霍金造激光“飛船”難度究竟有多大？

　　英國著名物理學家史蒂芬.霍金在中國擁有數量龐大的擁躉。4月12日，霍金老爺子官方認證微博剛開通，中國網友就瘋了，粉絲迅速達到200萬以上。試問誰有這樣的氣場？不僅如此，霍金老爺子還借助微博做了一個大大的推廣。

　　4月13日，霍金在第二條微博上就帶來一個讓人興奮的消息——啟動“突破攝星”(Breakthrough Starshot)計劃，將發送微型飛行探測器至4光年外半人的馬座阿爾法星。計劃發起人之一的俄裔億萬富翁尤裏.米爾納為項目投資1億美元。

　　這是怎樣一個計劃？又將會如何實現呢？

　　速度是目前最快飛船的1000倍

　　“突破攝星”計劃是這樣的：在一代人的時間內，“突破攝星”旨在研發出一台“納米飛行器”：—台質量為克級的自動化太空探測器，並且通過激光光束把它推動到五分之一的光速，即每小時1億英裏的速度，這是目前最快飛船的1000倍。如果成功的話，這個飛掠任務將會在發射後20年左右到達距地球4.37光年的半人馬座阿爾法星附近宜居帶，用其攜帶的攝像頭、通訊設備和處理器等捕捉行星和其他科學數據的影像，並用4年的時間傳回地球。

　　為何要去半人馬座阿爾法星？因為半人馬座阿爾法星除了是離地球最近的星座，天文學家相信，一顆類似地球的行星可能存在於半人馬座阿爾法星的宜居帶，這是最接近地球的星係。也就是說，可以到那裏去考察一下有沒有外星人或者適宜人類居住的環境。

　　如果使用傳統太空飛船技術，抵達半人馬座需要3萬年。那個時候人類還在不在地球上存在還兩說？因此，以前無數的太空探索迷們看到這個事實時心裏拔涼拔涼的。現在有了“突破攝星”的這個計劃，時間一下子縮短了這麽多，是不是很令人振奮？

　　這個計劃在科學上完全不靠譜？

　　在看到霍金他們的這個計劃以後，一部分人說這次霍金又在說瘋話了。其實，霍金說的並不是瘋話。至少從理論上而言，這個計劃是具有可行性的。

　　首先“納米飛行器”離我們越來越近了。這些年來納米科技進展迅速，納米級的機器器件及其能源供應方式都已經成為國際上的熱門研究領域，並取得了一些實質性的突破，不久以後納米級的機器將會出現在我們麵前，這自然也包括“納米飛行器”了。

　　另外，霍金的這個構想的確是也站在現有物理學發展及人類宇宙探索的進展上提出的構想。空間技術專家、《國際太空》雜誌副主編龐之浩說，與霍金提出的以地麵激光持續作用於帆板的航天設想比較，兩種現有方案有著很大相似之處：一是太陽帆飛船，二是光子火箭。隻是這兩種方麵目前也還無法實現星際航行。

　　太陽帆的概念很早就出現，其誕生於20世紀20年代，由於光是由沒有靜態質量但有動量的光子構成的，當光子撞擊到光滑的平麵上時，可以像從牆上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，並給撞擊物體以相應的作用力，這就是太陽帆研製的原理。太陽帆需要一個巨大的反射鏡將陽光照射到麵積足夠大的帆板上，如果太陽帆的直徑增至300米，其麵積則為70686平方米，由光壓獲得的推力為0.034噸。根據理論計算，這一推力可使重約0.5噸的航天器在二百多天內飛抵火星。若太陽帆的直徑增至2000米，它獲得的1.5噸的推力就能把重約5噸的航天器送到太陽係以外。

　　由於來自太陽的光線提供了無窮盡的能源，攜有大型太陽帆的航天器最終可以以每小時24萬公裏的速度前進。這個速度要比當今以火箭推進的最快航天器快4—6倍。即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍。太陽帆接受光壓的作用，它不僅可在需要時改變航天器的運行軌道，而且能不斷加速飛行。
但是由於技術方麵的限製，太陽帆的麵積在構造的過程中也無法做得太大，現在太陽帆在實際應用中有很大難度。時至今日，這一研發的進展速度並不快。近20年來，美國、俄羅斯先後做過幾次太陽帆動力試驗，成敗和失敗的均有，但也僅僅是在近地軌道內嚐試過。目前跑得最遠的是日本2010年5月21日發射的“伊卡洛斯”號太陽帆，但是也隻是到達金星附近。因此太陽帆還遠遠談不到飛抵半人馬座。

