科幻作品中，我們一般將大型太空飛船編隊稱為宇宙艦隊。而宇宙艦隊的推進(jìn)方式，也可以參考古代海軍的風(fēng)帆 —— 不過在太空中，打在帆上的，不再是海風(fēng)，而是激光束。憑借激光光帆，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們或許真的能讓宇宙飛船加速到光速的 20%，20 年內(nèi)就能抵達(dá)比鄰星。
宇宙實在是太過廣袤，就連科幻片都誕生了一類“太空歌劇”，一個人的生命在“太空歌劇”中往往顯得無足輕重。漫長的旅行時間與人類苦短的壽命之間赤裸裸的殘酷對比，是造成這一宏大史詩感的重要原因。
當(dāng)前人類尚不能直接給航天器提升多少速度，只能追求用盡可能少的燃料，盡量高效地改變航天器的軌道，最終還是要靠引力決定的軌道進(jìn)行星際航行。而相應(yīng)的代價就是，想要抵達(dá)哪個天體，需要的時間往往和這個天體的軌道周期正相關(guān)。比如想要抵達(dá)軌道周期 1 個月的月球，可能需要飛行 3 天左右的時間，但想要飛到軌道周期 23 個月（687 天）的火星，航行時間就可能長達(dá) 200 多天。
在太陽系內(nèi)的旅行尚且如此，星際旅行就更難以讓人想象。注定將會飛出太陽系的新視野號在 2006 年發(fā)射，2015 年才抵達(dá)冥王星。過長的時間帶來的變數(shù)太大，它發(fā)射時的使命是探索當(dāng)時的太陽系第九大行星冥王星。但當(dāng)它抵達(dá)目的地時，冥王星卻已經(jīng)不再算得上一顆行星了。
1977 年發(fā)射的旅行者 1 號，更是花了足足 35 年才飛出太陽系。到現(xiàn)在，飛行了將近 45 年，距離地球 21.5 光時（光走過 21.5 小時的距離）的旅行者 1 號是距離人類最遠(yuǎn)的人造物體。但是距離地球最近的恒星 —— 比鄰星，和我們的距離也有足足 4.22 光年。劉慈欣在《三體》中描寫的三體人就位于那個星系，但就算是三體人制造的水滴，想要從那里抵達(dá)太陽系，也要花上足足 200 年的時間 —— 顯然，這比任何人的壽命都要長。
新的推進(jìn)方法
這一切的根源還是自帶燃料的限制。星際航行沒有外部輸入的情況下，如果想要加速，根據(jù)動量守恒，你就必須扔點(diǎn)什么東西出去。傳統(tǒng)化學(xué)火箭可以把燃料燃燒產(chǎn)生的氣體以每秒幾千米的速度向身后噴出。但我們幾乎不可能繼續(xù)提升化學(xué)火箭氣體噴射的速度了，畢竟化學(xué)鍵的能量是有上限的，化學(xué)火箭噴射速度最多也就只能達(dá)到每秒 10 千米左右。想要繼續(xù)提升燃料的使用效率，工程師還可以用粒子加速器的原理，將燃料粒子加速到極高的速度向后噴射。天宮空間站核心艙上負(fù)責(zé)調(diào)整姿態(tài)、維持軌道的霍爾發(fā)動機(jī)用的就是這樣的技術(shù)。
但只要宇宙飛船自帶了燃料，就會有一部分燃料不可避免的被用來給剩余的燃料加速。那我們能否額外給航天器提供燃料呢？
太陽帆就是這樣的航天器。我們都知道，光具有粒子性，光子是帶有動量的。所以，太陽系內(nèi)陽光所及之處，都被太陽施加了一個推力。如果我們張開一張很大的反光膜，就能“白嫖”太陽光子的動量給航天器加速。實際上，已經(jīng)有人這樣做了。2019 年 6 月 25 日，獵鷹重型火箭搭載 LightSail 2 發(fā)射升空，這個航天器在當(dāng)年 7 月 23 日展開了自己的太陽帆。盡管在部署之后，LightSail 2 由于配平等原因隨機(jī)翻滾了很久，但團(tuán)隊最終還是讓它按計劃工作了起來。最終，他們成功測到了 LightSail 2 被陽光推動的證據(jù)。
不過，陽光的力量還是太微弱了。這樣微弱的力別說用來做星際航行，它連 700 千米高空的空氣阻力都無法克服。根據(jù)研究團(tuán)隊自己公開的數(shù)據(jù)，LightSail 2 無法長期維持自己的軌道高度，隨著軌道一點(diǎn)點(diǎn)降低，它大概會墜落到地球大氣層中。
用激光替代陽光
畢竟，太陽只是無差別的向四面八方輻射能量，我們或許可以用更強(qiáng)的激光，定向給光帆提供動力。而這，就是賓夕法尼亞大學(xué)副教授伊戈爾?巴加廷（Igor Bargatin）團(tuán)隊的想法了。巴加廷教授直截了當(dāng)?shù)乇硎荆骸叭绻覀兿胍谟猩甑臅r間內(nèi)抵達(dá)另一顆恒星，那就需要相對論級別、接近光速的速度?！?/p>
他們的論文發(fā)表在《納米快報》上。根據(jù)論文的描述，他們設(shè)想了一種光帆。這張光帆直徑大約 3 米，厚度卻僅有 100 納米，質(zhì)量僅 1 克?？茖W(xué)家可以從地球上向它發(fā)射激光，為其提供動力。就像帆船在大海中航行一樣，強(qiáng)大的光壓會讓光帆呈圓弧形，這能讓光帆更好的分散張力，減小被撕裂的風(fēng)險。光帆的材料則選用氧化鋁和二硫化鉬，都是比較容易獲取的材料。
