突破攝星：史無前例的大忽悠？

「突破攝星計劃」就是瞎扯淡

一個闊人說要讀經，嗡的一陣一群狹人也說要讀經。

2016年4月12日，科技大亨尤里·米爾納（Yuri Milner）說：「55年前的今天，加加林成為了第一個太空人。今天，我們準備要邁出下一個大步——走向星際。」一場史無前例的大忽悠，就這樣開始了！

一、霍金的表演

4月12日，著名物理學家霍金在新浪開通了微博，第一篇短文回顧了自己與中國的淵源。雖然大家不知道霍金為什麼要開微博，但是這位黑洞專家的吸引力確實非常大，粉絲數很快就突破了百萬。13日早晨（美國時間12日下午），霍金髮表了第二篇微博，宣布了「突破攝星計劃」 (Breakthrough Starshot)：計劃研發「超微型飛船」（nanocraft，質量為幾克的自動化太空探測器），並利用激光推進技術（Light Beaming）將其加速到光速的1/5。如果這個計劃成功了，超微型飛船就可以在發射後20年左右到達半人馬座阿爾法星，在那裡拍攝圖片、採集科學數據，並把相關信息通過激光傳送回來。現在明白了。霍金為什麼要開微博？因為他要忽悠人啊！這個「突破攝星計劃」就是瞎扯淡。下面我們就簡單介紹「突破攝星計劃」，再說明它為什麼是瞎扯淡、霍金怎麼忽悠人。本文讀者所需要的知識，並不超過百度百科和大學普通物理。

二、「突破攝星計劃」簡介（國內新聞報道）

這部分內容節錄和改編自國內新聞報道[1-2]。霍金和米爾納共同宣布啟動「突破攝星計劃」，人類歷史上前所未有的太空探索計劃，發起人包括幾位世界頂級科學家和科技界實業家。他們計劃開發飛行時速高達1億6000萬公里的無人太空探測器，並於是20年內抵達離太陽系最近的星系。該計劃旨在給科學和太空探索帶來革命性的變化，已經獲得1億美元的研究經費。目標任務是我們這一代人的有生之年，抵達半人馬座阿爾法星（AlphaCentauri）。「突破攝星」團隊提議建造小型無人宇宙探測器，探測器上將裝載照相機、導航和通訊器材、能源供應，但其重量將比一部智能電話還要輕。這個「納米飛行器」將會以激光碟機動，可以光速的20%飛行。一個陸基的、長約1公里的光束槍將被建於一個高海拔的乾燥地區。之後，科學家們會發射母體太空船，將數千個「納米飛行器」帶往近太空。一旦進入太空，這些小小的太空船將各自揚起可延展達數米的光帆。光束槍會將光束聚焦在光帆上，驅動「納米飛行器」飛向目標。這些「納米飛行器」將在數分鐘內加速到時速1億6000萬公里。有價值的數據會通過飛行器上的激光通訊系統傳回地球。

三、「突破攝星計劃」簡介（項目網站內容）

先說說「量級」（scale）的概念。簡單地說，「量級」就是「大小差不多」的意思。比如說，「克的量級」就是說質量為幾克乃至幾十克（也可以是零點幾克，或者上百克）；「米的量級」就是說長度為幾米（也可以是零點幾米，或者幾十米）；依此類推，「千米的量級」就是幾公里了；一代人的時間，大致是幾十年。下面這部分內容來自於突破項目的網站[3]。是我大致翻譯的，雖然不一定特別準確，但是也不會太離譜——在翻譯質量的「量級」上來看，大致是正確的。米爾納和霍金宣布啟動「突破攝星計劃」（BreakthroughStarshot Project），計劃用幾年或幾十年的時間，開發出速度為1/5光速的無人微型飛船，飛向半人馬座阿爾法星，在那裡拍攝照片、採集數據並傳送信息回來。突破攝星計劃初期投資1億美元，只是為了證明「激光碟機動的超微型飛船」具有可行性。這種飛船的速度是光速的1/5，可以到達近鄰的恆星系，拍攝那裡有可能存在的行星圖像，獲取其他科學數據。突破攝星計劃的核心內容是超微型飛船（Nanocrafts）和激光推進裝置（Light Beamer）。1、超微型飛船是質量非常輕的全自動飛船，大概是幾克乃至幾十克重，包含星芯（StarChip）和光帆（Lightsail）兩個主要部分。星芯包括相機、光子推動機（photonthruster）、動力供應系統、導航和通訊設備，還有全套的空間探測器，總重量是幾克乃至幾十克。光帆只有幾百層原子的厚度，質量為幾克乃至幾十克。2、激光推進裝置由相位相干的激光陣列構成，每次發射需要產生和存儲的能量，大約相當於幾百萬度（千瓦時）的電。（譯註：總功率大約是1億千瓦，100 gigawatt）。超微型飛船可以大批量地製作，價格大致相當於iPhone手機，大批量地發射，從而增加冗餘度和覆蓋面（譯註：提高「瞎貓碰到死耗子」的可能性）。激光推進裝置是模塊化的，可擴充的。一旦技術成熟的話，每次發射的費用可以降低到大約幾十萬美元。研發階段預計要持續若干年，1億美元經費說的就是這個。為了實現終極目標（抵達半人馬座阿爾法星），需要的預算還要大得多呢（譯者估計：幾十億乃至幾百億美元，這還僅僅是下限）。

