驶向半人马座

苗千

剑桥大学的理论物理学家史蒂芬·霍金每一次出现在公众的视野之中总会展现出令人吃惊的影响力。

2016年4月12日霍金教授开通了新浪微博，在短短5天的时间里，他只发布了两条微博就吸引了320多万“粉丝”的关注。在第一条微博象征性的问候之后，语不惊人死不休的霍金教授在纽约发出了第二条微博，公布了一个堪称突破人类想象力的“突破摄星”（Breakthrough Starshot）计划。这个计划一经发布立刻在全世界引发了极大的关注，人们的反应中有好奇，有质疑，有激动，也有嘲笑，大多数的科学家更倾向于认为这个计划近乎幻想——这种反应或许早在霍金的意料之中，毕竟突破摄星计划的目标是从地球发射飞船，驶向距离太阳系4光年之外的半人马座。

“突破摄星”计划的董事会除了理论物理学家霍金之外，还有俄罗斯投资人、互联网大亨尤里·米尔纳（Yuri Milner），以及Facebook网站的CEO马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）。但是这个计划显然不只是富商的一掷千金和理论物理学家的狂想结合而已，美国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）将担任“突破摄星”计划的项目主管，哈佛大学的天文学家阿维·勒布（Avi Loeb），英国天文学家马丁·里斯（Martin Rees），诺贝尔物理学奖得主、天文学家索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter），物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）等一众知名科学家和工程师都将是这个项目的顾问。

“突破摄星”计划可能确实算得上是科幻和科学相结合的产物。米尔纳自称他从小就是科幻作家阿西莫夫和卡尔·萨根的忠实读者，他在莫斯科国立大学读书时学习的也是物理学专业，而他的名字“尤里”（Yuri）则来自人类第一个进入太空的苏联宇航员尤里·加加林（Yuri Gagarin），就连他们在纽约自由塔宣布“突破摄星”计划的日期也经过了精心挑选，正是人类首次进入太空55周年纪念日。

“突破摄星”计划之所以引起如此之大的反响，除了霍金的名气之外，也因为这可能是人类第一个不只是纸上谈兵的“星际旅行计划”（除了一些概念之外，2012年美国国防高等研究计划署的星际旅行研究项目只有100万美元的研究资金），而且这个计划与人类目前在太空探测领域已经取得的成就相比又实在是太过宏伟。除了地球之外，至今为止人类只登上过地球唯一的卫星月球，人类发射的探测机器人也只到达了火星。除此之外，一些飞行器只是在掠过时拍到太阳系内部一些行星的照片——这些成就与从地球发送飞行器到达4光年之外的半人马座的宏伟目标相比简直不值一提。

飞行器的速度和航行时间将是最大的问题。以目前人类飞行器的速度想要跨越太阳系和半人马座之间4光年多的距离，计算得出的时间将会是一个真正的天文数字。目前人类最快的飞行器是于2006年发射的“新视野号”（New Horizon），相对于地球的运行速度达到每秒16公里以上，每天航行的距离超过百万公里，即使如此它也花费了9年时间才从地球到达太阳系边缘的冥王星并最终发回照片——以这样的速度前进，它需要3万年的时间才能到达半人马座，人类显然没有这样的耐心。

霍金和米尔纳为“突破摄星”计划所规划的从地球到半人马座的旅行时间是20年。这样的计划，从一开始，就需要几乎疯狂的想法和巨大的财富来支持。米尔纳宣布“突破摄星”计划的第一步投资为1亿美元，目标是设计出一个飞行器原型。而当进入到实际运作阶段之后，这个计划可能会花费千亿级美元的资金。

用20年的时间航行超过4光年的距离，飞行器需要达到光速的20%。要达到这样的速度，飞行器必须尽可能地减轻重量。计划中的“纳米飞行器”（Nanocraft）只有几克的质量，而在这样的一个飞行器中，需要集成有电源，200万像素的照相机，用于导航的光子推进器，和用于通讯的雷达——人类目前的电子技术还无法实现这样的目标，需要在未来十几年的时间里，电子学的“摩尔定律”（Moores Law）仍然有效，电子器件的尺寸继续不断地缩小。

