科學趙洋：納米時代的太空旅行
史蒂芬·霍金於12日開通了微博，13日公布了他的最新一個計劃「突破攝星」計劃 (Breakthrough Starshot)，馬克·扎克伯格也加入了該計劃的董事會，為「突破攝星」助一臂之力。在一代人的時間內，「突破攝星」旨在研發出一台「納米飛行器」 —— 一台質量為克級的自動化太空探測器—— 並且通過光束把它推動到五分之一的光速。如果我們成功的話，這個飛掠任務將會在發射後二十年左右到達半人馬座阿爾發星，並發送回來在那個星系中發現的行星的圖片。
在2012年2月刊，科學欄目曾刊登過趙洋《納米時代的太空旅行》 ，在這科幻君貼出來，給幻迷們做個擴展！
1996年獲得雨果獎的長篇作品《鑽石年代》講述了一個技術改變命運的故事：一個出身貧寒的四歲女孩得到了一本用納米技術製作的少女繪本啟蒙書，這本專為小女孩設計的書，將在陪伴她成長為少女的過程中，向她教授有別於學校的課程，以培養其「顛覆」精神。作者尼爾·斯蒂芬森在塑造這本啟蒙書和小女孩居住的世界時，借鑒了納米技術之父埃里克·德雷克斯勒關於納米技術的一些觀點，即微型機械過一段時間之後將會創造奇蹟。在現實中，納米技術已經與航天技術聯姻；未來，能夠自我複製的納米飛船很可能在太空探索領域創造奇蹟。
納米齒輪
馮·諾依曼
太空船：小即是美
雖然進入太空的航天器越來越多，但設計這些飛船或衛星所採用的思路卻大同小異，因此，工程師們一直沒有停止在新型飛船領域的探索。未來的太空交通工具與傳統的火箭推進式太空飛行器將有很大不同，它們看上去可能更像是昆蟲或乒乓球，可以一次性發射一支微型飛船部隊，不僅能分頭執行任務，還能獨自做出決定。
衛星的微型化
受運載能力及技術水平的限制，最早的人造衛星都不大，質量只有幾十千克。20世紀70年代末，由於大推力運載火箭的研製成功和衛星設計與製造能力的提高，大型多功能衛星開始出現，衛星體積不斷增大，功能也越來越複雜。隨之而來的是成本不斷攀升，風險逐漸增加，如一顆偵察衛星的造價可達10億美元以上，一旦發射失敗就會造成嚴重損失。為此，航天界將目光重新投向了小衛星。
由於微電子技術的進步，新一代的小衛星採用了許多小型高性能電子部件，這讓它們具備了大型衛星才有的功能，同時可以繼續向微型化發展。如新型的數據傳送微型衛星可以採用太陽能電池覆蓋整個表面，在陽光直射時可獲得8瓦的功率，從而解決動力問題，減輕體重。如果能夠把所有的電子器件都集成在一塊直徑0.1米的圓形矽片上，那麼衛星主板就可以省略了。
在電子系統中應用高密度組裝技術，採用鎂或複合材料代替鋁，可使一顆業餘無線電愛好者微型衛星的質量從以前的10千克減至5千克，而且功能不受影響。
2009年「奮進」號太空梭釋放的DRAGONSat小衛星
通常意義上的小衛星重10千克～500千克，微型衛星的重量比小衛星低了一個數量級，約重0.1千克～10千克。但這兩種衛星的設計思想都沒有脫離傳統衛星一體式結構的套路，即自身具有某種完整的實用功能。在現有的技術條件下，若想使一體式衛星進一步減重，需要對設計思想進行根本性變革，用一種前所未有的方式來設計衛星，比如採用分散的星座式結構。基於這種思路，美國宇航公司於1993年首次提出了納米衛星的概念。
納米衛星
納米衛星是以微型機電一體化系統（MEMS，簡稱微機械）技術和由數個MEMS組成的專用集成微型儀器（ASIM）為基礎的一種全新概念的衛星，重量可降到0.1千克以下。
