霍金的“突破摄星计划”为什么行不通 ?

　　 编者按 科学精神就是让数据说话。这篇文章介绍评估了霍金开微博宣传的“突破摄星”计划，并根据数据分析指出了这一计划的几个技术难点，最终得出结论：此计划在技术上是行不通的。当然，对于比较乐观而又受这个计划吸引的科研人员来说，这些难点代表了今后的攻坚方向。只要你能使这些不可能变成可能，那你就可以放卫星了。

――文小刚

姬扬（中国科学院半导体研究所研究员）

2016年4月12日，科技大亨尤里·米尔纳（Yuri Milner）说：“55年前的今天，加加林成为了第一个太空人。今天，我们准备要迈出下一个大步――走向星际。”一个史无前例的大计划，就这样开始了！

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霍金的加入4月12日，著名物理学家霍金在新浪开通了微博，第一篇短文回顾了自己与中国的渊源。虽然大家不知道霍金为什么要开微博，但是这位黑洞专家的吸引力确实非常大，粉丝数很快就突破了百万。

13日 早晨（美国时间12日下午），霍金发表了第二篇微博，宣布了“突破摄星计划” (Breakthrough Starshot)：计划研发“超微型飞船”（nanocraft，质量为几克的自动化太空探测器），并利用激光推进技术（Light Beaming）将其加速到光速的1/5。如果这个计划成功了，超微型飞船就可以在发射后20年左右到达半人马座阿尔法星，在那里拍摄图片、采集科学数据，并把相关信息通过激光传送回来。

　　现在明白了。 霍金为什么要开微博？因为他要推动“突破摄星计划”。

　　下面我们就简单介绍“突破摄星计划”，再说明它为什么技术上行不通。 本文读者所需要的知识，并不超过百度百科和大学普通物理。

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　　"突破摄星计划"简介（国内新闻报道）这部分内容节录和改编自国内新闻报道 [1-2] 。

霍金和米尔纳共同宣布启动“突破摄星计划”，人类历史上前所未有的太空探索计划，发起人包括几位世界顶级科学家和科技界实业家。他们计划开发飞行时速高达1亿6000万公里的无人太空探测器，并于是20年内抵达离太阳系最近的星系。

该计划旨在给科学和太空探索带来革命性的变化，已经获得1亿美元的研究经费。目标任务是我们这一代人的有生之年，抵达半人马座阿尔法星（Alpha Centauri）。

“突破摄星”团队提议建造小型无人宇宙探测器，探测器上将装载照相机、导航和通讯器材、能源供应，但其重量将比一部智能电话还要轻。这个“纳米飞行器”将会以激光驱动，可以光速的20%飞行。

一个陆基的、长约1公里的光束枪将被建于一个高海拔的干燥地区。之后，科学家们会发射母体太空船，将数千个“纳米飞行器”带往近太空。一旦进入太空，这些小小的太空船将各自扬起可延展达数米的光帆。光束枪会将光束聚焦在光帆上，驱动“纳米飞行器”飞向目标。这些“纳米飞行器”将在数分钟内加速到时速1亿 6000万公里。有价值的数据会通过飞行器上的激光通讯系统传回地球。

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　　"突破摄星计划"简介（项目网站内容）先说说“量级”（scale）的概念。简单地说，“量级”就是“大小差不多”的意思。比如说，“克的量级”就是说质量为几克乃至几十克（也可以是零点几克，或者上百克）；“米的量级”就是说长度为几米（也可以是零点几米，或者几十米）；依此类推，"千米的量级"就是几公里了；一代人的时间，大致是几十年。下面这部分内容来自于突破项目的网站 [3] 。是我大致翻译的，虽然不一定特别准确，但是也不会太离谱――在翻译质量的"量级"上来看，大致是正确的。米尔纳和霍金宣布启动“突破摄星计划”（Breakthrough Starshot Project），计划用几年或几十年的时间，开发出速度为1/5光速的无人微型飞船，飞向半人马座阿尔法星，在那里拍摄照片、采集数据并传送信息回来。

突破摄星计划初期投资1亿美元，只是为了证明“激光驱动的超微型飞船”具有可行性。这种飞船的速度是光速的1/5，可以到达近邻的恒星系，拍摄那里有可能存在的行星图像，获取其他科学数据。

突破摄星计划的核心内容是超微型飞船（Nanocrafts）和激光推进装置（LightBeamer）。

1、 超微型飞船是质量非常轻的全自动飞船，大概是几克乃至几十克重，包含星芯（StarChip）和光帆（Lightsail）两个主要部分。星芯包括相机、光子推动机（photon thruster）、动力供应系统、导航和通讯设备，还有全套的空间探测器，总重量是几克乃至几十克。光帆只有几百层原子的厚度，质量为几克乃至几十克。

