駛向半人馬座

苗千

劍橋大學的理論物理學家史蒂芬·霍金每一次出現在公眾的視野之中總會展現出令人吃驚的影響力。

2016年4月12日霍金教授開通了新浪微博，在短短5天的時間里，他只發布了兩條微博就吸引了320多萬“粉絲”的關注。在第一條微博象征性的問候之后，語不驚人死不休的霍金教授在紐約發出了第二條微博，公布了一個堪稱突破人類想象力的“突破攝星”（Breakthrough Starshot）計劃。這個計劃一經發布立刻在全世界引發了極大的關注，人們的反應中有好奇，有質疑，有激動，也有嘲笑，大多數的科學家更傾向于認為這個計劃近乎幻想——這種反應或許早在霍金的意料之中，畢竟突破攝星計劃的目標是從地球發射飛船，駛向距離太陽系4光年之外的半人馬座。

“突破攝星”計劃的董事會除了理論物理學家霍金之外，還有俄羅斯投資人、互聯網大亨尤里·米爾納（Yuri Milner），以及Facebook網站的CEO馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）。但是這個計劃顯然不只是富商的一擲千金和理論物理學家的狂想結合而已，美國航空航天局艾姆斯研究中心（Ames Research Center）的前任主管皮特·沃登（Pete Worden）將擔任“突破攝星”計劃的項目主管，哈佛大學的天文學家阿維·勒布（Avi Loeb），英國天文學家馬丁·里斯（Martin Rees），諾貝爾物理學獎得主、天文學家索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter），物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）等一眾知名科學家和工程師都將是這個項目的顧問。

“突破攝星”計劃可能確實算得上是科幻和科學相結合的產物。米爾納自稱他從小就是科幻作家阿西莫夫和卡爾·薩根的忠實讀者，他在莫斯科國立大學讀書時學習的也是物理學專業，而他的名字“尤里”（Yuri）則來自人類第一個進入太空的蘇聯宇航員尤里·加加林（Yuri Gagarin），就連他們在紐約自由塔宣布“突破攝星”計劃的日期也經過了精心挑選，正是人類首次進入太空55周年紀念日。

“突破攝星”計劃之所以引起如此之大的反響，除了霍金的名氣之外，也因為這可能是人類第一個不只是紙上談兵的“星際旅行計劃”（除了一些概念之外，2012年美國國防高等研究計劃署的星際旅行研究項目只有100萬美元的研究資金），而且這個計劃與人類目前在太空探測領域已經取得的成就相比又實在是太過宏偉。除了地球之外，至今為止人類只登上過地球唯一的衛星月球，人類發射的探測機器人也只到達了火星。除此之外，一些飛行器只是在掠過時拍到太陽系內部一些行星的照片——這些成就與從地球發送飛行器到達4光年之外的半人馬座的宏偉目標相比簡直不值一提。

飛行器的速度和航行時間將是最大的問題。以目前人類飛行器的速度想要跨越太陽系和半人馬座之間4光年多的距離，計算得出的時間將會是一個真正的天文數字。目前人類最快的飛行器是于2006年發射的“新視野號”（New Horizon），相對于地球的運行速度達到每秒16公里以上，每天航行的距離超過百萬公里，即使如此它也花費了9年時間才從地球到達太陽系邊緣的冥王星并最終發回照片——以這樣的速度前進，它需要3萬年的時間才能到達半人馬座，人類顯然沒有這樣的耐心。

霍金和米爾納為“突破攝星”計劃所規劃的從地球到半人馬座的旅行時間是20年。這樣的計劃，從一開始，就需要幾乎瘋狂的想法和巨大的財富來支持。米爾納宣布“突破攝星”計劃的第一步投資為1億美元，目標是設計出一個飛行器原型。而當進入到實際運作階段之后，這個計劃可能會花費千億級美元的資金。

用20年的時間航行超過4光年的距離，飛行器需要達到光速的20%。要達到這樣的速度，飛行器必須盡可能地減輕重量。計劃中的“納米飛行器”（Nanocraft）只有幾克的質量，而在這樣的一個飛行器中，需要集成有電源，200萬像素的照相機，用于導航的光子推進器，和用于通訊的雷達——人類目前的電子技術還無法實現這樣的目標，需要在未來十幾年的時間里，電子學的“摩爾定律”（Moores Law）仍然有效，電子器件的尺寸繼續不斷地縮小。

