在小说《流浪地球》中，当人类面临提前衰老的太阳吞没地球的威胁时，“地球派”在全世界建起了诸多地球发动机，这些发动机形成了诸多直插天际的等离子体巨柱，发出如日光灯管一样的蓝白色的颜色。这些发动机的工作使地球停止转动并离开之前的公转轨道，踏上流浪之路。
在真实的航天活动中，火箭起飞时从尾部喷出的火焰，也是由火箭的发动机产生的。从表面上看，这些熊熊燃烧的烈焰似乎比那些笔直的光柱更具气势。然而，大刘（《流浪地球》作者刘慈欣）为地球设计的这种发动机方案不但更具备玄幻的科技感，产生的推进效果也要比喷火的化学能发动机要高。虽然人们目前还不具备制造出足以停止地球转动的这类发动机的本领，但基于同样原理的发动机，早已经在各类卫星上得到了广泛应用，还被认为是未来最有希望担起人类迈向深空重任的发动机。
这种发动机就是本文要介绍的主角——离子电推发动机
（《流浪地球》电影海报，图中的光柱即为地球等离子体发动机发射的。图片来自 @电影流浪地球 微博）
化学能发动机有局限
一枚体态巍峨的火箭腾空而起后，最终却只能将重量相对于火箭小很多的航天器送入轨道，如果目的地设定于火星乃至更远，能够运载的航天器质量则更低。
例如，去年成功首飞的猎鹰重型火箭的起飞时的整体重量达1420吨。按照SpaceX公布的数据，即便放弃科技感极强的助推器、芯一级回收功能来换取更高运载能力，这种火箭也最多也只能将63.8吨的载荷送到距离地面很近的轨道上。如果将目标瞄准火星或冥王星，其运载能力将降低为16.8吨和3.5吨，仅相当于起飞重量的1.2%和0.2%。
（猎鹰重型火箭发射。图片来自:wikipedia）
这样一种尴尬局面的出现并非马斯克和他领导的SpaceX技术不精。事实上，目前任何一种已经服役的火箭均存在着运载有效载荷的重量远小于火箭起飞重量的问题，大部分起飞质量都消耗在了携带的推进剂上。同时，在轨工作的卫星、探测器也要讲一大部分重量分配给携带的推进剂，而不得不减少真正能够执行任务的有效载荷的质量。在地球附近工作的通信卫星，携带的燃料要占到其发射重量的60%左右。
而造成这样的一个问题的原因，则要从火箭获得动力的原理说起。
设想，一台小车上装载了一门大炮。根据牛顿第三定律和动量守恒定律，当大炮开炮时，小车会向大炮炮弹发射方向的反方向加速。对于同样的炮弹，如果从炮口射出的速度增加，则将小车加速到同样速度消耗的炮弹则会减少。
(如果增加发射药的用量，使得弹丸的出膛速度增加，炮身所在的小车将会向后倒退的更快。图片来自：GIPHY)
在宇宙航行中，发动机喷出的推进剂就好比上面故事中的炮弹，而火箭、卫星等飞行器则好比上面故事中的小车，推进剂喷出时所产生的反作用力使飞行器加速或减速。要进入特定的轨道，就必须实现特定的速度增量或减量。例如，从地面起飞进入环绕地球的轨道，速度增量一般要达到8公里/秒。而要从这个轨道再进入奔向火星的轨道，则知道要再得到4.5公里/秒的速度增量。在执行同样的任务时，如果要减少使用的推进剂的质量，就必须增大推进剂从喷口中喷出时的速度。目前广泛使用的化学能发动机，都是通过将推进剂中的燃料和氧化剂混合燃烧后再向外喷出的方式，将燃料的化学能转化为动能。在这种原理下，推进剂的喷出速度到达3.5公里/秒后就很难再提高了。这就是使用这类发动机的火箭和飞行器携带燃料的量难以降低的原因。
(使用化学能发动机的卡西尼-惠更斯号探测器的发动机正在工作，喷出火焰。图片来自ESA)
离子电推发动机效率高
NASA所属的戈达德航天中心以世界航天理论的先驱者、纽约大学教授罗伯特·戈达德的名字命名。在戈达德有生之年，纽约时报曾经嘲笑这位想用火箭飞向月球的教授“缺乏物理学常识”，而在阿波罗11号登月成功后，纽约时报又不得不发表了一则更正，承认事实已经证明他们对戈达德的批评是错误的。罗伯特·戈达德加收无愧航天先驱的称号，因为他除了进行了人类史上第一次液体火箭飞行试验外（虽然只飞了56米），还在20世纪初就前瞻性的首次提出了利用电磁场加速离子来推进飞行器的设想。
