第六十七章《斯蒂芬·霍金传》（14）
part13突破射星：让扎克伯格也着迷的探索计划
关于外星生命，人类一直没有停止过探索和寻找。自20世纪中叶以来，人类一直在使用探测地球之外的电波、用天文望远镜观测潜在的宜居行星等方法探测外星生命存在的迹象，但迄今并没有确切证据表明外星生命的存在。有人认为发现外星人的概率很小，也有很多人认为外星生命必定存在。2016年4月13日，著名科学家史蒂芬·霍金在美国纽约宣布了一项名为“突破射星”的外星探索计划，计划将制造速度接近光速的飞船，飞向距离太阳系最近的恒星系统——距太阳约4.24光年的半人马座阿尔法星系。参与的主要人员除了大家熟知的扎克伯格，还有投资人尤里·米尔纳以及爱因斯坦的同事93岁的弗里曼·戴森。如果这项计划能够成功，那么对于人类的外星探索来说无疑是巨大的一步。关于霍金的计划，虽然有很多科学家表示质疑，但是突破射星计划的联合赞助人之一，哈佛大学天体物理中心主席阿维·勒布表示：“突破射星计划的确野心勃勃，但并没有任何背离基本科学原理的地方。”
开启太空探索项目：“突破射星”计划
2016年3月23日，霍金注册了中国微博。根据资料显示，霍金的微博由他的科学团队以及社交媒体公司stradellaroad共同管理维护，凡是落款为“sh”的消息均是霍金教授本人所发。4月12日上午10点12分，霍金在我国的微博上正式发布了第一条信息。在短短的时间之内，他的微博粉丝数量超过了191万人，微博被转发的次数超过31万次。4月13日上午8点08分，霍金再次发布微博宣布了他的“突破射星”计划。在微博原文当中霍金这样写道：
“我在纽约向中国的各位朋友们问好！在纽约城的一号楼观景台，我和尤里·米尔纳启动了‘突破射星’计划（breakthroughstarshot），马克·扎克伯格也加入了该计划的董事会，为‘突破射星’这项计划助一臂之力。”
“在一代人的时间内，‘突破射星’旨在研发出一台‘纳米飞行器’——一台质量为克级的自动化太空探测器——并且通过光束把它的飞行速度提升至五分之一的光速。如果我们的这项计划能够成功，那么这个太空探测器将会在发射后二十年左右到达半人马座阿尔法星系，并发送回来在那个星系中发现的行星的图片。”
“爱因斯坦曾经幻想在宇宙中乘着一道光线飞驰，这个思想实验为他的狭义相对论奠定了基础。一个多世纪后，我们有机会可以达到光速的一小部分：一亿英里每小时。只有通过这么快的速度，我们才有希望在人类的时间尺度内到达那些恒星。”
“这个项目耗资巨大，我雄心勃勃地希望探索人类创新和工程学的极限，能参与这样的项目，非常令人兴奋。”
“突破射星”计划是霍金在2016年4月宣布的一项计划，这项计划他联合互联网投资人尤里·米尔纳一同实施，启动资金达1亿美元，目的是更好地让人们了解我们所生活的宇宙。“突破射星”计划的目标是开发几千个像邮票一样大小的纳米飞行器——一台质量极度轻，以克为单位的自动化太空探测器（或者我们也可以称之为“迷你太空飞船”）。这些纳米飞行器会飞向离我们最近的星系，并且将它们所经过的星系的照片定期向地球发回。
“突破射星”计划的目标是距离地球4.3光年的半人马座阿尔法星系。霍金的这项计划如果能获得成功，那么通过纳米飞行器发回的照片，科学家们就能从中获知半人马座的阿尔法星系当时是不是存在着和地球一样的类地行星，甚至可以得知那时是否有生命的存在。霍金指出，将要研制的纳米飞行器，其速度会达到光速的20%，这样的速度是远远高于当前的太空飞船的，不过这项计划的项目开发可能需要几年的时间。
