駛向半人馬座

苗千

劍橋大學(xué)的理論物理學(xué)家史蒂芬·霍金每一次出現(xiàn)在公眾的視野之中總會展現(xiàn)出令人吃驚的影響力。

2016年4月12日霍金教授開通了新浪微博，在短短5天的時間里，他只發(fā)布了兩條微博就吸引了320多萬“粉絲”的關(guān)注。在第一條微博象征性的問候之后，語不驚人死不休的霍金教授在紐約發(fā)出了第二條微博，公布了一個堪稱突破人類想象力的“突破攝星”（Breakthrough Starshot）計劃。這個計劃一經(jīng)發(fā)布立刻在全世界引發(fā)了極大的關(guān)注，人們的反應(yīng)中有好奇，有質(zhì)疑，有激動，也有嘲笑，大多數(shù)的科學(xué)家更傾向于認(rèn)為這個計劃近乎幻想——這種反應(yīng)或許早在霍金的意料之中，畢竟突破攝星計劃的目標(biāo)是從地球發(fā)射飛船，駛向距離太陽系4光年之外的半人馬座。

“突破攝星”計劃的董事會除了理論物理學(xué)家霍金之外，還有俄羅斯投資人、互聯(lián)網(wǎng)大亨尤里·米爾納（Yuri Milner），以及Facebook網(wǎng)站的CEO馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）。但是這個計劃顯然不只是富商的一擲千金和理論物理學(xué)家的狂想結(jié)合而已，美國航空航天局艾姆斯研究中心（Ames Research Center）的前任主管皮特·沃登（Pete Worden）將擔(dān)任“突破攝星”計劃的項(xiàng)目主管，哈佛大學(xué)的天文學(xué)家阿維·勒布（Avi Loeb），英國天文學(xué)家馬丁·里斯（Martin Rees），諾貝爾物理學(xué)獎得主、天文學(xué)家索爾·珀?duì)栺R特（Saul Perlmutter），物理學(xué)家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）等一眾知名科學(xué)家和工程師都將是這個項(xiàng)目的顧問。

“突破攝星”計劃可能確實(shí)算得上是科幻和科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。米爾納自稱他從小就是科幻作家阿西莫夫和卡爾·薩根的忠實(shí)讀者，他在莫斯科國立大學(xué)讀書時學(xué)習(xí)的也是物理學(xué)專業(yè)，而他的名字“尤里”（Yuri）則來自人類第一個進(jìn)入太空的蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林（Yuri Gagarin），就連他們在紐約自由塔宣布“突破攝星”計劃的日期也經(jīng)過了精心挑選，正是人類首次進(jìn)入太空55周年紀(jì)念日。

“突破攝星”計劃之所以引起如此之大的反響，除了霍金的名氣之外，也因?yàn)檫@可能是人類第一個不只是紙上談兵的“星際旅行計劃”（除了一些概念之外，2012年美國國防高等研究計劃署的星際旅行研究項(xiàng)目只有100萬美元的研究資金），而且這個計劃與人類目前在太空探測領(lǐng)域已經(jīng)取得的成就相比又實(shí)在是太過宏偉。除了地球之外，至今為止人類只登上過地球唯一的衛(wèi)星月球，人類發(fā)射的探測機(jī)器人也只到達(dá)了火星。除此之外，一些飛行器只是在掠過時拍到太陽系內(nèi)部一些行星的照片——這些成就與從地球發(fā)送飛行器到達(dá)4光年之外的半人馬座的宏偉目標(biāo)相比簡直不值一提。

飛行器的速度和航行時間將是最大的問題。以目前人類飛行器的速度想要跨越太陽系和半人馬座之間4光年多的距離，計算得出的時間將會是一個真正的天文數(shù)字。目前人類最快的飛行器是于2006年發(fā)射的“新視野號”（New Horizon），相對于地球的運(yùn)行速度達(dá)到每秒16公里以上，每天航行的距離超過百萬公里，即使如此它也花費(fèi)了9年時間才從地球到達(dá)太陽系邊緣的冥王星并最終發(fā)回照片——以這樣的速度前進(jìn)，它需要3萬年的時間才能到達(dá)半人馬座，人類顯然沒有這樣的耐心。

