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加速到近光速,我们有可能飞往比邻星吗?

我们正准备把宇宙飞船送到4光年外的另一个恒星系统。

如果你这一刻离开地球,以光速飞行,你会在读到这句话结尾之前到达月球;到太阳,则需要8分钟。

要抵达离我们最近的恒星系——比邻星(或叫半人马座),以光速飞行,需要4年3个月左右时间;乘最快的火箭,也至少需要8万年。

但是,一项雄心勃勃的计划打算在未来10年到20年内,把人类的宇宙飞船发射到比邻星;它们将以接近光速飞行,20年内抵达目的地。该计划由美国硅谷亿万富翁尤里·米尔纳资助,是在2016年4月的一次有已故物理学家霍金出席的新闻发布会上宣布的。

这个“突破摄星”计划曾引起国际上广泛的关注。如果成功了,可能是人类有史以来最雄心勃勃的计划。不过很多人打赌,这只是一些人心血来潮罢了,很快就会偃旗息鼓的。现在3年过去了,该计划到底怎么样了呢?

“突破摄星”计划的设想

在宇宙中,恒星之间的距离动辄是以光年计的,要想在人类的有生之年到达另一个恒星系,需要以接近光速飞行才成。但能把航天器推进到接近光速,现有的技术非常有限。

虽然技术有限,但科学家并没有放弃。事实上,几十年来对航天器的动力只有一个选择——光帆。正如迎面吹来的风可以对帆施加压力,从而推动船只,光束也可以驱动物体运动。把航天器制造得足够轻,上面绑一块帆,用强大的光源对着它照射,在几乎没有任何阻力的太空,就能将它加速到相当大的速度。

艺术家想象中的“突破摄星”计划。

太阳帆就是为了利用太阳光而设计的,17世纪德国天文学家开普勒在给伽利略的信中最先提到过这一想法。但是,要想将物体加速到接近光速,太阳光还是太弱了,我们需要用能量比它强数百万倍的激光。

“突破摄星”计划的设想是:在围绕地球的轨道上部署数百艘小型宇宙飞船,每艘都配备有一个光帆以及记录、传输信息所需的最少硬件。在地面则布置一个巨大的激光阵列。激光束将聚焦于航天器的光帆上,将它们加速到光速的五分之一(大约每秒6万千米)——这个速度是传统航天器的数千倍。20年后,这些飞船将到达比邻星,届时向我们发回有关该恒星系统中可能适宜居住的行星的图像。

要实现这个计划,在技术上面临许多挑战:必须发明一种能接收千兆瓦激光而不自燃的材料;必须制造出足够轻但又足够精密的电子设备,能将图像发射回4光年外的地球;还要确保地球上的激光精确击中小光帆,让它们以极快的速度从地球加速离开,飞往目的地;最后,还必须建造一个巨大的电源,为激光发射器提供电力。

下面来看看参加该计划的科学家团队将如何克服这些技术障碍。

技术上巨大的挑战

团队面临的首要任务是制造一种轻质的光帆。“突破摄星”计划要求光帆的覆盖面积大约10平方米,但重量不超过1克。这意味着它的厚度小于100纳米,只及蜘蛛丝直径的几十分之一。生产这种薄纱状的膜在技术上是完全可行的,但要确保它在强激光的照射下不被烧掉,却是一个巨大的挑战。

关键是,材料几乎不能吸收任何入射光,而是像镜子一样把光反射掉。目前最亮的金属能将99%的入射光反射掉,而“突破摄星”计划中使用的光帆需要反射超过99.999%的入射光。制造光帆的材料要同时满足低密度、高反射率和低吸收率。目前满足这些条件的有三个候选者:一个是二氧化硅(也就是石英);第二个是二硫化钼;第三个是金刚石。当然,这些材料都要切割成薄膜状。假如选用金刚石材料做光帆,想象一下,天空中飘着一颗颗大“钻石”,那将是非常壮观的。

科学家们正在紧锣密鼓地对这些材料进行研究,估计明年左右会有结果。

与此同时,激光阵列的建造也取得了进展。“突破摄星”计划需要一个功率约60千兆瓦的电力系统,相当于20个核电站,相比之下,一支普通激光笔功率大约是5毫瓦,而一束足以让飞行员晃眼的激光只需要几瓦的功率。

