深入霍金的“星际穿越”:飞往阿尔法星的浪漫旅行,但要历尽艰险

从宇宙意义来说,人类居住在一颗漂泊在深海的沙砾上。即使最近的两颗星球之间,都相隔着无垠的太空。因此,人类要从一颗星球到另一颗星球之上,要穿越星际,必须历经千辛万苦。

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当我们仰望星空,希冀着我们有朝一日能踏上那颗星,很多人都觉得这不可能。毕竟,离我们最近的已知星系也在4光年之外。

让我们来想一下:光要花上8分钟20秒从太阳表面到达地球大气层。因此,当你仰望太阳,你脸上的热度其实已经在太空中穿梭了9000万英里,然后再到达你的皮肤。

但是光要从太阳到达半人马阿尔法星(太阳系之外离我们最近的星系),则要花上4年半,才能完成这26000亿英里的旅行。现在我们对宇宙的距离有了点大概的认知,如果我们向半人马阿尔法星发送一艘火箭,我们要花上整整8万年才能完成此任务。因此,宇宙茫茫,星际穿越并不是一件容易事儿。挑战繁多,问题复杂,需要整个地球的无尽努力。但是科学家们却说,它是可能的。

因此当上周二,也就是俄罗斯宇航员加加林宇宙航行的55周年纪念日,“Breakthrough Starshot(突破摄星)”计划宣布时,整个世界突然意识到:我们这颗星球上还有这样一群工程师、科学家、未来学家以及企业家,他们看到了一个美好的未来-----人类可以进入到幽深神秘的宇宙,让不可能的目的地半人马座阿尔法星,变成可能。更激动人心的是,英国理论物理学家霍金主导此计划,俄罗斯亿万富翁Yuri Milner向该计划投资1亿美元。加入此项目的大佬们还有Facebook CEO Mark Zuckerberg和NASA艾姆斯研究中心前任主席Pete Worden。

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这并不是人类第一次考虑星际穿越旅行。在过去的年月中,星际穿越一直是科幻小说家最喜欢的情节,但第一次让它变成现实则是1970年代英国星际协会的“代达罗斯计划”,一个巨大无比的无人星际穿越飞行器,像美国帝国大厦一样大。“代达罗斯”是由燃油推进,在穿行时加快速度,在到达目的地是放慢速度。在探索太空时,“代达罗斯”发出了一个信号:要么玩儿大点,要么就别玩了。

在此计划中,这个宇宙飞行器其实可以由核爆炸链驱动,这种驱动方式在冷战中称为核脉冲推进。这一步,预知了后来的世界一定会出现惊人的科技和巨大的进步,让核爆炸链的宇宙飞行器得以建造。

而最近,一直国际科学家和工程师团队捡起了“代达罗斯”丢失的那部分,建立了“伊卡洛斯星际穿越计划”(伊卡洛斯是希腊神话中代达罗斯的儿子)。“伊卡洛斯” 现在有几个项目,目标只有一个:让人类进入太空,寻找并解决其中的科技和社会经济障碍。

人类在深入发展星际穿越科技的成果较少,但是2011年,美国研究机构DARPA(美国国防部高级研究计划局)和NASA投资50万美元,来启动由前NASA宇航员Mae Jemison主导的“100年星际飞船计划”这种状态改变了。

在接受Discovery News的采访时,“伊卡洛斯星际穿越计划”的共同创始人兼主席Andreas Tziolas说到:“这对我来说实在是太棒了。”

”伊卡洛斯”的目标是建立在星际穿越方面建立最为草根的努力,让整个世界对星际穿越抱有热情。

历史上还有其他的此类例子,其中著名的包括太空竞赛。美国和苏联基于政治目的,发送飞船到太空,并在1969年实现了人类的首次登月。太空竞赛让两个帝国走上了”军事高地”,也给予我们现在看似理所当然的科技。

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新型科技通常致力于实现更大的目标,但是如果对它们加以应用,往往会带来意想不到的效果,有时会改变世界。从发展清洁能源,到寻找方法减缓气候变化的影响,都是这样的例子。

通常研究一种新型科技是为了解决某个问题,而Tziolas能够识别Starshot项目会遇到的严峻挑战。

Starshot的主要理念是开发激光推动的小型飞行器,让其速度达到光速的20%。而它的终极目标是在一代人的时间内到达半人马座阿尔法星。这种飞行器需要比人类现在开发的飞行器速度高出1000倍。NASA的New Horizons飞行器在2015年飞过了冥王星,以每天74万英里的速度穿越了外太阳系。Voyager 1(旅行者1号)飞行器更快,每天大约100万英里。但是这两种飞行器速度惊人,但是如果它们的目标是半人马座阿尔法星,它们也要花上数万年才能到达目的地。有趣的是,Voyager 1已经能够离开太阳风层的磁泡,是最近唯一的一个进入星际海岸的飞行器。但是考虑到Voyager 1在1977年发射后过了近40年之后才到达星际穿越空间,我们需要让它变得快一点,再快一点。

Starshot团队意识到此问题,并最努力建造一个小型飞行器舰队,每个飞行器重量不到1克。当然,将所有这些设备组合起来,然后将它们送入到硕大的太空中,听起来像个蠢人的任务,但是这一整个研究超过了大部分其他的星际穿越概念。将有一群小型机器人,装配着相机、传感器和导航设备,所有这些都附着在一个小而轻的飞行器之上,飞行器由强大的激光发射,目的地不是别处,就是半人马座阿尔法星。