　　而光子火箭則利用物質與反物質的湮滅反應，自產光子並借由巨大凹麵反射鏡，向後方噴射光子流。但依據這種設想開展的研究，數十年來沒有取得實質進展。由於麵臨著非常大的技術問題，因此在未來相當長的時期內光子火箭還難以實現。

　　在龐之浩看來，霍金提出的航天器算不上實際上還算不上飛船，隻是一個幾厘米見方的飛行物，這就會導致其利用太陽驅動變得不太現實。因為單個光子所產生的推力極其微小，比如在地球到太陽的距離上，光在一平方米帆麵上產生的推力還不到一隻螞蟻的重量。

　　為了解決太陽光作為能源驅動無法滿足要求的問題，“突破攝星”計劃提出了激光推進的構想。但是由於設想的激光推進技術在工程方麵也很複雜，這導致其在實際工程中很難變成現實。

　　麵臨的四大挑戰

　　霍金在發布會上展示視頻截圖。這台納米飛行器可以依靠反射光推進，加速到五分之一的光速，這一速度遠高於當前的太空飛船。

　　龐之浩認為，在現有太陽帆技術的進展過程中，提出激光“飛船”的設想並不是很難，也許在2050年左右人類會研製出一個這種微型飛行器的雛形，但是要跑到半人馬座還是不太現實。這裏麵主要有下麵四大挑戰：

　　第一大挑戰：能源供應技術挑戰

　　據了解，“突破攝星”計劃將通過衛星向太空釋放數千個重量在1克以下的微型航天器。其設計如同一隻背後有帆的蝴蝶，采用納米技術，通過激光光束供能。但是這也麵臨著巨大的挑戰。4.37光年遠的距離，而光能在傳輸的過程中能量會衰減。因此如何保證充足的能量供應是個挑戰。

　　目前，人類已經製造出可以在地球軌道上運行的小芯片衛星，但是能量供應一般就幾天、幾個月，上1年的就很少。

　　能量供應問題是星際航行必須要突破的障礙。由美國宇航局研製的一艘無人外太陽係空間探測器旅行者1號於1977年9月5日發射，截止到2014年10月仍然正常運作。經過將近40年的飛行，現在已經進入太陽係最外層邊界。旅行者1號上攜帶著兩枚核電池，這是這些年來它太空飛行通信的能量保證，但是預計隻能能夠保證它繼續飛行至2025年。一旦電池耗盡，它也就不能正常工作和旅行了。而“突破攝星”計劃中的激光“飛船”旅行的距離要比旅行者1號遠得多，能量供應的挑戰更大，其激光供能的方式也要比核能更為複雜。

　　第二大挑戰：通信問題如何解決？

　　進行深空探索，通信問題一直是一個令人十分頭痛的問題。對於前往半人馬座的航天器來說，還要解決地麵能否收到探測數據，可否在如此遙遠的距離上實現測控通信。龐之浩說，美國旅行者1號才走到太陽係的邊緣，與地球的通信就有17個小時的延遲。如果使用現有的電磁波的通信手段，到人頭馬阿爾法星的時間延長將會更為嚴重，而這將會嚴重影響測控通信，也影響探索工程的推進。

　　不過龐之浩也表示，通信問題到也不是沒有解決的辦法。目前科學家們已經在進行激光通信實驗，激光通信比電磁波要快6倍。2014年6月6日，美國航天局宣布，該機構利用激光束把一段高清視頻從國際空間站傳送回地麵，成功完成一種可能根本性改變未來太空通信的技術演示。未來該技術成熟以後應用到太空探索領域，將會為遠距離星際探索提供極大的通信方便。另外一種策略就是建設中繼站，未來在太空中通過中繼站傳輸的方式為星際探索提供保證。但不管怎樣，這些星際通信方式並不是短時間內就能夠予以突破的。
第三大挑戰：如何準確奔赴目的地？