　　2、激光推进装置由相位相干的激光阵列构成，每次发射需要产生和存储的能量，大约相当于几百万度（千瓦时）的电。 （译注：总功率大约是1亿千瓦，100 gigawatt）。

　　超微型飞船可以大批量地制作，价格大致相当于iPhone手机，大批量地发射，从而增加冗余度和覆盖面 （译注：提高“瞎猫碰到死耗子”的可能性） 。激光推进装置是模块化的，可扩充的。一旦技术成熟的话，每次发射的费用可以降低到大约几十万美元。

　　研发阶段预计要持续若干年，1亿美元经费说的就是这个。为了实现终极目标（抵达半人马座阿尔法星），需要的预算还要大得多呢 （译者估计：几十亿乃至几百亿美元，这还仅仅是下限） 。需要实现的技术指标（技术路线，Path to the stars）如下：

　　1、在高海拔的干燥地区，建立陆基的、范围为几千米的激光推进装置。 （译注：不是长度为几千米，而是方圆几千米。）

2、每次发射需要产生和存储的能量，大约相当于几百万度电（gigawatt hours）

3、发射航天母舰，搭载几千个超微型飞船，飞到太空轨道上（a high-altitude orbit）

4、采用实时的适应光学技术（adaptive optics technology），消除大气层对激光光束的干扰

5、把激光束聚焦在光帆上，在几分钟内，把超微型飞船加速到终极速度

6、在旅途中遇到的星际尘埃

7、用超微型飞船上的激光通讯系统将拍摄到的行星图像和其他科学数据传回到地球上

8、利用发射超微型飞船的激光推进装置来收集4光年后的数据

这些都是巨大的工程挑战，更多细节可以在项目网站上找到。据该网站说，所有的关键要素要么是已经可以实现的，要么就是在合理假设下有可能在近期内实现的。

突破摄星计划将在开放、合作的研究环境中进行：完全属于基础科学研究；发表新结果，完全透明、开放获取；对所有相关领域的专家开放，对公众开放，谁都可以到项目网站的论坛来贡献想法。

激光推进系统比现有的任何科学大设备都要大得多。项目需要全球合作和支持。发射的时候，要得到所有适当政府和国际组织的批准。

　　等到星际旅行所需的技术成熟了，就会出现很多其他机会 （译注：这些才是似乎有那么一点点可能性的东西） ：探测太阳系；用激光推进装置作为千米量级的天文观测望远镜；探测有可能撞击地球的遥远小天体 （译注：这个遥远并不远，应该就在太阳系以内，跟半人马座阿尔法星的距离没法子比的） 。

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项目可行性被质疑已经有一些专家质疑了这个项目的可行性。“对于这一计划，相关领域的专家解读，想法很好，但目前具有科幻色彩。如果在遥远的将来能够实现，将具有开创性工程意义，但还谈不到科学价值。”“北京大学天文学教授徐仁新说，他完全不相信该计划会成功。微小的太空船会在长途的星际旅行中遇到非常多的障碍，比如撞上小小的星尘时，飞行器就会大大减速。‘即便一部分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。’”

有些专家更乐观些。“北京天文馆的高级工程师寇文说，该项目应该考虑西藏作为安置大型光束枪的一个备选地点。寇文说，西藏是全球海拔最高的高原，其干冷的气候将减少对激光光束的大气吸收和干扰，这个条件比地球而上其他地方都要优越。”

　　 总的来说，专家们都很客气，说的话都很婉转。为什么呢？原因很简单：霍金太有名了，米尔纳太有钱了，普通人太喜欢看热闹了。

虽然这就是个明显行不通的计划，不可能实现的空想，但是，局外人谁也抹不下脸来，谁也不好意思直截了当地指出。

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　　关于技术路线的说明下面我从几个方面来介绍突破摄星计划，主要说明为什么要采用这样的技术路线。基本上是正面的描述。1为什么选择半人马座阿尔法星？因为它是离我们最近的恒星，那里也许还有行星。半人马座阿尔法星就是中国古代所说的"南门二"。根据百度百科 [4-5] ，用倍率不高的小望远镜就可看出，南门二是光彩夺目的双星。其实它是个三星系统，由甲、乙、丙三星组成：甲、乙两星都是特亮星（距离太阳系大约4.36光年），丙星约11等（即著名的"比邻星"，是已知的离太阳系最近的恒星，大约是4.22光年）。在中国二十八宿系统中，南门二是角宿的一部分，"南门"初见于《史记》，指的是"南天门"。南门二到地球的距离大约是4.3光年，也就是说，从地球出发，即使是用光的速度跑，也要4.3年的时间才能到达南门二。如果超微型飞船的速度为光速的1/5，那么就需要20多年才能到达那里；到了那里以后不休息，马上拍照、传数据，我们也要再等4年多才有可能收到信息。即使一切顺利，从超微型飞船成功发射，等到它抵达南门二并传送信息回来，也要25年的时间。

