卻大約相當於兩個地球年，火星季節的長度也大約是地球兩倍。火星的表面溫度低於地球，在冬天時最低可以達到零下135攝氏度，而在夏天時赤道溫度最高可以達到35攝氏度。
火星和水星、金星、地球幾個太陽系內側的類地行星一樣，表面被火山噴發，大氣層中的灰塵，還有來自太陽系內部其他天體的撞擊等因素共同塑造。在太陽系形成的初期，距離現在41億至38億年前的一段時間，也就是所謂的“後期重轟炸期”（late heavy bombardment），火星與其他幾顆太陽系內側的天體一同經歷了眾多隕石和小行星的轟擊。來自太空的撞擊在火星表面上留下了眾多的隕石坑，也因此形成了巨大的平原——這看上去如同火星的累累疤痕，但人們也可以由此判斷火星表面各個區域的形成時間。
火星的阿爾西亞火山（Arsia Mons）在活躍時期曾經每隔100萬年到300萬年就會發生一次猛烈的爆發，噴射出大量的岩漿，但是它距今最近的一次噴發也是在5000萬年之前了，從此之後，火星的火山活動逐漸平靜——那正是地球上的恐龍大規模滅絕之際。人類雖然還沒有觀測到過火星火山的爆發，但是探測顯示，在距今10萬年前在火星依然還有火山活動，一切尚未完全歸於沉寂。
如今，太陽系內的第三行星依然蔚藍，但第四行星已經成為一顆被荒漠覆蓋的紅色星球。與地球表面被大氣層包裹之下呈現出海洋的蔚藍色不同，火星的紅色來自於其表面土壤中所含有的大量氧化鐵成分，使它在地球的夜空中清晰可辨。只是在人類幾千年的歷史中，絕大多數曾經仰望星空凝視過火星的人，都不會想到他們的眼中所見，與自己身處之地，是兩顆在形成初期環境極其相似的行星。它們在之後的幾十億年裡分道揚鑣，以至於通過相對的顏色就能夠彰顯出彼此迥然相反的命運。
形成初期的火星是什麼樣貌？類似於推測形成初期的地球環境，人們只能通過蛛絲馬跡來進行猜測和還原。火星與地球在形成初期的眾多相似之處中，最為關鍵的就在於兩顆行星都是被緻密的大氣層所包裹，在表面存在液態水。在40多億年前，地球大氣層中富含由火山噴發而出的甲烷、氨氣、氫氣，還有一部分未溶於水的二氧化碳、二氧化硫等。而後經過地球微生物數十億年的轉換，現在地球大氣層主要含有氮氣、氧氣、二氧化碳和水蒸氣等成分。火星的原始大氣或許和地球原始大氣的成分類似，而目前在火星稀薄的大氣層中包含了96%的二氧化碳、1.93%的氬氣、1.89%的氮氣、少量的氧氣，還有富含氧化鐵的大量灰塵懸浮其中，這使得在火星表面從遠處看去呈現出黃褐色，在沙塵暴的天氣裡，大氣還會呈現出一點粉色。
席捲火星表面的全球性沙塵暴
因為在表面曾經有液態水的存在，加上其他的種種因素，塑造出了火星表面豐富的地貌。火星表面並不平坦，火星表面長近4000公里，最深處達到7公里的水手峽谷（Valles Marineris）是太陽系內最深的峽谷；而外表為盾狀的火星火山奧林帕斯（Olympus Mons）直徑達到600多公里，高25公里，是太陽系內最大的火山。而火星表面一些看似樣式統一的溝渠，非常可能是在火星表面由冰所融化的液態水進行沖刷的結果。有些溝渠上隕石坑的痕跡極少，說明這可能是在最近幾百萬年的時間裡形成的（也有人懷疑這些溝渠是由火星表面的液態二氧化碳和全球性的沙塵暴所共同塑造）。
美國航空航天局發射了數個火星著陸器和探測器到達火星表面進行實地探測，分析火星土壤的成分。在2004年，“機遇號”（Opportunity）探測器在火星土壤中發現了黃鉀鐵礬成分，形成這種物質需要酸性水的參與；它在2011年又發現了石膏，這同樣需要水的參與——種種跡象表明，在火星土壤的淺層以下極有可能曾經存在著很多暗流，這些暗流在火星的夏季流淌，它們不僅塑造了火星的地貌，也決定了火星土壤的成分。