藉助於MEMS技術和ASIM技術，常規衛星上的很多部件，如氣相層析儀、激光光纖陀螺、固體圖像感測器、微波發射機以及電動機等有可能做得很小，並集成在半導體晶元上。一塊由電池供電的微型晶元就可以達到一台儀器的功效，且不必再使用如太陽能電池陣等小型電源，從而大大減輕部件的質量。
納米微機械
將這些微小的衛星基本組成部分或分系統在太空中的不同軌道上以一定方式分布排列組合，通過遙測遙控的方法把它們互相連接起來，形成有內在緊密聯繫的「星座」，微型衛星擁有常規衛星的完整功能將不再是奢望。
越小越快
龐大的粒子加速器正在探索微觀世界，類似的技術或許有一天可以使縫衣針大小的飛船進行遠距離飛行，甚至是在恆星系間來往穿梭。通過研究納米推進器（作用相當於攜帶型粒子加速器），或許可以在我們的有生之年把微型飛船的速度加速到接近光速，並用它們探索附近的恆星。
從20世紀50年代開始，人類就發射了大量的無人飛船探索我們的太陽系，太陽、每一顆行星、眾多的衛星、小行星以及彗星周圍都留下了探測器的痕迹。最近，儘管有火星車在火星這顆紅色行星上艱難跋涉，人造衛星圍繞地球、月球、火星、金星和土星軌道進行科學研究，但是，僅有為數不多的幾個探測器走出了我們的太陽系，慢吞吞地飛往更加遙遠的區域。例如，「旅行者」號探測器的運行速度大約是每小時65000千米，僅相當於光速的0.00006%。
「旅行者」號探測器飛行了30年才飛至太陽系邊緣，納米飛
根據牛頓第二運動定律F=ma，在受力相同的情況下，物體的質量越小，加速度越大。人類釋放的無人飛船也許應該換個思路，不再貪大求全，而是朝小型化方向發展。如此一來，使用同樣的能量，就可以飛得更遠。
進行恆星際探索的辦法是利用可以達到極高速度的微型飛船，也就是納米飛船。粒子加速器中的質子之所以能達到接近光速的速度，是因為它們非常小，而且非常輕。同理，非常小的無人太空探測器也將非常輕，可以達到接近光速的速度，可以進行星際空間探索。目前，密歇根大學的研究人員正在製造納米發動機，相信不久的將來，這種發動機有望掀起一場迷你飛船的新潮流。
納米飛船
密歇根大學的布萊恩·吉爾斯特和他的同事們正在研發一種利用納米粒子作為推進材料的發動機，它大部分都是採用MEMS技術，直接雕刻在極薄的矽片上。這種納米發動機的厚度不超過1厘米，擁有好幾萬個加速器，可以安裝在一塊跟郵票差不多大的地方。這些「粘貼」上的推進器可以給微型飛船提供能量，讓它們飛到很遠的地方。這種發動機被稱作「納米粒子場提取推進器」。微型推進器的工作原理跟龐大的粒子加速器的迷你版非常類似。這種裝置利用堆疊在一起的很多微米厚度的「門」，在導電層和絕緣層之間交替運行，產生電場。這些尺寸小、強度高的電場給一個導電納米粒子團充電，為這些粒子加速，把它們發射到太空，生成快速運行的粒子流。
自我複製的飛船
馮·諾依曼機
一旦納米飛船進入恆星際空間，從地球上把指令傳到納米飛船上可能需要很長時間，所以納米飛船必須具有充分的自主權和自我修理能力。它應該由一台高智能的計算機控制和管理。具有自我修理功能和自主判斷力的機器，實質上幾乎已經具備了自我複製能力。對這樣的機器而言，只要有正確的指令，它們就能製造出任何東西。美國物理學家弗蘭克·提普勒把此類裝置稱作「馮·諾伊曼探測器」，以紀念最先研究和分析這類機器的著名美籍匈牙利數學家馮·諾伊曼。馮·諾伊曼在《自複製自動機理論》一書中，通過構造數學模型證明了可以建造一台相當複雜的機器，該機器能夠進行精確的自我複製。
