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人类史上第一次,我们将能触碰群星

环球科技观光团 发表于  2016-04-13 13:22

1610年,开普勒在给伽利略的信中说,“倘若船和帆能够捕捉天庭的微风,必将有人勇敢地踏入那片虚无。”

1864年,麦克斯韦从理论证明光具有动量,因此可以对物体施加推力。

1899年,列别捷夫成功地实验观察到了光压。

1976年,第一个光帆设计在JPL成型。

2010年,第一个实用光帆航天器升空。

现在已经2016年,是时候了。

在尤里加加林成为第一位进入太空的人类后55年,霍金和俄罗斯亿万富翁尤里•米尔纳——他的名字便得自加加林——启动了“突破摄星”计划。“突破摄星”计划是一项投资达一亿美元的研究与工程计划,旨在为最终的星际航程奠定基础。计划第一步是研发能达到相对论速度的光驱动“纳米飞行器”——航行速度最高可达光速的20%。在这样的高速下,探测器能在3天到达冥王星,发射后仅仅20年就能到达离我们最近的星系,4.37光年外的半人马α星(南门二)。计划预计总共耗资50到100亿美元,米尔纳投资的一亿美元都将用于研发。

半人马α星是距离我们最近的恒星系统。图片来源:ESA/Hubble/NASA

“在人类史上第一次,我们所能做的不只是仰望星空,”米尔纳说。“现在,我们能真正登上群星。”

“星芯片”的原型。图片来源:gizmodo

比燃烧更快,比阳光更明亮

把你的手伸向太阳,你会感觉到阳光的温度。但是除了温度,还有压力——每秒钟1000亿亿个太阳的光子打在你手心,所产生的压力不过0.0000001牛顿。它太过微小,几十亿年来都不曾被任何生物察觉——直到过去两百年间现代科学的诞生。

而与此同时,人类也创造出了远比阳光更加明亮的光源。已知最强的激光束LFEX的峰值功率可达2千万亿瓦,虽然这功率只相当于全中国接收到的阳光功率总和,但它是集中在了头发丝粗细的空间中。

2010年,IKAROS探测器作为第一个实用的光帆航天器而升空,并成功抵达了金星。它所使用的是太阳的动力。但是对于星际探测,阳光依然太过微弱了。因此,这回的突破摄星计划采用更加极端的手段:在地面架设强力激光器,用激光推动光帆。

理想情况下激光能够平行延伸到无限远。实际上人类工程技术不可能实现完美的平行,计划中有效的加速距离只有200万千米(地月平均距离的五倍)。然而,这一计划将采用的激光器预计输出功率为1000亿瓦。这一光束照射在4米乘4米的极薄光帆上,能为质量仅几克的航天器施加数万倍重力加速度,在这段距离内加速到光速的五分之一,所需时间仅1分钟多点。而这一过程消耗的能量,与发射一艘航天飞机所消耗的能量相当。

小而高速,像光子一样

突破摄星计划将使用常规火箭一次发射上千个这样的探测器,使其进入地球轨道。每个探测器除了光帆之外,还带有“星芯片”:一种质量仅为克级的晶片,携带有摄影机、光子推进装置、动力系统、导航和通讯设备。然后,探测器将会在轨道上张开光帆,一组高能激光会依次为探测器加速,每个加速时间不超过几分钟;但出于冷却和维护等需求,大约每一到两天才会进行一次加速任务。每个探测器都装备有研究行星或小行星的传感器,数据将会通过探测器携带的激光发回地球。

支飞行器组成的舰队将半人马座α星(南门二)发射,从而多次像新视野号一样飞临我们或许适宜人类居住的近邻。这段旅程预计需要20年;相比之下,旅行者号如果是朝着南门二的方向前进,也需要70000年才能抵达。

突破摄星计划中光帆的构想图。图片来源:gizmodo

米尔纳相信,我们能在一代人之内发射第一艘纳米飞行器。“突破摄星计划的概念都来自已经存在的技术,或者很可能在不久的将来成为可能的技术。”米尔纳说,“但就和任何星际探索项目一样,我们面前还有重大的挑战有待解决。”

的确,突破摄星计划面临着来自激光、材料和通讯等领域的许多挑战。怎样建造能将小载荷发射出地球的激光阵列?怎样穿越星际距离,将数据传回给我们? 因此,米尔纳正在征求国际科学界的帮助。

突破摄星计划的联合赞助人之一,哈佛大学天体物理中心主席阿维•勒布(Avi Loeb)表示:“突破摄星计划的确野心勃勃,但并没有任何背离基本科学原理的地方。”

勒布补充道,在到达半人马座阿尔法星之前,装备有先进科学设备的纳米飞行器舰队就可以先在太阳系内收集到大量的信息。举例来说,舰队可以飞越土卫二南极的热泉,在异星的海洋中寻找生命的迹象——天体生物学家对此已经期盼多年了。