　　采用光能驅動的“納米飛行器”，其在奔赴半人馬座阿爾法星的旅途中國會受到萬有引力、星際塵埃碰撞等多種太空中其他因素的幹擾，這將讓探測器奔赴目的地的行走路線出現很大的偏差，而在浩瀚的宇宙這種大尺度的背景下，往往出現很小的偏差就會離目的地相去甚遠。該如何糾正這種偏差呢？

　　第四大挑戰：國家力量的支持

　　霍金的這個項目的另外一個挑戰是目前世界上主要航空航天及太空探索實力國家對太陽係外探索的積極性。龐之浩表示，包括美國在內，因為當前人類科技水平等多方麵因素的限製，目前各大空間探索強國現在及在將來相當長的時間內，太空探索的重心依舊是太陽係以內的行星以及其它相關天體。如果耗資巨大，關鍵技術又還沒有突破，很難有國家願意以國家行為進行超高風險的太陽係外空間旅行探索。

　　不過《紐約時報》日前撰文稱，該項目將由美國宇航局(NASA)艾姆斯研究中心前主任皮特？沃登牽頭，世界一流科學家和工程師組成的委員會提供建議，其開發可能需要數年時間。盡管米爾納先期投入1億美元，但整個項目研發可能耗資50至100億美元，目前霍金他們希望能吸引到其他國際投資者。但是有多少大富豪會參與這個燒錢的事業呢？這在未來充滿了相當大的不確定性。

　　也正是麵臨著這些重重挑戰，目前科學界並不認為這個雄心勃勃的太空探索計劃能夠很快得以推行。

　　盡管霍金等人的一些構想很好，但是目前還是具有科幻的色彩。因此，急於隨著霍金的進行星際探索的霍金迷們可能要失望了。

　　當然在更長的時間尺度上，龐之浩認為這種激光推進方式可能會有希望，但前提是必須取得重大技術突破，現在還無法預測。不過他認為，霍金的激光“飛船”倒是可以作為科幻的題材進行探索性研究。

　　也許將來有一天，這種技術真的成為現實了呢？其實，實現銀河係及銀河係外的星際旅行，人類已經充分展開了想象的翅膀。比如，劉慈欣的科幻小說《三體》中的曲率驅動，美國科幻係列劇《星際迷航》中超光速飛船的推進裝置 “曲速引擎”，都是很好的方式，隻是這些方式與霍金的激光“飛船”而言要更為科幻一些。盡管如此，這些年已經有不少科學家對這些想象展開研究。

　　中國科學院紫金山天文台研究員王思潮認為，霍金提出的這個方案大膽冒險，從理論上講思想很先進，對科學界具有很大的啟發意義，就像人類第一個想到利用火箭飛天、被稱為“世界航天第一人”，的明朝探險狂人萬戶對今天航天的啟發一樣，但是激光“飛船”現在很超前，實施難度相當大，可以先在技術上力求實現，而不必現在就追求它在跨越太陽係的星際航行方麵的實用價值，比如可以先在地球和月球、地球和火星之間進行一些相關的工程實驗，等到成功了再嚐試數光年以外宇宙空間的探索行動，這樣投入也要少得多。

即使將來計劃能實現，也得悠著點兒

　　由於現在太空科技的發展在不斷進步和突破，也許在不久的將來，霍金的構想就會夢想照進現實。但是王思潮認為，那時探測器飛往人頭馬星座也得悠著點兒。

　　40多年來，王思潮也一直在研究UFO及地外文明，他始終堅持認為，外星人是存在的。他告訴記者，如果地球文明和外星文明相遇，有三種可能性：他們僅僅是考察，不幹預人類的事物；他們考察後，根據了解的情況，給予人類以針對性的幫助；他們考察後，根據了解的情況，襲擊地球。就目前的情況而言，也許外星人早就發現我們，但是不打算幹涉和影響我們的發展；另外一種可能就是外星人還沒有發現我們。

　　在這個的情形下，如果人類探測人頭馬等銀河係內的其他星係或者是河外星係，也許就會讓外星人發現我們的存在。如果外星人對人類友善，那倒還好辦，但是如果外星人對人類懷有惡意呢？

　　王思潮認為，在銀河係中，太陽係46億年的年齡還算比較年輕的，如果外星人確切存在，除了已經毀滅的，留存的有些文明程度肯定會比人類高很多。因此如果地球遭受外星文明襲擊，人類將明顯處於劣勢，所以太陽係外的宇航探索還是需要慎重前行。

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