需要實現的技術指標（技術路線，Path to the stars）如下：1、在高海拔的乾燥地區，建立陸基的、範圍為幾千米的激光推進裝置。（譯註：不是長度為幾千米，而是方圓幾千米。）2、每次發射需要產生和存儲的能量，大約相當於幾百萬度電（gigawatt hours）3、發射航天母艦，搭載幾千個超微型飛船，飛到太空軌道上（a high-altitude orbit）4、採用實時的適應光學技術（adaptiveoptics technology），消除大氣層對激光光束的干擾5、把激光束聚焦在光帆上，在幾分鐘內，把超微型飛船加速到終極速度6、在旅途中遇到的星際塵埃7、用超微型飛船上的激光通訊系統將拍攝到的行星圖像和其他科學數據傳回到地球上8、利用發射超微型飛船的激光推進裝置來收集4光年後的數據

這些都是巨大的工程挑戰，更多細節可以在項目網站上找到。據該網站說，所有的關鍵要素要麼是已經可以實現的，要麼就是在合理假設下有可能在近期內實現的。突破攝星計劃將在開放、合作的研究環境中進行：完全屬於基礎科學研究；發表新結果，完全透明、開放獲取；對所有相關領域的專家開放，對公眾開放，誰都可以到項目網站的論壇來貢獻想法激光推進系統比現有的任何科學大設備都要大得多。項目需要全球合作和支持。發射的時候，要得到所有適當政府和國際組織的批准。等到星際旅行所需的技術成熟了，就會出現很多其他機會（譯註：這些才是似乎有那麼一點點可能性的東西）：探測太陽系；用激光推進裝置作為千米量級的天文觀測望遠鏡；探測有可能撞擊地球的遙遠小天體（譯註：這個遙遠並不遠，應該就在太陽系以內，跟半人馬座阿爾法星的距離沒法子比的）。

四、項目可行性被質疑

已經有一些專家質疑了這個項目的可行性。「對於這一計劃，相關領域的專家解讀，想法很好，但目前具有科幻色彩。如果在遙遠的將來能夠實現，將具有開創性工程意義，但還談不到科學價值。」「北京大學天文學教授徐仁新說，他完全不相信該計劃會成功。微小的太空船會在長途的星際旅行中遇到非常多的障礙，比如撞上小小的星塵時，飛行器就會大大減速。『即便一部分可以抵達半人馬座阿爾法星，它們也不能送任何數據回地球，因為它們的天線太小了。』」有些專家更樂觀些。「北京天文館的高級工程師寇文說，該項目應該考慮西藏作為安置大型光束槍的一個備選地點。寇文說，西藏是全球海拔最高的高原，其乾冷的氣候將減少對激光光束的大氣吸收和干擾，這個條件比地球而上其他地方都要優越。」總的來說，專家們都很客氣，說的話都很婉轉。為什麼呢？原因很簡單：霍金太有名了，米爾納太有錢了，普通人太喜歡看熱鬧了。雖然這就是個再明顯不過的忽悠計劃，根本不可能實現的空想，但是，局外人誰也抹不下臉來，誰也不好意思直截了當地說：你這就是瞎忽悠嘛。

