深度解析：為什麼說星際旅行會比你想像的更早實現？

「登月」這個詞有時被用來形容一個瘋狂的想法或一個不大可能實現的項目，就好比阿波羅11號完成人類第一次登月任務一樣。其實，「突破攝星」（Breakthrough Starshot）計劃在常人眼中，已經突破了「登月」一詞所做的描述，因為它的目標遠遠超出了探索月球顧名思義，這個項目就是要去探索最近的星球。

這個計劃是出生在俄羅斯的億萬科技企業家尤里米爾納以及包括斯蒂芬霍金和弗里曼戴森在內的著名物理學家在2016年4月的一項會議上提出來。目前的設想是，在地球軌道上安裝許多銀質的巨大光帆。這些光帆上連接著數千枚晶片大小的晶元，通過強烈的地球激光撞擊這些光帆產生壓力，進行加速。在被激光碟機動兩分鐘後，飛船將以五分之一光速的速度飛行——是任何宏觀物體所能達到速度的一千倍。每艘飛船將會在太空中滑行20年，與此同時收集有關星際空間的科學數據。在靠近半人馬座阿爾法星系的行星上，機載數碼相機將拍攝出高解析度的照片，並把這些照片傳回地球，讓我們可以第一次真實的看到我們最親密的行星鄰居。除了獲取到科學知識外，我們還將會了解這些行星是否適合人類殖民。

「突破攝星」背後的研究團隊和項目所應用的前沿科技一樣令人印象深刻。董事會成員包括米爾納、霍金和Facebook聯合創始人馬克扎克伯格。執行董事長是美國宇航局艾姆斯研究中心的前主任，皮特沃登。還包括諾貝爾獎和突破獎得主在內的許多著名科學家都在該項目中擔任顧問。米爾納已經做出承諾將投入1億美元的項目啟動資金。他還將鼓勵他的同事在未來幾年裡為完成這個項目捐贈100億美元。儘管這一切聽起來就像是科幻小說，但這裡並不存在什麼科學的障礙來阻止「突破攝星」的實現。

不過這也並不意味這個項目是可以一蹴而就的：為了獲得成功，大量科技領域的進步都是必要的。級組織者和參與的科學家們依靠進步的指數，推斷出「突破攝星"計劃可以在20年內實施。以下是11項項目涉及到的關鍵技術，以及它們如何在未來20年里呈指數級增長。系外行星的發現。系外行星是太陽系外的一顆行星。儘管1998年人類才第一次對一顆系外行星進行科學觀測，但是直到今年五月一號為止，已被證實的有3608次對2702個系外行星系的觀測探索。雖然有些系外行星類似於我們的太陽系中的，但很多都有迷人而奇異的特徵，比如擁有為土星環寬度200倍的光環。

這些發現的原因是什麼？

1.望遠鏡技術的巨大進步

就在100年前，世界上最大的望遠鏡是胡克望遠鏡，長達2.54米。如今，歐洲南方天文台的超大望遠鏡由4個直徑8米的大直徑望遠鏡組成，目前是天文學中最高產的地面設施，平均每天都有超過一篇的科學論文基於它的觀測結果發表。研究人員使用vlt星系和一種特殊的儀器，在其恆星的宜居帶（允許液態水）中尋找岩石系外行星。

在2016年5月，研究人員利用了位於智利的「偵測凌日行星與微小行星小型望遠鏡：（TRAPPIST）探測發現，在宜居帶中，不只有一顆而是有七顆地球大小的系外行星。與此同時，在太空中，美國國家航空航天局的斯基普太空飛船是專門為這個目的而設計的，並且已經發現了2000個系外行星。於2018年10月發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡將提供給人類前所未有的關於外星球是否能支持生命的見解。「美國宇航局華盛頓總部的外星球項目科學家，道格赫金斯稱：「如果這些行星有大氣層，詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）將成為解開這些太空秘密的關鍵。」

2.發射成本

項目飛船的母艦將通過一艘火箭發射，隨後釋放出1000艘星際飛船。使用一次性火箭運送有效載荷的成本是巨大的，但是像SpaceX和BlueOrigin這樣的私人發射供應商最近在可重複使用的火箭上取得了成功，因此這些火箭的發射價格預計會大幅降低。SpaceX公司已經將獵鷹9號發射的成本降低到大約6000萬美元每次，隨著私人航空事業的壯大和可重複使用火箭的普及，這個價格預計還會進一步下降。