2为什么飞行速度要达到光速的1/5？因为有人等不及了。16亿公里每小时（英文报道用的是10亿英里每小时），这就是个大概数字而已，只是让你知道跑得非常快。多快呢？大约是每秒钟4.4万公里，而光速是每秒钟30万公里。显然，项目里说的另一个数字，"光速的1/5"，也只是个大概数字而已。这些数字都没有必要精确到小数点后的，有个数量级的概念就行了。1977年，美国发射了 "旅行者1号"，这是全球第一个太空探测器，也是迄今飞行距离最远的人造物体。"旅行者1号"的速度大约只有每秒钟几十公里的样子，比博尔特快多了，比F1也快多了，可是从星际旅行的角度来看，根本就不值一提。经过近40年的时间，"旅行者1号"才刚刚离开了太阳系（也许还没有离开呢）。它走过的距离大约只有"1光天"，也就是光在一天里走过的距离。要用这个速度跑到南门二，估计要用4万年的时间――黄花菜早都凉了。一万年太久，只争朝夕！聪明绝顶的霍金，终于在垂暮之年领悟到了这个道理――朝闻道，夕死可矣。

3为什么要用激光推进？因为其他方式无法提供足够多的能量。物体从静止加速到光速的1/5，需要非常多的能量。到底要多少能量呢？我们都听说过爱因斯坦的质能转换公式（E=mc2），如果把一个静止物体的质量全部转化成的能量记为100，那么，这个物体以1/5光速运动时的动能就是2，换句话说，需要把2%的质量转化为能量。也许你会说，听起来并没有什么了不起的啊，才2%嘛。可是要知道，核聚变的转换效率也只有0.3%，核裂变的转换效率更是连0.1%也到不了。再说，现在还做不到可控的核聚变，而核电站（可控的核裂变）都有巨大无比的外壳（比核裂变材料要重几万倍，甚至更多）。化学燃料的能量转换效率就更不用说了，比核裂变还要低几万倍甚至几十万倍呢。效率更高的方法就只有传说中的反物质了，可是现在能够生产的反物质都是以原子个数来计算的（比如说，几万个或者几百万个，104-106个），根本就不可能制造出几克反物质出来（那至少意味着10亿亿亿个，1023个）。

所以说，没办法。每次发射需要的能量，大约相当于几百万度电，甚至更多。只能靠外界输入能量，而激光几乎是唯一可以提供足够多能量的方法了――至于传说中的太阳风，永远不可能把飞船加速到每秒钟几百公里的。

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怎么样实现激光推进？把激光束聚焦在光帆上，在几分钟内，把超微型飞船加速到终极速度，这就需要非常高质量的光束，下面这些措施都是为了实现高质量光束这个目标的：在高海拔的干燥地区，建立陆基的、范围为几千米的激光推进装置；采用实时的适应光学技术，消除大气层对激光光束的干扰。地球表面的大气层对光束质量的影响最大；其次是光束的有限口径带来的衍射效应。高海拔、干燥天气、适应光学技术，都是为了尽量消除大气层的影响；方圆几千米的激光推进装置，是为了降低衍射效应的影响。补充几句。这个方圆几千米，并不是说激光器要有几公里长，而是说需要口径为几千米的超级反射镜。这并不是一个口径几千米的反射镜，而是几百个（甚至几千个，就要看你有多少钱了）、口径几米（或者几十米）的反射镜，这些反射镜彼此精密合作，成为一个等效的超级反射镜。

5为什么要用航天母舰搭载超微型飞船？很简单，就是为了消除大气阻力。再说，现在的技术已经可以很容易做到这一点了。

6怎么样利用激光推进装置收集回传的信号？回传信息是通过激光实现的。激光推进装置的超级反射镜可以把信号光汇聚到高灵敏的探测器上。超级反射镜的口径越大，收集信号光的效率也就越高。