霍金和米爾納為“突破攝星”計劃所規(guī)劃的從地球到半人馬座的旅行時間是20年。這樣的計劃，從一開始，就需要幾乎瘋狂的想法和巨大的財富來支持。米爾納宣布“突破攝星”計劃的第一步投資為1億美元，目標(biāo)是設(shè)計出一個飛行器原型。而當(dāng)進(jìn)入到實(shí)際運(yùn)作階段之后，這個計劃可能會花費(fèi)千億級美元的資金。

用20年的時間航行超過4光年的距離，飛行器需要達(dá)到光速的20%。要達(dá)到這樣的速度，飛行器必須盡可能地減輕重量。計劃中的“納米飛行器”（Nanocraft）只有幾克的質(zhì)量，而在這樣的一個飛行器中，需要集成有電源，200萬像素的照相機(jī)，用于導(dǎo)航的光子推進(jìn)器，和用于通訊的雷達(dá)——人類目前的電子技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，需要在未來十幾年的時間里，電子學(xué)的“摩爾定律”（Moores Law）仍然有效，電子器件的尺寸繼續(xù)不斷地縮小。

更大的困難來自動力。如何為只有幾克質(zhì)量的納米飛行器提供動力，科學(xué)家們想象過通過正反物質(zhì)發(fā)生湮滅提供動力，或是通過可控核聚變產(chǎn)生動力的發(fā)動機(jī)，但是這些技術(shù)都遠(yuǎn)超目前人類的科學(xué)水平，無法實(shí)現(xiàn)。目前想象中的納米飛行器，依靠“光帆”（light sail）反射激光，利用激光的推力來進(jìn)行加速。想象中的光帆打開時面積有幾平方米，可以反射99.999%的入射光（這一點(diǎn)尤其重要，如果光帆吸收過多的入射光，整個飛行器將會在瞬間蒸發(fā)），因此納米飛行器有可能像是一個閃亮的圓盤。提供能量的光帆同樣需要盡可能的輕薄，理想的光帆將只有100個原子的厚度，這也需要人類在近期能夠研制出滿足這種性質(zhì)的神奇材料。正是依賴強(qiáng)大的激光打在太空中納米飛行器張開的光帆上產(chǎn)生動力，在理論上納米飛行器可以在兩分鐘的加速過程中速度達(dá)到驚人的光速的20%，在這期間它所經(jīng)受的重力相當(dāng)于地球重力的6萬倍，最終達(dá)到每秒6萬公里的速度向半人馬座進(jìn)發(fā)。以這樣的速度，納米飛行器只要不到一個小時就會掠過火星，一天時間就可以到達(dá)冥王星，完成“新視野號”花了9年才完成的旅程。光帆概念早在上個世紀(jì)60年代就已經(jīng)誕生，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家菲利普·魯賓（Philip Lubin）在美國航空航天局的資助下正在進(jìn)行迷你光帆的研究，他也將是“突破攝星”計劃的工程師之一。

在“突破攝星”計劃中最為重要的，就是射向納米飛行器，為星際旅行真正提供動力的激光束，它將來自地球。根據(jù)對于激光束的實(shí)際要求，有可能選擇在南半球海拔較高、空氣濕度較低的智利阿他加馬沙漠地區(qū)建立一個激光器陣列，這個陣列由上百個可以相互配合的激光發(fā)射器組成，功率將會達(dá)到驚人的1000億瓦特。這樣功率的激光器陣列所消耗的能量足以耗盡一個發(fā)電站（因此還需要在附近建設(shè)一個發(fā)電站），而這樣的激光器陣列也足以成為真正危險的武器，它可以摧毀地球軌道上的衛(wèi)星或是擊落空中的飛機(jī)。即使不考慮外交和安全問題，要建成上述計劃所需要的激光器陣列目前大概需要1000億美元的投資（但好消息是激光器的價格下降很快——在10年前價格還是現(xiàn)在的100倍）。

