突破摄星任务：前往半人马座阿尔法星

2016年春天，我在普林斯顿高等研究院参加一个招待会，与才华横溢的物理学家和数学家弗里曼·戴森共处一室，当时他92岁，是该研究院的荣誉退休教授。他从不说你期望他说的话，所以我问他：“有什么新鲜事吗？” 他露出了他那含义不明的微笑，回答说：“显然我们要去半人马座阿尔法星了。” 这颗恒星是我们太阳最近的邻居之一，一位硅谷亿万富翁最近宣布，他正在资助一个名为“突破摄星”的项目，向那里发送某种宇宙飞船。“这是个好主意吗？” 我问。戴森的笑容更大了

“不，这很傻。” 然后他补充说，“但宇宙飞船很有趣。”

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宇宙飞船确实很有趣。 “突破摄星”计划没有采用通常的火箭（由化学反应驱动，体积庞大，足以载人或携带重型仪器），而是采用了一群微小的多功能芯片，称为“星芯片”，每个芯片都连接到一个所谓的“光帆”。光帆非常轻薄，当受到称为“光束发射器”的激光束照射时，它将加速到光速的 20%。 在 4.37 光年之外，半人马座阿尔法星需要最快的火箭 30,000 年才能到达；而“星芯片”只需 20 年即可到达。 到达后，芯片不会停止，而是在几分钟内掠过恒星及其任何行星，传输需要 4.37 年才能传回地球的照片。

“傻”的部分在于，“突破摄星”任务的重点显然不是科学。 天文学家想了解的关于恒星的知识，并不是通过快速飞掠就能了解到的——而且没有人知道半人马座阿尔法星是否真的有行星，因此“突破摄星”甚至无法承诺拍摄到其他世界的特写镜头。 “我们几乎没有认真思考过科学方面的问题，”普林斯顿大学的天体物理学家埃德·特纳说，他也是“突破摄星”咨询委员会的成员。 “我们几乎理所当然地认为这项科学研究会很有趣。” 但在 2016 年 8 月，“突破摄星”团队幸运地迎来转机：一个完全无关的欧洲天文学家联盟在距离我们比半人马座阿尔法星更近十分之一光年的比邻星周围发现了一颗行星。 突然，“突破摄星”成为在可预见的未来访问另一颗恒星的行星的唯一半可行方法。 尽管如此，“突破摄星”听起来有点像那些科幻小说和星际旅行爱好者的梦想，他们认真而没完没了地谈论着将人类送往太阳系以外，并声称只要有足够的技术奇迹和资金，这些技术肯定会奏效。

然而，“突破摄星”并不需要奇迹。 它的技术虽然目前尚不存在，但却是基于已有的工程学原理，并且没有违反任何物理定律。 而且这个项目有资金支持。 尤里·米尔纳是一位企业家，他还资助了其他名为“突破计划”的研究项目以及名为“突破奖”的年度科学奖项，他正在启动“突破摄星”的初步开发，投入了 1 亿美元。 此外，米尔纳还组建了一个令人印象深刻的咨询委员会，足以让怀疑论者相信“突破摄星”可能会成功，其中包括激光、帆、芯片、系外行星、航空学和大型项目管理方面的世界级专家，外加两位诺贝尔奖获得者、英国皇家天文学家、著名的学术天体物理学家、一批聪明而经验丰富的工程师——以及戴森，尽管他认为“突破摄星”的任务很傻，但也表示激光驱动帆的概念是有道理的，值得追求。 总而言之，很少有人会长期押注一个拥有如此多资金、良好建议和众多聪明工程师的行动会失败。

无论其前景如何，该项目都与以往的任何太空任务截然不同。 美国海军战争学院的太空政策专家琼·约翰逊-弗里斯说：“‘突破摄星’的一切都很不寻常。” 它的目标、资助模式和管理结构都与其他所有太空旅行参与者不同。 商业航天公司专注于盈利和停留在太阳系内的载人任务。 美国国家航空航天局（NASA）也没有星际旅行的计划，对于如此不确定的事情来说，它过于规避风险；其官僚程序通常繁琐而重复；其任务受制于国会批准和资金的不确定性。 前宇航员、国际空间站指挥官焦立中说：“美国国家航空航天局必须花时间；亿万富翁可以立即行动。” “你把这个团队组建起来，就可以出发了。”