更大的困难来自动力。如何为只有几克质量的纳米飞行器提供动力，科学家们想象过通过正反物质发生湮灭提供动力，或是通过可控核聚变产生动力的发动机，但是这些技术都远超目前人类的科学水平，无法实现。目前想象中的纳米飞行器，依靠“光帆”（light sail）反射激光，利用激光的推力来进行加速。想象中的光帆打开时面积有几平方米，可以反射99.999%的入射光（这一点尤其重要，如果光帆吸收过多的入射光，整个飞行器将会在瞬间蒸发），因此纳米飞行器有可能像是一个闪亮的圆盘。提供能量的光帆同样需要尽可能的轻薄，理想的光帆将只有100个原子的厚度，这也需要人类在近期能够研制出满足这种性质的神奇材料。正是依赖强大的激光打在太空中纳米飞行器张开的光帆上产生动力，在理论上纳米飞行器可以在两分钟的加速过程中速度达到惊人的光速的20%，在这期间它所经受的重力相当于地球重力的6万倍，最终达到每秒6万公里的速度向半人马座进发。以这样的速度，纳米飞行器只要不到一个小时就会掠过火星，一天时间就可以到达冥王星，完成“新视野号”花了9年才完成的旅程。光帆概念早在上个世纪60年代就已经诞生，加州大学圣巴巴拉分校的物理学家菲利普·鲁宾（Philip Lubin）在美国航空航天局的资助下正在进行迷你光帆的研究，他也将是“突破摄星”计划的工程师之一。

在“突破摄星”计划中最为重要的，就是射向纳米飞行器，为星际旅行真正提供动力的激光束，它将来自地球。根据对于激光束的实际要求，有可能选择在南半球海拔较高、空气湿度较低的智利阿他加马沙漠地区建立一个激光器阵列，这个阵列由上百个可以相互配合的激光发射器组成，功率将会达到惊人的1000亿瓦特。这样功率的激光器阵列所消耗的能量足以耗尽一个发电站（因此还需要在附近建设一个发电站），而这样的激光器阵列也足以成为真正危险的武器，它可以摧毁地球轨道上的卫星或是击落空中的飞机。即使不考虑外交和安全问题，要建成上述计划所需要的激光器阵列目前大概需要1000亿美元的投资（但好消息是激光器的价格下降很快——在10年前价格还是现在的100倍）。

米尔纳设想，当地面上的激光发射阵列建设完成，纳米飞行器也研究成功，将会先发射一艘“母舰”，上面载有几百个纳米飞行器（每个纳米飞行器的造价将会低于目前的iPhone手机）。在地球轨道上，母舰每天释放一个纳米飞行器，这个纳米飞行器利用光子推进器进行定位，随后由地面上的激光阵列同时对其进行加速，在两分钟之内达到光速的20%，向半人马座进发。母舰可以在一年内持续每天释放一个飞行器，数百个纳米飞行器将前赴后继地向着一个目标进发。纳米飞行器极其复杂轻薄，在太空中与任何的小行星，冰碴甚至是宇宙尘埃相撞都将对它造成致命的损伤，旅途艰险。但是这数百个飞行器哪怕只有几个到达目的地，也将是人类历史的一大进步。

假设有纳米飞行器最终真正可以到达半人马座，它将对准半人马座三颗恒星中的两颗与太阳更加接近的恒星（Alpha Centauri A和Alpha Centauri B）的适合居住的区域（habitable zone）进行观察，在这个区域距离恒星不算太远也不太近，如果在这个区域存在行星，行星表面将有可能存在对人类生存至关重要的液态水。因为纳米飞行器没有减速装置，它将在拍照并发回地球之后继续向宇宙深处航行。问题在于，半人马座的恒星是否真的有行星存在？尽管目前宇宙学家们认为银河系中大多数恒星周围都有行星存在，但是这两颗恒星的距离太近，没法取得清晰图像，人类还没有发现属于这两颗恒星的行星。有人认为，这两颗恒星之间的距离太近，营造出了一个不稳定的引力环境，不利于行星产生。

另一个问题在于，即使纳米飞行器到达半人马座，即使它在适合居住的地带发现了行星并且拍照，它又怎么样把数据跨越4光年的距离，用4年多的时间再传送回地球？人类还从来没有过这样的通讯经验。米尔纳希望纳米飞行器所携带的激光器发射回信号，但是这样的信号将极端微弱，极有可能被各种信号，包括宇宙微波背景辐射所干扰，而轻易地消失在宇宙空间。

目前“突破摄星”计划的科学家们已经总结了20个主要问题需要克服。毫无疑问的是，当计划正式开始实施时，他们将面对更多的困难以及无穷无尽的资金问题。人类至今为止还没有过任何星际旅行的经验可以供“突破摄星”计划的科学家们借鉴，而另一方面，人类也没有任何进行星际旅行失败的教训令人感到恐惧。这样一个极端大胆甚至是堪称疯狂的计划，即使不能一次成功，也可能为人类未来的科学研究提供很多机会和灵感。

“突破摄星”计划算得上是科学与幻想的结合。人们在期待之余，或许能够感受到些许的浪漫，正如那首诗中写的：

如果可以

请把眼前的一束月光

折叠成一张窄窄的船票

让我乘着上一艘慢船去巴黎