光帆之夢

魏然

當看見璀璨的星艦出現(xiàn)在《阿凡達》《星球大戰(zhàn)》等科幻電影里，你也許會產(chǎn)生這樣的疑問——以人類現(xiàn)有的科技水平，能制造出像星艦一樣高速穿行于星空的飛船嗎？

太陽探測器“帕克號”是人類現(xiàn)有航天器中的速度冠軍。借助太陽引力，“帕克號”的極限速度可達每秒兩百千米，約相當于光速的萬分之六。正在應用中不斷發(fā)展的離子推進器也能讓飛船達到每秒數(shù)十千米的速度。但這些方式離“ 像星艦一樣高速穿行星空”還太遠。迄今為止，光帆可能是解決這個問題的唯一答案。

“光壓的發(fā)現(xiàn)”

彗星接近太陽時，會在遠離太陽的方向出現(xiàn)長長的彗尾。而早在四百多年前，天文學家開普勒就注意到了這個現(xiàn)象，他認為彗星是被太陽光的壓力“推動”，才產(chǎn)生這樣一條尾巴的。后來，這種源自光照的壓力就被叫作“ 光壓”。

光壓很小，一粒米放在地面所產(chǎn)生的壓力，就能輕松超過你所在的屋子面積上所受到的太陽光光壓總和。開普勒之后，科學家努力了近三百年，才排除萬難設計出相關實驗，成功測得了光壓的數(shù)值。對光壓進行精確計算，也只是近幾十年的事。光壓對人造衛(wèi)星也有影響，譬如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)就需要不斷對光壓造成的衛(wèi)星位置偏移進行修正。

走進現(xiàn)實的“光帆”

既然光壓能夠影響到航天器，那么能不能直接用它來推動飛船呢？為了充分利用光壓的力量，飛船面積就要做得很大，為了讓飛船能更容易被推動，飛船質量就得盡可能小。于是，最終設計出的飛船就成了船帆的形狀——面積超大且質量很小——這就是“光帆”的由來。阿瑟·克拉克的科幻小說《太陽帆船》，就描述了在宇宙空間進行光帆競速比賽的場景。

太空中沒有阻力，也沒有遮擋，因此光帆可以一直被加速。盡管離太陽越遠，陽光越弱，光壓也相應減小，但采用激光照射等方式，可以為之“補光”。理想情況下，光帆最終能被加速到光速的大約百分之二十。完全加速后，光帆只消一天多就可以走完冥王星探測器“新視野號”的十年征途，從地球直達冥王星，并在幾十年內(nèi)抵達另一個恒星系。

很難說現(xiàn)實和科幻哪個更快到來。2004年，攜帶光帆的飛船真的上天了，由日本研制的兩片太陽帆在距地面一百多千米的高空成功展開。2010年，奔赴金星的“伊卡洛斯號”在距地球七百七十萬千米處展開太陽帆，將光壓作為動力的一部分，成為第一艘名副其實的光帆飛船。2019年，“光帆2號”成為地球軌道上第一個完全由光帆驅動的航天器。雖然尚不具備理論上的高速航行能力，但距離《三體》中的“ 階梯計劃”①，終究更近了一步。

①在“階梯計劃”中，飛船為了盡快與三體世界接觸，采用了光帆的方案，并在光帆后方多次引爆核彈，以強光增加推力，將光帆加速到光速的百分之一。

“突破攝星”計劃

2016年，物理學家霍金等人發(fā)起的“突破攝星”計劃，讓光帆進入了大眾視野。這個計劃希望在科學家的有生之年，能夠將微型航天器發(fā)射到其他恒星世界，并在飛掠時拍攝照片發(fā)回地球。計劃中以激光推進的光帆的設計速度甚至比“階梯計劃”還要快得多，預計達到光速的百分之二十——飛抵比鄰星，也就是《三體》中三體人所在的世界，只需要二十多年。但可惜的是，能夠運送的重量也少了很多，設計中的一種四米見方的光帆只能帶動幾克的有效載荷。上千個這樣的光帆組成光帆陣列一同出發(fā)，即使途中損壞、丟失一些也沒關系，只要有一個最終抵達，計劃就成功了。

“ 突破攝星”計劃尚面臨許多技術挑戰(zhàn)。計算機、電源、觀測設備和通信設備等需要被集成在郵票大小的芯片上；光帆的材料需要足夠輕且堅韌，甚至在厚度只有若干個原子時也能保持一定強度，一種碳薄膜目前最有希望；與地球的通信將成為大問題，也許可以先后發(fā)射若干組光帆，采用逐個發(fā)射與接收信號的形式接力進行。至于望遠鏡鏡面、通信的天線、采集光能的接收面，可以探索能否借助精準的形狀調節(jié)，利用光帆的表面完成。每一個難關都不易跨越，但至少目前為止，這是最接近科幻的星際航行方法。相信人類文明最終有智慧、有能力，讓飛船抵達異星世界。

也許你就是第一批見證光帆在星空中遠航的人。那時，“孤帆遠影碧空盡”的下句，就可以換成“ 唯見銀河天際流”了。

[ 責任編輯：楊競]