人們相信，理解了在火星上水的歷史，就能夠理解火星氣候的歷史，進而理解行星，乃至整個太陽系演化過程。人們發現在大約35億年前，火星曾經經歷了太陽系內最大的洪水。這些水從哪裡來，又持續了多久？實際上，火星目前仍然蘊含著大量的水資源，但是其中絕大部分都是以冰的形式存在。在火星的兩極區域覆蓋著巨大的白色冰蓋，其中有大量的固態二氧化碳，同樣也蘊含著大量的水資源。
在2018年11月登陸的“洞察號”火星探測器效果圖
火星的土壤裡也儲存有大量的冰。“鳳凰號”探測器在它的降落地點就曾經探測到水的存在，而“好奇號”探測器通過自身所攜帶的火星樣本分析設備（Sample Analysis at Mars）也在火星土壤中檢測到了水的存在。科學家們估計，在火星表層，每立方米的土壤中可能含有超過30升水，這些火星水資源足夠供未來到達火星建立科學基地或是永久居住地的人類取用。
另一方面，火星曾經擁有的大量水資源確實已經流失，以水蒸氣的方式進入到太空中。火星水資源流失最重要的原因正在於火星逐漸失去了自身緻密的大氣層，這使得火星無法維持自身的表面溫度和大氣壓，液態水不復存在，地表的樣貌和狀態也逐漸發生了根本性的轉變，成為一顆看上去光禿禿的紅色星球。
是什麼原因讓火星失去了它的大氣層？地球又是怎樣保全了自身的大氣層？可能正是兩顆行星極其細微的差別，決定了它們各自不同的命運。
美國國家航空航天局的兩位工程師在位於加州帕薩迪納的噴氣推進實驗室測量火星著陸器的“工作空間”
<strong>消失的磁場
火星的直徑只有地球一半左右，體積大約為地球的15%。火星的密度也略小於地球，因此其質量大約只有地球的11%，表面引力自然不及地球，大約是地球表面引力的38%。因為引力作用較弱，火星的大氣層厚度達到11.1公里，相較於地球8公里的大氣層更厚，但是其溫度更低，平均分子量更低。論起密度，火星大氣層遠遠不如地球大氣層緻密，無法起到調節溫度和保護行星表面水資源的作用。
目前火星的大氣層非常稀疏（這讓人類的火星探測器在降落到火星地面時難度極大），火星的地表氣壓還不到地球的1%。火星作為太陽系內第二小的行星，引力作用相對微弱，因而無法擁有一個緻密的大氣層。但進一步的研究顯示，與地球引力的差距可能並不是使火星最終失去其大部分大氣的主要原因。火星早期的大氣層可能遠比現在的大氣層更加緻密，而其發生變化的根本原因在於火星大氣層與太陽風（solar wind）的直接作用。
所謂“太陽風”，指的是從太陽外層射出的高能帶電粒子流。太陽風的速度可以達到每小時160萬公里，吹向整個太陽系。太陽風的高能粒子到達火星，可以與火星大氣層中的粒子發生相互作用，使火星大氣層中的粒子獲得巨大的能量，因而不再受到火星引力的制約。美國航空航天局發射的“火星大氣與揮發物演化任務”（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission，MAVEN）探測器於2014年到達火星軌道，探測火星的大氣狀況。這個探測器直接觀測到了火星大氣與太陽風相互作用的過程。這些來自太陽的高能粒子使火星大氣層頂端的粒子獲得了巨大的能量，從而得以離開火星，最終離開太陽系。
直接觀測到火星大氣與太陽風的相互作用，對於理解火星的歷史，乃至於理解地球的發展過程都有重要的作用，也有助於人們預測火星的未來。根據MAVEN探測器的觀測數據進行計算，科學家估計火星大氣層每秒鐘大約會失去100克的分子飛向太空。在這些損失中包含氧氣、二氧化碳和氫氣，都是構成生命的重要物質。而在太陽系形成初期，太陽風的強度遠高於現在，因此火星失去大氣分子的速度會更高於現在。正是數十億年來不斷受到太陽風的侵擾，讓火星失去了最外層，也是最重要的大氣保護，讓火星地面上的大部分水分以水蒸氣的形式進入了太空。通過對於火星大氣層的直接探測，科學家們也得知，目前火星稀疏的大氣層仍然足以抵擋太陽風的高能帶電粒子直接襲擊到火星地面——這對於志在送宇航員親自到火星進行探索，乃至建立永久的火星基地的人類來說算是一件好事。
