第1章 科学

驭光而行——从“突破摄星”说起

文/赵洋

4月12日，著名物理学家史蒂芬·霍金发出了第一条中文微博，称希望通过社交媒体与中国网友交流，分享生活趣事和工作心得。短短8小时，他粉丝数就突破127万。数十万网友以评论和转发的形式对他表示敬仰与欢迎。谁也想不到，这只是更大新闻的预热。

4月13日上午，霍金发出了他的第二条微博：

我和尤里·米尔纳启动了“突破摄星”计划……在一代人的时间内，“突破摄星”旨在研发出一台“纳米飞行器”——一台质量为克级的自动化太空探测器——并且通过光束把它推动到五分之一的光速。如果我们成功的话，这个飞掠任务将会在发射后二十年左右到达半人马座α星，并发送回来在那个星系中发现的行星的图片。

爱因斯坦曾经幻想在宇宙中乘着一道光线飞驰，这个思想实验为他的狭义相对论奠定了基础。一个多世纪后，我们有机会可以达到光速的一小部分：一亿英里每小时。只有通过这么快的速度，我们才有希望在人类的时间尺度内到达那些恒星。

这个项目耗资巨大，雄心勃勃地希望探索人类创新和工程学的极限。能参与这样的项目，非常令人兴奋。

如果把上面这番话“翻译”成科幻迷喜闻乐见的语言，就是：

霍金参与了人类飞行器远征“三体星”计划。该计划既不使用庞大的星舰（像“代达罗斯”计划那样的核聚变火箭），飞船自身也不携带燃料（类似只送云天明大脑的辐射帆飞船）。这个计划仿佛是朝半人马座α星吹出一团蒲公英种子。发自地球的激光相当于吹出的气流，纳米飞行器相当于蒲公英种子。

光帆的原理

光是一种特殊的物质，既有波动性，也有粒子性，当光呈现粒子性时，被称为“光子”。光子有速度、有动量，击打到物体上会对该物体产生撞击力。如果该物体表面十分光滑，光子就会反弹回来，镜子就是反射光子的最好例子。

第一个提议借助帆的力量进行星际穿越的是约翰内斯·开普勒，他在1610年写给伽利略的信中提到了这个想法。开普勒认为，彗星尾部会受到某种微弱“太阳风”的吹拂，可以利用这种风来推进带帆的飞行器，就像海风推动帆船一样。尽管开普勒关于太阳风的解释后来被证实是错误的，但后世的科学家们却由此受到启发，发现太阳光确实可以施加足够的作用力来移动物体。

太阳光的力量十分微弱，在地球轨道上，每平方千米表面接受的太阳光压只有4.55牛顿，也就是一个苹果的重量而已。与之相比，航天飞机的主发动机在升空期间产生的推力为167万牛顿，在真空中产生的推力为210万牛顿。太阳帆仅仅依靠这点力量，怎么推动宇宙飞船飞速前进呢？

化学火箭发动机虽然推力巨大，但不耐久，只能工作几百秒就没后劲了。太阳帆则不然，只要有阳光照耀，它就可以一直工作，在太阳光的压力下缓慢加速，并通过调整帆面相对太阳的角度来控制速度及方向。虽然加速度很小，但聊胜于无。太空中的摩擦力可以忽略不计，这一点点推力足以推动一艘很轻的飞船，而且与消耗燃料的火箭不同，阳光是无尽的免费午餐。日复一日，太阳帆总有一天会达到惊人的高速度。

假如有一艘帆面7万平方米的太阳帆飞船，飞船质量是500千克，那么它离开地球轨道时每秒的速度增加值是1毫米/秒。但日积月累，等到抵达火星轨道时，时间不过才用去284天，平均下来，这个速度比许多化学火箭还要快。

正是意识到这一点，1924年，航天先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基及其同事弗里德里希·灿德尔明确提出：用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度。后来正是灿德尔首先提出了太阳帆——一种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成为今日建造太阳帆飞船的基础。

形形色色的太阳帆试验

20世纪70年代，美国宇航局的科学家们曾提出向哈雷彗星发射一个巨型太阳帆探测器。尽管这项提议由于风险过大且技术不成熟而被否决，但用太阳帆推进航天器这一创意却保留下来。进入21世纪，太阳帆飞船已不再是停留在蓝图上的构想，不少机构都在进行太阳帆飞船的试验。

第一艘太阳帆飞船——“宇宙1号”

“宇宙1号”太阳帆飞船是由行星学会（这是由卡尔·萨根联合创建，太空爱好者组成的国际民间组织）、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金太空工业设计所花费数年时间联合建造的，耗资400万美元。