米爾納設(shè)想，當(dāng)?shù)孛嫔系募す獍l(fā)射陣列建設(shè)完成，納米飛行器也研究成功，將會先發(fā)射一艘“母艦”，上面載有幾百個納米飛行器（每個納米飛行器的造價將會低于目前的iPhone手機(jī)）。在地球軌道上，母艦每天釋放一個納米飛行器，這個納米飛行器利用光子推進(jìn)器進(jìn)行定位，隨后由地面上的激光陣列同時對其進(jìn)行加速，在兩分鐘之內(nèi)達(dá)到光速的20%，向半人馬座進(jìn)發(fā)。母艦可以在一年內(nèi)持續(xù)每天釋放一個飛行器，數(shù)百個納米飛行器將前赴后繼地向著一個目標(biāo)進(jìn)發(fā)。納米飛行器極其復(fù)雜輕薄，在太空中與任何的小行星，冰碴甚至是宇宙塵埃相撞都將對它造成致命的損傷，旅途艱險。但是這數(shù)百個飛行器哪怕只有幾個到達(dá)目的地，也將是人類歷史的一大進(jìn)步。

假設(shè)有納米飛行器最終真正可以到達(dá)半人馬座，它將對準(zhǔn)半人馬座三顆恒星中的兩顆與太陽更加接近的恒星（Alpha Centauri A和Alpha Centauri B）的適合居住的區(qū)域（habitable zone）進(jìn)行觀察，在這個區(qū)域距離恒星不算太遠(yuǎn)也不太近，如果在這個區(qū)域存在行星，行星表面將有可能存在對人類生存至關(guān)重要的液態(tài)水。因?yàn)榧{米飛行器沒有減速裝置，它將在拍照并發(fā)回地球之后繼續(xù)向宇宙深處航行。問題在于，半人馬座的恒星是否真的有行星存在？盡管目前宇宙學(xué)家們認(rèn)為銀河系中大多數(shù)恒星周圍都有行星存在，但是這兩顆恒星的距離太近，沒法取得清晰圖像，人類還沒有發(fā)現(xiàn)屬于這兩顆恒星的行星。有人認(rèn)為，這兩顆恒星之間的距離太近，營造出了一個不穩(wěn)定的引力環(huán)境，不利于行星產(chǎn)生。

另一個問題在于，即使納米飛行器到達(dá)半人馬座，即使它在適合居住的地帶發(fā)現(xiàn)了行星并且拍照，它又怎么樣把數(shù)據(jù)跨越4光年的距離，用4年多的時間再傳送回地球？人類還從來沒有過這樣的通訊經(jīng)驗(yàn)。米爾納希望納米飛行器所攜帶的激光器發(fā)射回信號，但是這樣的信號將極端微弱，極有可能被各種信號，包括宇宙微波背景輻射所干擾，而輕易地消失在宇宙空間。

目前“突破攝星”計劃的科學(xué)家們已經(jīng)總結(jié)了20個主要問題需要克服。毫無疑問的是，當(dāng)計劃正式開始實(shí)施時，他們將面對更多的困難以及無窮無盡的資金問題。人類至今為止還沒有過任何星際旅行的經(jīng)驗(yàn)可以供“突破攝星”計劃的科學(xué)家們借鑒，而另一方面，人類也沒有任何進(jìn)行星際旅行失敗的教訓(xùn)令人感到恐懼。這樣一個極端大膽甚至是堪稱瘋狂的計劃，即使不能一次成功，也可能為人類未來的科學(xué)研究提供很多機(jī)會和靈感。

“突破攝星”計劃算得上是科學(xué)與幻想的結(jié)合。人們在期待之余，或許能夠感受到些許的浪漫，正如那首詩中寫的：

如果可以

請把眼前的一束月光

折疊成一張窄窄的船票

讓我乘著上一艘慢船去巴黎