行动计划

推动“突破摄星”项目的人一直受到遥远领域的启发。 尤里·米尔纳于 1961 年出生于莫斯科，同年尤里·加加林成为第一个进入太空的人。 他说：“我的父母给我取名尤里时就给我发了一个信息”——也就是说，他应该去一个从未有人去过的地方。 所以他投身于物理学——“那是我的初恋，”他说。 米尔纳花了 10 年时间接受教育，然后从事量子色动力学研究。 “不幸的是，我做得不太好，”他说。 接下来他转行经商，成为 Facebook 和 Twitter 的早期投资者，并积累了据报道近 30 亿美元的财富。 米尔纳说：“大概在四年前，我开始再次思考我的初恋。”

2013 年，他设立了“突破奖”，分别为生命科学、数学和物理学各设立一个奖项。 2015 年，他开始了被他称为爱好的“突破计划”，这是一种向宇宙的拓展：为向外星文明发送的最佳信息设立 100 万美元的奖金；为更广泛、更灵敏地搜索外星智能设立 1 亿美元；现在又为“突破摄星”投入 1 亿美元。

2015 年初，米尔纳从他在各种“突破”聚会上遇到的人中招募了一个“突破摄星”的中央管理团队。 “突破摄星”咨询委员会主席和执行主任分别是哈佛大学天文系主任阿维·勒布和彼得·沃登，后者曾担任美国国家航空航天局艾姆斯研究中心主任，并参与了国防高级研究计划局/美国国家航空航天局关于在 100 年内发射星际飞船的计划。 沃登招募了皮特·克卢帕担任“突破摄星”的工程主管，克卢帕是一位工程师，曾在航空航天业进进出出，并在艾姆斯为他工作过。 他们反过来组建了令人印象深刻的委员会，其中包括相关技术领域的专家，他们显然愿意为了少量资金或不收钱参与其中，以及 Facebook 的马克·扎克伯格和宇宙学家斯蒂芬·霍金等知名人士。 “突破摄星”的管理政策似乎是美国国家航空航天局的层级决策树的严谨性和硅谷文化的平衡，硅谷文化是将一群聪明人放在一个房间里，给他们一个长期目标，然后袖手旁观。 委员会成员之一、微波科学公司总裁詹姆斯·本福德说，任务是“给我们下周和五年后的时间，我们会想办法将两者联系起来。”

assembled team members began by agreeing that they could rule out sending humans to Alpha Centauri as too far-fetched and planned to focus on an unmanned mission, which they estimated they could launch in roughly 20 years. They then agreed that the big problem was spacecraft propulsion. So in mid-2015 Loeb’s postdocs and graduate students began sorting the options into the impossible, the improbable and the feasible. In December of that year they received a paper by Philip Lubin, a physicist at the University of California, Santa Barbara, called “A Roadmap to Interstellar Flight.” Lubin’s option for propulsion was a laser phased array—that is, a large number of small lasers ganged together so that their light would combine coherently into a single beam. The laser beam would push a sail-carried chip that would need to move at a good fraction of light speed to reach another star within a couple of decades. (A similar idea had been published 30 years earlier by a physicist and science-fiction writer named Robert Forward; he called it a Starwisp.) Although the technology was still more science fiction than fact, “I basically handed Starshot the road map,” Lubin says, and he joined the project.