不要去嘲笑,去证明吧

如果这一计划能够按照预期进度实现,那么我们将用20年的时间完善所有技术并发射成功,用20年时间等待它们完成前往南门二的漫漫长途,再用4年时间等待它们将数据发回地球。等到这个项目最终完成目标,它的发起人恐怕都已经不在人世了。

但是阿瑟·克拉克——太阳帆的主要倡导者之一——早就说过:“在所有人都不再嘲笑它的五十年之后,它就会实现。”这句话说的是太空天梯,但也同样适用于我们眼下的场景。

1963年,在小说《太阳帆船》中,他讲述了太阳帆创始人的最后航行。老年约翰·莫顿的最后一次太阳帆船赛中,突如其来的太阳风暴令他不得不在即将抵达月球时弃船,但是在离开前他最后一次调整了自己小船的航线,让它可以永远前进下去。“他将永远不能赢得前往月球的赛程了,但是他的船将在人类所有的船只中,第一艘踏上通向群星的漫漫旅程。”

一万年前,波利尼西亚人的第一艘小圆舟踏上了太平洋的旅程;一千年前,红发埃里克的维京战船横跨了大西洋。从四百年前开普勒所想象的航行直到今天的计划,只是20万年来智人探索的自然延伸。这一计划十分疯狂,谁也不能担保它的成功;但必定成功的探索,也不能称之为探索了。

正如霍金所说:“什么是让人类独一无二的品质?在我看来,超越极限是我们独有的品质。今天,我们迈出了驶向宇宙的又一大步,因为我们是人类,我们的本质就是飞翔。”(编辑:Stellasun)

热门评论

  • 2016-04-13 13:28 Topp 天文研究生,摄影爱好者

    [120] 评论
  • 2016-04-13 14:13 猫的本体是大叔

    接下来准备送人脑了么?

    [27] 评论
  • 2016-04-13 13:57 毛骡 金属材料学博士

    核心问题没一个解决了的样子……

    第一激光器建在哪里?如何供能。如果建在地球上,这动力维持不了半天就没了。建在拉格朗日点估计能好点。

    第二是,这小东西怎么往回传信息?用上面的纳米电池,发出二极管那样的光亮……地球上的人打算用多大的天线锅接收?或者打算使用量子纠缠技术?如果探测器降落到某个有生命的星球上,一旦观测到了,就塌缩了,然后地球就知道了。问题是地球这边啥时候知道量子塌缩了呢?

    最后,光帆好酷。不过不打算试试太阳光吗?加速是慢点,但是持久啊。

    PS:想起高达的某部番外了。

    [11] 评论

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全部评论(116)
  • 1楼
    2016-04-13 13:28 Topp 天文研究生,摄影爱好者

    [120] 评论
  • 2楼
    2016-04-13 13:30 石黑曜
    引用文章内容:“突破摄星计划的概念都来自已经存在的技术,或者很可能在不久的将来成为可能的技术。”

    然后把尚且处在美妙恒纪元的三体人统统吓尿了

    [8] 评论
  • 3楼
    2016-04-13 13:43 干细胞超人

    好久没有评论过果壳的文章了

    [0] 评论
  • 4楼
    2016-04-13 13:57 毛骡 金属材料学博士

    核心问题没一个解决了的样子……

    第一激光器建在哪里?如何供能。如果建在地球上,这动力维持不了半天就没了。建在拉格朗日点估计能好点。

    第二是,这小东西怎么往回传信息?用上面的纳米电池,发出二极管那样的光亮……地球上的人打算用多大的天线锅接收?或者打算使用量子纠缠技术?如果探测器降落到某个有生命的星球上,一旦观测到了,就塌缩了,然后地球就知道了。问题是地球这边啥时候知道量子塌缩了呢?

    最后,光帆好酷。不过不打算试试太阳光吗?加速是慢点,但是持久啊。

    PS:想起高达的某部番外了。

    [11] 评论
  • 5楼
    2016-04-13 14:13 猫的本体是大叔

    接下来准备送人脑了么?

    [27] 评论
  • 6楼
    2016-04-13 14:21 蓑雨吟

    回首人类历史,2016年拉开了人类灭亡的序幕。

    来自 煮熟的壳
    [7] 评论
  • 7楼
    2016-04-13 14:43 xyuzhang

    信息回传这个难度略大啊。。。还有真空中的各种射线,低温,很快就会废了这个探测器吧

    [0] 评论
  • 8楼
    2016-04-13 14:52 zzzhu

    所以这是为了把旅行者号追回来吗?

    [4] 评论
  • 9楼
    2016-04-13 15:18 病毒否

    到了半人马怎么减速啊

    [0] 评论
  • 10楼
    2016-04-13 15:25 HOHO不是我

    怎么减速?

