光帆宇宙飞船的艺术想象图，飞船的光帆被来自地球的激光打成了弧面。图片来源：Masumi Shibata， courtesy of Breakthrough Initiatives
科幻作品中，我们一般将大型太空飞船编队称为宇宙舰队。而宇宙舰队的推进方式，也可以参考古代海军的风帆——不过在太空中，打在帆上的，不再是海风，而是激光束。凭借激光光帆，科学家发现，我们或许真的能让宇宙飞船加速到光速的20%，20年内就能抵达比邻星。
撰文 " 王昱
审校 | 白德凡
宇宙实在是太过广袤，就连科幻片都诞生了一类“太空歌剧”，一个人的生命在“太空歌剧”中往往显得无足轻重。漫长的旅行时间与人类苦短的寿命之间赤裸裸的残酷对比，是造成这一宏大史诗感的重要原因。
当前人类尚不能直接给航天器提升多少速度，只能追求用尽可能少的燃料，尽量高效地改变航天器的轨道，最终还是要靠引力决定的轨道进行星际航行。而相应的代价就是，想要抵达哪个天体，需要的时间往往和这个天体的轨道周期正相关。比如想要抵达轨道周期1个月的月球，可能需要飞行3天左右的时间，但想要飞到轨道周期23个月（687天）的火星，航行时间就可能长达200多天。
在太阳系内的旅行尚且如此，星际旅行就更难以让人想象。注定将会飞出太阳系的新视野号在2006年发射，2015年才抵达冥王星。过长的时间带来的变数太大，它发射时的使命是探索当时的太阳系第九大行星冥王星。但当它抵达目的地时，冥王星却已经不再算得上一颗行星了。
星际旅行如果所用时间太长的话，甚至有可能当你赶到目标跟前时，才发现它已经“不那么重要”了。图片来源：Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
1977年发射的旅行者1号，更是花了足足35年才飞出太阳系。到现在，飞行了将近45年，距离地球21.5光时（光走过21.5小时的距离）的旅行者1号是距离人类最远的人造物体。但是距离地球最近的恒星——比邻星，和我们的距离也有足足4.22光年。刘慈欣在《三体》中描写的三体人就位于那个星系，但就算是三体人制造的水滴，想要从那里抵达太阳系，也要花上足足200年的时间——显然，这比任何人的寿命都要长。
新的推进方法
这一切的根源还是自带燃料的限制。星际航行没有外部输入的情况下，如果想要加速，根据动量守恒，你就必须扔点什么东西出去。传统化学火箭可以把燃料燃烧产生的气体以每秒几千米的速度向身后喷出。但我们几乎不可能继续提升化学火箭气体喷射的速度了，毕竟化学键的能量是有上限的，化学火箭喷射速度最多也就只能达到每秒10千米左右。想要继续提升燃料的使用效率，工程师还可以用粒子加速器的原理，将燃料粒子加速到极高的速度向后喷射。天宫空间站核心舱上负责调整姿态、维持轨道的霍尔发动机用的就是这样的技术。
但只要宇宙飞船自带了燃料，就会有一部分燃料不可避免的被用来给剩余的燃料加速。那我们能否额外给航天器提供燃料呢？
太阳帆就是这样的航天器。我们都知道，光具有粒子性，光子是带有动量的。所以，太阳系内阳光所及之处，都被太阳施加了一个推力。如果我们张开一张很大的反光膜，就能“白嫖”太阳光子的动量给航天器加速。实际上，已经有人这样做了。2019年6月25日，猎鹰重型火箭搭载LightSail 2发射升空，这个航天器在当年7月23日展开了自己的太阳帆。尽管在部署之后，LightSail 2由于配平等原因随机翻滚了很久，但团队最终还是让它按计划工作了起来。最终，他们成功测到了LightSail 2被阳光推动的证据。
LightSail 2示意图，它可以从阳光获得0.058mm/s²的加速度。图片来源：The Planetary Society
不过，阳光的力量还是太微弱了。这样微弱的力别说用来做星际航行，它连700千米高空的空气阻力都无法克服。根据研究团队自己公开的数据，LightSail 2无法长期维持自己的轨道高度，随着轨道一点点降低，它大概会坠落到地球大气层中。
用激光替代阳光