太陽風在極大程度上摧毀了火星的大氣層，讓火星環境發生了根本性的變化，這樣的悲劇會不會同樣發生在地球上？
起碼在目前看來，人類還無需為此擔心。從根本上來說，地球之所以在幾十億年的時間裡一直生機盎然，保有致密的大氣層不至於受到太陽風的襲擊，是因為地球的地核區域主要是由高壓下的液態金屬構成。地核中液態金屬的流動形成了一個全球性的磁場，這個由強大磁場所覆蓋的區域被稱為磁層（magnetosphere）。地球磁層有如一個強大的保護盾，讓地球大氣層頂端的氣體分子不必直接與太陽風中的高能粒子發生相互作用，因此地球大氣層中分子的流失速度遠遠不及火星大氣層，也就使得地球在幾十億年的時間裡，始終被緻密的大氣層所包裹，從而調節地面溫度，保護地球的水資源。只要地球的內核不冷卻，地球的全球性磁場不消失，人類就不會失去強大的磁層，也就不必擔心失去地球大氣層。
從這個結果反推，也就可以想象，在火星形成的初期，它的自然環境可能與地球類似，適合生命的存在。科學家們推測，在大約43億年前，火星曾經擁有過全球性的海洋，其水量可能比地球北冰洋的水量更大，結果隨著火星大氣層的逐漸衰弱，火星海洋中的大部分水分都逐漸化為水蒸氣，消失在了太空之中。
那麼，火星是否也曾經像地球一樣，擁有一個全球性的磁場？根據探測，現在的火星雖然沒有全球性的磁場，但是火星地殼的一部分區域卻被磁化了。這說明在之前，火星擁有一個全球性的磁場，並且磁場曾經發生過磁極變換。很有可能的情況是，火星在大約40億年前就失去了全球性磁場的保護。火星究竟是怎樣失去了自身的全球性磁場，目前人類還沒有確切的答案。這有可能是由於小行星的撞擊，也有科學家懷疑是因為火星的內核不再像地核一樣充滿融化的金屬，而是逐漸冷卻，失去了流動性，導致了全球性磁場的消失。
目前人類對於火星的內部結構還不大瞭解。我們已經知道的是，鐵和鎳等金屬元素，還有一些硫元素構成了直徑達到1800公里的火星核心部分，火星的地幔部分富含硅和氧元素，而其地殼部分的平均厚度達到50公里，最厚的地方可以達到125公里——相比之下地球地殼的平均厚度只有40公里。還有很多疑問有待解答：在火星的內核中所儲藏的，究竟是處於液態的金屬，還是已經逐漸冷卻的固態金屬？火星是否與地球相似，也存在板塊運動，使整個行星所蘊藏的資源得以循環，從而促進生命現象的產生和繁衍？還是相對靜止，不存在板塊之間的劇烈碰撞？
人類對於火星內部結構的探尋正在進行中。美國航空航天局的火星探測器“洞察號”（InSight）在2018年11月順利登陸火星，它攜帶了一個極為精密的地震儀，用以探測和收集火星的地震波，這是人類理解火星內部構造最直接也是最準確的方式。與探測地球的方法類似，想要理解一顆行星的內部構造，目前最準確的方法就是去傾聽它的內心，通過收集來自其內部、貫穿了整個行星的地震波來理解整個星球的結構。
火星的內核目前處於什麼狀態，它是否有類似於地球的板塊活動，是否還會有活躍的火山活動？在一個火星年的時間裡，這些是“洞察號”所要解決的最重要的問題。在2018年11月經歷了一次堪稱驚險的火星登陸之後，“洞察號”已經開始在火星表面佈置各種科學儀器。它把高精度的地震儀放置在火星表面，又在上面罩上一個半圓形的銅蓋，保護地震儀不會受到周圍火星大氣運動的影響。目前，這個全名為“內部結構地震實驗”（The Seismic Experiment for Interior Structure）的地震儀已經開始初步收集火星的地震波信號。
除了地震儀之外，一個名為“自轉與內部結構實驗”（The Rotation and Interior Structure Experiment）的科學設備也將通過精確測量火星的自轉來探測其內部結構。在2019年1月下旬，“洞察號”將開始佈置另一個科學儀器，這是一個名為“熱流與物理性質包”（The Heat Flow and Physical Properties Package）的熱感應探針，它將從火星的地表向下鑽探一個深達5米的洞，通過探針探測火星表層土壤的溫度變化，以此研究在火星內部熱量傳遞的途徑，從另一個方面來理解火星的構造。
