霍金遺願實現在望：「突破攝星」飛行器即將「乘光」飛往半人馬座α星

今天離人類首次踏上月球，已經隔了近50年之久，科學家們也早已定下了下一個目標——探究宇宙中的其他生命。在遍尋太陽系未果後，這群人類精英把目光轉向了太陽系外。

在霍金生前提出的「突破攝星」(Breakthrough Starshot)項目中可謂群英薈萃，俄羅斯億萬富翁出錢、NASA埃姆斯研究中心出人出力，2個互相不待見的國家，難得地在涉及全人類未來的大事上攜手合作。

他們把首個目標放在半人馬座阿爾法星繫上，準備向其發射數百個微型航天器，檢查上面是否有生命跡象。這個星系是距離太陽最近的恆星系統，在我國南方部分地區，有時候僅憑肉眼，就能看到從這裡發出的星光。即便如此，這仍是一個巨大的工程挑戰，需要在航天器設計、推進和通信技術方面取得巨大飛躍。如果說這是個長途旅行，Space X將人類送上火星的嘗試，就和在小區散步差不多。

（各星系、星球間的距離，注意下方單位，圖片來源於Futurism）

但如果「突破攝星」成功，大概在30-40年後，我們就能收到4光年以外陌生星系的快照，這大致相當於我們前往太陽系邊緣的冥王星6800次。

「這是在解決人類一個基本問題：我們是孤獨的嗎?」項目執行董事、NASA埃姆斯研究中心負責人沃登(S. Pete Worden)表示，「如果我們在附近的恆星系統中找到一顆有生命的行星，將成為有史以來最重要的發現之一。」 屆時，我們也能更好地了解，生命在宇宙中是多麼稀有珍貴。

和人們熟悉的、動輒要靠載重數十噸的重型火箭發射的探測器不同，「突破攝星」並不會動用這些龐然大物。例如，美國宇航局的新地平線星際探測器重達半噸多一點。取而代之的是，「突破攝星」計劃使用一個巨大的地基激光陣列，推動超輕型宇宙飛船的艦隊達到超快速度。這些宇宙飛船的直徑可能只有3到12英尺，相較於NASA準備發射的半噸重「新地平線」星際探測器，它的重量可以忽略不計。

它們的速度更是快得瘋狂，一艘「突破攝星」宇宙飛船可以以光速五分之一——1.34億英里每小時——的速度飛行，僅需在20年多一點，就能到達半人馬座阿爾法星系的3顆恆星範圍內。相比之下，「新地平線」要花9年半的時間，才能到冥王星。到達半人馬座阿爾法星系，這些飛行器將瘋狂拍照，然後用4年多的時間傳回地球。

在1962年激光技術出現不久時，科學界就提出了「突破攝星」的技術構想。物理學家福爾斯(Robert Forward)提出，可以用激光照射反射帆來推動宇宙飛船前進。而到了8年前，日本的Ikaros宇宙飛船在我們的太陽系中測試了光帆推進，儘管太陽光的光壓只能提供0.1G的加速度。

該項目之所以突然引人注目了起來，是因為電腦和智能手機等科技電子產品的微型化研究，讓科學家看到新型航空器研發的希望。他們計劃製造一種「納米儀器」，質量只有1克，和一枚回形針差不多。，但是這足以將光帆、相機和感測器等組件容納於內。這些感測器可以測量磁場，從而保護行星不受輻射的影響，還可以探測到可能表明存在生命的特定波長的光。

根據初步計劃，這些飛船前往半人馬座阿爾法星系3顆恆星之一的比鄰星，在其周圍相對溫暖的宜居帶尋找1顆行星。不過，詳細計劃將隨著實際發射日期的臨近而調整。

「突破攝星」計劃最初設想，在一個1-4米寬的平板光帆上布置微型電子裝置，不過，研究人員改變了注意，轉而研發一種大小相近、鑲嵌著電子器件的球形光帆，直觀來說，它就像一個巨大的乒乓球，配備有計算機，還裝有朝著不同方向的攝像機。

（圖片來源於網路）

這種飛行器採用先進的激光光壓作為動力，解決了人類探索太空面臨的最大問題。現在的火箭載重越來越大，但它們載的最重的東西，其實還是自重，其中，燃料重量就佔了很大一部分。想像一下，你打算驅車6000英里穿越美國，路上卻沒有加油站，你需要一個巨大無比的油箱，一次性帶上所需燃料。但是，油箱越大、載油越多，車輛行駛時需要的動力就越大，耗油也越多。這是人類星際旅行面對的主要問題。