根據(jù)巴加廷團(tuán)隊的模擬，這張直徑 3 米左右的光帆，能搭載一枚芯片大小的探測器，加速到光速的 20% 左右。雖然荷載只有一枚芯片，聽起來比《三體》中“只送大腦”的“階梯計劃”還要寒磣。不過一想到速度能達(dá)到 0.2 倍光速，比三體人的水滴還要快，似乎也不難接受了。
這個科幻般的場景是國際投資人尤里?米爾納突破倡議（Breakthrough Initiatives）的一個子項目所要達(dá)成的目標(biāo)，項目名為突破攝星（Breakthrough Starshot）。2016 年，史蒂芬?霍金和尤里?米爾納曾一起宣布該項目正式啟動。他們的目的就是建造能 20 年內(nèi)抵達(dá)比鄰星的探測器，因為它是距離我們最近的恒星。
不過，除了距離上的原因外，比鄰星的確處在一個很有趣的系統(tǒng)里面。就像在《三體》里寫的一樣，比鄰星處在一個三星系統(tǒng)中，并且它有一顆名為比鄰星 b 的行星。比鄰星 b 距離比鄰星很近，比鄰星的恒星活動還非常劇烈。比鄰星 b 整顆行星就很容易被比鄰星的耀斑烤焦。澳大利亞帕克斯望遠(yuǎn)鏡甚至還宣稱在突破聆聽（Breakthrough listen）計劃中收到過來自比鄰星的神秘射電信號，不過這后來被證明是干擾。
保證散熱
給一個物體簡單粗暴地提供大量的能量，使其達(dá)到極高的速度，不是什么難事。早在 1957 年 8 月，美國在核試驗項目 Plumbbob 行動中進(jìn)行地下核試驗時，一個鋼質(zhì)井蓋就被核彈炸上了天?？茖W(xué)家估計這個井蓋的速度超過每秒 66 千米，甚至有人懷疑它早于蘇聯(lián)的斯普特尼克 1 號（于當(dāng)年 10 月 4 日進(jìn)入太空），是人類第一個送入太空的物體。不過后來的分析顯示，這個井蓋很可能因為過熱，在飛出地球大氣層之前就已經(jīng)氣化了。
當(dāng)然，這樣的激光光帆要承受的能量是太陽光帆的數(shù)百萬倍。如果不做好光帆的散熱，那為光帆提供動力的激光源就妥妥變成了一個激光武器，而光帆就會像那個被核彈轟擊的井蓋一樣，瞬間被摧毀。
這就是加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）副教授阿斯瓦特?拉曼（Aaswath Raman）團(tuán)隊考慮的事情。在發(fā)表于《納米快報》的一篇論文中，研究團(tuán)隊提出了一種“光子晶體設(shè)計”的方案。他們認(rèn)為，光帆必須由許多較小的織物組成，織物的排列必須和廣泛熱輻射的波長相匹配。而對于單塊織物，其上還必須均勻分布著和入射激光波長相匹配的孔洞。這樣，光帆就能在獲得足夠動量的同時，還能充分散熱，避免熔化、解體。團(tuán)隊成員表示，他們未來將小規(guī)模制造這樣的結(jié)構(gòu)，并用高功率激光驗證設(shè)計的可行性。
不過，所有人都表示，想要真的實現(xiàn)實用的、能達(dá)到 20% 光速并運(yùn)送一顆芯片的光帆，可能還需要幾十年的時間。不過至少，已經(jīng)有人證明，激光光帆在原理上是可行的。巴加廷教授表示：“幾年前，就算是做一些理論上的工作都被認(rèn)為是不著邊際?，F(xiàn)在，我們不僅有了設(shè)計方案，并且所用的材料還是在實驗室中實際可用的材料?！?/p>
其實，對于星際旅行技術(shù)的發(fā)展倒也不必非常悲觀。畢竟在 1903 年，你問剛剛實現(xiàn)動力受控飛行的萊特兄弟，讓他們暢想未來?？峙滤麄冊趺匆膊粫氲?，僅僅 60 多年后，阿姆斯特朗就在月球上踩下了人類的一大步。人類登月到現(xiàn)在的 50 多年間，雖然人類在航天技術(shù)上的進(jìn)展雖然看起來沒有冷戰(zhàn)期間那般瘋狂，但從整體上看，科學(xué)從未停下它前進(jìn)的腳步。
從這個角度來看，星際旅行、激光光帆、20% 光速、20 年抵達(dá)比鄰星，這些充滿科幻色彩的名詞，似乎也不那么遙遠(yuǎn)了。
參考鏈接：
https://voyager.jpl.nasa.gov
https://www.planetary.org/sci-tech/lightsail
https://secure.planetary.org/site/SPageNavigator/mission_control.html
https://www.eurekalert.org/news-releases/943728
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03272
https://en.wikipedia.org/wiki/Operation_Plumbbob
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03273
http://www.xinhuanet.com/techpro/2021-04/30/c_1127394313.htm
本文來自微信公眾號：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue） 撰文 | 王昱 審校 | 白德凡
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