<strong>科學與狂想的交匯之地
對於這個距離地球最近5460萬公里，最遠4.01億公里，平均距離為2.25億公里的鄰近行星，人類已經發射了多個著陸器、火星車或是人造衛星前去考察。它們有的在火星軌道上工作，有的在火星的地表進行研究，有的則在火星的表面漫遊。目前就有“2001火星奧德賽號”、“火星快車號”、火星偵察軌道衛星、火星大氣與揮發物演化任務、火星軌道探測器和火星微量氣體任務衛星等八顆人造衛星在火星軌道上進行探測，還有“好奇號”火星車和“洞察號”探測器在火星的表面進行實地探測。“機遇號”火星車曾經遭遇火星表面的沙塵暴，因為缺少電力進入了休眠狀態，但地球上的工作人員仍然盼望著有朝一日它能夠甦醒。
這些成就固然偉大，但對於火星，人類還有一個雄心壯志尚未實現，那就是讓人類的宇航員從地球出發，飛躍數千萬公里的茫茫宇宙，踏足火星，跨出人類文明史上的又一大步。人類什麼時候才能登上火星，什麼時候才能像電影中的場景一樣，在火星建立基地、開拓人類的另一個家園？人類有沒有可能去開採火星的礦物，實現在地球與火星之間的星際貿易？這些關於火星的想象，不僅僅是科學問題，也有關人類的狂想和野心。面對火星，人類彷彿來到了又一個大航海時代——死亡的危險與無限的可能共存。面對這樣的情況，無所畏懼的野心、不著邊際的狂想，或許反而能夠到達理性所不及之處。
關於火星探測，美國航空航天局幾十年來按部就班，依照既定計劃一步步實現目標。在發射了火星衛星和探測器之後，目前他們正為在21世紀30年代把人類宇航員送上火星做準備。人類從地球到火星，需要一整套可靠的生命支持系統，火星表面大氣稀薄，宇宙飛船減速降落需要消耗大量的能量，其困難程度遠遠超過發射無人火星探測器。在茫茫太空中九個月的旅行，遠離地球家園，這對於宇航員來說也是一個極大的心理考驗。考慮到這些因素，科學家和工程師們都需要格外謹慎。
而另一方面，太空探索技術公司（SpaceX）探索火星的計劃遠遠走在了美國航空航天局的前面，公司CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）更是時常有驚人之語。馬斯克曾經放出豪言，要在本世紀內把100萬人送上火星，建立人類的火星基地乃至永久定居的火星城市。考慮到人類現有的技術以及探測火星的成果，這樣的話無異於痴人說夢。但是作為世界知名的創業家，馬斯克確實也時常獲得出人意料的成功——他這種無所畏懼去探索火星的狂熱態度，也有可能在令人意想不到的方面取得突破。
2019年1月初，馬斯克在自己的“推特”賬號上展示了一個名為“星船”（Satrship）的飛行器，以取代此前計劃中用以飛往火星的“大獵鷹火箭”（Big Falcon Rocket）。從大獵鷹火箭到星船，飛行器從外形到材質都要大改，這難免會耽擱時間，也會讓旁觀者覺得太空探索技術公司飛往火星的準備尚不充分。但星船並非只是一個概念空殼——用以測試的星船已經組裝完畢，進入實驗階段——這又足以讓人感受到馬斯克一往無前的決心。儘管就連馬斯克自己後來也承認，人類想要在火星建立永久性的基地起碼還需要100年的時間，但是他依然堅信自己的太空探索技術公司在21世紀20年代就能夠把人類宇航員送上火星。在被問到他自己是否也準備登上火星時，他給出了一個概率性的回答：可能性為70%。
對一顆充滿未知的行星進行開創性的探索，究竟是以一國政府之力，按部就班、循序漸進為好，還是由經常出人意料的私人公司進行大膽的嘗試更可能取得成功？只有時間才能給我們答案。
如果我們把目光放得更為長遠，在更遙遠的未來，人類是否可能在火星建設家園，又是否能在火星上獲得財富？人類想要在未來移民火星，就需要能夠在火星上創造出類似於地球的自然環境——這是否可能，目前還有很大的爭議。