2016 年 1 月，米尔纳、沃登、克卢帕、勒布和卢宾在米尔纳位于硅谷的家中会面，共同制定了一项策略。 卢宾说：“尤里走进来，拿着一张贴着便利贴的纸，” “并开始提出正确的科学和经济问题。” 该项目不寻常方法的妙处在于，“突破摄星”团队可以自由地根据他们认为最好的方案制定一个基本计划，而无需像美国国家航空航天局那样经历漫长的征集和审查提案的过程，也无需像商业公司那样担心潜在的利润。

“突破摄星”唯一真正昂贵的要素是激光器；光帆和芯片的成本将很低且可消耗。 后者将被捆绑到一个发射器中，发送到大气层上方，然后像飞鱼一样一个接一个地释放出来——成百上千个——数量如此之多，以至于像爬行动物的繁殖策略一样，损失几个也无关紧要。 每个芯片都会受到激光照射，并在几分钟内加速到光速的 20%。 接下来，激光器将关闭，芯片和光帆将继续飞行。 当它们到达恒星时，芯片会呼叫地球。 米尔纳说：“十年前，我们还不可能就此进行认真的对话。” 但现在，随着激光器和芯片呈指数级改进，科学家们设计和制造新材料，“这不再是几个世纪以后的事，而是几十年后的事。”

“突破摄星”管理层将这个想法发送出去进行审查，要求科学家寻找“致命缺陷”。 结果没有人发现任何“致命缺陷”。 卢宾说：“我可以告诉你为什么它很困难，为什么它很昂贵，” “但我无法告诉你为什么它不能实现。” 到 2016 年 4 月，该团队已就该系统达成一致，米尔纳于 4 月 12 日在纽约市的新自由塔顶层安排了一场新闻发布会，发布会播放了视频、动画，并邀请了几位咨询委员会成员参加。 他宣布了一艘由光之风驱动的“星际帆船”。 研究人员在接下来的夏天概述了接下来必须发生的事情。

星芯片和光帆

该团队很快发现，尽管该计划在技术上可行，但将是一次艰难的攀登。 即使是最容易实现的技术——星芯片，也存在许多问题。 它需要非常小——大约克级——但又能够收集和发送回数据，携带自己的电源，并在漫长的旅程中生存下来。 几年前，康奈尔大学的工程师梅森·佩克的小组制造了他们称之为“精灵”的东西，这是一种类似智能手机的芯片，带有光传感器、太阳能电池板和无线电，每个重四克。 “突破摄星”芯片将以“精灵”为模型，但重量会更轻，约为一克，并且每个芯片携带四个摄像头。 一种选择是在光传感器上放置一个称为平面傅里叶捕获阵列的微小衍射光栅，而不是使用用于聚焦的重型透镜，以将入射光分解成波长，这些波长稍后可以由计算机重建为任何焦深。 芯片建议使用的其他设备包括用于识别行星大气化学成分的光谱仪和用于测量恒星磁场的磁力计。

芯片还需要将照片发送回星际距离。 卫星目前使用单瓦二极管激光器发送信息，但距离较短：佩克说，到目前为止，最远的距离是从月球发出的，月球比半人马座阿尔法星近一亿倍以上。 要从恒星瞄准地球，激光的瞄准需要非常精确。 然而，在四年的旅程中，信号会扩散和稀释，直到到达我们这里时，它只会变成几百个光子。 一种可能的解决方案是通过中继方式将照片发送回去，从一个星芯片到一系列以固定距离在其后面飞行的星芯片。 哈佛大学“突破摄星”咨询委员会成员扎克·曼彻斯特说，将信息传回地球“仍然是一个非常困难的问题。”

芯片还需要电池来运行摄像头和机载计算机，以便在 20 年的航行中将数据传输回去。 佩克说，考虑到到达半人马座阿尔法星或比邻星的距离以及小型芯片上可实现的几瓦功率，信号到达地球时会很微弱，但“光子数量刚好足以让‘突破摄星’的接收器接收到”。 迄今为止，还没有一种电源既能在黑暗和寒冷的环境中工作，重量又小于一克，并且具有足够的功率。 佩克说：“电源是芯片上最困难的问题。” 他提出的一种可能的解决方案是改造医疗植入物中使用的小型核电池。 另一种方案是利用光帆在穿过充满气体和尘埃的星际介质时通过摩擦加热所获得的能量。