“宇宙1号”总重量为50千克，由8片长度为15米的三角形聚酯薄膜帆板组成，帆板总面积达600平方米，呈花瓣形。每张帆板的厚度比普通的塑料垃圾袋还薄，表面涂满了高效反光物质。帆板与支撑杆的结构就像直升机旋翼一样，可以通过调整来改变飞船的飞行方向和速度。

在阳光推动下，“宇宙1号”太阳帆将会以每秒1毫米的速度慢慢地加速移动。在帆面展开24小时后，太阳帆的速度将增至每小时100英里；到第100天时，它的速度将达到每小时1万英里。如果“宇宙1号”能持续飞行3年，速度会提升到每小时10万英里，这相当于目前飞得最远的“旅行者号”探测器飞行速度的3倍。

2005年6月21日，“宇宙1号”发射升空。遗憾的是，运载火箭离开核潜艇后不久，火箭发动机里涡轮泵的工作突然失灵，因此，最终导致运载火箭未能将该飞船送达太空指定位置。

日本首个太阳帆试验失败

在“宇宙1号”升空后不久，2006年2月，日本宇宙航空研究开发机构也发射了一个试验性太阳帆。该机构计划，在发射日本首颗红外天文卫星“ASTRO-F”时，让“M-5”火箭同时将一个边长约10米、面积达75平方米的六边形太阳帆捎上太空。根据传回地面的数据，太阳帆在预定的时间开始尝试展开，但只打开了三分之一就停止了。随后，该机构宣布这次太阳帆展开实验失败。

纳米太阳帆

2008年，美国宇航局启动了一个新的项目，叫作“纳米帆-D”。“纳米帆-D”是一个微型卫星，体积只比一块面包略大。它只携带了几块电池为无线电和计算机供电，除此之外再无任何能源。它携带的太阳帆展开后有100平方英尺，厚度比纸还薄，表面镀有铝。按照计划，太阳帆将在卫星进入轨道三天后打开。然而，运载火箭在升空两分钟后出现故障，“纳米帆-D”未能进入近地轨道。从理论上讲，“纳米帆-D”的最高速度可以达到光速的2%，即每秒6000千米。以这个速度，从地球飞到月球仅需一分钟。

“伊卡洛斯”

2010年，日本宇宙航空研究开发机构发射了小型太阳帆试验飞船“伊卡洛斯”。“伊卡洛斯”太阳帆为边长14米的正方形，厚度仅为0.0075毫米，由能够承受太空环境的聚酰亚胺树脂制成，重量约15千克。帆的表面需喷涂铝箔以提高对太阳光的反射性能。“伊卡洛斯”通过调整帆面与太阳的角度控制速度及轨迹。

太阳帆卷在直径1.6米、高1米的筒型飞船本体上发射，进入太空数周后通过飞船旋转所产生的离心力展开。飞船执行任务期间可以以每分钟20转的速度旋转以保持稳定。首先将试验太阳帆能否实现太阳能发电，之后用半年时间测试其能否以太阳光为动力进行加速及变轨，为今后的应用积累数据。

众筹光帆

2015年5月20日，一枚“阿特拉斯5号”火箭在佛罗里达州发射升空，携带着两个航天器以测试未来太空技术：一个是美国空军的无人航天飞机X37B，另一个就是太阳帆原型卫星。

这颗由行星协会研发的太阳帆原型卫星，名为“光帆”（Light Sail）。“光帆”是一个众筹项目，行星协会已经筹集到了四百多万美元。“光帆”长1英尺、高仅4英寸，大小只相当于一条长面包，但在轨道上将变得更大，因为那时四个巨大的三角形聚酯薄膜帆将会展开。完全展开时，帆面将达到344平方米，在地面上都有可能看得到。二十五天的飞行已证明，利用太阳辐射压作为航天器动力来源是可行的。

光帆在科幻界也绝非崭新的概念。在阿瑟·克拉克的科幻小说《太阳帆船》中，主人公驾驶太阳帆飞船参加了从地球到月球的飞行竞赛；在《星球大战前传：克隆人的进攻》中，杜库伯爵乘坐一艘张着大帆的星际飞船逃离吉奥诺西斯星球。

但为什么科幻作品中设想的“千帆竞渡”的航天盛况还没实现呢？这是因为大型太阳帆飞船太费钱。

美国航天工程师罗伯特·弗沃德提出，一束强大的激光能推动太空中的“帆船”航行。这个巨大的铝箔“激光帆”将是人类有史以来最大的光帆飞船，飞行员座舱位于激光帆的中部，人类可在地球轨道或月球表面上建成一个强大的激光源，激光帆飞船需要经过数年的激光推动，才能抵达它的最高巡航速度——50%光速。用这种方式，人类从地球抵达太阳系外的类地行星“GLIESE581c”的时间，将可以缩短到40年。而这颗行星距地球足足有20光年。