五、關於技術路線的說明

下面我從幾個方面來介紹突破攝星計劃，主要說明為什麼要採用這樣的技術路線。基本上是正面的描述。

1為什麼選擇半人馬座阿爾法星？

因為它是離我們最近的恆星，那裡也許還有行星。半人馬座阿爾法星就是中國古代所說的「南門二」。根據百度百科[4-5]，用倍率不高的小望遠鏡就可看出，南門二是光彩奪目的雙星。其實它是個三星系統，由甲、乙、丙三星組成：甲、乙兩星都是特亮星（距離太陽系大約4.36光年），丙星約11等（即著名的「比鄰星」，是已知的離太陽系最近的恆星，大約是4.22光年）。在中國二十八宿系統中，南門二是角宿的一部分，「南門」初見於《史記》，指的是「南天門」。南門二到地球的距離大約是4.3光年，也就是說，從地球出發，即使是用光的速度跑，也要4.3年的時間才能到達南門二。如果超微型飛船的速度為光速的1/5，那麼就需要20多年才能到達那裡；到了那裡以後不休息，馬上拍照、傳數據，我們也要再等4年多才有可能收到信息。即使一切順利，從超微型飛船成功發射，等到它抵達南門二並傳送信息回來，也要25年的時間。

2為什麼飛行速度要達到光速的1/5？

因為有人等不及了。16億公里每小時（英文報道用的是10億英里每小時），這就是個大概數字而已，只是讓你知道跑得非常快。多快呢？大約是每秒鐘4.4萬公里，而光速是每秒鐘30萬公里。顯然，項目里說的另一個數字，「光速的1/5」，也只是個大概數字而已。這些數字都沒有必要精確到小數點後的，有個數量級的概念就行了。1977年，美國發射了 「旅行者1號」，這是全球第一個太空探測器，也是迄今飛行距離最遠的人造物體。「旅行者1號」的速度大約只有每秒鐘幾十公里的樣子，比博爾特快多了，比F1也快多了，可是從星際旅行的角度來看，根本就不值一提。經過近40年的時間，「旅行者1號」才剛剛離開了太陽系（也許還沒有離開呢）。它走過的距離大約只有「1光天」，也就是光在一天里走過的距離。要用這個速度跑到南門二，估計要用4萬年的時間——黃花菜早都涼了。一萬年太久，只爭朝夕！聰明絕頂的霍金，終於在垂暮之年領悟到了這個道理——朝聞道，夕死可矣。

3為什麼要用激光推進？

因為其他方式無法提供足夠多的能量。物體從靜止加速到光速的1/5，需要非常多的能量。到底要多少能量呢？我們都聽說過愛因斯坦的質能轉換公式（E=mc2），如果把一個靜止物體的質量全部轉化成的能量記為100，那麼，這個物體以1/5光速運動時的動能就是2，換句話說，需要把2%的質量轉化為能量。也許你會說，聽起來並沒有什麼了不起的啊，才2%嘛。可是要知道，核聚變的轉換效率也只有0.3%，核裂變的轉換效率更是連0.1%也到不了。再說，現在還做不到可控的核聚變，而核電站（可控的核裂變）都有巨大無比的外殼（比核裂變材料要重幾萬倍，甚至更多）。化學燃料的能量轉換效率就更不用說了，比核裂變還要低幾萬倍甚至幾十萬倍呢。效率更高的方法就只有傳說中的反物質了，可是現在能夠生產的反物質都是以原子個數來計算的（比如說，幾萬個或者幾百萬個，104-106個），根本就不可能製造出幾克反物質出來（那至少意味著10億億億個，1023個）。所以說，沒辦法。每次發射需要的能量，大約相當於幾百萬度電，甚至更多。只能靠外界輸入能量，而激光幾乎是唯一可以提供足夠多能量的方法了——至於傳說中的太陽風，永遠不可能把飛船加速到每秒鐘幾百公里的。