3.星晶元（ Starchip ）

每個15毫米寬的星晶元都包含大量複雜的電子設備，如導航系統、相機、通信激光器、放射性同位素電池、相機多路轉換器和相機介面。人類是否可以將整個宇宙飛船壓縮到一個小鏡片上取決於呈指數遞減的感測器和晶元大小。上世紀60年代，第一台計算機晶元包含了一些晶體管。多虧了摩爾定律，我們現在可以在每個晶元上擠壓數十億個晶體管。第一個數碼相機重達8磅，並且只能拍攝0.01萬像素的圖像。現在，一個數碼相機感測器能產生高質量的1200萬像素的彩色圖像，並能與其他感測器一起使用，比如GPS、加速度計和陀螺儀。隨著小型衛星不斷提供給人類越來越優質的數據，太空探索也會不斷進步。要想獲得這個項目的成功，我們需要在2030前將晶元的質量減少到0.22克。不過，如果能夠延續之前的速率縮小晶元這一期望還是完全有可能實現。

4.光帆（Lightsail）

光帆必須由具有高度反射性（從激光中獲得最大動量）的材料製成，最低吸收力（這樣就不會在高溫中燃燒），而且重量也很輕（加速快）。這三個標準需要嚴格遵守，目前還沒有令人滿意的材料。圖片來源：突破攝星。這一技術的進步可能來自人工智慧的自動化和加速材料的發現。這種自動化已經達到了這樣的程度：機器學習技術可以「生成數以萬計的候選材料庫」，讓工程師能夠識別哪些是值得為一些特定應用領域探索研究追求的。

5.能量儲存

雖然星晶元將使用一個微小核動力放射性同位素電池來維持長達24年的旅程，但我們仍需要用常規的化學電池來製造激光。激光器需要在很短的時間內使用巨大的能量，這意味著能量必須儲存在附近的電池中。電池存儲的年增長率為5%-8%，儘管我們經常沒有注意到這一好處，因為家用電器的耗電量也以相當的速率增長，從而實現了穩定的運行壽命。如果電池的儲電量繼續以這種速度增長，那麼在20年里，他們的容量應該是現在的3到5倍。該項的持續創新預計將會受到特斯拉太陽能城對電池技術重大投資的推動。這些公司已經在考艾島安裝了近5.5萬電池，為它們的大部分基礎設施提供電力。

6.激光

成千上萬的高能激光器將被用來把光帆推進到非同尋常的速度。依照摩爾定律，激光器的速度與集成電路幾乎是一樣的，每18個月的能價比為1/1。特別是，過去10年里，二極體和光纖激光器的功率大幅加速，前者在2010年突破了10千瓦，而在幾個月後又突破了100千瓦的大關。除了原始電源，我們還需要在相控陣激光器的結合上取得進展。

7.速度

我們快速移動的能力正在加速提升。1804年，第一列火車被發明出來，然而在不久之後就產生了當時前所未有的70英里時速。太陽神2號太空飛船在1976年超越了這一紀錄：以它最快的速度，356,040公里每小時，離開的地球。僅僅在這40年後，「新視野號」太空飛船實現了以日為中心，約每秒45千米或10萬英里每小時的速度。然而，即使以這樣的速度，要在4光年以外的地方到達半人馬座阿爾法星也需要很長很長的時間。在粒子加速器中，加速亞原子粒子的加速是一種常態，但對於宏觀物體來說，這是前所未有的。對任何人造物體來說，達到20%光速的速度將意味著1000倍的速度提升。記憶存儲基礎於計算就相當於計算能力對於信息儲存。「突破攝星」項目依賴於不斷降低的成本和數字存儲的大小，包括為其程序提供足夠的存儲空間，以及半人馬座阿爾法星系統和它的行星所拍攝的圖像。幾十年來，記憶存儲的成本呈指數級下降:1970年，一兆位元組的成本約為100萬美元;現在約為1/10美分。存儲器的大小也有類似的下降，從1956年的一個5兆位元組的硬碟，到現在重量只有幾克的512gb的u盤。

8.通訊系統

一旦圖像被拍攝，星晶元將把圖像傳回地球進行處理。自1876年亞歷山大格雷厄姆貝爾發明電話以來，通訊技術發展迅速。目前美國的平均網速為每秒11兆比特。Starshot要想發送數字圖像到4光年以外或者20萬億英里，其所需的帶寬和速度將需要利用最新的通信技術。光無線通信（li-fi）是一項有前途的無線技術，比無線網路快100倍。另一種是通過光導纖維，現在它的速度位每秒1.125兆兆位。在量子通訊領域人們也做過一些探索，這項技術不僅是超快的，而且是完全安全的。

9.計算

「突破攝星」項目的最後一步是分析從宇宙飛船發回的數據。要完成這一步，我們必須利用成指數級增長的計算技術。60年來，計算速度增加了萬億倍。隨著雲計算的出現，計算的成本也在不斷下降。通過對未來進行推斷，並利用新型的處理方式，如量子計算，不斷進行探索研究，」突破攝星「計劃發回的數據將會實現人類能量千倍的增長。如此極端的處理能力將使我們能夠對我們最近的鄰近星系進行複雜的科學建模和分析。

註：作者Mark Jackson特別感謝Pete Worden和Gregg Maryniak對文章給出的意見和建議。

選自 SingularityHub 作者 Mark Jackson

編譯 網易見外編譯機器人 審校 秦昕

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