早在“突破射星”计划之前，霍金就曾在2015年提出过一项历时10年的“突破聆听”计划。“突破聆听”计划是由霍金启动、俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳全额出资进行的一项大规模的外星生命搜索行动，这项计划的最终目的是寻找除了地球之外的其他星球上的生命迹象。“突破聆听”计划这一项目是通过无线电和光学技术，对整个银河系以及银河系周边的100个星系进行细致搜索，找寻外星生命的迹象。这项计划于2016年正式启动，打算历经10年时间，耗资1亿美元。另外，“突破聆听”项目设备采用了部分世界上最先进的望远镜，其中包括位于美国西弗吉尼亚州的绿岸望远镜（greenbanktelescope）和澳大利亚新南威尔斯州的帕克斯望远镜（parkestelescope），希望通过它们来更远地深入到宇宙当中，进行观测和捕捉任何可能出现的无线电波和激光信号。“突破聆听”计划是人类寻找外星生命最重要的手段，通过这项计划，科学家们可以接收到来自100万个星体传来的信号。
紧随“突破聆听”计划之后，霍金在2016年4月提出“突破射星”计划，这无论对于科学家还是普通人来说，无疑都是令人兴奋的。根据规划，“突破射星”计划的第一步是研发上文所提到的能够达到爱因斯坦相对论的速度的“纳米飞行器”，纳米飞行器的最高速度能够达到光速的20%。这个纳米飞行器当中包含有摄影摄像机、导航通信设备、光子推进装置以及动力系统，而这些装置都存在于一个很小的晶片当中。纳米飞行器将通过火箭发射进入地球轨道，作为探测器的纳米飞行器在轨道内利用光帆让激光为其加速。届时，将会有数千个纳米飞行器被送到太空当中，它们会在一天到两天之内向地球返回一次信息，“汇报任务”——每一个飞行器的探测器上都会装有一个研究行星或者小行星的传感器，这些星体的数据将会通过探测器携带的机关返回地球。
对于霍金的“突破射星”计划，也有科学家表示质疑，但是作为霍金“突破射星”计划的联合赞助人，哈佛大学天体物理中心主席阿维·勒布则这样表示：“霍金的‘突破射星’计划看起来的确野心勃勃，虽然有人对此表示怀疑，但是这项计划目前为止并没有任何背离基本科学原理的地方。”对于自己的计划，霍金更是表现出积极乐观的态度，面对质疑，他这样回答：“什么是让人类独一无二的品质？在我看来，超越极限是我们独有的品质。今天，我们迈出了驶向宇宙的又一大步，因为我们是人类，我们的本质就是飞翔。”
半人马座阿尔法星
霍金“突破射星”计划的最终目的地是半人马座的阿尔法星系，该计划由美国太空总署（nasa）艾姆斯研究中心前总监沃尔登带领，包括霍金、米尔纳以及facebook创办人扎克伯格在内的一个委员会将负责监督该计划的落实。在众多的科幻影视作品当中，阿尔法星系同样也是出镜率最高的星系。
早在2002年，美国上映过一部科幻电影《迷失太空》。这部电影讲述的是在公元22世纪，由于地球人口膨胀、环境恶化，人类生存的星球处在了毁灭的边缘。为了生存和延续下去，人们不得不在天空中寻找其他可能生存的星球，寻找新的栖身之地。影片当中，主人公罗伯逊一家被选为在太空中寻找新星的领导者，他们将会乘坐宇宙飞船木星二号前往半人马座的阿尔法星球，人们认为那里一定会存在类似地球的适合人类生存的行星。罗伯逊是一个太空研究专家，为了能够尽快达到目的地，他亲自计划了一条距离最近的飞行路线，通过这条路线，只要花10年的时间就能够到达阿尔法星系。按照罗伯逊的计划，他们准备出发，不幸的是，在出发之前，阴险狡猾的扎查理·史密斯博士混上了他们的飞船。扎查理是一个报复心特别强烈的人，他一直想让人类灭亡，因此一直在找机会破坏罗伯逊的寻找新世界计划。