（离子电推发动机原理示意图，图中两块绿色的板即为加速用的栅格板。图片来自Wikipedia）
在历经一个世纪的时光之后，1998年发射升空的美国“深空一号”（Deep Space-1）试验性探测器使用了基于静电力的离子电推发动机，将戈达德教授的设想变成了现实。这种发动机使用氙作为推进剂。当氙进入发动机室后，其中的氙原子核和电子首先在电场的作用下分离，使氙原子核变成游离的氙离子。之后，氙离子进入了发动机中的两片栅格网之间，由其间的静电场加速到较高的速度后喷出。如果只喷出带正电荷的氙离子，而将带负电荷的电子留在发动机中，那么这些电子所带的负电荷就会将喷出的氙离子吸引回来，无法使工作过程持续。
为此，工程师们在喷口附近还设计了一条能够喷出电子的管道，使离开发动机的气体保持电中性，避免这样的一个问题的发生。这种发动机的推进剂喷出速度能够达到20-50公里/秒，相比使用化学能的发动机已经有了质的提高。
(深空一号所使用的离子电推发动机试车，发动机喷出了呈现淡蓝色的离子束。图片来自 wikipedia)
离子电推发动机的技术局限
你可能会感到困惑，既然在20世纪末人类已经设计出了实用的离子电推发动机，为什么每次航天发射过程中出现在我们眼前的都是哪些喷火的发动机呢？虽然使用离子发动机后，推进的出流速度得到了提升，但受制于目前的技术水平，在单位时间内喷出的推进剂的量还很少，使得离子发动机的瞬时推力还不理想。虽然深空一号仅花费了74公斤推进剂，就实现了人类飞行器史上不依靠借力飞行等其他手段而实现的最高速度增量，成功到达了布莱页小行星和宝瑞利彗星，但其瞬间输出的推力很小，仅仅相当于一页纸的重量。如此微小的推力还不足以胜任在地面上克服地心引力和空气阻力的重任，因此需要从地面起飞的火箭目前还不能使用电推发动机。
（深空一号探测器正在工作，从尾部射出的就是离子发动机产生的氙离子流。图片来自 Wikipedia）
但一旦进入太空这种近似真空的环境中，离子发动机就可通过持续工作的累积效应来完成变轨等任务。放到船和大炮的图景中，在无法一次发射质量比较大的炮弹的情况下，大炮接连不停的向外发射与大炮弹速度相同但质量相对较小的炮弹。目前，静电离子发动机是技术最成熟的离子电推发动机。
在深空1号之后，黎明号、隼鸟号等探测彗星与小行星的探测器也采用了实用了类似的离子发动机。不少在地球附近工作的卫星也使用它来进行轨道维持等工作，极大的节省了燃料。我国的实践十三号卫星采用我国自主研制的LISP-200离子电推发动机，使卫星减少携带燃料达2.5吨。
发挥优势，相互配合
为了更好的提高离子电推发动机的性能，航天工程师们又提出了霍尔效应发动机和磁等离子体力学发动机的设计。这两种发动机的共同特点是，不再像静电离子发动机那样使用有形的栅格网来加速离子，而是在发动机中构造无形的交错电磁场，利用电磁力加速粒子，从而能在某些特定的程度上提高发动机在单位时间内能够喷出的推进剂总量，使电推发动机获更高的瞬时推力。例如，霍尔效应发动机的阴极在发动机喷口处射出电子，这些电子与发动机内部的阳极共同产生了指向发动机喷口的电场。当推进剂进入发动机室后，首先被电离成等离子体态，即电子与离子相互分离，电子和离子都可以自由运动，但整团气体整体上仍然呈现电中性的气体态。之后，质量较大的离子在指向喷口的电场作用下向外加速，与喷口处的电子会合后形成中性气体被喷出。而电子则在电场及与其垂直的磁场的作用下绕着发动机中心旋转，形成霍尔电流。这些电子旋转的同时还会向阳极漂移，闭合整个发动机的电流回路。