馮·諾伊曼探測器一旦抵達其他恆星的行星系統，可以立即就地取材複製一批自己的「拷貝」，並將其送往別的星球。這樣，一代又一代的馮·諾伊曼探測器最終會遍及銀河系中的每一個行星系統，它們將把探測器獲得的信息發送給發射第一台探測器的地球。如果在某一個行星系統中發現了當地的「土著」文明，馮·諾伊曼探測器就會想方設法與他們接觸；如果找不到智慧生命，它們也會把當地的自然情況報告回去。
馮·諾伊曼探測器
人工智慧與生物技術的結合，可能會構成一個理想的馮·諾依曼探測器。從某種意義上說，這種先進的探測器類似生物體，它具有生物體所有的功能：能夠自我修復，在遙遠衛星的冰凍表面上尋找「食物」，同時生產出幾千台小探測器以繼續開發星系；它的人工智力很高，可以執行基本的任務，並能總攬全局獨立做出決定。它還有「感情」，在避開危險之前，能感覺到「疼痛」；在遙遠的衛星上補足能量後能感覺到「舒服」；在看到後代時，能體驗到「做母親的愉悅」；在完成基本任務後，會覺得高興並有一種成就感。這些功能都有助於在太空中執行任務。
向其他恆星系移民
銀河系中有上千億顆恆星，有的擁有類似地球的行星，有的則沒有。向其他恆星系移民最簡單的辦法，是向太空中發送大量馮·諾依曼探測器，這些微型機器人探測器將在遙遠恆星系的衛星上著陸，並建造能自我複製的機器人工廠。利用從大氣和土壤中提取的化學物質，機器人工廠可以生產出幾千個複製品，它們將飛往深層太空去搜尋更多的恆星系。這個過程可以無限重複，每重複一次，產生的新探測器數目將是馮·諾依曼探測器原有數量的幾千倍。通過這種方法，有可能在最短的時間內分析完數百萬個恆星系。
納米機器人
利用核火箭或者激光帆跨越兩顆恆星之間的平均距離，大概需要50年。核火箭或者激光帆可以攜帶大量的馮·諾伊曼探測器。如果這些探測器進行一次自我複製要花50年的時間，那麼一台馮·諾伊曼探測器的子孫後裔充斥整個銀河系所需的時間大約是100萬年，這要比銀河系本身的年齡100億年短得多，甚至也比地球的年齡46億年短得多。最妙的是，這期間完全可以「撒手不管」，任探測器自生自滅。
如果用反物質火箭以0.5倍光速發射這些探測器，那麼就可以等待感興趣的恆星系的信號源源不斷而來。在1000年的時間裡，馮·諾依曼探測器可以將500光年以內的所有恆星系星圖繪製出來。在10萬年里，馮·諾依曼探測器可以將銀河系中正好一半的恆星開採完畢。這種探測效率遠遠高於目前採用的單一探測器。
納米機器蠶食宇宙
掃除納米灰霧
不過，自我複製的納米技術一旦失控，帶來的災難比機器人的失控還要可怕。在科幻片《特種部隊：眼鏡蛇的崛起》中，恐怖分子在巴黎發射了裝滿微型納米機器人的導彈，只見爆炸產生的迷霧轉瞬間吞噬了房屋、汽車，路人亦不能倖免……要不是特種部隊及時發射無線電指令關閉數以億計的納米機器人，埃菲爾鐵塔都要成為納米機器人的食物。同樣的情節在《地球停轉之日》等科幻片中也都出現過。自複製機器席捲一切物質複製自身，所到之處遍布它們的克隆體，科幻小說《蟹島驚魂》也講述了類似的故事。