「突破攝星」繞開了這個問題，圍繞地球運行的母船放出納米飛行器後，將由地球上射出的激光將推動飛行器的光帆，讓它們高速沖向半人馬座阿爾法星。

「使用地球光束的美妙之處在於，宇宙飛船完全不用攜帶燃料，」科羅拉多礦業學院教授索爾斯(George Sowers)說，作為「新地平線」探測車運載火箭阿特拉斯V號的總工程師，他對此深有體會。他說，激光發射可以把你從「火箭方程式的暴政」中解放出來。

激光系統將大量的光集中照射在一艘納米飛行器上，只需幾分鐘，就能賦予它驚人的60000G加速度，之後，其飛行速度將遠遠超過人類建造的任何其他飛行器。以這種速度駕駛飛機，飛行員能在三分之二秒內繞地球赤道一周。

該項目已經渡過初期階段，主要資金開始集中在將物理學理論成就轉化成工程結果。沃登和哈佛大學天文系主管、突破攝星顧問委員會領導人勒布(Avi Loeb)都認為，在任何一架納米飛行器飛向太空之前，有3大問題需要解決。

首先，工程人員需要造出功率夠大、價格夠便宜、相互緊密又足夠連接的激光陣列，使數百萬台設備可以像單台一樣穩定;在短暫的功率輸出巔峰，總功率需要接近1千兆瓦，大約相當於1000座核電站的發電量。幸運的是，激光設備成本正不斷下降。「激光功率每20個月翻1番，成本每34個月減半，」勒布說。不過，預期的激光陣列成本仍達到了約100億美元。

第二個挑戰是尋找到合適的光帆材料。巨大的激光束能夠推動飛行器高速飛行，意味著其中蘊含著巨大的能量，而接收光束的光帆，將率先經受能量衝擊。研究人員需要確保，這種材料在被擊中時不會當場灰飛煙滅。「即使只吸收到百分之一的激光能量，它也會燒起來，」勒布說。

第三，將納米飛行器上的電子組件微型化，固然降低了重量，卻又造成了另一個問題：功率太低。研究人員需要找到一種方法，讓飛行器用低功率激光器向地球發回信息。目前，「突破攝星」人員給出的方法是，利用加速納米飛行器的激光陣列，接收返回的激光信號——這是一項艱巨的任務，因為納米飛行器的信號在經過漫長的距離後會變得十分微弱。

好消息是，既然納米飛行器又小又輕，每次發射就能發射多架，信號數量的增加可以部分彌補信號強度的下降。「一旦你搭建好了基礎設施，就可以每天發射一個飛行器，」Loeb說。「可能有成百上千的飛行器被送往不同的方向。」

當然，這只是3個主要的障礙。除此以外，「突破攝星」團隊還密切關注著其他20多個挑戰，比如星際塵埃等。當你以五分之一的光速前進的時候，碰到一個氫原子都是大災難。「可以想像成被一顆微型核彈擊中了，」勒布說。

不過，在利用得當的情況下，塵埃造成的溫度差實際上可以為納米飛行器提供能量，而塵埃存在的前部溫度較高，而後部的溫度較低，航天器和天然氣管道感測器已經使用這種技術，稱為熱電發電機。

另外，鑒於激光技術的先進性和敏感性，政治問題也是不得不考慮的，而且不僅是國際政治，還可能牽涉到星際政治。為「突破攝星」飛行器提供能量的激光，足以將通信衛星蒸發，因此不可能交到某個單獨國家手中。沃登預計，國際科學界應該會專門成立一個組織或會議，任何國家都可以對可能損害飛機和衛星的激光發射進行否決。

此外，研究人員還在思考，向宇宙發射激光，是否會無意中向潛在的敵對外星人宣布我們的存在。沃登表現：「在我一開始擔任軍官時，通常在發射任務之前，我會先試圖提前弄清楚那裡有什麼。」當然，在理想情況下，如果外星科技並未超過我們很多，那他們也很難捕捉到以五分之一光速前進的微型納米飛行器。

值得一提的是，「突破攝星」和其他大型太空項目最大的不同在於資金來源。該項目最初的1億美元啟動資金來自俄羅斯符號尤里·米爾納(Yuri Milner)。在成為一名成功投資人之前，米爾納學習過理論物理學。大金主對科學的熱情，可能讓「突破攝星」項目避免重蹈超導超級對撞機(superconductor Supercollider)的覆轍。如果1993年國會沒有撤出資金，它可能會發現希格斯玻色子。

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