互动科普

2016年的春天，我在一次招待会上遇到了92岁的弗里曼·戴森（Freeman Dyson）。戴森是一位杰出的物理学家和数学家，曾在普林斯顿高等研究院（Institute for Advanced Study in Princeton）任职。他说话一向出人意料，所以我就问他：“有什么新鲜事吗？”他似笑非笑地回答：“看起来我们要去半人马座α星了。”半人马座α星是距离太阳最近的几颗恒星之一，最近硅谷有一个亿万富翁宣布，他要资助一项名为“突破摄星”的计划，想把某种航天器送到那里。我问：“这靠谱吗？”戴森笑得更开心了：“不，这很蠢。”但他接着说：“但航天器本身很有意思。”

这个航天器确实很有意思。一般的火箭由化学反应提供动力，可以运载人类或较重的仪器，而“突破摄星”计划并非如此。该项目会发射一群叫做“星片”的小型多功能芯片，每个都配有一个叫做光帆的部件。光帆极轻，在激光束的照射下，速度可以提升到光速的20%。半人马座α星距我们有4.37光年，现在最快的火箭也需要花3万年才能抵达，但以星片的速度只需要20年。到达那里后，星片并不会停下来，而是会从α星和它的行星（如果有的话）旁迅速飞过。在那短暂的几分钟之内，星片会拍摄照片，这些信息将在4.37年后传回地球。

之所以说这个计划很“蠢”，是因为摄星计划并没有太大的科学意义。天文学家想了解的恒星信息并不是一次快速的飞掠就可以得到的。而且人们也不知道半人马座α星是否有行星，也就是说摄星计划不一定可以瞥见其他的行星世界。摄星计划顾问委员会的成员之一，普林斯顿大学的天体物理学家埃德·特纳（Ed Turner）说：“我们没怎么考虑科学方面的意义，我们理所当然地觉得这一定可以带来一些有趣的科学发现。”然而，幸运女神在2016年8月眷临了摄星计划，一个完全与计划无关的欧洲天文学家团队在比邻星（到地球的距离比半人马座α星近0.1光年）周围发现了一颗行星。突然间，在某种程度上可行的摄星计划，成了在可预见的未来探测太阳系外行星的唯一办法。即使如此，摄星计划听起来还是更像科幻小说和太空旅行爱好者们的梦想——他们总是在认真考虑着踏出太阳系的事，认为只要有足够的科技奇迹和资金支持就必然能实现。

不过，摄星计划并不需要科技奇迹。虽然它需要的技术还未问世，但其原理均来自现有的工程技术，也没有违反物理定律。而且这项目背后还有雄厚的资金支持。该项目的资助者尤里·米尔纳（Yuri Milner）还资助了一些其他领域的“突破计划”，以及一个叫做“突破奖”的年度科学大奖。他为摄星计划投入了1亿美元的启动资金。米尔纳还招募了一群重量级科学家组成顾问委员会，足以打消人们对项目是否可行的怀疑。顾问委员会里有激光、光帆、芯片、系外行星、航天和大型项目管理等各个领域的世界顶级专家，以及两位诺贝尔奖获得者、英国皇家天文学家、著名天体物理学家和一群聪明且富有经验的工程师，还有虽然觉得摄星计划很蠢，但认为激光驱动的光帆飞行器很值得研究的戴森。总的来说，看到这么豪华的资金和人员配置，还对项目的长期前景不看好的人并不多。

不管前景怎样，摄星计划和以往的一切空间探索计划都完全不同。美国海军战争学院（U.S. Naval War College）的空间政策专家约翰·约翰逊-弗里兹（John Johnson-Freese）说：“摄星计划的一切都不寻常。”和其他星际探测计划相比，它的目标、资金模式和管理结构都非常独特。商业航天公司专注于如何盈利，且主要研究太阳系内部的载人任务。美国航空航天局（NASA）也没有任何星际旅行的计划，该机构注重避免风险，因此不会开展这种充满不确定性的项目。NASA内复杂的官僚流程往往既繁琐又冗长，而且它的经费来自国会断断续续的施舍，并不稳定。前宇航员、曾担任国际空间站指挥官的焦立中（Leroy Chiao）说：“NASA做事很费时间，但亿万富翁们却可以随心所欲，把队伍组建起来就可以开工了。”