納米技術的靈感來自於美國物理學家理查德·費因曼1959年所做的一次題為《在底部還有很大的空間》的演講。這位當時在加州理工學院任教的科學家向同事們提出了一個新的想法：自石器時代開始，人類從磨尖箭頭到用激光雕刻晶元的所有技術，都與一次性地削去或者融合數以億計的原子以便把物質做成有用的形態有關。費因曼反問道，為什麼我們不可以從另外一個角度出發，從單個的分子甚至原子開始進行組裝，以滿足我們對製成品的需要呢？比如可以把數百萬個微型機器放入人體的血液中，讓它們攻擊癌細胞，或者利用小型手術刀抗擊艾滋病毒，也可以用一群小型清潔機器人吃掉河流中的污染物，還可以開發出微型工業機器人，在短時間內用無數個分子製造出我們希望得到的物品。然而，現在面臨的最大問題是，如何製造出數萬億個這種小型機器人——方法很簡單，只要教會它們如何利用環境中的物質像細胞一樣複製自己。
納米灰霧吞噬城市
納米技術之父埃里克·德雷克斯勒在提出上述美好的假設後，想像力及時剎車，提出了一個令人毛骨悚然的有關世界末日的假說——納米機器人或許更像微型終結者，它們比大自然的創造物更加先進，會在一夜之間徹底打敗有機生命，遵循進化論的規則消滅所有有機生命。
《侏羅紀公園》的作者邁克爾·克萊頓曾寫過一部名為《獵物》的科幻小說，在這個故事中，一群逃出實驗室的納米機器人迅速進行智能進化，並按照「捕食獵物」程序運行。失去控制後，它們變成了現實世界中的可怕掠食者。納米集群不僅在行動上像個掠食者，而且不斷地自複製，開始追逐沙漠中的動物，甚至對人也絕不放過。
這就是眾所周知的「納米灰霧」問題。這個問題指的是，納米機器人的自我複製開始失控，最後世界上倖存下來的只有無數的納米微型機器人。科學家想像，這些機器人看起來就像一片飄浮在空中的灰霧。
血管中的納米機器人
如何避免這個慘淡的結局呢？最好的辦法是絕不給它們植入「複製」自身的程序。再者就是給這種危險的類生命體裝上統一的死亡開關，當其數量達到某個閾值或接到指令後，就會停止繁殖，以此保證它們在收到「關閉」指令時，能夠停止吞噬周圍物質的破壞行為。不過，這並不能保證恐怖分子造出一批納米機器人進行要挾，也無法保證它們在複製過程中偶然的程序失靈，或者無線電指令發射器乾脆也被它們吃掉。如果上述情況發生，人們只能祈禱了。因為整個地球都會變成一坨納米機器人，它們在太陽風的吹拂下會自由自在地飄到火星、木星……吞噬掉所有太陽系的物質後，它們還會向銀河系深處蔓延。在這種情境下，就連科技發達的外星人都要恨恨地想，為何會有不知死活的傢伙要發明這種可怕的東西？
倫理問題
即使解決了納米機器人的失控問題，還有倫理問題橫亘在納米飛船的前進道路上。自我複製飛船進入外星系後，將「採集」這個星系的物質與能量供自身運轉和自我複製使用。生於行星地球的人類有權支配其他恆星和地外行星的資源嗎？自我複製飛船上的生命探測儀能否準確分辨這個地外行星是否有智慧生命存在？使用目的地的資源，是否會對當地造成環境破壞與污染，以致影響其生命進化的軌跡？
構想中的月球自我複製工廠
換位思考，如果與碳基生命完全不同的「外星人」發射的自我複製飛船到達地球，沒能識別地球是一顆生機勃勃的行星，徑自開始強拆地球，人類將作何感想？可見，有效率的東西看起來美好，卻未必是善的。或許，只有開發出一種適用於納米飛船的「機器人三定律」，並將保證智慧生命及其居所的安全作為最高定律，人類才能放心地把納米飛船像蒲公英種子一般撒入太空。
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