讓星際塵埃變成太空望遠鏡

用雷射捕捉太空中的塵埃顆粒，讓它們按照一定的幾何形狀排列後，一架不可思議的太空望遠鏡就製作成功了。它的鏡面有一個足球場那麼大，重量卻僅及一個饅頭。

當事情涉及空間望遠鏡，有一句話總不會錯的，那就是「大就是王道」。今天幾乎所有的太空望遠鏡，譬如像著名的哈勃空間望遠鏡，都是用一個巨大的凹面鏡來收集星光的。鏡面愈大，能收集到的光線就愈多，圖像就越清晰。當需要觀測非常遙遠的星系時，大尤其是硬道理。但大是有代價的，越大越重的鏡面，不論加工還是發射起來，費用都更加高昂。所以科學家們一直在尋找辦法，試圖既能把鏡面做得更大，但又不至於太重。

用雷射搭建太空望遠鏡的設想

1970年，美國貝爾實驗室的一位科學家意識到，用雷射束能把微小的顆粒物移動或固定到一個位置上。其原理是：一束光被物體反射後，對物體會有一個反向的作用力——當然，這個作用力通常是非常微小的，對於一個宏觀的物體，幾乎不會產生什麼影響。但如果用功率很強的雷射照射一個微小的顆粒物，其作用就不可小覷了。這樣，用雷射就能把顆粒物推到任何一個位置上去。

自那以後，科學家陸續實現了用雷射來捕捉和固定原子、分子和其他的一些小顆粒物。例如，今天的生物學家能夠用一種所謂的「光鑷子」來操縱病毒和細菌。美國華人物理學家朱棣文就因在發展「光鑷子」方面的傑出貢獻，被授予1997年的諾貝爾獎。

接著，在1979年，一位法國天文學家又提出，雷射還可以用來捕捉太空中的塵埃顆粒，讓它們按照一定的幾何形狀排列後，可當作望遠鏡的反射鏡面使。在太空中，因為這些塵埃都處於失重狀態，所受的合力基本為零，所以一旦把它們推到某個位置，就基本保持不動。就算有時某些顆粒物偏離了位置，我們也還可以通過定期檢查，用雷射把它們一個個推回去。

這樣製造出來的太空望遠鏡，鏡面面積可以很大，但重量卻非常之輕。例如，一個直徑35米的反射鏡面，質量只有100克，差不多只有一個饅頭那麼重。你自己不妨比較一下，哈勃望遠鏡的鏡面直徑只有2.4米，質量卻達828千克；2018年美國宇航局計劃發射的韋伯空間望遠鏡，鏡面直徑6.5米，質量也有700千克。

此外，這種新型的太空望遠鏡若不小心被飛來的隕星撞破，只要用雷射把被衝散的塵埃擺放回原先的位置即可修復。

鬆散的「鏡面」為何可以反射星光？

你或許要問：這樣一個鬆散的結構怎麼可以反射星光呢？對了，需要事先聲明的是，天文學上所謂的「星光」，並非一定就是波長只有幾百納米的可見光，也可以是波長在微米量級的紅外光，以及毫米波、釐米波，甚至是波長在1米以上的射電波。

我們通常都用一塊鍍了金屬的鏡子來反射光線。你要是細究起來，未免會感到奇怪：金屬是由原子組成的，而原子又是由原子核和核外電子組成的。而我們知道，原子核只佔原子體積的萬分之一，電子的體積則更小。換句話說，一個原子裡面絕大多數地方是空的。更不用說，原子跟原子之間又有很多空隙。如此一來，一張金屬的表面，其實還是虛空的地方佔多數，那麼請問，光照到金屬上，為何不會從這些空的地方透過去，反倒被反射回來？

這其實涉及到光的波粒二象性。量子力學告訴我們，光既是波，又是粒子，即光子。反射發生的條件是：只要組成表面的各個原子之間的距離比入射光的波長短，就能發生反射。要理解這一點，我們不妨把光子想像成一個皮球，波長就是其半徑，再把金屬表面想像成一張網。那麼，道理是顯然的：只要網孔的尺寸比皮球小，哪怕這張網上到處是孔，也能把皮球反彈回去。

推而廣之，要反射紅外光，組成反射面的各個微粒之間的距離，在微米量級即可……要反射射電波，微粒之間的距離甚至可以在1米以上。每個微粒彼此相距1米以上，那當然是夠鬆散的。

這個鬆散的「鏡面」，要是用來反射可見光，當然是無能為力的。但幸好，從遙遠星系傳來的「星光」，其波長都比較長，大多在紅外到射電波段。為什麼波長這麼長？原因是宇宙在膨脹。這些「星光」當初出發時，本來都是波長很短的可見光，但因為宇宙在膨脹，結果波長都被拉長了。

所以，用這樣一個鬆散的「鏡面」，依然可以反射來自遙遠星系的「星光」，你該不會再奇怪了吧？

實現夢想從擺弄水中的小球開始

一位瑞士科學家一直在試驗如何把這個夢想變為現實。最近，他終於在一項實驗中取得了一些進展。

實驗是這樣：在一個水箱中，投入一些密度與水相當的塑料微小球。小球直徑3微米，差不多只有一粒細菌那般大。因為浮力和重力抵消，這些小球懸浮在水裡——當然肉眼是不可見的——靜止不動。然後，他用一束高功率的雷射從水箱底下照射它們。在雷射的推動下，大約有150粒小球被推到了水面。它們被推擠到一起，排列成一個平面。為了測試其反射效果，他用一束普通的光照射一把刻有數字「8」的透明尺子。當這束光透過「8」字，經塑料小球組成的平面反射後，他的確看到了「8」字的像——儘管有些模糊，但還是不難辨認。這說明，這個人造的鏡面，其反射效果還是可以的。

原則上，這樣的望遠鏡你想鏡面多大，就能做得多大，沒有任何限制。因為原材料都是現成的，不需要人工發射上去。當然了，這項工作才剛剛起步，前面的困難還有不少。比如，這項工作需要功率很大的雷射，目前地球上最大功率的雷射都嫌不夠。此外，雷射持續照射在塵埃顆粒上，總有一部分會被塵埃吸收，在太空中散熱又不易，那麼熱量積累導致塵埃氣化了怎麼辦？這些問題都亟待解決。但要是真有一天能在太空中建起一架擁有巨大反射鏡面的望遠鏡，那將為我們了解宇宙提供多大的便利啊！