毕竟，太阳只是无差别的向四面八方辐射能量，我们或许可以用更强的激光，定向给光帆提供动力。而这，就是宾夕法尼亚大学副教授伊戈尔·巴加廷（Igor Bargatin）团队的想法了。巴加廷教授直截了当地表示：“如果我们想要在有生之年的时间内抵达另一颗恒星，那就需要相对论级别、接近光速的速度。”
他们的论文发表在《纳米快报》上。根据论文的描述，他们设想了一种光帆。这张光帆直径大约3米，厚度却仅有100纳米，质量仅1克。科学家可以从地球上向它发射激光，为其提供动力。就像帆船在大海中航行一样，强大的光压会让光帆呈圆弧形，这能让光帆更好的分散张力，减小被撕裂的风险。光帆的材料则选用氧化铝和二硫化钼，都是比较容易获取的材料。
根据巴加廷团队的模拟，这张直径3米左右的光帆，能搭载一枚芯片大小的探测器，加速到光速的20%左右。虽然荷载只有一枚芯片，听起来比《三体》中“只送大脑”的“阶梯计划”还要寒碜。不过一想到速度能达到0.2倍光速，比三体人的水滴还要快，似乎也不难接受了。
这个科幻般的场景是俄国富豪尤里·米尔纳突破倡议（Breakthrough Initiatives）的一个子项目所要达成的目标，项目名为突破摄星（Breakthrough Starshot）。2016年，史蒂芬·霍金和尤里·米尔纳曾一起宣布该项目正式启动。他们的目的就是建造能20年内抵达比邻星的探测器，因为它是距离我们最近的恒星。
不过，除了距离上的原因外，比邻星的确处在一个很有趣的系统里面。就像在《三体》里写的一样，比邻星处在一个三星系统中，并且它有一颗名为比邻星b的行星。比邻星b距离比邻星很近，比邻星的恒星活动还非常剧烈。比邻星b整颗行星就很容易被比邻星的耀斑烤焦。澳大利亚帕克斯望远镜甚至还宣称在突破聆听（Breakthrough listen）计划中收到过来自比邻星的神秘射电信号，不过这后来被证明是干扰。
保证散热
给一个物体简单粗暴地提供大量的能量，使其达到极高的速度，不是什么难事。早在1957年8月，美国在核试验项目Plumbbob行动中进行地下核试验时，一个钢质井盖就被核弹炸上了天。科学家估计这个井盖的速度超过每秒66千米，甚至有人怀疑它早于苏联的斯普特尼克1号（于当年10月4日进入太空），是人类第一个送入太空的物体。不过后来的分析显示，这个井盖很可能因为过热，在飞出地球大气层之前就已经气化了。
当然，这样的激光光帆要承受的能量是太阳光帆的数百万倍。如果不做好光帆的散热，那为光帆提供动力的激光源就妥妥变成了一个激光武器，而光帆就会像那个被核弹轰击的井盖一样，瞬间被摧毁。
这就是加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）副教授阿斯瓦特·拉曼（Aaswath Raman）团队考虑的事情。在发表于《纳米快报》的一篇论文中，研究团队提出了一种“光子晶体设计”的方案。他们认为，光帆必须由许多较小的织物组成，织物的排列必须和广泛热辐射的波长相匹配。而对于单块织物，其上还必须均匀分布着和入射激光波长相匹配的孔洞。这样，光帆就能在获得足够动量的同时，还能充分散热，避免熔化、解体。团队成员表示，他们未来将小规模制造这样的结构，并用高功率激光验证设计的可行性。
不过，所有人都表示，想要真的实现实用的、能达到20%光速并运送一颗芯片的光帆，可能还需要几十年的时间。不过至少，已经有人证明，激光光帆在原理上是可行的。巴加廷教授表示：“几年前，就算是做一些理论上的工作都被认为是不着边际。现在，我们不仅有了设计方案，并且所用的材料还是在实验室中实际可用的材料。”
其实，对于星际旅行技术的发展倒也不必非常悲观。毕竟在1903年，你问刚刚实现动力受控飞行的莱特兄弟，让他们畅想未来。恐怕他们怎么也不会想到，仅仅60多年后，阿姆斯特朗就在月球上踩下了人类的一大步。人类登月到现在的50多年间，虽然人类在航天技术上的进展虽然看起来没有冷战期间那般疯狂，但从整体上看，科学从未停下它前进的脚步。
从这个角度来看，星际旅行、激光光帆、20%光速、20年抵达比邻星，这些充满科幻色彩的名词，似乎也不那么遥远了。
参考链接：
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