同时，电磁场造成的霍尔效应迟滞了电子的漂移速度，避免了发动机电路短路。而磁等离子体力学发动机则把阴极移动到了发动机的中心，阳极则是发动机四周的圆柱金属壁。阴极和阳极间形成的电流感应出了磁场，同时还和电流一起对等离子体施加往向外加速的洛伦兹力。在这两种发动机中，推进剂以整体上呈现电中性的等离子体态存在，而发动机中电磁场与洛伦兹力的产生利用了等离子体的物理性质，因此这两种发动机也被统称为等离子体发动机。霍尔效应发动机的研发最早起源于苏联。上世纪七十年代，苏联的流星1-10、流星1-18等卫星就慢慢的开始应用霍尔效应发动机进行辅助轨道位置。而美国、欧洲等西方国家对霍尔发动机的设计制造则是进入21世纪之后的事。2016年11月3日，长征5号首飞成功，将实践17号卫星送入预定轨道。而这颗卫星的成功在轨验证了我国自主研制的世界首套磁聚焦霍尔电推进系统，标志着我国在等离子体发动机的研发上走到了世界前列。磁等离子体力学发动机则仍处于实验室研究阶段，试验表明它的推进效能可达霍尔效应发动机的10倍。未来，功率达到100KW以上的磁等离子体力学发动机有希望通过太空核裂变产生的电能，实现更强劲的太空推进。
（实践17号卫星所使用的磁聚焦霍尔推力器。图片来自http://ree_x：下午睡醒没有灯，一片黑暗，饿着肚子，没有未读的消息，发觉这样一个世界好像与我无关。
TED上曾有一段很经典的演讲，就叫做《社交时代的孤独》。
演讲人是麻省理工学院（MIT）教授、著名社会心理学家雪莉·特克尔（Sherry Turkle），她在演讲中为我们描绘了现代社会和网络社交背后我们所面临的相处模式。
如今我们的交流联系早已不取决于距离，而是取决于我们大家可以使用的交流技术。社交网络平台让我们几乎能够跨越空间、时间进行交流，沟通也慢慢的变简单，但我们并没有因此摆脱孤独。
相反，我们越来越习惯一种可以称为“一起独处”的相处方式。
尽管在现实空间，任何一个人都待在一起，但同时你也会发现，任何一个人都时不时低下头摆弄手机，因为跨越时空的网络连接，使得每个人都同时“在别处”。
这种便捷的连接和相处方式会给我们大家带来三种令人兴奋的错觉：
一，我们大家可以把精力分配到任何我们想关注的地方；
二，总会有人倾听我们；
三，我们永远都不用独自一人。
正是缘于这三种错觉，会让我们独处时的心态逐渐发生明显的变化：一旦失去连接、失去联系，即使只有几秒钟，也会开始变得焦虑、恐慌，坐立不安，然后我们就转向我们的手机，寻求网络上的连接。
但是，这种联系更像是一种症状，它表达着我们的焦虑，却没有解决根本的问题。
这种急迫的渴求连接的方式也在改变我们对自我的认知和反省，一旦失去这些网络社交上的联系，我们就几乎感觉不到自己的存在了。
而这种技术也在改变我们自身，长久的躲在荧幕之后的社交，很容易让我们隐藏自我，也缺乏一种观照自身的反省。
由于习惯了虚拟技术为我们制造的保护壳，在处理复杂的人际关系时，我们更希望通过社交网络的沟通，因为这可以让我们更好地编辑、改正、纠错一些措辞和沟通语言，所以经常听到大家说：“比起说话我更愿意发微信”。
我们开始习惯逃离真实的交谈，逃向更少更浅的交流，以至于越来越希望躲开人。
除此之外，在社交平台上所展示的虽然貌似是自己的真实身份，但实际上我们常常会把自己美化包装成另外的“想象中的自己”，或者“我们想要成为的那个人”。
技术恰好迎合了我们每个人的某种脆弱和逃避现实的需求，于是社交时代的我们就变成了：害怕孤独，却又害怕过度亲密的关系。
02
线上社交忽略了非语言的沟通
或许你会质疑，为什么我们就不能适应这种技术带来的沟通变革呢？虚拟世界的沟通和联结，也不一定就是负面的，对不对？
不可否认，我们的生活和日常沟通都因为技术变得更为舒适和便利，也让我们大家可以和周围的人保持稳定的线上虚拟关系，还可以和在遥远异国他乡的朋友时常联络，维系感情。
