□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

探望近鄰的袖珍飛船

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）西交利物浦大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)系

星際旅行之夢

自從第一枚火箭進(jìn)入太空以來，夢想到月球或太陽系的其他行星、甚至其他恒星上旅行的人絡(luò)繹不絕。現(xiàn)在50多年過去了，人類只踏上了月球的土地。主要原因在于，載人飛船實(shí)在太昂貴了。程控太空探測器則拜訪了我們太陽系中多得多的地方。迄今，無人飛船已經(jīng)登陸了太陽系內(nèi)包括金星、火星在內(nèi)的多顆行星，以及若干衛(wèi)星、小行星和彗星。另外，在飛往目的地的旅途中，很多飛船還近距離地觀察了太陽系中很多其他的天體。

最近的例子是“新視野號”飛船。它去年從冥王星和它的衛(wèi)星身旁飛過。在飛過冥王星的時候，“新視野號”拍攝了它的第一批冥王星照片，而現(xiàn)在它正以49600千米/小時（13.8千米/秒）的驚人速度遠(yuǎn)離太陽系而去。它是迄今運(yùn)動最快的人造航天器。但即便以這樣快的速度，它也需要75000年才能到達(dá)最近的恒星——距我們4.25光年的比鄰星。

“突破射星”計(jì)劃

宇宙中可能的最快速度是光速（約300000千米/秒）。要拜訪離我們最近的恒星和它的行星，宇宙飛船必須以與光速可比的速度飛行才可以。問題在于，把飛船加速到這樣高的速度需要很多能量，因此需要很多錢。

為了在21世紀(jì)之內(nèi)實(shí)現(xiàn)（通過無人飛船）星際旅行的夢想，2016年4月，一些著名的物理學(xué)家（提供智力支持）和商業(yè)領(lǐng)袖（提供資金支持）聯(lián)合提議了一項(xiàng)名為“突破射星”（Breakthrough Starshot）的計(jì)劃。其中包括著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）、俄羅斯風(fēng)險(xiǎn)投資家尤里·米爾納（Yuri Milner）和“臉書”（Facebook）首席執(zhí)行官馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）。

他們計(jì)劃從地球上發(fā)射一艘普通的飛船（母飛船），其中裝滿成千艘厘米級的袖珍飛船。母飛船進(jìn)入太空以后會釋放這些袖珍飛船，而它們將高速奔赴其他的恒星。使用厘米級飛船的優(yōu)勢在于，比起加速一艘大飛船，加速這些小飛船需要的能量會小一些。這些袖珍飛船將搭載傳感器和計(jì)算芯片，并且與地球上的科學(xué)家保持聯(lián)絡(luò)。

這些飛船將利用光帆來推進(jìn)，而不是火箭。從地球上發(fā)射的激光束將使這些袖珍飛船很快加速到光速的20%（60000千米/秒）。憑借這樣的速度，到達(dá)鄰近的恒星只需要20～30年。當(dāng)這些袖珍飛船各自到達(dá)目的地之后，它們將研究那里的行星，并把結(jié)果傳回地球。這些信號以光速傳播，到達(dá)地球又需要4～6年的時間。于是，我們（或者說，至少我們發(fā)射的無人飛船）只需短短幾十年，就可以對其他的恒星進(jìn)行實(shí)地考察了。對一個人來說，這時間是夠長了，不過比起常見的火箭燃料的飛船，這已經(jīng)快了1000多倍。

2016年4月12日，英國物理學(xué)家斯蒂芬·霍金與俄羅斯投資人尤里·米爾納提出了“突破射星”計(jì)劃。尤里·米爾納手持“星際薯片”太空探測器的原型，宣布他將為該項(xiàng)目提供1億美元。這大約是啟動項(xiàng)目所需總資金的1%。

人們將用強(qiáng)力的激光瞄準(zhǔn)“太空薯片”飛船的光帆，使它們加速到光速的20%。這些激光的功率高達(dá)100G（1000億）瓦特，相當(dāng)于全英國每天用電高峰時段的總功率。圖片來源：UCSB Experimental Cosmology Group

星際介質(zhì)帶來的危險(xiǎn)

太空幾乎是空的。從我們的太陽系到鄰近的恒星，其中的物質(zhì)是那么少，以至于完全擋不住恒星發(fā)出的光。這就是我們夜里能看見星星的原因。使用威力強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，我們甚至能看到宇宙另一邊的星系。不過，太空畢竟不是完全空的。其中稀疏地分布著原子和塵埃顆粒（兩者統(tǒng)稱“星際介質(zhì)”），還有輻射。它們的數(shù)量相當(dāng)?shù)厣?，通常可以忽略不?jì)。