飞船起飞后不久，扎查理破坏了罗伯逊的飞船中的电脑系统，木星二号没有了电子导航，迷失在了浩瀚的宇宙当中。在太空，罗伯逊一家经历了各种各样的危险：异形洞穴、黑洞、神秘的外星飞行物，好在最终都能够化险为夷。最终，又一次的意外让罗伯逊的飞船落在了一个时空颠倒的星球上。经过了这么多的危险，罗伯逊一家终于明白，他们必须联合起来，才能共同对抗那些未知的危险和敌人，而阿尔法星球就在前方的不远处。
阿尔法星之所以有如此高的出镜率，是因为它是距离太阳系最近的星系。最早发现这个星系是在1915年10月12日，当时南非约翰内斯堡天文观测台发现一个亮度非常微弱的恒星，这颗恒星就是今天我们所熟知的比邻星——组成半人马座阿尔法星系当中的一颗恒星。半人马座阿尔法星系是一个三星系统，所谓的三星系统，简单直白地说就是，这个星系当中有三个太阳。具体来讲，半人马座阿尔法星系包括两颗和太阳相似的恒星阿尔法人马座a星和阿尔法人马座b星，这两颗恒星围绕着轨道运行，彼此的距离非常近，组成双星系统；另一颗比邻星则距离比较远，散发着淡红色的光芒。半人马座阿尔法星系是距离太阳系最近的星系，距离太阳只有4.3光年，在晴朗的夜晚，它是天空南部最明亮的星座。半人马座阿尔法星座当中的三颗恒星中，b星是最接近类似太阳的恒星，它与太阳相比要小一些、暗一些。
对于半人马座阿尔法星的研究，得益于近两年出现的两次“三体”连线事件。2014年10月，比邻星运行到了一颗背景恒星的前面，这时候两颗恒星恰好与地球成为一条直线。当时，天文学家试图运用爱因斯坦的相对论进行计算，找寻半人马座阿尔法星系当中是否存在完美的运行轨道。另一次是出现在2016年2月，科学家们则通过这次的连线来观测阿尔法星系当中的大气成分和星体，进而推断是否存在生命和文明。
关于阿尔法星系内是否存在生命和文明，科学界一直没有停止过探索和研究，从19世纪开始，天文学家们就开始推测太阳系之外的一些按照固定轨道运动的天体是否存在生命迹象，只是那时候的科技没有那么发达。后来，人们在半人马座阿尔法星系中发行了一颗和地球质量差不多的行星，这个行星围绕半人马座阿尔法星系b星运动，周期是3.2天。这颗行星被命名为alphacentauribb，根据测量数据显示，alphacentauribb的质量比地球要高一些，是地球质量的113%，这颗行星也是迄今为止离地球最近的太阳系以外的行星。
不过，对于这颗行星之上是否存在生命，目前还很难证明。虽然这颗行星的质量和地球相仿，而且运动的轨道也与太阳和地球相似，但是alphacentauribb离它的恒星半人马座阿尔法星b星的距离只有600万公里。这个距离是地球距离太阳距离的14%，因此也就表示它的地表温度非常高，在这样的高温之下，是否有适应环境的生命存在，还有待进一步研究。不过，在半人马座阿尔法星系内，除了发现alphacentauribb这颗行星之外，科学家们也发现了许多小型的行星，而这些小行星的发现，则意味着地外生命存在的可能，也表示人类对半人马座阿尔法星系的探索又近了一步。尤其是霍金宣布“突破射星”计划，更是让人们对外星生命的存在充满了好奇和期待。
