圖片：行星協會(hui)

一項新的研究發現，宇宙飛船可以利用一種激光帆飛向遙遠的恒星，這種激光帆表麵類似於(yu) CD和DVD，可以幫助宇宙飛船保持在激光束的中心。

目前，由化學反應驅動的傳(chuan) 統火箭仍然是太空推進方法的主流形式。然而，它們(men) 的效率還遠不足以使航天器在人類有生之年到達另一顆恒星。比方說，雖然半人馬座阿爾法星是離地球最近的恒星係統，但它距離地球仍然有4.37光年，這相當於(yu) 41.2萬(wan) 億(yi) 多公裏，是地日距離的27.6萬(wan) 多倍。這相當於(yu) 什麽(me) 概念呢?美國國家航空航天局(NASA)的旅行者1號(Voyager 1)探測器於(yu) 1977年發射，2012年才抵達星際空間，如果探測器的方向正確的話(更何況現在並不正確)，它需要大約7.5萬(wan) 年的時間才能抵達半人馬座阿爾法星。

目前宇宙飛船使用的所有推進器都有一個(ge) 共同的問題，那就是它們(men) 攜帶的推進劑都有質量。長途太空旅行需要大量的推進劑，使得航天器變得很重，而這反過來又需要更多的推進劑，使它們(men) 變得更重。宇宙飛船越大，這個(ge) 問題就越嚴(yan) 重。

此前的研究表明，“光帆”技術可能是其中一種可以在人類有生之年將探測器送到另一顆恒星的技術可行方法。雖然光不會(hui) 產(chan) 生太大的推力，但科學家們(men) 一直認為(wei) ，光產(chan) 生的一點點推力可能也會(hui) 產(chan) 生重大影響。事實上，大量的實驗也表明，隻要有足夠大的鏡子和足夠輕的飛船，“太陽帆”就可以依靠陽光來推進。

耗資1億(yi) 美元的“突破攝星計劃”(Breakthrough Starshot)曾經於(yu) 2016年宣布，計劃向半人馬座阿爾法星(Alpha Centauri)發射大量微芯片大小的宇宙飛船，每艘飛船都配有非常薄、反射性極強的帆，而且這些飛船將會(hui) 由有史以來最強大的激光推進。按照該計劃，這些小飛船將會(hui) 以20%光速的速度飛行，大約在20年之後就可以到達半人馬座阿爾法星。

但使用激光帆有一個(ge) 問題，如果激光帆偏離了推進激光束的方向，它們(men) 就可能會(hui) 嚴(yan) 重偏離目標(在“突破攝星”計劃中，至少在最初階段，激光束將會(hui) 以地球為(wei) 基地)。而現在，科學家們(men) 已經設計並測試了一種新的帆，這種帆在原理上可以自動地在所需的幾分鍾內(nei) 保持在激光束的中心，使航天器能夠在星際旅行甚至是恒星際旅行中保持航向。

這種新型的帆依賴於(yu) 一種被稱為(wei) 衍射光柵的結構，這種結構最常見的地方就是在CD和DVD上。衍射光柵是一種覆蓋一係列規則細微凸起或狹縫的表麵，它們(men) 可以散射或衍射光，使不同波長或顏色的光向不同的方向傳(chuan) 播。

在CD或DVD上，信息以不同長度的細微凹坑作為(wei) 編碼形式，這些凹坑排列在相同寬度和相同距離的行中，然後激光束就可以掃描這些磁盤來讀取數據。這些行在CD和DVD的鏡麵上形成一個(ge) 衍射光柵，可以將白光分解成許多顏色，形成人們(men) 在這些光盤上看到的彩虹圖案。

這項研究的資深作者、紐約羅切斯特理工學院的光學物理學家Grover Swartzlander：“如果你曾經研究過光盤上美麗(li) 的光，你就會(hui) 看到衍射效應。”

研究人員製造了一個(ge) 由兩(liang) 個(ge) 衍射光柵並排放置的帆。每個(ge) 光柵均由排列整齊的液晶構成，這些液晶包含在一張塑料薄膜中，類似的液晶常用於(yu) 電子顯示屏和電子表。

以前的光帆設計就像鏡子一樣會(hui) 將光束反射回其光源。但在新的設計中，每個(ge) 衍射光柵中的液晶會(hui) 使光線以一定的角度偏轉，產(chan) 生的推力會(hui) 使帆向後方和側(ce) 方運動。

新帆左側(ce) 的光柵會(hui) 將光束偏轉到激光束的右側(ce) ，而右側(ce) 的光柵會(hui) 將光束偏轉到左側(ce) 。因此，如果帆的位置移動了的話，激光束落在帆的兩(liang) 邊之後就會(hui) 把帆推回原來的位置，使激光重新落在帆的中心。

在實驗激光帆的測試中，科學家們(men) 必須檢測出帆在激光作用下產(chan) 生的微小作用力，同時將這些力與(yu) 諸如建築振動或氣流擾動區分開來。

Swartzlander說：“我們(men) 沮喪(sang) 地發現，在某些情況下我們(men) 的測量結果會(hui) 變得不可靠，但最終，我們(men) 找到了足夠的位置和避免幹擾的方法。”

研究人員成功地探測到帆產(chan) 生了令其重新回到激光中心的推力，將它推回到與(yu) 激光束對齊的位置。

Swartzlander說：“實驗結果與(yu) 我們(men) 的理論預測一致，這非常令人興(xing) 奮，這表明我們(men) 可以自信地設計出由陽光或激光束驅動的更複雜的衍射結構。”

目前，研究人員正在試驗一種新的帆，無論這種帆向任何方向漂移，它都可以自動居中，而不僅(jin) 僅(jin) 隻限製於(yu) 向左和向右。Swartzlander說：“有趣的是，它們(men) 可能具有與(yu) 密集磁盤衍射特性非常相似的光學特性，”。

研究人員建議，未來他們(men) 的帆可以在國際空間站或地球周圍的小衛星上進行測試。12月13日，他們(men) 在《物理評論快報》(Physical Review Letters)在線版上詳細介紹了他們(men) 的發現。