激光照射部署在地球轨道上的小型宇宙飞船,将其推离轨道,在10分钟内使其加速到光速的五分之一,之后就不需要激光推动了。以这个速度,飞船将在20分钟后飞越火星,7小时内通过冥王星,20年后到达比邻星。

科学家最初的设想是制造一台巨大的激光器,但后来发现制造一组较小的激光器阵列似乎更可行。其原理是,将每个激光器制造的“小”激光经过多次反射、折射后,合并成一束“大”的激光束,再发射出去。制造激光器的技术是成熟的,现在需要解决的是如何将一束束激光精确合并的问题。

接下去就将建造宇宙飞船。这些微型飞行器上要求装一个电源、一个用于航向修正的微型推进器、一架相机以及一个将这些图像传回地球的强大发射器,但每个飞行器的总质量不能超过1克。

要实现这一点绝非易事。不过,好在我们已经有能力制造质量为克量级的微型人造卫星。目前的主要障碍是如何让信号发射回地球,这可能需要在地球上建立一个巨大的信号接收站,另外还要在微型宇宙飞船上安装一个高功率的信号发射器。

克服这些困难可能需要10到20年左右的时间。

打响星际战争的第一枪?

这些小飞船在太空中要漫游20多年,途中要经过许多小星系,可能会遇到许多未知的危险,加上小飞船速度又快,很难避免一些想不到的险情,其最大的危险是撞上小行星。在太阳系内,这还好办,一方面这些小飞船自身携带有微型推进器,可以及时改变航向;另一方面还可以用地面的强激光轰击小行星,将其推开。但要是太远了,就没辙了。地球上的激光够不着,飞船又不能跟地面进行实时通讯(因为信号来回说不定就要好几个月),所以航向也不能及时纠正。在这种情况下,它们就只能听天由命了。好在小飞船一次发射数百艘,只要最后有一艘顺利到达即可,所以即便中途大多数“遇难”,也没关系。

“突破摄星”计划的一项重要使命是实地考察另一个恒星系统以及那里适宜居住的行星世界。2016年,天文学家发现了环绕恒星半人马座运行的一颗系外行星——比邻星b,它是离地球最近的系外行星。这一发现一度让参与该计划的科学家大为振奋,但后来的研究表明,恒星半人马座很容易发生强烈的X射线爆和紫外线爆,所以其行星比邻星b不太可能适宜居住。

尽管如此,一些人认为,人类的飞行器一旦进入星际空间,将更容易发现和接收外星人的信号,所以将大大增加与外星生命接触的机会。

但要不要跟外星人接触,这本身又是有争议的问题。包括霍金、马斯克(美国私人太空探索公司SpaceX的CEO)和科幻作家刘欣慈在内的许多名人都警告说,跟外星人接触有很大的危险性。因为从宇宙范围来看,人类文明不一定是最高级的;万一外星文明比我们更强大,外星人发现我们之后,把我们当作低等物种来看待(就像欧洲殖民者当年把美洲印第安人当作野蛮人),地球上的人类也许面临着被奴役甚至种族灭绝的危险。

而人类在星际空间的活动恰恰可能会提醒不友好的外星人注意到我们的存在,并泄露了我们的藏身之处——地球——的位置。“突破摄星”计划的反对者甚至认为,该计划本身即可被视为一种战争行为:一个微型舰队穿越星际空间,试图寻找未来的殖民地。

但支持者却认为这种想法是荒谬的。他们说,任何先进的外星人可能早就从我们数十年来散播到太空的广播、电视等无线电波中了解到我们的存在,我们的藏身之地早已泄露出去。再说,我们的宇航飞船做得那么小,飞得又那么快,即使存在技术先进的外星人,也很难被他们发现。

撇开跟外星人接触是祸是福的争论,“突破摄星”计划的意义在于,它是继阿波罗探月计划以来人类最雄心勃勃的太空探险计划,如果获得成功,那将是一个了不起的成就。

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