揚起光帆！人類探測器瞄準下壹個目標：半人馬座比鄰星
每年壹度的“百年星艦研討會（100-Year Starship Symposium）”總能吸引壹大票人參加——其中既有貨真價實的科學家和研究人員，也不乏誇誇其談的空想家和業余愛好者。大家湊在壹起興致勃勃地討論如何在100年內建造壹艘星際飛船，實現人類航天器飛出太陽系， 探索 另壹顆恒星的夢想。
為什麽達成這壹目標的時間要定在100年內？原因很簡單——英國著名科幻小說家赫伯特·喬治·威爾斯的著作《登月第壹人》於1901年出版，阿波羅11號飛船1969年成功登月，相隔還不到100年。隨著航天 科技 的加速發展，人類沒有理由不對未來報以更高的期望。
可惜每次大會的喧囂落定之後，似乎並沒有留下什麽讓人印象深刻的東西。與會者提出的方案要麽天馬行空，不著邊際，要麽模糊其詞，閉口不談技術細節——這其實很好理解，畢竟人類速度最快的航天器“旅行者壹號”經過 42年 的長途旅行，才飛到 271億公裏 之外。光跨越這段距離僅需 20個小時 ，而太陽系邊緣的奧爾特雲有 1光年 遠，距離太陽最近的壹顆恒星——半人馬座比鄰星離我們 4.2光年 ，以旅行者壹號的“龜速”到達那裏至少要花 16,700年 。
2015年的“百年星際飛船研討會”在美國加州聖克拉拉舉行。來自加州大學聖巴巴拉分校的宇宙學家 菲利普·魯賓 （Philip Lubin）提出壹個頗為大膽的計劃——用有史以來最強大的激光器做動力，將只有壹枚郵票大小的“納米帆船”加速到光速的20%，這樣只需20年就能飛到比鄰星！
滿面胡須的魯賓是壹位優秀的演說家，他描繪的宏偉藍圖很快吸引了眾人的目光。更重要的是，魯賓的設想 沒有任何違背科學原理之處 ，雖然在工程學方面還面臨重大挑戰，許多技術細節還需要驗證，但假以時日未嘗不能實現。
“突破攝星”計劃的原理非常簡單——建造壹個由大量高強度激光器組成的陣列，通過鎖相（phase lock）裝置匯聚為功率高達 100千兆瓦 的單波束。將激光束引導至等候在地球軌道上的重量不到 壹克 的納米飛船光帆上，利用光子產生的壓力使飛船加速。短短幾分鐘之內飛船速度可達到每小時 1.6億 公裏，在 20年 之內就能抵達比鄰星，再用搭載的傳感器拍下比鄰星附近行星的照片並傳回地球。
光帆技術不僅可以幫助人類親眼目睹系外行星的真容，還能大大縮小太陽系旅行的時空距離。20%光速的納米飛船 壹小時 之內就能到達火星，到冥王星僅需 壹天 ，飛到星際空間只要 壹周 就夠了。相比之下，NASA探測器飛抵火星需要 9個月 ，新地平線號飛掠冥王星花了 9年 ，1977年升空的旅行者1號用了 15年 才突破日球層。即使宇宙飛船速度只提升到光速的2%，相比現在也是巨大的進步。
作為“突破攝星計劃”的智囊團成員之壹，菲利普·魯賓教授今年66歲，步伐輕快，頭發烏黑，外表看上去比實際年齡要年輕許多。
即便如此，年輕時的魯賓也沒想過自己會走上學術之路。他的父親來自立陶宛，職業是壹名郵遞員，連高中都沒有畢業，母親出生於俄羅斯，壹輩子從事的都是秘書之類的工作。出身於這樣的移民家庭，考入常青藤名校似乎是難以想象的事情。但機緣巧合，魯賓在洛杉磯壹名學校輔導員的鼓勵下報考了社區大學，並從那裏轉到加州大學伯克利分校，最終聽從教授的建議考入哈佛大學研究生院。回首求學之路，魯賓半開玩笑稱自己就像壹個傻瓜。
今天的魯賓是壹名宇宙學家，雖然本職工作是擺弄各種宇宙背景輻射測量設備，但學術興趣頗為廣泛。在壹次防禦小行星技術會議上，眾人正興致勃勃地討論用激光摧毀威脅地球的近地天體，魯賓卻突發奇想，冒出激光推進飛船的念頭。
魯賓認為，人類空間推進技術的發展過於緩慢。今天在役的火箭大多數仍然靠液體燃料驅動，和二戰期間的德國V2火箭沒有本質區別。相比之下，現代計算機的運算速度比75年前提高了 數萬億 倍。NASA的SLS超重型火箭研發投入已經超過 120億 美元，至今仍未準備就緒。如果航天技術的進步幅度能和信息技術相媲美，類似的重型火箭成本可能早就降低到 幾分錢 。