同样的星际介质也可能对“突破摄星”芯片构成危害。 普林斯顿大学的天文学家布鲁斯·德雷恩说，这种介质就像高度稀薄的香烟烟雾，他也是委员会成员。 没有人确切知道介质有多稠密，或者尘埃颗粒有多大，因此很难估计其潜在的破坏力。 星芯片与任何尺寸的尘埃颗粒以接近光速的速度碰撞都可能造成损害，损害范围从轻微的陨石坑到完全摧毁。 德雷恩说，如果星芯片是一个平方厘米，“你会在途中与很多很多这样的东西碰撞”。 一种防止较小颗粒的保护措施可能是几毫米厚的铍铜涂层，尽管尘埃颗粒仍然可能造成灾难性损坏。 佩克说：“芯片要么幸存下来，要么就无法幸存，” 但幸运的是，在芯片群中发送出去的成百上千个芯片中，总会有一些能够成功到达目的地。

下一个最困难的技术是光帆。 星芯片将由从光帆反射的光的反冲力推进，就像网球的反冲力推动球拍一样。 反射的光越多，推力就越大，光帆的速度就越快；为了达到光速的 20%，“突破摄星”光帆必须具有 99.999% 的反射率。 美国国家航空航天局格伦研究中心的科学家、咨询委员会成员杰弗里·兰迪斯说：“任何没有被反射的光最终都会加热光帆”，而且考虑到光束发射器的极高温度，“即使只有一小部分激光功率加热光帆也会是灾难性的。” 兰迪斯说，与今天的太阳帆相比，它还必须轻得多，厚度以原子为单位测量，或者大约是“肥皂泡的厚度”，太阳帆利用太阳光在太阳系周围推进了一些实验性宇宙飞船。 2000 年，在迄今为止最接近的近似值中，本福德使用微波束加速了一个由碳片制成的光帆。 他的测试达到了约 13 g（地球重力引起的加速度的 13 倍），而“突破摄星”的光帆需要承受高达 60,000 g 的加速度。 与星芯片一样，光帆也必须能够承受星际介质中的尘埃在其上穿孔。 到目前为止，还没有一种材料既轻、又坚固、又具有反射性和耐热性，而且成本又不会高达数百万美元。 克卢帕说：“我们必须创造的几个奇迹之一就是光帆材料。”

其他与光帆相关的决策仍然存在。 光帆可以用电缆连接到芯片，或者芯片可以安装在光帆上。 光帆可能会旋转，使其保持在光束发射器的中心。 在初始加速之后，光帆可以像雨伞一样折叠起来，使其在旅程中不易受到损坏。 一旦到达半人马座阿尔法星，它可以展开并调整其曲率，以充当望远镜反射镜或天线，将芯片的消息发送回地球。 兰迪斯说：“这听起来像是很多工作，” “但我们以前也解决过难题。”

然而，所有这些挑战仍然比推动光帆的光束发射器的挑战更容易。 “突破摄星”要达到光速的很大一部分，唯一的方法是使用异常强大的 100 吉瓦激光器。 美国空军研究实验室定向能源理事会首席科学家罗伯特·彼得金说，国防部已经生产出功率更大的激光器，但它们只能闪烁十亿分之一秒或万亿分之一秒。 “突破摄星”光束发射器必须在每个光帆上停留几分钟。 为了在如此长的时间内达到这种功率，可以将小型光纤激光器分组到一个阵列中并进行相位同步，以便它们的所有光线组合成一束相干光束。 彼得金说，国防部也制造了相控阵激光器，但它们的阵列中包含 21 个激光器，直径不超过 30 厘米，功率仅为几十千瓦。 “突破摄星”光束发射器将不得不包含 1 亿个这样的千瓦级激光器，并且阵列将向两侧延伸一公里。 彼得金说：“这超出了现有技术水平多少？”

