史蒂芬·霍金的“追星记”真的有可能吗?

如果你想要到达另一个恒星系统,传统的观点是你需要一种新的推进技术,会需要一代代人的耐心等待,不然你只能打破物理定律。但如果你不想考虑传统的宇宙飞船,那还有更好、更创新、更便宜的方法吗? 一组科学家团队撰写了一份白皮书,内容涉及到一种先进的激光阵列可以与太阳帆的概念相结合,创造出一种以“激光帆”为基础的航天器。从理论上讲,我们可以使用当前的技术和超低质量的宇宙飞船(即“星之芯片”)在单个人类生命中到达最近的恒星。 史蒂芬·霍金的“追星记”真的有可能吗? (激光驱动帆的艺术再现。 图片来源:Adrian Mann) 这种设定的优势对其他人来说是难以置信的: ·用于此项目的大部分功率和能量不是只能使用一次的火箭燃料,而是来自可以充电的激光。 ·星之芯片宇宙飞船的质量非常低,因此可以加速到非常快的速度(接近光速) ·随着电子产品的微型化和超强轻质材料的出现,我们可以创造出可用的飞行设备,并将它们发送到数光年之外。 这个想法并不是什么新鲜事,但是新技术的出现(无论是目前可用的还是预计在未来的两到三十年内可用)使这件事成为可能。 史蒂芬·霍金的“追星记”真的有可能吗? (通过激光技术的改进,现在有可能定向消除小行星。图片来源:DE-STAR或用于定位小行星和爆炸的定向能量系统,版权所有©2016 UCSB实验宇宙学小组。) 此外,亿万富翁尤里·米尔纳(Yuri Milner)为这一项目认捐了1亿美元,作为“突破倡议”的一部分,看来人类正在走向访问行星之路。随着科学技术的飞速发展,许多科学家也都支持这一概念。随着纳米材料的发展,我们很有可能建造一个表面积为1平方米且重量只有1克帆,能够承受并反射激光。激光技术取得的重大进展之一是能够将许多小激光器组合成一个大的激光阵列,使激光都能聚焦在一个目标上。自20世纪90年代以来,激光技术的改进意味着激光功率和准确率大大提高。 史蒂芬·霍金的“追星记”真的有可能吗? (图片来源:深激光帆概念,deepspace,版权所有©2016 UCSB实验宇宙学小组。) 通过在太空中建立一个巨大的激光阵列,对准这些1克的反射帆持续发射激光,可以将这些星之芯片的速度加速到每秒6万公里,大约是光速的20%。按照这个速度,它们将在大约22年内到达最近的恒星系统,之后我们将能够在一个世纪内抵达近100个已知的恒星系统。激光阵列的大小是非常惊人的:大约有100平方公里,接近华盛顿特区的大小。但技术的实现是一个成本问题,而不是任技术的根本限制。 史蒂芬·霍金的“追星记”真的有可能吗? (图片来源:NASA/戈达德/阿德勒/ U。芝加哥/卫斯理,距离太阳25光年以内的恒星和已知的系外行星。) 这个好消息听起来令人难以置信,这是因为它有一些无法解决缺点。这些缺点包括: ·事实上,激光阵列的建造是在地面上,而不是在太空中。因为这种装置更容易维修和制造,成本也低了大约50倍,但大气层会分散光线,因此只有一小部分光线会击中星之芯片。更少的光意味着更少的加速度,意味着更慢的航行速度,这使得“突破摄星”不那么吸引人。 ·事实上,用任何形式的通量撞击一个没有支撑的帆状结构,无论是激光帆还是太阳帆,都会产生角动量并且开始旋转。目前还不清楚在激光帆没有(沉重的)稳定装置的情况下,难题是如何保持这样的帆可以不失控地旋转。 ·即使你到达了目的地,你也不能减慢速度或将信息传回地球。目前,这样的小型晶片所能提供的能量是非常小的,以至于它无法给地球传送回任何可以探测到的有用信息。 ·最后,成本因素:1亿美元看起来很多,但还不到建设和执行本项目所需成本的1%,更不用说开发必要的技术了,成本这一点还没有实现。 解决这些问题有一些希望,但目前关于如何做到这一点还不清楚。激光准直技术会有改进吗? 我们会把阵列建得够大(或够强),以至于帆能接收到足够大的能量吗? 我们会把帆造得更薄更大,能容纳更多的激光吗? 一艘帆船,即使它的反射率能达到99.9995%,也能承受10亿瓦特的激光吗?还是仅仅吸收了0.0005%的能量就能摧毁它? 史蒂芬·霍金的“追星记”真的有可能吗? (艺术家构想的激光帆。) 还有旋转问题呢? 我们可以发明和发展纳米陀螺仪来稳定帆的旋转运动吗? 如果我们不能稳定航天器,我们能让它飞向另一个恒星系统吗?或者它会朝着一个随机的方向飞行吗?哪怕是0.1%的误差就意味着偏离你的目标几百亿英里! 传输和通信问题怎么解决? 我们会在飞船上放少量的聚氨酯-238来发电吗? 我们会依赖一些新的、不发达的技术来传递信息吗? 考虑到即使是相距0.002光年的旅行者号飞船,也无法用它们的大部分仪器与地球进行通信,我们怎么可能希望1克的芯片能与地球进行1000多倍距离的通信呢? 史蒂芬·霍金的“追星记”真的有可能吗? (距离的对数图,显示旅行者号宇宙飞船,我们的太阳系和我们最近的恒星,以作比较。图片来源:NASA / JPL-Caltech。) 最后一个最大的挑战。行星科学家布鲁斯·贝茨说: “如果你能飞到森林里,看到一棵树倒下,却不能对任何人提起,这有什么关系吗?” 这可能是该项目面临的最大问题:我们是否可以只是花费数百亿美元将1克重的人工制品从地球送到外太空,再也听不到任何消息? 这并不是说让我们不要这样做,而是说让我们清楚面对我们面临的挑战。因为如果我们要做这件事,我们最好把它做到最好,让这个努力尽可能有意义。这是一个惊人的可能性,需要进一步探索,但1亿美元和我们目前最伟大的技术甚至还不能让我们开始实现。
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