 大胆的计划

推动摄星计划的这位富豪一直喜欢这类影响深远的项目。米尔纳于1961年出生在莫斯科，刚好是尤里·加加林（Yuri Gagarin）代表人类首次进入太空的那一年。米尔纳说：“我父母给我取名为尤里很有深意。”他认为，这是希望自己能够去到前人没有去过的地方。所以他投身于物理，“这是我的初恋，”米尔纳说。他花了10年时间学习，然后研究量子色动力学。“不过很可惜，我的科研事业并不是很理想。”他说。于是他开始从商，成为了Facebook和Twitter的早期投资人，积累了近30亿美元财富。米尔纳说：“大概4年前吧，我又想起了我最初的爱。”

2013年，米尔纳设立了“突破奖”，为生命科学、数学和物理学各设了一个奖项。2015年，他又多了一个“业余爱好”（按照他自己的说法）——探索宇宙的“突破计划”：100万美元奖励最适合发送给地外文明的信息；1亿美元资助更广泛和细致的地外智慧生命搜索活动；以及如今给摄星计划的1亿美元。

2015年，米尔纳从几次“突破”计划活动中为摄星计划招揽了核心管理团队。摄星计划顾问委员会主席和执行主任分别由哈佛大学天文系主任阿维·勒布（Avi Loeb）和NASA艾姆斯研究中心主任皮特·沃登（Pete Worden）担任。后者还参与了DARPA/NASA的百年星际飞船计划。沃登招募了皮特·克鲁帕（Pete Klupar）担任摄星计划的工程主任。克鲁帕曾在艾姆斯研究中心为沃登工作，是一位在航空工业领域内外都有经验的工程师。他们接着组织起了人才济济的委员会，包含了来自相关技术领域的专家们，有些甚至不求金钱回报。这其中还有Facebook的马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）和宇宙学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）这样的大人物。NASA的管理风格是采用等级严明的决策体系，硅谷的文化则是让拥有不同才华的人聚在一起，只给他们提供长期目标，任由他们自行发挥。摄星计划的管理策略则似乎是这两者的综合体。顾问委员会成员、Microwave Sciences公司总裁詹姆斯·本福德（James Benford）说，管理者的任务是，“告诉我们下周和五年后要做到什么样，我们会找到让计划实现的办法。”

团队成员们一开始就达成共识，把人类送往半人马座α星是不切实际的，所以只考虑非载人航天任务，他们估计约20年后就可以发射这种航天器。他们还一致认为最大的问题是航天器的推进方式。2015年年中，勒布的博士后和博士生开始把各个候选的推进方式归类为“不可能”、“不太可能”和“可行”。12月时，他们收到了加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的物理学家菲利普·卢宾（Philip Lubin）发来的文章，名为《星际旅行之路》（A Roadmap to Interstellar Flight）。卢宾提出的推进方案是使用激光相位阵列，即让很多小型激光器集合在一起，把它们发出的光相干合成为单独一条光束，这束激光会把附带光帆的芯片推动到接近光速量级的速度，可以在数十年内抵达其他恒星[物理学家、科幻作家罗伯特·福沃德（Robert Forward）曾在30年前提出类似的思路，他当时称之为“星缕”（Starwisp）]。尽管这项技术依然属于科幻的范畴，但卢宾说“这个想法为摄星计划提供了思路”，并加入了计划。

2016年，米尔纳、沃登、克鲁帕、勒布还有卢宾来到米尔纳在硅谷的住所，一起制定策略。卢宾描述道：“尤里走进屋，手里的纸上沾满了便签，开始询问一些恰到好处的科学和经济问题。”摄星计划的独特运作方式正是其美妙之处，它不像NASA有规范的征集和评审提案的流程，也不像商业公司那样，注重的是有多大可能盈利。摄星计划会自由地提出基本计划，并按最好的方案实行。

摄星计划中，唯一真正要大把花钱的地方是激光；光帆和芯片都很廉价并且是可消耗的。星片会搭乘一枚火箭，发射升空并离开大气层，像飞鱼一样依次释放，总数上千片。这和两栖动物的繁殖策略类似，即使丢掉一些也不要紧。星片被激光击中后会在数分钟内加速到0.2倍光速。接下来激光会关闭，而星片则继续飞行。当它们到达目标恒星后，便会与地球通信。米尔纳说：“10年前，我们都没法严肃讨论这个话题。”但如今激光和芯片技术飞速发展，科学家也不断研发出新材料。他说：“这已经不是几百年后才能实现的事了，几十年后就有望做到。”

摄星计划管理层公布了他们的想法，并向科学家征求意见看有没有致命缺陷。结果并没有人能找到这样的问题。卢宾说：“我可以告诉你为什么这个项目很难、很昂贵，但我说不出这个计划不可能实现的理由。”2016年4月，团队就系统方案达成一致。4月12日，米尔纳在纽约自由塔顶安排了新闻发布会，展示了一些视频和动画，并向大众介绍了顾问委员会的一些成员。米尔纳宣布了由“光风”吹动的“星际之帆”，研究者们则在2016年夏天规划出后续工作内容。

