光帆之梦

魏然

当看见璀璨的星舰出现在《阿凡达》《星球大战》等科幻电影里，你也许会产生这样的疑问——以人类现有的科技水平，能制造出像星舰一样高速穿行于星空的飞船吗？

太阳探测器“帕克号”是人类现有航天器中的速度冠军。借助太阳引力，“帕克号”的极限速度可达每秒两百千米，约相当于光速的万分之六。正在应用中不断发展的离子推进器也能让飞船达到每秒数十千米的速度。但这些方式离“ 像星舰一样高速穿行星空”还太远。迄今为止，光帆可能是解决这个问题的唯一答案。

“光压的发现”

彗星接近太阳时，会在远离太阳的方向出现长长的彗尾。而早在四百多年前，天文学家开普勒就注意到了这个现象，他认为彗星是被太阳光的压力“推动”，才产生这样一条尾巴的。后来，这种源自光照的压力就被叫作“ 光压”。

光压很小，一粒米放在地面所产生的压力，就能轻松超过你所在的屋子面积上所受到的太阳光光压总和。开普勒之后，科学家努力了近三百年，才排除万难设计出相关实验，成功测得了光压的数值。对光压进行精确计算，也只是近几十年的事。光压对人造卫星也有影响，譬如全球卫星定位系统就需要不断对光压造成的卫星位置偏移进行修正。

走进现实的“光帆”

既然光压能够影响到航天器，那么能不能直接用它来推动飞船呢？为了充分利用光压的力量，飞船面积就要做得很大，为了让飞船能更容易被推动，飞船质量就得尽可能小。于是，最终设计出的飞船就成了船帆的形状——面积超大且质量很小——这就是“光帆”的由来。阿瑟·克拉克的科幻小说《太阳帆船》，就描述了在宇宙空间进行光帆竞速比赛的场景。

太空中没有阻力，也没有遮挡，因此光帆可以一直被加速。尽管离太阳越远，阳光越弱，光压也相应减小，但采用激光照射等方式，可以为之“补光”。理想情况下，光帆最终能被加速到光速的大约百分之二十。完全加速后，光帆只消一天多就可以走完冥王星探测器“新视野号”的十年征途，从地球直达冥王星，并在几十年内抵达另一个恒星系。

很难说现实和科幻哪个更快到来。2004年，携带光帆的飞船真的上天了，由日本研制的兩片太阳帆在距地面一百多千米的高空成功展开。2010年，奔赴金星的“伊卡洛斯号”在距地球七百七十万千米处展开太阳帆，将光压作为动力的一部分，成为第一艘名副其实的光帆飞船。2019年，“光帆2号”成为地球轨道上第一个完全由光帆驱动的航天器。虽然尚不具备理论上的高速航行能力，但距离《三体》中的“ 阶梯计划”①，终究更近了一步。

①在“阶梯计划”中，飞船为了尽快与三体世界接触，采用了光帆的方案，并在光帆后方多次引爆核弹，以强光增加推力，将光帆加速到光速的百分之一。

“突破摄星”计划

2016年，物理学家霍金等人发起的“突破摄星”计划，让光帆进入了大众视野。这个计划希望在科学家的有生之年，能够将微型航天器发射到其他恒星世界，并在飞掠时拍摄照片发回地球。计划中以激光推进的光帆的设计速度甚至比“阶梯计划”还要快得多，预计达到光速的百分之二十——飞抵比邻星，也就是《三体》中三体人所在的世界，只需要二十多年。但可惜的是，能够运送的重量也少了很多，设计中的一种四米见方的光帆只能带动几克的有效载荷。上千个这样的光帆组成光帆阵列一同出发，即使途中损坏、丢失一些也没关系，只要有一个最终抵达，计划就成功了。

“ 突破摄星”计划尚面临许多技术挑战。计算机、电源、观测设备和通信设备等需要被集成在邮票大小的芯片上；光帆的材料需要足够轻且坚韧，甚至在厚度只有若干个原子时也能保持一定强度，一种碳薄膜目前最有希望；与地球的通信将成为大问题，也许可以先后发射若干组光帆，采用逐个发射与接收信号的形式接力进行。至于望远镜镜面、通信的天线、采集光能的接收面，可以探索能否借助精准的形状调节，利用光帆的表面完成。每一个难关都不易跨越，但至少目前为止，这是最接近科幻的星际航行方法。相信人类文明最终有智慧、有能力，让飞船抵达异星世界。

也许你就是第一批见证光帆在星空中远航的人。那时，“孤帆远影碧空尽”的下句，就可以换成“ 唯见银河天际流”了。

[ 责任编辑：杨竞]