    [0] 评论
  • 11楼
    2016-04-13 15:26 HOHO不是我
    引用@病毒否 的话:到了半人马怎么减速啊

    想一块去了……

    [0] 评论
  • 12楼
    2016-04-13 15:28 天降龙虾
    引用文章内容:因为我们是人类,我们的本质就是飞翔。

    鸟类、昆虫以及蝙蝠等动物们一致表示:狂妄是种病,得治。。。。。

    [2] 评论
  • 13楼
    2016-04-13 15:30 天降龙虾
    引用@病毒否 的话:到了半人马怎么减速啊
    引用@HOHO不是我 的话:怎么减速?

    只是飞掠而过,不用减速。。。。。如果发现探测器自动减速了,请祝福遇上的是ET,而非外星大魔王。。。。。

    [2] 评论
  • 14楼
    2016-04-13 15:32 病毒否
    引用@天降龙虾 的话:只是飞掠而过,不用减速。。。。。如果发现探测器自动减速了,请祝福遇上的是ET,而非外星大魔王。。。。。

    这么快的速度掠过,那只能远距离观察了

    [0] 评论
  • 15楼
    2016-04-13 15:36 天降龙虾
    引用@病毒否 的话:这么快的速度掠过,那只能远距离观察了

    是啊,用的是给冥王星拍照一样的思路。。。。不过这种微型探测器好像是一串儿,多少弥补一点速度太快造成的问题吧。。。。

    [0] 评论
  • 16楼
    2016-04-13 16:06 薛定谔的大黑喵

    按照这个节奏我们还可以想办法封死三体人的科技树并且培养三体地球组织(TEO),除非三体人的奸诈狡猾远在地球人之上,地球人类将永远征服三体世界= =哦,对了,这次的工作量有点大,得锁住三颗太阳。。。

    [9] 评论
  • 17楼
    2016-04-13 16:18 小小科技控
    引用@毛骡 的话:核心问题没一个解决了的样子……第一激光器建在哪里?如何供能。...

    即使是每天加速半天也没关系啊…毕竟加速效果是累加的…又不是加不到最高速第二天就得重新来

    真的技术瓶颈应该是信号怎么传回,几克重的小东西怎么才能让电磁波传递四光年后还能被识别


    [3] 评论
  • 18楼
    2016-04-13 16:21 cccp

    “史蒂芬·霍金捅出大娄子那天,尤里·米尔纳刚好在场。”

    [11] 评论
  • 19楼
    2016-04-13 16:45 sh1044shaw

    明亡于万历,人亡于2016。虽然不这么认为。

    [1] 评论
  • 20楼
    2016-04-13 16:53 索拉
    引用@Topp 的话:

    细思极恐啊

    [0] 评论
  • 21楼
    2016-04-13 17:22 呆鸡先生

    保存在读


    [0] 评论
  • 22楼
    2016-04-13 17:28 xyuzhang
    引用@病毒否 的话:到了半人马怎么减速啊
    引用@HOHO不是我 的话:怎么减速?
    引用@天降龙虾 的话:是啊,用的是给冥王星拍照一样的思路。。。。不过这种微型探测器好像是一串儿,多少弥补一点速度太快造成的问题吧。。。。

    减速简单啊,再张开太阳帆利用半人马座的主星光压减速就好了

    [0] 评论
  • 23楼
    2016-04-13 17:31 无视重力

    大神计算一下 发射后第几年能追上旅行者

    [0] 评论
  • 24楼
    2016-04-13 18:14 吾饿不坐

    不知道要让信号传播4光年后还能被清晰的接收需要多大功率呢?


    [0] 评论
  • 25楼
    2016-04-13 18:17 DCC
    引用@Topp 的话:

    bnuer?

    [0] 评论
  • 26楼
    2016-04-13 18:20 薛定谔的大黑喵
    引用@吾饿不坐 的话:不知道要让信号传播4光年后还能被清晰的接收需要多大功率呢?

    估计不能用电磁波

    [0] 评论
  • 27楼
    2016-04-13 18:23 Topp 天文研究生,摄影爱好者
    引用@DCC 的话:bnuer?

    毕业好多年了……

    [0] 评论
  • 28楼
    2016-04-13 18:33 风暴之灵007
    引用@毛骡 的话:核心问题没一个解决了的样子……第一激光器建在哪里?如何供能。...

    仔细看文章“加速时间仅需要一分多钟”,根本不需要半天。但是回传信息的确是个问题啊

    [2] 评论
  • 29楼
    2016-04-13 19:29 Noctambulator

    这么大功率的激光不会直接把探测器蒸发了吗

    [2] 评论
  • 30楼
    2016-04-13 22:07 Chemiholic
    发射后仅仅20年就能到达离我们最近的星系

    “星系”,应该是“恒星”

    [0] 评论

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