更大的困難來自動力。如何為只有幾克質量的納米飛行器提供動力，科學家們想象過通過正反物質發生湮滅提供動力，或是通過可控核聚變產生動力的發動機，但是這些技術都遠超目前人類的科學水平，無法實現。目前想象中的納米飛行器，依靠“光帆”（light sail）反射激光，利用激光的推力來進行加速。想象中的光帆打開時面積有幾平方米，可以反射99.999%的入射光（這一點尤其重要，如果光帆吸收過多的入射光，整個飛行器將會在瞬間蒸發），因此納米飛行器有可能像是一個閃亮的圓盤。提供能量的光帆同樣需要盡可能的輕薄，理想的光帆將只有100個原子的厚度，這也需要人類在近期能夠研制出滿足這種性質的神奇材料。正是依賴強大的激光打在太空中納米飛行器張開的光帆上產生動力，在理論上納米飛行器可以在兩分鐘的加速過程中速度達到驚人的光速的20%，在這期間它所經受的重力相當于地球重力的6萬倍，最終達到每秒6萬公里的速度向半人馬座進發。以這樣的速度，納米飛行器只要不到一個小時就會掠過火星，一天時間就可以到達冥王星，完成“新視野號”花了9年才完成的旅程。光帆概念早在上個世紀60年代就已經誕生，加州大學圣巴巴拉分校的物理學家菲利普·魯賓（Philip Lubin）在美國航空航天局的資助下正在進行迷你光帆的研究，他也將是“突破攝星”計劃的工程師之一。

在“突破攝星”計劃中最為重要的，就是射向納米飛行器，為星際旅行真正提供動力的激光束，它將來自地球。根據對于激光束的實際要求，有可能選擇在南半球海拔較高、空氣濕度較低的智利阿他加馬沙漠地區建立一個激光器陣列，這個陣列由上百個可以相互配合的激光發射器組成，功率將會達到驚人的1000億瓦特。這樣功率的激光器陣列所消耗的能量足以耗盡一個發電站（因此還需要在附近建設一個發電站），而這樣的激光器陣列也足以成為真正危險的武器，它可以摧毀地球軌道上的衛星或是擊落空中的飛機。即使不考慮外交和安全問題，要建成上述計劃所需要的激光器陣列目前大概需要1000億美元的投資（但好消息是激光器的價格下降很快——在10年前價格還是現在的100倍）。

米爾納設想，當地面上的激光發射陣列建設完成，納米飛行器也研究成功，將會先發射一艘“母艦”，上面載有幾百個納米飛行器（每個納米飛行器的造價將會低于目前的iPhone手機）。在地球軌道上，母艦每天釋放一個納米飛行器，這個納米飛行器利用光子推進器進行定位，隨后由地面上的激光陣列同時對其進行加速，在兩分鐘之內達到光速的20%，向半人馬座進發。母艦可以在一年內持續每天釋放一個飛行器，數百個納米飛行器將前赴后繼地向著一個目標進發。納米飛行器極其復雜輕薄，在太空中與任何的小行星，冰碴甚至是宇宙塵埃相撞都將對它造成致命的損傷，旅途艱險。但是這數百個飛行器哪怕只有幾個到達目的地，也將是人類歷史的一大進步。

假設有納米飛行器最終真正可以到達半人馬座，它將對準半人馬座三顆恒星中的兩顆與太陽更加接近的恒星（Alpha Centauri A和Alpha Centauri B）的適合居住的區域（habitable zone）進行觀察，在這個區域距離恒星不算太遠也不太近，如果在這個區域存在行星，行星表面將有可能存在對人類生存至關重要的液態水。因為納米飛行器沒有減速裝置，它將在拍照并發回地球之后繼續向宇宙深處航行。問題在于，半人馬座的恒星是否真的有行星存在？盡管目前宇宙學家們認為銀河系中大多數恒星周圍都有行星存在，但是這兩顆恒星的距離太近，沒法取得清晰圖像，人類還沒有發現屬于這兩顆恒星的行星。有人認為，這兩顆恒星之間的距離太近，營造出了一個不穩定的引力環境，不利于行星產生。

另一個問題在于，即使納米飛行器到達半人馬座，即使它在適合居住的地帶發現了行星并且拍照，它又怎么樣把數據跨越4光年的距離，用4年多的時間再傳送回地球？人類還從來沒有過這樣的通訊經驗。米爾納希望納米飛行器所攜帶的激光器發射回信號，但是這樣的信號將極端微弱，極有可能被各種信號，包括宇宙微波背景輻射所干擾，而輕易地消失在宇宙空間。

目前“突破攝星”計劃的科學家們已經總結了20個主要問題需要克服。毫無疑問的是，當計劃正式開始實施時，他們將面對更多的困難以及無窮無盡的資金問題。人類至今為止還沒有過任何星際旅行的經驗可以供“突破攝星”計劃的科學家們借鑒，而另一方面，人類也沒有任何進行星際旅行失敗的教訓令人感到恐懼。這樣一個極端大膽甚至是堪稱瘋狂的計劃，即使不能一次成功，也可能為人類未來的科學研究提供很多機會和靈感。

“突破攝星”計劃算得上是科學與幻想的結合。人們在期待之余，或許能夠感受到些許的浪漫，正如那首詩中寫的：

如果可以

請把眼前的一束月光

折疊成一張窄窄的船票

讓我乘著上一艘慢船去巴黎