撰文 | 王昱
審校 | 白德凡
當前人類尚不能直接給航天器提升多少速度，只能追求用儘可能少的燃料，儘量高效地改變航天器的軌道，最終還是要靠引力決定的軌道進行星際航行。而相應的代價就是，想要抵達哪個天體，需要的時間往往和這個天體的軌道周期正相關。比如想要抵達軌道周期1個月的月球，可能需要飛行3天左右的時間，但想要飛到軌道周期23個月（687天）的火星，航行時間就可能長達200多天。
在太陽系內的旅行尚且如此，星際旅行就更難以讓人想象。註定將會飛出太陽系的新視野號在2006年發射，2015年才抵達冥王星。過長的時間帶來的變數太大，它發射時的使命是探索當時的太陽系第九大行星冥王星。但當它抵達目的地時，冥王星卻已經不再算得上一顆行星了。
1977年發射的旅行者1號，更是花了足足35年才飛出太陽系。到現在，飛行了將近45年，距離地球21.5光時（光走過21.5小時的距離）的旅行者1號是距離人類最遠的人造物體。但是距離地球最近的恆星——比鄰星，和我們的距離也有足足4.22光年。劉慈欣在《三體》中描寫的三體人就位於那個星系，但就算是三體人製造的水滴，想要從那裡抵達太陽系，也要花上足足200年的時間——顯然，這比任何人的壽命都要長。
但只要宇宙飛船自帶了燃料，就會有一部分燃料不可避免的被用來給剩餘的燃料加速。那我們能否額外給航天器提供燃料呢？
太陽帆就是這樣的航天器。我們都知道，光具有粒子性，光子是帶有動量的。所以，太陽系內陽光所及之處，都被太陽施加了一個推力。如果我們張開一張很大的反光膜，就能「白嫖」太陽光子的動量給航天器加速。實際上，已經有人這樣做了。2019年6月25日，獵鷹重型火箭搭載LightSail 2發射升空，這個航天器在當年7月23日展開了自己的太陽帆。儘管在部署之後，LightSail 2由於配平等原因隨機翻滾了很久，但團隊最終還是讓它按計劃工作了起來。最終，他們成功測到了LightSail 2被陽光推動的證據。
LightSail 2示意圖，它可以從陽光獲得0.058mm/s²的加速度。圖片來源：The Planetary Society
不過，陽光的力量還是太微弱了。這樣微弱的力別說用來做星際航行，它連700千米高空的空氣阻力都無法克服。根據研究團隊自己公開的數據，LightSail 2無法長期維持自己的軌道高度，隨着軌道一點點降低，它大概會墜落到地球大氣層中。
根據巴加廷團隊的模擬，這張直徑3米左右的光帆，能搭載一枚芯片大小的探測器，加速到光速的20%左右。雖然荷載只有一枚芯片，聽起來比《三體》中「只送大腦」的「階梯計劃」還要寒磣。不過一想到速度能達到0.2倍光速，比三體人的水滴還要快，似乎也不難接受了。
激光強度不同時，光帆加速距離和溫度的模擬。圖片來源：Nano Lett. 2022, 22, 1, 90–96
這個科幻般的場景是俄國富豪尤里·米爾納突破倡議（Breakthrough Initiatives）的一個子項目所要達成的目標，項目名為突破攝星（Breakthrough Starshot）。2016年，史蒂芬·霍金和尤里·米爾納曾一起宣布該項目正式啟動。他們的目的就是建造能20年內抵達比鄰星的探測器，因為它是距離我們最近的恆星。
不過，除了距離上的原因外，比鄰星的確處在一個很有趣的系統裡面。就像在《三體》里寫的一樣，比鄰星處在一個三星系統中，並且它有一顆名為比鄰星b的行星。比鄰星b距離比鄰星很近，比鄰星的恆星活動還非常劇烈。比鄰星b整顆行星就很容易被比鄰星的耀斑烤焦。澳大利亞帕克斯望遠鏡甚至還宣稱在突破聆聽（Breakthrough listen）計劃中收到過來自比鄰星的神秘射電信號，不過這後來被證明是干擾。
當然，這樣的激光光帆要承受的能量是太陽光帆的數百萬倍。如果不做好光帆的散熱，那為光帆提供動力的激光源就妥妥變成了一個激光武器，而光帆就會像那個被核彈轟擊的井蓋一樣，瞬間被摧毀。
這就是加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）副教授阿斯瓦特·拉曼（Aaswath Raman）團隊考慮的事情。在發表於《納米快報》的一篇論文中，研究團隊提出了一種「光子晶體設計」的方案。他們認為，光帆必須由許多較小的織物組成，織物的排列必須和廣泛熱輻射的波長相匹配。而對於單塊織物，其上還必須均勻分布着和入射激光波長相匹配的孔洞。這樣，光帆就能在獲得足夠動量的同時，還能充分散熱，避免熔化、解體。團隊成員表示，他們未來將小規模製造這樣的結構，並用高功率激光驗證設計的可行性。
不過，所有人都表示，想要真的實現實用的、能達到20%光速並運送一顆芯片的光帆，可能還需要幾十年的時間。不過至少，已經有人證明，激光光帆在原理上是可行的。巴加廷教授表示：「幾年前，就算是做一些理論上的工作都被認為是不着邊際。現在，我們不僅有了設計方案，並且所用的材料還是在實驗室中實際可用的材料。」
其實，對於星際旅行技術的發展倒也不必非常悲觀。畢竟在1903年，你問剛剛實現動力受控飛行的萊特兄弟，讓他們暢想未來。恐怕他們怎麼也不會想到，僅僅60多年後，阿姆斯特朗就在月球上踩下了人類的一大步。人類登月到現在的50多年間，雖然人類在航天技術上的進展雖然看起來沒有冷戰期間那般瘋狂，但從整體上看，科學從未停下它前進的腳步。
從這個角度來看，星際旅行、激光光帆、20%光速、20年抵達比鄰星，這些充滿科幻色彩的名詞，似乎也不那麼遙遠了。
https://voyager.jpl.nasa.gov
https://www.planetary.org/sci-tech/lightsail
https://secure.planetary.org/site/SPageNavigator/mission_control.html
https://www.eurekalert.org/news-releases/943728
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03272
https://en.wikipedia.org/wiki/Operation_Plumbbob
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03273
http://www.xinhuanet.com/techpro/2021-04/30/c_1127394313.htm
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