如果没有霍金，飞向半人马座阿尔法星很有可能像其他的太空项目一样，不为人们所知。而在科幻小说《三体》中，阿尔法星系中存在着比地球更高级的智慧和文明，但事实是否如此，霍金的“突破射星”计划或许可以给我们准确的答案。
“太阳帆船”和霍金的“飞船”
霍金的“突破射星”计划，目标任务就是研发出一台纳米飞行器，让人们能够在有生之年，实现飞往距离我们最近的半人马座阿尔法星，并且通过飞行器上的探测器发回照片，让人们进一步了解半人马座阿尔法星系的基本情况。对此，“突破射星”计划的合伙人米尔纳在发布会上，对这一计划进行了详细介绍：纳米飞行器中存在质量很轻、以克级为单位的晶片。晶片中包含着光子推进器、相机、导航和通信仪器等，虽然东西比较多，但是它的尺寸却只有一枚邮票那么大，只是比邮票稍微厚一点点。更重要的是，它的制作成本非常低，相当于一个苹果手机的成本，这也说明这种纳米飞行器可以进行大规模的批量生产。
按照“突破射星”计划，科学家们需要先在地球上建造一个大规模的激光发射器，然后在这里发射一枚火箭，将数千个纳米飞行器带入到太空当中。纳米飞行器进入太空之后会张开光帆，这样，地面上的激光发射器通过聚焦激光束，向太空发射能量强大的激光，纳米飞行器通过打在光帆上面的激光，为自己提供飞行动力。而这一理论，是霍金根据天文物理定律计算出的最可行的方式。通过上文的描述，我们可以得知，霍金的纳米飞行器主要由两部分组成：邮票大小的“星芯片”以及只有几百个原子那么厚的“太阳帆”。其中，携带摄像、推进器等设备的晶片就存在于“星芯片”当中。
太阳帆，就是依靠太阳的光来压动帆面，从而产生推力的一种结构。科学家们一直认为太阳帆是人类星际旅行的唯一希望，不过太阳光的光压非常小，据计算，1平方米的帆面上产生的推动力只有0.9达因，这个概念就相当于它产生的推动力还不如一只蚂蚁的体重。这样的话，如果要达到星际旅行，就需要太阳帆的帆面非常大，所以可以将太阳帆折叠起来，通过火箭被送入太空之后再打开。简单来说，太阳帆就是人们利用太阳光进行宇宙航行的一种航天器，但是由于阳光的推力非常小，这种航天器无法在地面展开起飞，而是需要一个载体将它送入到太空当中。在没有阻力的太空，太阳光的光压产生的推动力能够提供非常高的加速度。
不过虽然如此，太阳帆仍旧是人们实现星际旅行的唯一希望。如果不以太阳光作为推动力，那么在星际航行当中，飞船就需要携带大量的燃料，这是很不现实的。而如果有了太阳帆，那么这一问题就解决了，而且还能够使飞船在太空当中停留足够长的时间——只要有太阳光，飞船就会不断地获取飞行的动力。在霍金的“突破射星”计划之前，人类就曾经研制过以太阳帆为动力的宇宙飞船“宇宙一号”。宇宙一号是世界上首次使用太阳帆作为航天飞行动力装置的航天器，曾先后两次发射，第一次是在2001年，这次试验因为没有与火箭分离而坠毁；第二次发射是在2005年，不过这项试验因为宇宙一号没有被成功送入预定的轨道而宣告失败。虽然两项试验都以失败告终，但这并不意味着人类对宇宙探索的失败，太阳帆的开发研制正在逐步带领人类进行宇宙太空探索旅行的新革命，而霍金的“突破射星”计划利用太阳帆进行星际航行正是对此的又一次实践。