4怎麼樣實現激光推進？

把激光束聚焦在光帆上，在幾分鐘內，把超微型飛船加速到終極速度。這就需要非常高質量的光束，下面這些措施都是為了實現高質量光束這個目標的：在高海拔的乾燥地區，建立陸基的、範圍為幾千米的激光推進裝置；採用實時的適應光學技術，消除大氣層對激光光束的干擾。地球表面的大氣層對光束質量的影響最大；其次是光束的有限口徑帶來的衍射效應。高海拔、乾燥天氣、適應光學技術，都是為了盡量消除大氣層的影響；方圓幾千米的激光推進裝置，是為了降低衍射效應的影響。補充幾句。這個方圓幾千米，並不是說激光器要有幾公里長，而是說需要口徑為幾千米的超級反射鏡。這並不是一個口徑幾千米的反射鏡，而是幾百個（甚至幾千個，就要看你有多少錢了）、口徑幾米（或者幾十米）的反射鏡，這些反射鏡彼此精密合作，成為一個等效的超級反射鏡。

5為什麼要用航天母艦搭載超微型飛船？

很簡單，就是為了消除大氣阻力。再說，現在的技術已經可以很容易做到這一點了。

6怎麼樣利用激光推進裝置收集回傳的信號？

回傳信息是通過激光實現的。激光推進裝置的超級反射鏡可以把信號光匯聚到高靈敏的探測器上。超級反射鏡的口徑越大，收集信號光的效率也就越高。

六、「突破攝星計劃」就是瞎扯淡

下面我從幾個方面來說明這個計劃為什麼就是瞎扯淡。基本上是基於普通物理常識的質疑——只用了大學普通物理學課程的內容。為了便於說明，我們假設超微型飛船（加上光帆）的重量為10克，光帆是直徑為10米的圓盤（面積大概為100平方米，厚度大約只有100納米，也就是幾百個原子層）。假定激光總是垂直於圓盤形光帆（其實這是很難做到的，但是不管它了）。進一步假定，成功的激光推進技術意味著可以在10分鐘內（600秒）把超微型飛船（加上光帆）加速到1/5光速，也就是每秒鐘6萬公里的速度。

1加速距離有多長？

加速過程的平均速度是每秒鐘3萬公里，加速時間600秒，那麼加速距離就是2千萬公里，沒多遠。這是地球到月球的距離的50倍，是地球到太陽的距離的1/8。這只是光走1分鐘的距離，確實沒多遠。要想走到終極目標南門二（半人馬座阿爾法星），光也要走4年呢，這才走了200萬分之一（60×24×365×4=200萬）。真的是萬里長征第一步啊。（註：中學物理）加速距離的一半是1千萬公里。這意味著，我們要把激光匯聚到方圓10米的面積上，而這地方離我們有1千萬公里。這是個非常困難的任務，但在理論上還是可以實現的。光就是電磁波，它是一種波動效應。波總是會發散的，激光也會發散，只是激光的發散角可以很小而已。假定激光波長為1微米，10米口徑的光束，意味著光的發散角是10-7，經過1千萬公里後，光束的口徑就變為1公里。這正好說明了我們為什麼需要方圓幾千米的激光推進裝置了——也就是超級發射鏡的口徑。（註：大學二年級普通物理學——光學，衍射）順便說一句，這個道理同時說明了第一個不可能完成的任務：超級飛船的尺寸太小了，就算它抵達南門二（半人馬座阿爾法星），也不可能發射激光信號回來——這是由衍射效應決定的。

2加速需要的能量有多大？

10克物質，速度為每秒鐘6萬公里，動能就是2×1013焦耳，這個能量大致相當於5百萬度電（中學物理）。然而，這還不是光源需要提供的能量，因為光並不能把所有的能量都用於推動物質前進，它會被反射回去，從而帶走一部分能量。考慮到這一點，能量至少還要再增加10倍：可以認為加速過程中平均速度為0.1倍光速，所以反射光子能量為入射能量的90%。（大學二年級普通物理：電磁學，相對論）也就是說，每次發射所需要的能量至少是2×1014焦耳，大致相當於5千萬度電。小意思啦。我家每年用電量大概是2500度，這才是2萬個家庭的一年用電量，真是小意思了。現在的電費好像是5毛錢（工業用電更貴，接近1塊錢），發射一次也就只用2千5百萬元，或者說400萬美元，太便宜了。這也是個非常困難的任務，但在理論上還是可以實現的。順便說一句，這個道理同時說明了第二個不可能完成的任務：這麼大的能量照射在光帆上，很容易就把它燒掉了。光帆上的功率為3百萬千瓦每平方米（2×1014焦耳/600秒/100平方米），這個功率有點大。地球表面的太陽光功率大約是1千瓦每平方米，太陽表面的光功率大約是50萬千瓦每平方米，只有這個數值的1/6。有句話怎麼說的來著？談笑間，檣櫓灰飛煙滅！（註：大學一年級物理，熱學）也許你會說，可以做個百分百反射的鏡面光帆，把激光都反射回去，不就可以了嗎？還是不行。根本就沒有百分百反射的鏡面，99%行不行？不行。99.99%行不行？還不行。99.999999%行不行？對不起，還是不行。為什麼？99.999999%的反射率意味著一億分之一的光被吸收，也就是2×106焦耳的能量，對於10克物質來說，這個能量足以把它的溫度加熱到幾萬度以上，還是那句話：談笑間，檣櫓灰飛煙滅！（註：大學一年級物理，熱學）