但是，當(dāng)我們橫穿太空飛行之時，撞上一粒秒速60000千米的塵埃顆粒，滋味可是不好受的。而對于為了通過光帆達(dá)到高速度，因而以盡量輕巧為原則設(shè)計(jì)的厘米級袖珍飛船來說，這種碰撞尤其具有災(zāi)難性。一個由加拿大和美國天文學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)決心研究星際物質(zhì)對飛船的撞擊。畢竟，要是花費(fèi)數(shù)十億美元設(shè)計(jì)和發(fā)射的飛船全部撞毀在路上，那可就慘了。他們的研究結(jié)果以“相對論性飛船與星際介質(zhì)的相互作用”（The interaction of relativistic spacecrafts with the interstellar medium）為題發(fā)表在《天體物理學(xué)期刊》（Astrophysics Journal）上（Hoang et al, 2016）。

星際旅行的風(fēng)險(xiǎn)分析

在論文中，作者黃添（音譯）等人考慮了星際旅途中來自環(huán)境的四種危險(xiǎn)：

1. 輕元素的原子；

2. 重元素的原子；

3. 塵埃顆粒；

4. 星際輻射。

它們各自產(chǎn)生的影響總結(jié)如下。

1.與輕元素的原子相撞

氫與氦是周期表中最輕的兩種元素。宇宙中大約90%的原子是氫，9%是氦。因此，太空探測器將主要與這些原子相撞。幸運(yùn)的是，雖然撞擊時的速度很大，但只要飛船有硬質(zhì)隔熱層保護(hù)，這些原子只會對其造成輕微的損傷。它們會輕微地加熱飛船的前部，但如果沒有保護(hù)的話，還是會對計(jì)算芯片產(chǎn)生傷害。不過從另一方面來看，這其實(shí)也有一定的好處：當(dāng)飛船前部熱而后部冷時，會產(chǎn)生“熱電池”的效應(yīng)，為計(jì)算芯片、傳感器和天線提供額外的能量。

2.與重元素的原子相撞

除氫與氦外的所有原子共占宇宙中原子總數(shù)的1%，其中主要是氧、碳、氮和鐵。盡管它們其實(shí)并不是特別重，但是對于星際旅行來說，這些元素還是要叫作“重元素”。與氫和氦不同，它們會損傷飛船。在這些原子的共同撞擊下，太空探測器在飛往我們附近恒星的旅途中會損失0.1毫米厚的隔熱層。這當(dāng)然不是什么大數(shù)目，但如果我們考慮到探測器在發(fā)射時輕微的增重也會給項(xiàng)目的成本帶來可觀的增加，這就不是微不足道的了。

夜空中的是銀河（左）與黃道光（右），前景是位于智利阿塔卡馬沙漠的甚大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope，VLT）。如果讀者所在的地區(qū)光污染比較小，也許之前也會看到過黃道光。黃道光是彌漫在黃道附近的微弱的橙黃色光，它是由太陽系中的塵埃反射太陽光造成的。這些塵埃大多源于最近一百萬年來的小行星撞擊事件。袖珍飛船在旅途中得避開這些塵埃區(qū)。離開太陽系之后，與塵埃顆粒相撞的概率就幾乎為零了。圖片來源：Gerhard Hudepohl

3. 與塵埃顆粒相撞

星際塵埃顆粒跟我們在家里看見的塵埃有點(diǎn)像，不過要小得多。一粒典型的塵埃包含的原子數(shù)目從幾百個到幾十萬個不等。顯然，我們的太空探測器撞上一個塵埃顆粒造成的傷害，可比撞上單個的原子要大多了。塵埃顆粒撞擊造成的傷害取決于它們的質(zhì)量。與較大的塵埃顆粒高速相撞，會導(dǎo)致一場摧毀整個探測器的小型爆炸。這些較大的顆粒在我們的太陽系中時有出現(xiàn)，而幸好在星際介質(zhì)中極其稀少。撞擊的概率可以通過塵埃在不同地方的密度和飛船旅行的時間來計(jì)算。幸運(yùn)的是，飛船穿過太陽系的旅途極其短暫，而漫長的、穿越星際介質(zhì)的旅程又幾乎沒有塵埃，總的來說，這種爆炸式撞擊發(fā)生的概率非常低，可以安全地忽略。換句話說，塵埃不是大問題。

4.與星際輻射場的相互作用

星際空間充滿了朝著各個方向傳播的輻射。這一鍋“輻射湯”是由各種事件共同“烹調(diào)”而成的：超新星爆炸、恒星爆發(fā)、大爆炸遺跡，等等。這些輻射中的大部分光子是無害的。只有高能的光子才具有破壞性，因?yàn)樗鼈兡軌蚋蓴_甚至摧毀飛船上搭載的計(jì)算芯片。一個導(dǎo)電外殼將能夠保護(hù)飛船免受大部分輻射的傷害，雖然有時候干擾還是難以避免。