通过“突破射星”计划的太阳帆建设任务描述可知，整个项目的实施过程大致经过了如下几个阶段：第一，在海拔较高的高原地带建设范围为几公里的激光相控阵，并保证准备和存储足够多的电量；第二，利用火箭发射几千个纳米飞行器到预定的轨道上，采用适应光学技术消除地球上空的大气层对于激光光束的干扰；第三，纳米飞行器的光帆打开后，把激光光束聚焦在那些光帆上，并且在短时间内让纳米飞行器的速度达到光速的20%；第四，太空中的纳米飞行器有几千个，这些不可能都完整保存，有一部分可能会因为遇到星际尘埃而撞毁，剩余的纳米飞行器将会利用其携带的通信系统将拍摄到的照片和其他探测到的数据送回到地球；第五，利用纳米飞行器上的激光探测系统收集4光年时候的数据。
根据霍金的项目团队介绍，“突破射星”计划中一些关键的要素到目前为止已经实现，而其他的也可以在近几年之内成为现实。霍金团队也非常欢迎外界到他们的项目网站论坛来积极提供意见和想法。结合美国2015年公布的《2015年nasa一体化技术路线图》报告来看这个项目，不难发现其难点主要集中在两个部分：一是需解决星际航行中的先进空间推进问题，包括定向能和太阳帆两种推进方式。基于以往宇宙一号试验的失败，“突破射星”计划当中，提出纳米飞行器的大致构想是这样的：在地面高纬度地区的几公里范围内放置激光相控阵，通过激光给进入太空的纳米飞行器加速，直至达到20%的光速。这种定向能推进技术与以前传统的化学推进技术相比较，有不可比拟的优势，不过当前科学家这项技术的成熟度还一直停留在理念阶段，并没有通过实验验证。不过霍金表示，最快5年，这项技术就会达到成熟；第二个难点就是纳米飞行器当中装置的探测器如何小型化。这其中包括了很多问题，例如纳米技术和材料、结构和制造等。若要实现星际旅行，“突破射星”计划最需要解决的就是这两个基础性的前沿科技问题。
不过，虽然实行“突破射星”计划当前和面临着一些技术上的障碍，但星际航行一直都是人类的梦想，即使实现这一梦想需要解决很多的难题，霍金也仍然相信，扎扎实实的基础研究加上大胆的科学构想和设计，以及充足的科研资金的支持，在当前这样开放的科学创新环境之下，没有什么梦想是不可能实现的。正如他自己所说：“梦想实现的速度可能比我们想象的要快得多。”而我们也更愿意相信，同时也在期待，在有生之年可以真正看到半人马座阿尔法星系“三个太阳”的壮观景象。
“射星计划”是不是科学幻想
在前文中我们已经了解到，“突破射星”计划的最终目的地是半人马座阿尔法星系。计划当中提到的纳米飞行器，可以在很短的时间之内加速到光速的20%，这意味着纳米飞行器在太空之中的速度将会达到60000公里每秒。回顾以往的航天历史，飞行速度最快的航天器“新视野号”加速飞行之后的最高速度也只有20公里每秒，它用了10年的时间才到达了冥王星。按照最高速度，“新视野号”到达半人马座阿尔法星至少需要14000年。1977年，nasa发射过全球的第一个宇宙太空探测器“旅行者1号”，“旅行者1号”是目前为止飞行最远的人造设备，但是离开太阳系，“旅行者1号”却花费了30多年的时间。
而在“突破射星”计划当中，米尔纳和霍金所表述的纳米飞行器通过20多年的时间就能够飞跃4光年以上的距离，到达40万亿公里之外的半人马座阿尔法星系。这一速度要远远高于当前人类研制的任何太空飞行设备。而数千个纳米飞行器被送入太空之后，虽然需要好几年的时间才能把太阳系之外的星系信息发送回地球，但是对于人类来说，霍金的“突破射星”计划无疑是让人期待和兴奋的。不过，这一计划虽然非常令人兴奋和激动，但是在目前它仍旧只能算是一项基础的研究项目，还停留在理论的阶段。在具体的操作和实践上，突破射星是一项大胆的冒险计划，既有成功的可能，也存在失败的风险，二者并存。