他补充说：“而且情况会越来越糟。” 这 1 亿个小型激光器会受到大气正常湍流的偏转，每个激光器的偏转方式都不同。 最终，光束发射器需要将它们全部聚焦在 60,000 公里高空、面积为 4 平方米的光帆上。 委员会成员、定向能源理事会退休科学家罗伯特·富盖特冷冷地说：“目前，通过大气湍流将 1 亿个激光器相位同步到 60 百万米外米级目标上，这让我非常关注。” 光线可能会完全错过光帆，或者更可能不均匀地击中光帆，导致光帆某些部分受到更大的推动，从而导致光帆翻滚、旋转或滑出光束。

同样，“突破摄星”团队有一个潜在的解决方案，但该方案也带来了一系列自身的问题。 一种称为自适应光学的技术，已在大型望远镜中使用，它通过一面柔性反射镜抵消大气湍流造成的扭曲，该柔性反射镜产生相等且相反的扭曲。 但这项技术需要进行重大改进才能用于“突破摄星”。 就光束发射器而言，科学家们必须微调每个激光光纤，而不是使用可调节的反射镜，以进行大气校正。 目前望远镜上的自适应光学系统最多可以分辨出 30 毫角秒宽的点（衡量天空中物体角大小的单位）。 “突破摄星”需要将光束发射器聚焦在 0.3 毫角秒以内——这是以前从未做过的事情。

即使所有这些分散且具有挑战性的技术都能被制造出来，它们仍然必须作为一个单一系统协同工作，这对于“突破摄星”管理者来说，就像创建一个拼图游戏，其碎片形状不断演变或尚未存在。 沃登称这个过程为“长期艰苦研究项目的艺术”。 委员会成员、帕金研究公司系统工程师凯文·帕金说，该系统“目前还没有单一的设计”。 克卢帕说，未来五年的计划是“收获技术”——也就是说，在委员会相关专家的指导下，团队成员将进行小规模实验并建立数学模型。 他们于 2015 年至 2016 年冬季开始，通过考察现有技术并征求尚未开发的技术的提案；计划于 2017 年春季授予每份价值数十万至 150 万美元的小型合同。 接下来将是原型，并且假设原型取得成功，激光器和光帆的建造可能会在 2030 年代初开始，发射时间定在 2040 年代中期。 到那时，“突破摄星”可能会花费数十亿美元，并且如果运气好的话，可能会在美国、欧洲和亚洲的政府、实验室和航天机构中找到合作伙伴。 米尔纳说：“我将为此辩护，我希望更多人加入。” 他补充说：“它必须是全球性的，” 并援引了一个巨大的激光装置合理的国家安全担忧。 “如果你秘密启动这样的项目，就会有更多的问号。 公开宣布意图很重要。”

向星星出发！

考虑到所有这些障碍，成功的几率有多大？ 不隶属于“突破摄星”的精通技术的人士估计成功的几率很小；有几个人直截了当地告诉我，“他们去不了半人马座阿尔法星。” 哈佛-史密森天体物理学中心的戴维·查博诺说，该项目最终将非常昂贵，以至于“可能相当于说服美国民众将国民预算的 5%（与阿波罗计划的比例相同）投入其中。”

与“突破摄星”有关的人认为成功的几率更高，但也很务实。 纽约城市理工学院委员会成员格雷格·马特洛夫说：“我们当然可以使用激光将飞船发送到半人马座阿尔法星。” “但我们是否能在未来 20 年内将它们送到那里，我就不知道了。” 哈佛大学的曼彻斯特说：“在 50 年内，成功的几率相当高；在一个世纪内，成功的几率是 100%。” 沃登认为他们的方法是有目的的衡量，“也许五年后我们会发现我们做不到。” 米尔纳认为他在“突破摄星”项目中的工作，除了资助之外，还要保持其务实和脚踏实地。 他说：“如果需要超过一代人的时间，” “我们就不应该从事这个项目。”

直到去年 8 月下旬，我才认为戴森是对的；“突破摄星”技术很吸引人，但半人马座阿尔法星很傻。 这颗恒星是一个双星系统（半人马座阿尔法星 A 和 B），而且这两颗恒星都像太阳一样，没有一颗是特殊的。 查博诺说，天文学家对这类恒星的理解“非常好”，虽然将它们的耀斑和磁场与我们的太阳进行比较可能很有用，但“通过去那里了解恒星物理学并不值得这项投资。”