但是你是否发现一个问题，每天花这么长时间进行深入的虚拟交流，我们是否已经忘了如何与人面对面地交流？
当这种线上虚拟关系一旦回到现实中，我们即使就坐在彼此身边，相互之间却难以进行真正的对话，不仅没有很好的方法享受彼此的交流和陪伴，我们的注意力还总是被不时亮起的手机屏幕所吸引？
那么，从这个角度看，平板电脑和手机到底是让生活变得更好了，还是让我们变得更筋疲力尽、徒增压力呢？
最重要的是，社会化媒体让我们很容易忽略一点，当我们要想与他人产生有意义的联系，就需要那些由情感驱动的非言语交流。但是，屏幕无法让我们进行非言语沟通。
学会说话之前，我们都在使用非言语的情绪线索来进行沟通。我们会微笑、皱眉、挥动手臂，我们还会跺脚、耸肩、指指点点。我们不用言语也能够理解彼此，因为能够直接进行眼神、动作和其他非言语线索的交流。
试想，一个尚未学会说话、学会语言文字的婴儿，该如何理表情符号、加粗字体、大写字母和一连串惊叹号写成的带有丰富情感和情绪的信息呢？
一条微信、一封电子邮件，哪怕措辞积极乐观并且极富表现力，对婴儿来说却也什么都不是。
但如果我们坐在一个婴儿面前，用非言语的方式来进行沟通，比如运用面部表情和声音，婴儿就会立刻做出反应。
实际上，成年人也仍然在很大程度上依赖这种先天的反应来进行实质性的沟通。这种对面孔、身体、声音和触感的敏感性对于现在的我们和婴儿时期的我们来说一样重要。
当我们和他人在一起的时候，非言语沟通无时无刻不在发生，只是我们很容易错过或者忘记。那些不注意非言语沟通细节的人可能完全感觉不到它的存在。
发展心理学将人与人之间的相互联系归功于非言语沟通。但是在虚拟对话中，大部分让我们认识和理解彼此的复杂的非言语信息都丢失了。
03
线上对话无法复制复杂的面对面沟通
有多个方面数据显示，至少有75%的沟通其实都是非言语式的。
我们的大脑天生会从他人那里接收非言语信号，这些信号告诉我们对方是否友好或者对我们是否感兴趣，这种敏感性往往很难通过隔着屏幕的沟通获得。
这些信号以惊人的速度在脑中留下印象，我们发送面对面的信息时，同时在接收重要的信息。
当我们看着他人的眼睛去理解对方的表情时，或者看到对方嘴唇的动作、看到他们如何仰头或者如何拉手的时候，这种信息比语言的交流更能够透露出他们的想法和感受。
更重要的是，当我们面对面交流时，如果接收到的一些非言语信号显示出这次沟通并不会产生想要的效果，我们就会立刻做出调整，从而建立一种更强健、更成功的关系。
但是，如果我们仅仅是通过线上的虚拟沟通，这个发送和接受的过程往往就会出现明显的断裂。
这就是我们常常遇到的问题，仅从文字表达，没有语调没有表情，我们难以判断对方真实的意图是什么，即使连使用同一款表情包，我们都可能存在沟通的误差。
即便现在的通信即时性已经能够达到面对面交流的时间差程度，但是这样的一个过程中，我们的大脑却会因为信号不匹配而承受倍增的压力。
人脑可以接收数十亿单位的感觉信息，并把这些信息与其他数十亿单位的信息联结起来，这种能力使得面对面沟通无与伦比。
相较来看，线上沟通就无法完成这样的处理，即使是使用视频通话等能够用视觉传达的方式也很难和面对面沟通相比拟，其实这也就是为什么许多人在进行视频模拟面试的时候，发挥往往差强人意。
所以，当现代人逐步适应了仅存在于线上的沟通时，我们会发现，这催生了一种新的生活方式——我们的联系慢慢的变多，但与此同时我们也把自己隔绝起来。
我们害怕现实的交流和社交，但我们又需要感觉到自己依然存在，证明自己依然活着，所以即使我们并不真正欣赏别人，也会不断地寻求这类虚拟的线上的联系。
我们只是简单地认为，通过这种“永不下线式”的保持联系，就能让我们不那么孤独。
可惜，事实恰好相反。