我们也知道，“突破射星”计划目前的确面临着巨大的挑战。首先，最重要的是需要在地面建设一个范围足够大的激光相控阵，这个激光相控阵要成为一个巨大的激光源。而这个激光相控阵成为激光源又需要消耗十分巨大的电量，这些电量的来源是需要解决的问题。另外，激光源发出的激光需要对太空中的纳米飞行器不停地进行追踪、照射，如何保证激光源能够准确地跟踪在太空中如此小的纳米飞行器也是需要精确计算的。其次，还有巨大的资金问题。虽然“突破射星”计划获得了1亿美元的投资，但是毕竟这项计划的目的地是太阳系之外的半人马座阿尔法星系，是人类的第一次外星系星际旅行，面对技术和资金的双重挑战，还没有一个国家可以单独解决需要面对的问题。最后，纳米飞行器的空间推进技术。采用太阳帆推进确实可以提高太空探索的有效性和灵活性，但是目前人类的这项技术的成熟度不高，只有2级，在之前的相关技术试验当中也都是以失败告终。“突破射星”计划对这项技术的成熟度的要求是达到9级，而要达到9级的成熟度，则至少需要5年的时间，甚至还会更长更久。
基于以上的困难，我国航天科工二院的研究员杨光宇认为，霍金的“突破射星”计划在工程上实现的可能性是非常小的。杨光宇认为，将只有几克质量的纳米飞行器加速到光速的20%，即使是在太空当中，也至少需要相当于400吨重的tnt炸药的能量。根据目前的光学手段，将纳米飞行器加速所需要的如此巨大的能量生产出来，目前基本没有工程师可以做到。另外，从技术上来讲，即使纳米飞行器到达了半人马座阿尔法星，但如此遥远的距离，地球如何接收获得它的信号也是非常困难的。
航天专家、《国际太空》杂志主编庞之浩对于霍金的“突破射星”计划能否成功也持有和杨光宇相同的观点，在他看来，霍金的这项计划同样不可行。庞之浩表示，从理论上来讲，利用太阳帆的原理，通过地面的激光相控阵产生的激光束给太空中的纳米飞行器来进行光压加速是可行的。但是纳米飞行器只有邮票那么大，而且是在太空当中，那么小的东西距离又那么远，激光束如何去追踪就非常困难，更不要说在纳米飞行器飞行的状态下给它的光帆上施加光压让它加速了。而且地面上的激光向太空发射需要穿过大气层，这就存在着大气层对激光的削弱衰减问题，而这些问题所面临的技术，恐怕需要十几年或者几十年来解决。
另外，北京大学天文学教授徐仁新也表示，他完全不相信霍金的“突破射星”计划会成功，他表示，邮票大小的纳米飞行器在太空当中会遇到许许多多的障碍，当它们撞上细小的星尘，纳米飞行器就会减速。徐仁新说：“即便一部分纳米飞行器可以抵达半人马座阿尔法星，它们也不能送任何数据回地球，因为它们的天线太小了。”因为即使有一部分纳米飞行器抵达了半人马座阿尔法星，将那里的信息带回地球也是一项非常困难的技术问题。如果距离非常远，那么太阳系之内的宇宙飞船所发回地球的信号也会很微弱，而如果要进行星际旅行，以前航天器向地球发射无线电波的方法很显然已经不能适用于纳米飞行器。所以霍金团队需要寻找一种全新的体制来接受来自纳米飞行器发回的信息，这需要克服巨大的困难。庞之浩表示：“生活会继续，就像这从未发生过一样。”
不过，虽然主流科学界对于霍金的“突破射星”计划存在诸多质疑，也有人认为霍金是在浪费资金，但好奇是人类的天性，成功的科学家既有勇往直前的勇气，同样也有细致严谨的精神。虽然霍金的“突破射星”计划耗资巨大，但是他也表示：“我雄心勃勃地希望探索人类创新和工程学的极限，能参与这样的项目，非常令人兴奋。”而是否存在外星生命一直是谜一样的存在，一直引发着人类的无限想象和遐想，霍金的“突破射星”计划或许在不久的将来会给我们答案。