魏然

當(dāng)看見(jiàn)璀璨的星艦出現(xiàn)在《阿凡達(dá)》《星球大戰(zhàn)》等科幻電影里，你也許會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)——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(yáng)探測(cè)器“帕克號(hào)”是人類現(xiàn)有航天器中的速度冠軍。借助太陽(yáng)引力，“帕克號(hào)”的極限速度可達(dá)每秒兩百千米，約相當(dāng)于光速的萬(wàn)分之六。正在應(yīng)用中不斷發(fā)展的離子推進(jìn)器也能讓飛船達(dá)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(yuǎn)。迄今為止，光帆可能是解決這個(gè)問(wèn)題的唯一答案。

“光壓的發(fā)現(xiàn)”

彗星接近太陽(yáng)時(shí)，會(huì)在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的方向出現(xiàn)長(zhǎng)長(zhǎng)的彗尾。而早在四百多年前，天文學(xué)家開(kāi)普勒就注意到了這個(gè)現(xiàn)象，他認(rèn)為彗星是被太陽(yáng)光的壓力“推動(dòng)”，才產(chǎn)生這樣一條尾巴的。后來(lái)，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(guò)你所在的屋子面積上所受到的太陽(yáng)光光壓總和。開(kāi)普勒之后，科學(xué)家努力了近三百年，才排除萬(wàn)難設(shè)計(jì)出相關(guān)實(shí)驗(yàn)，成功測(cè)得了光壓的數(shù)值。對(duì)光壓進(jìn)行精確計(jì)算，也只是近幾十年的事。光壓對(duì)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(duì)光壓造成的衛(wèi)星位置偏移進(jìn)行修正。

走進(jìn)現(xiàn)實(shí)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(lái)推動(dòng)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(dòng)，飛船質(zhì)量就得盡可能小。于是，最終設(shè)計(jì)出的飛船就成了船帆的形狀——面積超大且質(zhì)量很小——這就是“光帆”的由來(lái)。阿瑟·克拉克的科幻小說(shuō)《太陽(yáng)帆船》，就描述了在宇宙空間進(jìn)行光帆競(jìng)速比賽的場(chǎng)景。

太空中沒(méi)有阻力，也沒(méi)有遮擋，因此光帆可以一直被加速。盡管離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，陽(yáng)光越弱，光壓也相應(yīng)減小，但采用激光照射等方式，可以為之“補(bǔ)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(cè)器“新視野號(hào)”的十年征途，從地球直達(dá)冥王星，并在幾十年內(nèi)抵達(dá)另一個(gè)恒星系。

很難說(shuō)現(xiàn)實(shí)和科幻哪個(gè)更快到來(lái)。2004年，攜帶光帆的飛船真的上天了，由日本研制的兩片太陽(yáng)帆在距地面一百多千米的高空成功展開(kāi)。2010年，奔赴金星的“伊卡洛斯號(hào)”在距地球七百七十萬(wàn)千米處展開(kāi)太陽(yáng)帆，將光壓作為動(dòng)力的一部分，成為第一艘名副其實(shí)的光帆飛船。2019年，“光帆2號(hào)”成為地球軌道上第一個(gè)完全由光帆驅(qū)動(dòng)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(jì)劃”①，終究更近了一步。

①在“階梯計(jì)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(qiáng)光增加推力，將光帆加速到光速的百分之一。

“突破攝星”計(jì)劃

2016年，物理學(xué)家霍金等人發(fā)起的“突破攝星”計(jì)劃，讓光帆進(jìn)入了大眾視野。這個(gè)計(jì)劃希望在科學(xué)家的有生之年，能夠?qū)⑽⑿秃教炱靼l(fā)射到其他恒星世界，并在飛掠時(shí)拍攝照片發(fā)回地球。計(jì)劃中以激光推進(jìn)的光帆的設(shè)計(jì)速度甚至比“階梯計(jì)劃”還要快得多，預(yù)計(jì)達(dá)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(yùn)送的重量也少了很多，設(shè)計(jì)中的一種四米見(jiàn)方的光帆只能帶動(dòng)幾克的有效載荷。上千個(gè)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(méi)關(guān)系，只要有一個(gè)最終抵達(dá)，計(jì)劃就成功了。

“ 突破攝星”計(jì)劃尚面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)、電源、觀測(cè)設(shè)備和通信設(shè)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(jiān)韌，甚至在厚度只有若干個(gè)原子時(shí)也能保持一定強(qiáng)度，一種碳薄膜目前最有希望；與地球的通信將成為大問(wèn)題，也許可以先后發(fā)射若干組光帆，采用逐個(gè)發(fā)射與接收信號(hào)的形式接力進(jìn)行。至于望遠(yuǎn)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(zhǔn)的形狀調(diào)節(jié)，利用光帆的表面完成。每一個(gè)難關(guān)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(dá)異星世界。

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

[ 責(zé)任編輯：楊競(jìng)]