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霍金想要探測比鄰星,有可能成功嗎?

霍金想要探測比鄰星,有可能成功嗎?

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文/maomaobear

日前,剛剛開通微博的英國物理學家史蒂芬·霍金,與俄羅斯億萬富豪尤里·米爾納以及Facebook創始人兼首席執行官扎克伯格在美國宣布,將推出一項突破性的研究和工程方案。先期將投入1億美元。

這個名為“突破星擊”(Breakthrough Starshot)的太空探索項目將通過衛星向太空釋放數千個重量在1公克以下的微型航天器。

這種微型航天器,採用納米技術,通過光束供能,以加速到每小時1億英里的速度,在未來20年內抵達最接近地球的半人馬座阿爾法星宜居帶,用其攜帶的攝像頭、通訊設備和處理器等捕捉行星和其他科學數據的影像,並傳回地球。

天文學家相信,一顆類似地球的行星可能存在於半人馬座阿爾法星的宜居帶,這是最接近地球的星系,位於4.37光年之外。

米爾納稱這種郵票大小的航天器nanocraft為“星際帆船”,它可加速至光速的20%,是目前最快飛船的1000倍。如果使用傳統太空飛船技術,抵達半人馬座需要3萬年。

對於太空飛船,火箭,衛星,我們現代人都已經不再陌生,而這個郵票大小,速度能達到光速20%的東西聽起來還是很科幻,而霍金,扎克伯格和NASA與國內畫餅騙投資的項目策劃人不能同日而語。這個“突破星際”計劃到底是什麼東西?它會帶來什麼?可能實現嗎?

一、霍金的目標,三體的原型

隨着大劉獲得雨果獎,很多人都應該看過《三體》這部小說,對什麼黑暗叢林,智子都很熟悉。

而三體裡面三顆星的原型,就是這就是這次霍金要去探索的半人馬座阿爾法星。

半人馬座有兩個非常明亮的恆星群,被稱為α星和β星,而α星由三顆恆星組成,被稱為A星,B星和C星,其中C星是距離地球最近的一顆恆星,距離地球只有4.2光年。

人類一直在探索地球之外的其他星球,試圖找到一顆適合人類居住的行星。於是人類先探索了月球,然後探索了火星,無人探測器已經探索了這個太陽系,並沒有發現適合人類居住的星球。

而要探索太陽系之外的世界,半人馬座的C星是最近的一顆恆星,它所擁有的行星。也是人類最容易探索到的太陽系之外的行星。

所以,才有了這個“突破星擊”計劃:發射人類控制的探測器,去探索太陽系之外最近的恆星,尋找這顆恆星的行星,看有沒有適合人類居住的其他星球。如果幸運的話,還有可能發現外星生命。

二、為什麼需要一克以下的飛船

對於探索宇宙,人類已經不是新手,但是現有的探測器速度對於空曠的宇宙來說太慢了。駕駛目前最快的太空飛船,去太陽系邊緣的冥王星,就要飛10多年。而要探測半人馬座的恆星,需要幾萬年的時間,這對現在的人類來說太遙遠了。

所以,人們需要飛的更快的探測器,於是光束飛船登場。

所謂光束飛船,顧名思義,就是以光推動的飛船。這聽上去有些不可思議,而事實上,人們發現光的力量已經很久很久。

幾百年前,天文學家開普勒發現彗星的尾巴是背對太陽的,從而提出太陽光是有壓力的。而後,到了19世紀中葉,麥克斯韋由電磁理論算出:光正入射到黑體(完全吸收光的物體)上會產生壓強,並且算出來公式p=S/c,式中S為光的坡印廷矢量的值,c為光速。由此得出,太陽光正入射到地面黑體上的光壓為p=5×10-6牛/米2。

1901年,俄國科學家P.列別捷夫,用實驗證明了光壓的存在,他測出太陽光壓的值與麥克斯韋的計算結果符合。

光壓在地球上微不足道,但是到了沒有重力也近乎沒有阻力的太空中,就成為了不可忽視的因素,甚至設計人造衛星時也要考慮光壓的影響。

既然光壓在太空中有用,那麼為什麼不利用光壓來推動太空飛行器呢?於是就有了光束飛船的設想。

上世紀80年代中期,物理學家羅伯特·富沃德提出藉助從地球發出的能量束實現星際飛行的方案。

如果是傳統的飛船,因為質量太大,光壓所能提供的加速度太小。

所以,霍金提出來1公克以下的超微型飛船,這樣光照才有可能發出來飛船加速所需的能力。

三、這個計劃可能實現嗎?

而正如我們看到的公式,推力大小是光線能量與接收面積決定的。

所以,這個飛船要做成帆的樣子,儘可能的增加面積,提升受力,達到更快的加速。

而光除了推力,同時還會有熱能,這個帆還必須足夠耐熱,能反射光線,保證不被燒毀。

同時,還需要帆所用的材料能夠接近黑體,儘可能的提升光壓達到理論值。這都需要技術。

我們看到一則新聞稱,南開大學化學學院陳永勝教授和物理學院田建國教授領導的科研團隊經過3年的研究,獲得了一種特殊的石墨烯材料,這種材料可在包括太陽光在內的各種光源照射下驅動飛行,其獲得的驅動力是傳統光壓的1000倍以上,500公斤的負載,如果利用基於這種石墨烯材料製備的驅動帆板,理論上獲得的驅動力至少能使其達到0.09米每秒的加速度。這是新材料技術。

而隨着微電子技術的發展,攝像頭,處理器,電池,發射模塊也越來越輕,這讓1公克的探測器成為可能。

理論上,這個計劃並非遙不可及。首先,要在地球上製造出來1公克以下能抗太空輻射的探測器,然後用新材料把光帆製造出來。

之後,用人造衛星把這些探測器送上太空,打開光帆,然後地面超大功率激光器去定向照射光帆,給光帆加速。並且有減速方案。

初期的時間應該先在月球上完成,然後是火星這類行星,試驗成功后,就可以去嘗試加速的極限。最後就是奔向半人馬座,去探測未知的恆星。

計劃雖然很瘋狂,但是理論上看起來是可行的,只是花費會非常巨大,試驗也不會一份風順。

如果是美蘇爭霸的太空探索時期,這個計劃用今天的技術來做,成功的希望不小。而這個項目是無商業價值的探索項目,由富豪來完成,前景就不那麼樂觀。

各種試驗至少要數年時間,花費10億美元計算的經費,而飛向半人馬座即使達到理論速度也得幾十年,富豪們真的有這麼長的耐心?

當然,人類就是創造奇迹的,登月當年也被認為是瘋狂,但是人類還是實現了。未來如何,我們拭目以待。

霍金想要探測比鄰星,有可能成功嗎?

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