星片和光帆

研究团队很快发现，虽然技术上可行，但摄星计划困难重重。即使是最简单的技术——星片，也存在很多问题。首先它必须特别小，重量只有数克，但还要能收集并传输数据、自带能源补给且能支持长途旅行。数年以前，康奈尔大学的工程师梅森·佩克（Mason Peck）的研究组制造了一个叫做“精灵”（Sprites）的装置，类似于智能手机的芯片，载有光感器、太阳能面板和无线电模块，仅重4克。“星片”可以由“精灵”改进而来，但需要变得更轻，到1克左右，而且要携带4个相机。科学家考虑放弃负责聚焦的沉重透镜，而是在光感器之前放置一个叫做平面傅里叶捕捉阵列（Planar Fourier Capture Array）的小型衍射光栅，把入射光分解为可被电脑重构为任意焦深图像的不同波长成分。科学家还建议给星片装上其他装置，如分析行星大气成分的光谱仪，以及测量恒星磁场的磁力计。

芯片还需要跨越数光年的距离，把拍摄的照片传送回地球。现在的卫星使用功率约1瓦特的二极管激光器发送信息，传输距离较短。佩克说，目前为止，最远距离是从月球到地球，这只是到半人马座α星距离的一亿分之一。想从那里以地球为目标发送信息，激光必须以非常高的精度瞄准地球。但在传回来的4年中，信号还会发散、减弱，到地球时可能只剩几百个光子了。一种可能的解决方案是利用接力的方法传输图片，让星片以一定的距离间隔列队飞行，并把数据传给下一棒。顾问委员会的哈佛大学教授扎克·曼彻斯特（Zac Manchester）认为，将数据传回地球仍是个“非常难的问题”。

芯片还需要有电池在20年的旅程中维持相机和计算机的运转，从而把数据传回地球。考虑到比邻星或半人马座α星离我们很遥远，而且小芯片只能产生数瓦的能量，返回地球的信号会很弱，但“刚好有足够的光子被摄星接收器接收到，” 佩克说。目前为止，没有什么能源可以同时满足摄星计划的所有要求：能在黑暗寒冷的条件下工作、轻于1克且输出的能量足够大。佩克说：“能源是芯片面临的最大问题。”他说，一种可能的解决方案是改进医疗植入装置所使用的微型核电池。另一种是利用光帆穿越由气体和尘埃构成的星际介质时因摩擦而产生的热量。

星际介质也可能损坏摄星芯片。顾问委员会成员、普林斯顿大学的天文学家布鲁斯·德莱尼（Bruce Draine）介绍说，这些星际物质就像是高度稀释后的香烟烟雾。没人知道星际介质的密度有多大，也不知道其中的尘埃颗粒有多大，因此很难预估它们给星片造成的危害。星片的飞行速度接近光速，撞上任何大小的颗粒都会遭受损伤，轻则留下凹痕，重则完全损毁。德莱尼说，假如星片面积是1平方厘米，“就会撞上很多这类物体”。抵御这些小颗粒的一个方法是在芯片外包裹上数毫米厚的铍铜合金，但尘埃依旧可能造成灾难性损伤。佩克说：“芯片可能会活到最后，也可能不行。”但运气好的话，发射出去的数十万星片总会有一些能成功抵达目的地。

另外一个技术难题是光帆。星片的动力来自激光在帆上反射时产生的反冲力，就像网球对球拍产生的反冲一样。反射的光越多，推力就越大，光帆就能获得更高的速度。要想提速至0.2倍光速，星片光帆的反射率必须达到99.999%。顾问委员会成员、NASA格伦研究中心的科学家杰弗里·兰迪斯（Geoffrey Landis）说：“没能反射回去的光线就会加热光帆。”考虑到激光器产生的超高温，兰迪斯说：“即使只有一小部分激光能量加热了光帆，后果也是灾难性的。”现在已经有了太阳帆，可以借助日光在太阳系内驱动一些实验性的航天器。与之相比，星片所需的光帆更轻，厚度仅相当于几个原子，或是“肥皂泡那么厚”。目前最接近这个要求的是由碳膜制成的帆，本福德在2000年曾在实验中用微波加速一张碳膜，获得了13个g（重力加速度）的推力，但星片需要的加速度高达60 000g。光帆和芯片一样，也需要面对宇宙空间中的尘埃。目前还没什么材料满足质量轻、强韧、反射率高、抗热且造价合理这些条件。克鲁帕说，“项目成功需要的几个奇迹之一就是找到制作光帆的材料。”

