近光速攝像機讓人類看得更遠

天文學家一直想要用更先進的科技來觀察宇宙。每當研究者發明了一種新的方法，宇宙那不為人知的一面就展現在人們面前，人們對它的了解也會更深一層。

2016年四月，網路投資者兼科學慈善家，Yuri Milner，已故物理學家史蒂芬·霍金和Facebook的CEO馬克·扎克伯格一起公布了一個雄心勃勃的項目，他們要把攝像機發射到太陽系外。這個項目叫做「突破星射」，其理念是要把一堆很小的納米航天器送到太陽最近的鄰居，包含三顆恆星的半人馬座阿爾法星系那裡。這些設備連同它們配備的攝像機會以大概百分之二十的光速——也就是每小時一億英里的速度——目標是星系中最小最近的恆星比鄰星和它的行星，距地球4.26光年遠的比鄰星b。

突破星射團隊的目標仰仗於一系列未經證明的技術。他們計劃用光帆以前所未有的速度載著這些航天器到達前人未到過的遠方——地球上的激光會推著這些小船上超薄的反射帆前進。正當整個項目在籌備中時，我對這項技術又有另一個想法：研究人員可以從這些移動觀測點中得到很有價值的數據，甚至在離半人馬座阿爾法星系還很遠的時候，就可以直接驗證愛因斯坦的狹義相對論。

技術挑戰有很多

要實現突破星射的目標絕不是一件簡單的事情。這個項目依靠三種彼此獨立的技術的持續發展。

首先，為了製造攝像機，研究人員需要大大減小其微電子組件的尺寸和重量。每一個納米元件總重最多只有幾克——包括攝像機在內，還有其他像電源和通訊設備這樣的載荷。

另一個挑戰就是設備必須要薄，攝像機的「帆」必須用超輕且高反射率的材料來做。一種可能是用單層的石墨光帆——只有0.345納米厚，也就是一層分子的厚度。

藝術想像圖：激光推動裝有光帆的航天器。突破獎基金會（禁止轉載）

突破星射團隊將從激光不斷加強的功率和持續降低的價格中獲益。從地面加速攝像機需要一千億瓦特的激光束。就像風灌滿帆船的帆，推動它前進一樣，高能激光束的光子可以在被一面超輕反光的帆彈回來的同時，推動它前進。

根據預計的技術發展速度，至少還得再過二十年，科學家才可以發射速度不顯著小於光速的攝像機。

然而就算這樣的攝像機能被造出來，並被加速到這種程度，要實現到達半人馬座阿爾法星系的夢想，我們所面對的挑戰還有很多。研究人員能正確地瞄準攝像機，使它們到達恆星系統嗎？攝像機能平安度過近20年的旅程，不被損壞嗎？如果運氣好，這趟旅程十分順利的話，它們又能否順利通過那麼長一段距離，將圖像之類的數據傳回地球呢？

引入「相對論天文學」

我的合作者Kunyang Li是喬治亞理工學院的一名研究生。在這些技術被完善並準備好向半人馬座阿爾法星系發射之前，他和我就已經看到了這些技術的潛力。

當一台攝像機在宇宙中以接近光速的速度穿行時——也就是以「相對論速度」運動——愛因斯坦的狹義相對論將會解釋這些被攝像機拍下的圖像發生的變化。愛因斯坦的理論認為在不同的「慣性系」中，觀察者對空間和時間長度的測量有所不同。也就是說，空間和時間是相對的。兩個觀察者觀察事物的差異取決於他們之間的相對速度。如果他們之間的相對速度接近光速的話，他們所觀察到的事物將大不相同。

相對論同樣還影響著許多其他物理學家測量的物理量——比如說，光的頻率和強度，還有物體外形的大小。在相對攝像機靜止的系中，整個宇宙都在以不顯著低於光速的速度朝著與攝像機相反的方向運動。假想飛船上有一個人，由於他和地球上其他所有人所經歷的時空不同，一顆恆星或一個星系所發出的光對他而言將看起來更藍，更亮，更集中，且兩個物體之間的角度差也看起來更小。

我們的設想是利用狹義相對論的這些特性在與我們不同的時空慣性系中用相對論相機觀察熟悉的物體。這將給天文學帶來一個全新的研究模式——我們叫它「相對論天文學」。

攝像機能拍到什麼呢？

所以說，一台相對論攝像機自然就像一台攝譜儀，使研究人員能夠看到原本更紅的頻率的光。它就像透鏡一樣，增大通過的光量。它就相當於一台寬視場攝像機，使天文學家能夠在同樣的視界里看到更多的物體。

讓我來舉一個用相對論攝像機收集到數據的例子。由於宇宙的膨脹，當早期宇宙的光到達地球時，它比出發時看起來要更紅一些。物理學家們將其稱作紅移：在光傳播的過程中，波長會隨著宇宙的膨脹而變長。紅光比藍光的波長長，所以我們必須用難以觀察到的紅外波段來收集這些數據。

接下來就是相對論攝像機了。對於一台近光速運動的攝像機來說，這種紅移過的光會看起來更藍——也就是說，現在光又被藍移了。攝像機運動的作用與宇宙膨脹的作用相抵消。現在，天文學家就可以用我們更為熟悉的可見光攝像機捕捉這些光了。同樣的多普勒增強效應還會放大早期宇宙暗淡的光，使它更容易被探測到。觀察遙遠物體的光譜特徵可以為我們揭開早期宇宙的神秘面紗，特別是大爆炸380,000年宇宙變透明後的發展過程。

相對論天文學另一令人興奮的方面是人類第一次能夠在宏觀上測試狹義相對論的原則。通過比較相對論攝像機收集的圖像和從地面上收集的圖像，天文學家能夠根據光的頻率，通量和傳播方向在不同慣性系中的變化精準地測試愛因斯坦相對論基本預測的正確性。

與星射項目的終極目標相比，用相對論攝像機觀察宇宙還算是容易的。天文學家不需要擔心攝像機的瞄準問題，因為無論往哪個方向拍攝，所得到的結果都會是有趣的。數據傳輸問題也多少有所減輕，因為傳輸的距離並沒有那麼遠。保護攝像機的技術問題也沒那麼難了。

我們提議，用天文觀測測試相對論的攝像機可以作為全套星射計劃的前奏。人類將會有一座全新的天文「觀測台」，用一種前所未有的方法觀測宇宙。歷史告訴我們像這樣打開一扇新的窗戶將會揭露許多之前沒被人類發現的寶藏。

作者簡介：

Bing Zhang

內華達州拉斯維加斯大學天體物理系教授

（翻譯：費哲妮；審校：劉博堯）

原文鏈接：

https://theconversation.com/observing-the-universe-with-a-camera-traveling-near-the-speed-of-light-93994

本文來自：環球科學

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