3對於激光推進裝置有什麼樣的要求？

為了把激光匯聚在1千萬公里以外的光帆上，必須擁有超級反射鏡。對這個反射鏡的要求有多高呢？首先，這不是一個平面鏡，而是一個曲率隨時間變化的球面鏡（因為超微型飛船在不停地往前飛啊）。為了達到匯聚的效果，球面鏡上任意一點與球面中心的高度差必須滿足h=r2/2d，其中，r是該點到球面鏡中心的距離，d是到光帆的距離，h和r2/2d的差別必須遠小於激光波長也就是1微米。在距離為1千萬公里的時候，對於1公里的口徑，這個數值h是10微米；相距一米的兩點，高度差大約是0.5埃，也就是氫原子的大小。理論上也是可以做到的。（註：大學二年級普通物理學——光學，干涉）其次，1千米口徑的、曲率隨時間變化的球面鏡，根本就做不來，只好用成百上千個小鏡子拼起來。拼起來的超級發射鏡還要同步地調節，好吧，理論上也是可以的，實踐上你也是可以祈禱的。第三，這成百上千個小鏡子，還要配備成百上千個激光器，這些激光器也必須同步，他們的頻率和相位必須完全相同。好吧，你可以接著祈禱了。這就是需要千米量級的、相位相干的激光推進裝置的原因。這也同時說明了第三個不可能完成的任務：在物理學工作者裡面，有這麼虔誠的祈禱者嗎？也許霍金除外。

4能不能利用激光推進裝置收集回傳的信號？

不能。我們已經在5.1里回答了這個問題：超級飛船的尺寸太小了，就算它抵達南門二，也不可能發射激光信號回來——這是由衍射效應決定的。再說，他也搞不到足夠的能量啊。這是第四個不可能完成的任務。俗話說得好：再一再二，不能再三再四！好了，就說這麼些吧。應該可以說明這個計劃是純忽悠了吧。具體的數字可以討論，改來改去的應該可以變化幾個數量級，但是不會影響最終的結論：這個計劃就是瞎忽悠。利用這裡的方法，也很容易判斷推進速度為每秒鐘1000公里的可能性，以及相應的困難。有人說，中國人有的是錢，缺的是想像力。我的看法正好相反：這種滿嘴跑火車的選手，我們其實是要多少就有多少的，唯一缺少的就是錢啊——噢，對了，還有名氣！

七、為什麼要忽悠？

顯然，霍金推動的這個「突破攝星計劃」就是瞎扯淡。那麼問題來了：他們為什麼要瞎扯淡呢？這麼忽悠來忽悠去的，有什麼好處嗎？這都是大科學家啊，他們會不懂普通物理學嗎？就算是那個大富豪米爾納，對了，還有臉書的扎克伯格，他們的物理也肯定學得好的很呢，他們會不懂這麼簡單的事情？察見淵魚者不祥，智料隱匿者多殃。我就不多扯了，簡單地用兩句話做結束語吧：1.大學普通物理很重要！2.都指望中國政府買單！

附錄

[1]霍金開通微博宣布「突破攝星」計劃 發射納米飛船到半人馬座阿爾法星http://www.guancha.cn/Science/2016_04_13_356899.shtml [2]「電動帆」宇宙飛船推進技術開始測試http://www.guancha.cn/Science/2016_04_14_357026.shtml [3]突破項目網站（突破攝星計劃）http://www.breakthroughinitiatives.org/News/4 [4] 南門二 http://baike.baidu.com/view/122300.htm [5] 比鄰星 http://baike.baidu.com/subview/146676/19201145.htm

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