关于光帆还有很多别的问题需要考虑。光帆可以通过缆线连接在芯片上，也可以直接把芯片嵌在光帆上。光帆还可以旋转，从而始终稳定在激光束的方向上。在最初的加速阶段后，帆可以像伞一样折叠起来，减少旅程中被破坏的可能性。到达半人马座α星后，帆可以再次展开，并通过调整曲率变为望远镜镜面或与地球通信所用的天线。兰迪斯说：“听起来工作量很大，但我们以前也解决过许多难题。”

不过，和用来推动光帆的激光器相比，上述问题都是小事。想要接近光速，摄星计划唯一的方法是使用100吉瓦（1吉瓦=109瓦特）的激光器。美国空军研究实验室（U.S. Air Force Research Laboratory）定向能理事会的首席科学家罗伯特·彼得金（Robert Peterkin）介绍说，美国国防部已经研究出了功率更高的激光器，但持续时间只有1秒的109~1012分之一。摄星计划需要激光器对准光帆长达数分钟。若要功率这么大的激光如此持久，可以用大量光纤激光器组成阵列并调整相位，组成一束相干激光。彼得金说，美国国防部已经建造了相位激光阵列，不过他们只使用了21个激光器，相距不过30厘米，产生的功率只有数万瓦。摄星计划需要约1亿个千瓦级别的激光器，整个阵列的边长达1千米。彼得金说，“这目标是不是特别遥远呢？”

 “更难的还在后面”，他补充道。这1亿个小激光器发出的光束还会受大气湍流影响而偏折，且每个偏折的程度都不同。最终这些激光器需要把光束汇聚到位于6万千米高空，面积仅为4平方米的光帆上。顾问委员会成员、定向能理事会的退休科学家罗伯特·富盖特（Robert Fugate）一本正经地说：“如何调节相位，让1亿个激光器射出的激光穿过大气湍流，在6万千米之外、数米大小的目标上相干合成，这个问题让我有了点兴趣。”这束激光有可能打不中光帆，也有可能照射得不均匀，导致光帆受力不匀，从而使其翻转或偏离光束。

同样地，摄星计划团队也提出了一个可能的解决方案，但解决方案本身又带了一系列问题。大型望远镜如今使用一种叫自适应光学的技术，利用一个可变形的反射镜抵消大气湍流产生的扰动。可是，想让这个技术为摄星计划所用，还需要作出很多调整。对激光器阵列而言，科学家要做的不是调整反射镜，而是精密调整每个光纤激光器，以修正大气扰动。目前望远镜使用的自适应光学技术最高分辨率为30毫角秒（量度一个天体在天空中的视角的单位）。而摄星计划需要让激光器把光束汇聚到0.3毫角秒的范围内，这样的技术现在还没能实现。

最后，即使所有以上难题都能解决，人们还需要把这些技术成功融为一个独立系统。对摄星计划的管理人员而言，这就像是要完成一个连碎片形状都不知道的拼图。沃登把这个过程称为“长期科研难题艺术”。顾问委员会成员、帕金研究所（Parkin Research）的系统工程师凯文·帕金（Kevin Parkin）说，现在系统还“没有一个整体的设计方案”。克鲁帕说，头五年的计划是“收获技术”，即在委员会相关专家的指导下，做小尺度实验并建立数学模型。2015年末到2106年初，他们开始调研现有技术，并为目前还没有的技术征集方案。到2017年春天，他们计划为每个签下合同的方案提供数十万到150万美元的资助。接下来就是制造原型，假如成功的话可以在21世纪30年代初开始建造激光器和光帆。到那个时候摄星计划很可能已经花费数十亿美元了，幸运的话已经在美国、欧洲和亚洲的政府、实验室和空间机构中征集到了合作者。米尔纳说：“我会成为一个榜样，希望能吸引更多人加入。”他补充说：“这一定得是全球范围的合作。”他还提到了制造大量激光器会引发国家安全方面的担心：“假如你秘密地开展这个项目，会导致更多疑虑，所以把意向公开非常重要。”

向恒星进发！

面临这么多技术难题，项目成功的可能性有多大呢？一些与摄星计划无关的技术人员认为几率很低。好几个人很直白地告诉我，“他们到不了半人马座α星的。”哈佛-史密森尼天体物理学中心的达维德·沙博诺（David Charbonneau）认为，项目的花费过于浩大，“就如同要求美国人把国家财政预算的5%投入到项目中，和阿波罗计划一样。”