如何建造“合格”的飛船？

恒星之間的空間幾乎是空的，星際介質(zhì)對于大型的飛船來說不是什么問題：能夠把宇航員運(yùn)送到其他行星系統(tǒng)去的飛船都有著厚厚的外殼，很容易擋住原子和塵埃顆粒的撞擊。但是，對于“突破射星”提出的厘米級袖珍太空探測器來說，如上所述，塵埃、原子和輻射都將成為很大的問題。

黃添等人給出了一些保護(hù)探測器平安到達(dá)目的地的辦法。安裝保護(hù)殼的效果最好。根據(jù)他們的計(jì)算，用耐沖擊的材料制成的保護(hù)殼，厚度只要1毫米就夠了。研究者比較了不同材料在強(qiáng)烈撞擊下所受影響的各種試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石墨最適于制作保護(hù)殼。

飛船的設(shè)計(jì)也很重要，尤其是它的橫截面，也就是面對原子與塵埃撞擊的表面面積。把飛船設(shè)計(jì)成針形是有利的，因?yàn)檫@樣一來，面對原子和塵埃沖擊的只有針尖的一點(diǎn)。為了減少撞擊的次數(shù)，太陽帆在旅途中也必須折疊起來。

除了使用保護(hù)殼以外，理論上講還有一種保護(hù)飛船的可能手段，那就是避免撞擊。盡管現(xiàn)在這還只能說是科學(xué)幻想，不過研究者提到了實(shí)現(xiàn)它的幾種可能機(jī)制。通過隨時調(diào)整行進(jìn)路線來避免撞擊是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@將消耗太多的能量。另一個辦法是用激光束摧毀塵埃顆粒?；蛘咭部梢圆淮輾В怯眉す馐崎_那些塵埃，這樣做恐怕更便宜也更現(xiàn)實(shí)一些。另外，鑒于很多星際顆粒是帶電荷的，通過在飛船上產(chǎn)生一個電場或者磁場，使這些顆粒的運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，也是可行的。依我看，這些想法都很好，不過相比之下，還是造一個稍微厚些的保護(hù)殼要更簡單、便宜，也更可靠得多。

藝術(shù)家繪制的“太空薯片”太空探測器想象圖?！巴黄粕湫恰庇?jì)劃旨在向太空中發(fā)射數(shù)千艘這樣的袖珍探測器。圖中顯示了展開的光帆，飛船正是憑借它達(dá)到0.2倍光速的。飛船的主體只有大約一厘米大小，在本圖中很難分辨出來。圖片來源：BREAKTROUGH STARSHOT Initiative

到達(dá)鄰近恒星的旅途只需要幾十年時間，因此它們將是“突破射星”計(jì)劃最好的目標(biāo)。天文學(xué)家對南門二（半人馬α）三星系統(tǒng)中的三顆恒星（南門二A、南門二B和比鄰星）尤其有興趣，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道，其中后兩顆星具有行星系統(tǒng)。來源：Wikipedia

這樣的想法有人提出過嗎？

“突破射星”計(jì)劃提出了用袖珍太空探測器探索銀河系的卓越方案。盡管現(xiàn)有的技術(shù)可能還不足以很快就發(fā)射這樣的探測器，但也許50年，或者100年之內(nèi)，我們就能發(fā)射它們了。通過這種方法，我們（或者說，至少我們在飛船上搭載的微型計(jì)算機(jī)）在幾十年之內(nèi)就能到達(dá)那些鄰近的恒星。而銀河系的直徑大約10萬光年，因此，我們的探測器（以0.2倍光速飛行）將能夠在幾百萬年之內(nèi)飛抵銀河系千億顆恒星中的幾乎每一顆。

當(dāng)然，幾百萬年對于人類，乃至對于一個可能的（外星）文明來說，都是極其漫長的。不過，比起行星、恒星和星系的壽命來，它只是短暫的一瞬，幾乎等于零。這不禁引發(fā)了我的好奇：會不會銀河系中的某個文明在十億年前就已經(jīng)有過了這樣的想法？又或者，會不會在很久以前某個地外文明（或很多不同的地外文明）就提出了相同的方案？如果答案是肯定的話，那么他們的袖珍太空探測器應(yīng)當(dāng)在很久之前就到達(dá)我們的地球了。而且這些地外文明的探測器應(yīng)當(dāng)還在不斷到達(dá)地球，并且仍然在向它們的母行星發(fā)射無線電聯(lián)絡(luò)信號。

然而，我們迄今還沒有發(fā)現(xiàn)任何這類地外文明的探測器的證據(jù)，也沒有在外太空發(fā)現(xiàn)任何聯(lián)絡(luò)信號。這意味著什么？發(fā)射大量袖珍太空探測器到其他恒星是不可能的嗎？“突破射星”的命運(yùn)已經(jīng)注定了？還是說我們是銀河系中第一個提出這種方案的？抑或我們是宇宙中唯一的智慧文明？地外文明有意避開了地球嗎？又或許，只是我們找得不夠努力？我不知道答案。各位讀者，你們怎么看呢？

（責(zé)任編輯 馮翀）