人類或在本世紀就能實現星際旅行——有何理論依據？

現在是2100年。一群科學家、程式設計師和工程師擠在悶熱的會議室裡，急切地看著屏幕，等待著。突然，主任在他們的辦公桌前喊道：「我們收到信號了！突然間，顯示屏閃亮起來；一幅圖像開始逐行、逐秒地出現在屏幕上。人群中爆發出一陣歡呼。他們做到了，接收到了第一張來自另一個太陽系的照片。

這樣的場景可能不會再局限於科幻小說領域了。如果一切順利，到本世紀末，人類可能會收到來自另一個太陽系——半人馬座阿爾法星系的照片，把我們這個物種從太陽系探索者提升到星際探索者。

艱難的旅程

到達半人馬座阿爾法星將是一個巨大的挑戰。4.37光年似乎不遠，但事實上乘坐現代的飛機到達那裡需要500萬年！因此，我們需要首先發送一個速度非常快的探測器。

化學火箭的極限

今天的宇宙飛船逃離地球引力是通過燃燒化學燃料來實現的，並利用尾氣的推力來提供加速。這種方法的問題在於，要獲得更大的加速度，就需要更大的推力。為了獲得更大的推力，我們需要更高效的發動機，而這反過來又需要更多的燃料。

我們最好的火箭可以達到每秒23公裡的速度。但這對於星際旅行來說還遠遠不夠。

不幸的是，對於星際旅行者來說，添加更多燃料的過程不可能無限期地進行下去。燃料增加，質量也會跟著增加，從而降低了給定推力的加速度。由於化學燃料火箭的低效率，我們最終會達到一個極限，即增加更多燃料不會提高最終速度，反而會降低速度。這就是化學火箭的局限性。

什麼是「突破攝星」？

2016年，尤裡·米爾納、史蒂芬·霍金和馬克·扎克伯格創立了「突破攝星」（Breakthrough Starshot）公司，該公司致力於在短短20年內向半人馬座阿爾法星發射宇宙飛船。這將需要15-20%光速的巨大速度，正如我們在上面看到的，這是用傳統的推進方法無法實現的。那麼這個項目如何才能成功呢？

「突破攝星」使用了一種被稱為「光帆」的新技術，允許飛船通過一組雷射推進。探測器的主體只有幾釐米寬，包括處理器、天線和攝像頭。然而，這個設備被安置在一個4米乘4米的帆的中心——推進動力的來源。

目前看來，我們似乎還沒有能夠製造出這種飛行器的工程或技術，但它不會離我們太遠。對石墨烯等「智能」材料的研究可以加速它的發展，使之成為一種超輕、超強的帆，而量子計算機的發展可以讓我們擁有更小、更輕、更強大的處理器。

但你可能會想「光如何能推動宇宙飛船使其比火箭更快？」答案要歸功於愛因斯坦。

光、質能方程和相對論動量

​每個人都知道愛因斯坦的質能方程。但大多數人不知道的是，它實際上是由一個更複雜的方程推導出來的，這個方程對於了解光帆的工作原理更有用。

• 愛因斯坦最著名的方程的「大哥」。

從經典力學，我們知道，如果兩個有質量的物體碰撞，它們會傳遞動量和能量。但是在光帆上，遇到了一個沒有質量的光的碰撞。

但愛因斯坦向我們展示了只有在靜止狀態下，光子的質量才會等於0。利用上面的方程，代入靜止質量為0，我們得到：

• 光子有動量

結合普朗克常數，我們可以得出一個更有用的公式，這個公式不是把光子的能量與其動量聯繫起來，而是與波長聯繫起來：

現在我們已經證明了光可以像一個有質量的粒子一樣運動，這就更容易理解光帆和許多光子之間的碰撞如何能將飛船加速到光速的20%的速度的。「突破攝星」計劃使用「相控陣」雷射器來產生足夠的光子，提供所需的能量。

• 相控陣的例子。

相控陣就是一組功率很小的雷射器，它們在特定的時間和方向偏移上工作，從而產生一個與大功率的雷射器相同的效果。這種陣列的最佳規格估計在千兆瓦的範圍內。

我們能做到嗎？

訪問另一個太陽系的成就將是巨大的。這不僅表明，自20世紀的太空競賽以來，我們的技術已經取得了顯著的進步，而且還將讓我們對人類在地球之外的生存能力有更深入的了解。畢竟，把人類送上月球的第一步是發射一個無人探測器。多虧了尤裡·米爾納和史蒂芬·霍金等物理學家的想像力和遠見，我們離實現曾經不可思議的目標又近了一步。用著名天體物理學家卡爾·薩根的話說：

想像力常常會把我們帶到一個從未存在過的世界，但沒有想像力，我們將一事無。——卡爾·薩根

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