摄星计划的相关人士更乐观些，但也很务实。顾问委员会成员、纽约城市技术学院的格雷格· 马特洛夫（Greg Matloff）说：“我们当然可以用激光把航天器送到半人马座α星，但我不知道能不能在20年内做到这点。”哈佛大学的曼彻斯特说：“50年后成功的几率就挺大了，一个世纪的话就肯定能成。”沃登认为，他们的方法是经过认真评估的，“或许5年后我们会发现这件事无法完成。”米尔纳认为，自己在摄星计划中不仅是要扮演金主的角色，还要确保其切合实际。他说，“假如整件事耗时不止一代人，我们就不应该再浪费时间。”

到去年8月为止，我都认为戴森是正确的，摄星计划的技术很有意思，但去半人马座α星这件事很蠢。这颗恒星实际上是双星系统（半人马座α星A和B），两颗恒星都和太阳相似，并无特殊之处。沙博诺说，天文学家对这类恒星已经“非常了解”，虽然比较它们与太阳的耀斑和磁场应该有一定价值，“但飞到那里能得到的恒星物理知识并不值得这么多投资。”

如今天文学家知道了半人马座α星旁边的恒星有一颗行星，整个计划的科学意义就大了些。比邻星距离我们更近，是一颗体积更小的红矮星，十分常见。它的行星比邻星b位于它的宜居带。这个发现被公布时，摄星计划团队举行了庆祝晚宴。团队成员会考虑改变目的地吗？“当然，”米尔纳说，“我们有的是时间来作出决定。”让激光阵列改变方向并不太难，富盖特说，项目可以“适应这约两度的差别”。

克鲁帕说，突破计划的最终目标是找到太阳周围的所有行星，比邻星b很可能是第一个。他说，“我感觉自己就像一个昆虫学家，在一块石头下面找到了一只虫，然后猜测每块石头底下都有虫。这并不正确，但很振奋人心。”

当然，比邻星b的发现也不会让摄星计划的科学意义变得特别重大。芯片虽然能拍摄照片，测量行星磁场，或是分析大气成分，但这所有一切仅能持续数分钟。考虑到项目的耗时耗资，普林斯顿的天体物理学家戴维·斯博杰（David Spergel）说，“我们还不如在太空建造一个12~15米口径的光学望远镜，花数月时间观测这颗行星。这样得到的信息远比一次飞掠得到的多。”

不过亿万富翁可以随心所欲地投资任何项目，其他人也可以自由地加入。而且即使是那些质疑摄星计划科学价值的人通常也会支持项目本身，因为摄星计划在研发技术的过程中几乎一定会得到有趣的收获。斯博杰说：“他们不会解决所有难题，但应该能解决一两个。”即使只找到一个问题的创新解法也是“巨大成功”。而且即使摄星计划失败了，项目研究出的技术还能为其他航天任务所用，助人们抵达太阳系内外的其他重要地点。

米尔纳对项目的热爱还源于他的一个愿望。他希望这件事能把所有人类联合在一起，从一个星球、一个物种的角度看待自身。他说：“过去6年，我一半时间都在旅途中度过，在亚洲和欧洲待了很久。我意识到，让全世界达成一致观念很难，但也并非不可能。”这个主旨也与其他突破计划相符，那些计划的主要目标是想找到可以交流的外星生命。米尔纳在互联网和社交媒体上的大量投资也是出于同样的目的，这些领域对人类的交流模式业已产生影响。但他最终承认，无法解释自己为何想要星际旅行，“非要说的话，我也不知道。我只是觉得这很重要。”

几乎我问的所有人给出的都是一样的答案，对那些还无法理解的人，他们也没法解释清楚——他们只是想去那里罢了。普林斯顿大学天体物理系荣誉退休教授詹姆斯·冈恩（James Gunn）认为，摄星计划希望渺茫，也没什么科学意义，但他依然说：“我在很多事情上保持理性，可是对人类所能触及的最远方却不能如此。自孩提时代起我就梦想着飞向其他星星。”顾问委员会的很多其他成员也表达了同样想法。兰迪斯用的词和其他成员一样：“这件事太酷了！”

对这个充满矛盾的梦想，戴森评价得很到位。他说用激光驱动光帆携带芯片的想法有道理，项目的其他部分很聪明也“很合理”。不过戴森认为，他们不应该把半人马座α星或比邻星当做目标，而是应该把精力放在探索太阳系上。这样就只需用到功率较小、更为可行的激光器，也不需要那么高的速度。戴森说：“探索是人类的天性，而且我们也很擅长这点。”他认为，应该用自动机器去探索宇宙，载人项目没什么科学意义。但接着戴森和往常一样说出了我意料之外的话：“话说回来，我自己倒是愿意去。”