现在天文学家知道半人马座阿尔法星的邻居有一颗行星，科学案例更有希望了。 这颗恒星——比邻星，离地球稍近一些，是一颗红矮星，是最常见的恒星类型。 行星比邻星 b 与其恒星的距离使其可能适合居住。 当这一发现宣布时，“突破摄星”团队在晚餐时庆祝。 成员们会考虑改变项目的目标吗？ 米尔纳说：“当然。” “我们有足够的时间来决定。” 富盖特说，激光阵列应该有足够的指向灵活性，可以“适应大约两度的差异”。

克卢帕说，“突破计划”的总体目标是找到太阳系附近的所有行星，而比邻星 b 可能只是第一个。 他说：“我感觉自己像一个昆虫学家，捡起一块石头，发现一只虫子，然后认为之后的每一块石头下面也会有虫子。” “这不是真的，但在某种程度上令人鼓舞。”

当然，即使比邻星 b 的存在仍然不能使“突破摄星”成为板上钉钉的科学。 芯片可以拍摄图像，也许可以观察行星的磁场，甚至可以对大气进行采样——但这都将在几分钟内快速完成。 普林斯顿大学天体物理学家戴维·斯珀格尔说，考虑到发射时间和最终价格，“我们可以在太空中建造一个 12 至 15 米的光学望远镜，观察这颗行星几个月，并获得比快速飞掠更多的信息。”

但是，亿万富翁可以自由投资他们想要的任何东西，志同道合的人也可以自由地加入他们的愿望。 此外，即使是那些质疑“突破摄星”科学价值的人，也常常会支持它，因为在开发这项技术的过程中，其工程师几乎肯定会想出一些有趣的东西。 斯珀格尔说：“他们不会解决所有问题，但他们会解决一两个问题。” 而对一个难题的创造性解决方案“将是一次巨大的成功”。 此外，即使“突破摄星”没有成功，利用其开发的技术的任务也可能到达太阳系内外的一些重要目的地。

米尔纳本人对该项目的喜爱源于他希望该项目能够将世界各地的人们团结起来，让他们意识到自己是同一个星球、同一个物种。 他说：“在过去的六年里，我 50% 的时间都在路上，其中很多时间在亚洲和欧洲。” “我意识到全球共识是困难的，但并非不可能。” 这一主题与其他“突破计划”相符，后者的主要目的是找到外星人进行交谈，也与米尔纳在互联网和社交媒体上的大量投资相符，这些投资改变了对话和社区的性质。 但最终，即使是他也承认，想要去一颗恒星是无法解释的。 “如果你一直问我为什么，最终我会说我不知道。 我只是觉得这很重要。”

几乎所有我问过的人都说了同样的话：他们无法向不理解的人解释——他们只是想去。 普林斯顿大学天体物理科学系荣誉退休教授詹姆斯·冈恩认为“突破摄星”成功的机会渺茫，并且驳斥了科学动机，但他仍然说：“我对大多数事情都很理性，但我对人类的远大目标并不特别理性。 我从小就梦想着去星星。” 咨询委员会的许多成员也说了同样的话。 兰迪斯重复了其他成员的确切措辞：“这真是太酷了。”

弗里曼·戴森或许最好地表达了这种梦想中固有的矛盾。 他说，“突破摄星”的激光驱动帆及其芯片是有道理的，而且该项目背后的那些人很聪明并且“非常明智”。 但他认为他们应该停止尝试前往半人马座阿尔法星或比邻星，而应该专注于探索太阳系，在那里星芯片可以由更可行、功率更低的激光器驱动，并以较低的速度行驶。 他说：“探索是人类天生就应该做的事情。” “这是我们非常擅长的事情。” 他认为“自动机器”应该探索宇宙——没有科学理由派遣人员。 然后，作为戴森和不可预测的人，他补充说：“另一方面，我仍然很想去。”