但是,正如Tziolas指出的,虽然激光技术正在飞速发展,我们还是很难想象这些飞行器将用什么材料建造。即使激光航行反映的是激光能源技术,但是还面临着巨大的加热难题。坦白来讲,飞行器热量不能有效释放,那么100千兆瓦的驱动激光将会将飞行器化为灰烬。Tziolas说:“没有冷却器,你必须将热量输送到太空,唯一的解决方法是使用微波,这就需要增加表面面积,这样一来就会增加重量。”

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这会是新型科技带来的挑战吗?超轻量化、高温的高辐射材料也许会被开发出来,在太空和工业领域大显身手。但是谁知道何时会呢。

假如这些飞行器可以被发行,并送往太阳系之外太空,它们的耐受性需要极高。但是20年对于太空行业来说是一个漫长的时间,虽然星际穿越媒介对于太阳系标准来说较为空泛,但是如果这些飞行器在其20年的发展生涯之中有一个小小的进展,那么它将会对整个星际穿越发展产生重要影响。让我们不要忘了这些飞行器能够以20%光速的速度穿行宇宙,这也就是说每小时会行走1.3亿英里。虽然它们非常渺小,它们也需要保护吗?可能需要,但是这又会增加它们的重量,最终会降低速度。

根据最近的计划,团队将会增加飞行器的数量来弥补飞行可能出现的失败。虽然许多飞行器也许会在飞行途中失败,但总有几个也许会成功到达目的地。

下面的问题便是与地球的交流问题了。如果我们已经将飞行器发射到了阿尔法星上,那么我们看不到图片怎么办呢?这些飞行器需要信号传送器将数据发回地球,但是这些传送器需要有多强大,才能完成任务呢?

“伊卡洛斯”的副主管Robert Freeland说到:“依我之见,最大的问题便是交流问题。去年,‘伊卡洛斯’团队花了数月来设计交流系统。诚然,‘伊卡洛斯’的数据率比此项目的数量级要高,因为‘伊卡洛斯’的速度要在进入半人马座阿尔法星系统时放慢,为长期而细致的观察提供条件。”

Freeland指出Starshot飞行器只要求飞出半人马座阿尔法星,而不需要进入轨道。这是保持它们体小量轻的关键优势。在飞行的过程中,他们需要快速观察,并传送信息。但是在浩瀚宇宙中的星际穿越可谓大伤元气,能量的减损也将是一个问题。

他补充道:“如果是这样,那么我们需要安装更大的探针和能量供应器。如果建立一千克的有效负载,那么问题就变得更加棘手。但是建立一个大出1000倍的有效负载将需要更大的投影机、更大的航行器、更长的续航时间以及更低的最高速度。”

这样一看,挑战就加倍了。

那么导航呢?当然,飞行器也许会带有小型相机,来当作导航器。但是谁知道它会不会正确带路,一直将飞行器带到阿尔法星呢?如果拍摄另一个星球上的照片是此项目的目标,那么这些探针又怎么知道何时拍。在何地拍呢?永远不要忘了,在到达阿尔法星之前,它们要花上4年才能将数据发回地球,我们也要花4年发送任务指令!也许在发射之前,我们会有天文望远镜来探索阿尔法星,这些飞行器也会有一些人工智能来帮助它们执行任务。

激光虽强,但是它会不会破坏大气层环境呢?它会为自然、空中交通和太空交通带来负面影响吗?也许我们应该重新思考一下,要不要在地球上使用激光,也许我们需要找到另一个基地来使用激光。那么要不要考虑一下月球呢?

虽然前途漫漫,但是至少这是一个开始。这是第一次,全世界人对星际穿越兴趣盎然,此项目收到的投资额甚是巨大。不管怎么说,这都会为星际穿越带来巨大的飞跃。但是星际穿越科学需要这些投资来测试这些理论,并来解决这些问题。

Tziolas说:“我们已经在某些地方开始了。我们激发了人们对于星际穿越的兴趣,这就是我们一直在努力的东西之一。‘伊卡洛斯星际穿越计划’就是要让星际穿越成为一个进入寻常百姓家的理念。”

“伊卡洛斯”、”100年太空船计划“和现在的“突破摄星计划”带来了一些挑战,也提出了一些解决方法,让我们在探索可以改变我们生活的新型科技上一遍探索一边前进。美国对于商用太空船的兴趣已经让普通人都对此有所有了解,国际太空站的货物运输和卫星发射也让人们对于太空行业有了更深的理解,我们已经看到了探索太空上的巨大进步。这些将会吸引更多的商业投资,也将会激发更多孩子的兴趣,让他们在将来参与到太空探索上来。

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但是人类要实现星际穿越,还有另外的原因。霍金曾公开表示:人类必须探索太空,以防地球有朝一日不适合人类居住。他在Starshot的新闻发布会中说到:“地球是一个美好的地方,但是它并不会永远存在。迟早有一天,我们需要寻找其他的星球居住,而’突破摄星‘将是我们迈出的第一步。”

虽然终将离我们远去的地球是探索太空的动力,但是我想说的是,作为人类,我们有太多理由探索我们生活的这个世界。进入太空,探索新世界将会为人类带来福祉。这样一个漫长的旅行将会帮助我们理解宇宙中我们所处的位置。

Via:Medium

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