设想虽然美好，弗沃德的激光帆仍然面临许多技术障碍。激光虽然方向性好，但经过长距离传播也会发散，要使激光始终聚焦到帆面上，激光源得有1000千米的直径。同时，激光的能量输出也是个问题，据估算，这个激光源需要数千万亿瓦的能量，比目前世界上所有发电机产生的总能量还要多。经计算，如果在水星轨道上利用太阳能设置约1000台激光发射装置，并能把这些激光束聚合为一股，便有可能获得足够的推力。如果光帆能够运送包括旅客、行李在内的100吨有效载荷，那么帆面必须宽达100千米。

困扰弗沃德的技术难题，同样困扰着其他想用光帆进行深空探索的人。多亏了微电子技术的发展，过去的十几年间，多种元器件的体积都缩小了，因此，“突破摄星”团队敢于宣称制造出一艘加上光帆重量也只有几克的飞船，通信、导航、摄像、处理器等设备都能集成其中。米尔纳向媒体展示的“微型飞船”看上去就是一块印刷电路板，只有邮票大小，带有微型太阳能电池板。

纳米光帆成功的秘诀在于以量取胜。一次火箭发射就能把一千个微型探测器送入太空，其整体功能与一艘大而昂贵的探测器相当。恒星际空间并非空空如也，太空中的尘粒可能摧毁探测器。据推算，从地球到半人马座α星的航程中，纳米光帆飞船和微米量级的尘粒大约会发生四次碰撞。对于常规大型探测器而言，精密器件被撞击一次就可能导致任务终止；而纳米飞船因为数量优势，仍会有一些飞船完好地抵达目的地。

如果投入批量生产，这样一个纳米光帆飞船的成本只相当于一台高端智能手机的价格。即使考虑到电力成本的话，发射更多探测器的成本也仅需要几十万美元，所以发射成百上千个微型探测器在经济上是可行的。

技术挑战

虽然“突破摄星”计划使用的光帆飞船十分迷你，但驱动它们的激光却是巨型的。要将1克的物体在几分钟的时间内加速到五分之一光速，激光功率得在几分钟内提升到50千兆瓦。这需要在高海拔的干燥地区建设方圆约1千米的激光发射阵列，以最大限度减少大气层对激光的影响。每次激光发射所需的电能约为几百万千瓦时。

这么高能的激光照射在如此小面积的物体上，很容易使物体气化。假设光帆反射面有100平方米，每平方米帆面上的激光功率有300万千瓦。太阳表面的光功率只有每平方米50万千瓦。目前人类还造不出高反射率又耐如此高温的物质。

还有帆在光束中的稳定性的问题。如果光帆飞船稍微偏离激光束，那么飞行方向就会偏离目的地。能否设计出一种可在激光束中保持稳定的帆？如果它斜向一边的话，能不能自动往回移动？这都是相当复杂的技术挑战。

即便一切顺利，光帆飞船挺过了高温的加速段和20年的星际滑行，用大约一天的时间飞掠半人马座α星进行各种观测，如何把观测结果发回地球？

纳米光帆飞船上将配备1瓦的光电池和小型激光器。在发射后二十年，如此低功率的激光器将从4.22光年外发回信号，并被接收。激光束在抵达太阳系时的宽度约为0.1个天文单位，这需要非常精确的指向。1瓦的电量加上这么小的激光器（加起来不到1克重）居然能够从那么远的距离外发来足够的信息量，的确非常震撼了。

有科学家认为，由于光的衍射效应，在如此远的距离，是无法接收有效的光学信号的。飞船发回的激光信号如果功率是1瓦的话，地球上方圆1千米的天线，只能收到10-18瓦的信号，也就是每秒5个光子。

或许届时将发射多批纳米飞行器，后发射的纳米飞行器将作为前方飞行器与地球之间的通信中介。目前，“突破摄星”计划仍处于一片迷雾中。有人说这个计划是在“圈钱”，也有人说其大大超出物理和工程的可行范围。这个看似简单，实则宏伟的高难度计划到底该如何实施呢？

4月22日，史蒂芬·霍金发出了他的第三条微博，也许能做出部分说明：

这可能成为太空旅行的一次革新——一艘微型太空飞船可以实现极速飞行，并且在我们这辈子内将信息传递回来。由此，我们能够更深入地了解我们的星系——最终了解我们自己。虽然工程巨大，但我们都一致决定冒这次险。我期待在今后告诉你们更多消息！

【责任编辑：杨枫】