要想制造價格如此低廉的宇宙飛船，傳統的化學動力驅動明顯力不從心，但恒星產生的光子卻可以提供我們源源不絕的動力。在太空中遨遊的航天器幾乎沒有任何阻力，只要 表面足夠光滑，撞擊它的光子就會產生微小的推力並使其加速 。如果用壹束足夠強的激光持續照射壹艘飛船的“光帆”，就能使飛行器像大海中乘風破浪的帆船壹樣，速度在短時間內得到巨大提升，最終達到相對論速度——這就是“突破攝星”計劃的關鍵技術之壹“ 光帆推進技術 ”的原理。
“突破攝星”計劃設想發射壹艘“太空母艦”進入地球高空軌道，在那裏部署大量“納米飛船”。每個飛船由兩部分組成—— 大小幾厘米，重量僅幾克的星芯片 （StarChip），以及壹個展開面積 4米X4米的光帆 （Lightsail）。部署在地面上的激光陣列將光束聚焦到光帆上，每面光帆接受的能量大約為 1萬億焦耳 ，飛船加速度可達 100千米/秒^2 。
地基激光陣列由單個功率 10千瓦 的激光器組成，覆蓋面積1平方公裏，總輸出功率高達 100千兆瓦 。為了彌補長途星際旅行中與星際塵埃相撞導致的損失，這支“星際艦隊”將擁有 1000 艘微型飛船，它們的最終目標是4.2光年外的比鄰星。天文觀測顯示比鄰星附近有壹顆和地球大小差不多的行星—— 比鄰星b 。按照科學家的設想，人類飛行器將飛到和比鄰星b相距1個天文單位（ 1.5億公裏 ）的地方，在這個距離飛行器搭載的相機可以捕捉到系外行星表面的高分辨率圖像。
菲利普·魯賓承認，“突破攝星”計劃面臨諸多難以克服的工程學障礙。比如目前還沒有足夠強大的 激光器 產生推進光帆的激光束；其次，工程師還有找到壹種輕巧而堅韌的 光帆材料 ，既能反射熾熱的光束又不被其摧毀；另外，現有 航天器 還無法縮小到壹枚郵票大小，重量也很難減輕到幾克。
目前，研究團隊正在探討如何將直徑10厘米的單個激光器構建成龐大的激光陣列，通過相位鎖定放大到足夠的強度並匯聚為單光束。和天基激光器相比， 地基激光陣列 成本更低，但也更容易受到大氣湍流幹擾。這就需要航天器本身返回信號，引導激光束持續照射。
另壹方面，光帆的概念幾十年之前就已提出，但直到2010年日本“伊卡洛斯”號才展開14平米太陽帆，成功實現靠太陽輻射遨遊太空的設想。相比之下，突破攝星微型飛船所承受的絕非溫和的“太陽風”，而是人類有史以來最強大激光器制造的“光束風暴”。
為了使十幾平米的光帆重量 小於1克 ，其厚度大概相當於 幾百個原子 排列在壹起。有“新材料之王”美譽的 石墨烯 足夠致密，力學性能也非常突出，但這種材料不具有反射性，表面必須敷以塗層。 金屬材料 的反射性夠強，但重量又不滿足要求。考慮到光帆的材質最好兼具透明度和反射性，因此 玻璃 無疑是最好的選擇，但其結構和性能還有待優化。
第三個挑戰是建造 “晶圓級”航天器 。人類目前制造的繞地球運行的最小航天器是 10厘米 見方，約 1公斤重 的納米衛星。研究團隊希望將航天器進壹步小型化，把攝像頭、處理器、鈈238核電池、通信激光器等元件集成到壹枚 微芯片 上。除此之外，星芯片飛船還必須能夠抵禦加速沖擊力和極端寒冷的太空環境。研究人員雖然已經成功制造出火柴盒大小的航天器原型，但重量有 100克 ，遠遠無法滿足“突破攝星”計劃的要求。
和其他星際項目相比，“突破攝星”計劃並不需要物理學理論有重大突破或出現顛覆性創新技術。上述問題即使只解決壹部分，對人類 科技 進步來說都具有革命性意義。比如晶圓級飛船對微電子和通信等領域前沿技術的巨大推動作用；低成本高效率的激光陣列未來可能用於清除太空垃圾；光帆技術的進步將使人造航天器 探索 太陽系的往返時間從幾年縮短至幾天甚至幾小時。
那麽揚起光帆的人類飛船什麽時候能夠拜訪半人馬座比鄰星呢？壹個目標是2061年，即尤裏·加加林進入太空100周年之際，但魯賓幾乎肯定無法看到這壹天。對於他來說，解決技術問題的每壹步不但為人類開辟前往另壹顆星星的道路，還將我們對未知世界的 探索 壹次次推向前沿。 與其坐等未來，不如主動去創造未來。 也許，這才是“突破攝星”計劃的真正意義所在。