有沒有可能再造火星的大氣層？在接受訪問時，馬斯克曾經有過驚人之語，他認為再造火星大氣層最為快捷的方式就是讓火星的表面大幅升溫，使火星極地區域儲藏的固態二氧化碳轉變為氣態，讓火星大氣層迅速充盈起來——想要達到這個目的，最直接的方法莫過於在火星的極地區域投下核彈，利用核彈的高溫加熱火星表面，進而重建火星的大氣層。
如果不採用過於極端的手段，不過於急於求成，根據研究顯示，人類確實有逐漸改變火星環境的可能，也許可以先從讓火星擁有一個磁層開始。現在人類已經有了微型人造磁層的研究用以保護宇航員和太空船，在理論上，人類也有可能製造出一個人造磁層覆蓋火星，使之免受太陽風的攻擊。美國航空航天局的科學家通過電腦模擬顯示，在人造磁層的保護下，火星大氣層的氣壓會逐漸升高，火星地表所儲存的固態二氧化碳進入到大氣層中，產生溫室效應，然後進一步提升火星的表面溫度，最終使火星表面的水冰融化，可能營造出一個可以讓人類生存的環境。如果能夠實現這一目標，那麼或許在遙遠的未來，人類就可以將一個寒冷的遍佈著酸性物質的不毛之地，轉變為一個溫暖的適合人類居住的環境。
甚至還有人想象，引導太陽系中的小天體去撞擊火星，以此升高火星的表面溫度——就算這個計劃有實施的可能，也會需要數以千計的撞擊才能實現有效的升溫，那時火星的表面必將千瘡百孔。無論是核彈的狂想，還是電腦模擬，在人類尚未踏上火星的時候就考慮在火星永久生活乃至大規模移民火星的問題，都還顯得太過遙遠而不切實際。
考慮到人類當前的技術水平，夜空中的火星顯得過於遙遠，人類目前對於火星的渴望，大多仍然是介於科學與幻想之間。那麼，如果我們以更為實際的眼光打量火星，自然就會發問，在火星上有什麼資源？人類能否通過火星創造財富？
火星遍佈的火山地貌，類似於地球上的大型火成岩區域（Large Igneous Provinces），在這樣的區域曾經有大量的岩漿湧出地面，其中會含有大量的金屬元素如鎳、銅、鈦、鐵、鉑、鈀和鉻。除了火成岩區域，在火星表面的隕石坑附近，因為隕石的撞擊，也會讓一些地殼深層的礦物暴露出來。隨著被撞擊區域水分的融化和蒸發，岩石中的一些成分會被過濾出來，凝結成塊。在地球一些類似的區域，人類就發現了一些珍貴的稀有金屬。如果與地球的情況類似，目前在火星蓋爾火山口附近探索的“好奇號”就有可能探測到火星上蘊含的各種稀有礦物。
與大多數科幻電影中的情節相反，如果我們從商業的角度去衡量火星，恐怕在這顆紅色星球上並沒有太多引人注目之處。無論是貴重金屬還是稀有的礦物，考慮到堪稱天價的運輸費用，目前看上去都不值得人類往返宇宙間數億公里的距離去開採和運輸。馬斯克也說過，想要通過火星賺錢，大概只能寄希望於在研究過程中的突破，通過知識產權來致富了。
無論多麼遙遠，火星都是太陽系內最適合人類探索和移民的行星，因為它最有讓人類在上面實現自給自足的潛力——雖然那可能需要上百萬的人口來支撐。在此之前，火星基地仍然會需要地球的支援。可以想見，如果人類在未來真的有能力在火星建立研究基地，乃至移民部落，火星上蘊含的資源都將為人所用。火星土壤中豐富的黏土可以用以製造陶器和瓷器，而大量的二氧化硅可以用以製造玻璃纖維，各種金屬材料可以用來製造房屋和工具，再通過核反應堆和太陽能面板獲得能量。
在人類數千年的歷史中，火星在大多的時間裡都只是夜空中一顆明亮且遙不可及的星星，只有當人類藉助科學的力量放眼宇宙，才明白火星是地球的兄弟和近鄰。在幾十億年的時間裡，一顆蔚藍，一顆火紅。通過研究火星，人類會更能理解生命的出現是真正的奇蹟，而生命又是如此脆弱。
（本文寫作參考了美國航空航天局網站、歐洲空間局網站以及相關科學媒體的報道）
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