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"突破摄星计划"技术上不可行

下面我从几个方面来说明这个计划为什么就是瞎扯淡。基本上是基于普通物理常识的质疑――只用了大学普通物理学课程的内容。

为了便于说明，我们假设超微型飞船（加上光帆）的重量为10克，光帆是直径为10米的圆盘（面积大概为100平方米，厚度大约只有100纳米，也就是几百个原子层）。假定激光总是垂直于圆盘形光帆（其实这是很难做到的，但是不管它了）。进一步假定，成功的激光推进技术意味着可以在10分钟内（600秒）把超微型飞船（加上光帆）加速到1/5光速，也就是每秒钟6万公里的速度。

　　1加速距离有多长？加速过程的平均速度是每秒钟3万公里，加速时间600秒，那么加速距离就是2千万公里，没多远。这是地球到月球的距离的50倍，是地球到太阳的距离的1/8。这只是光走1分钟的距离，确实没多远。要想走到终极目标南门二（半人马座阿尔法星），光也要走4年呢，这才走了200万分之一（60×24×365×4=200万）。真的是万里长征第一步啊。（注：中学物理）加速距离的一半是1千万公里。这意味着，我们要把激光汇聚到方圆10米的面积上，而这地方离我们有1千万公里。 这是个非常困难的任务，但在理论上还是可以实现的。

光就是电磁波，它是一种波动效应。波总是会发散的，激光也会发散，只是激光的发散角可以很小而已。假定激光波长为1微米，1000米口径的光束，意味着光的发散角是1微米/1000米=10-9，经过1千万公里后，光束的口径就变为10米。这正好说明了我们为什么需要方圆几千米的激光推进装置了――也就是超级发射镜的口径。（注：大学二年级普通物理学――光学，衍射）

　　顺便说一句，这个道理同时说明了 第一个不可能完成的任务 ：超级飞船的尺寸太小了，就算它抵达南门二（半人马座阿尔法星），也不可能发射激光信号回来――这是由衍射效应决定的。

　　2加速需要的能量有多大？10克物质，速度为每秒钟6万公里，动能就是2×1013焦耳，这个能量大致相当于5百万度电（中学物理）。然而，这还不是光源需要提供的能量，因为光并不能把所有的能量都用于推动物质前进，它会被反射回去，从而带走一部分能量。考虑到这一点，能量至少还要再增加10倍：可以认为加速过程中平均速度为0.1倍光速，所以反射光子能量为入射能量的90%。（大学二年级普通物理：电磁学，相对论） （编者注：10克的飞船，速度为每秒钟6万公里，动量就是 6×105公斤米/秒。提供这么大动量的激光，其总能量为动量×光速=1.8×1014焦耳。）

　　也就是说，每次发射所需要的能量至少是2×1014焦耳，大致相当于5千万度电。小意思啦。我家每年用电量大概是2500度，这才是2万个家庭的一年用电量，真是小意思了。现在的电费好像是5毛钱（工业用电更贵，接近1块钱），发射一次也就只用2千5百万元，或者说400万美元，太便宜了。 这也是个非常困难的任务，但在理论上还是可以实现的。

　　顺便说一句，这个道理同时说明了 第二个不可能完成的任务 ：这么大的能量照射在光帆上，很容易就把它烧掉了。光帆上的功率为3百万千瓦每平方米（2×1014焦耳/600秒/100平方米），这个功率有点大。地球表面的太阳光功率大约是1千瓦每平方米，太阳表面的光功率大约是50万千瓦每平方米，只有这个数值的1/6。有句话怎么说的来着？谈笑间，樯橹灰飞烟灭！（注：大学一年级物理，热学）

也许你会说，可以做个百分百反射的镜面光帆，把激光都反射回去，不就可以了吗？还是不行。根本就没有百分百反射的镜面，99%行不行？不行。99.99%行不行？还不行。99.999999%行不行？对不起，还是不行。为什么？99.999999%的反射率意味着一亿分之一的光被吸收，也就是2×106焦耳的能量，对于10克物质来说，这个能量足以把它的温度加热到几万度以上，还是那句话：谈笑间，樯橹灰飞烟灭！（注：大学一年级物理，热学）(编者注：激光作用在光帆上的力为动量/加速时间=1000牛顿。这相当于一个人的重量。所以几百层原子厚的光帆必须是像降落伞那样的曲面。曲面的光帆内会有晶格缺陷，导致光吸收。）

3对于激光推进装置有什么样的要求？为了把激光汇聚在1千万公里以外的光帆上，必须拥有超级反射镜。对这个反射镜的要求有多高呢？

　　首先，这不是一个平面镜，而是一个曲率随时间变化的球面镜（因为超微型飞船在不停地往前飞啊）。为了达到汇聚的效果，球面镜上任意一点与球面中心的高度差必须满足h=r2/2d，其中，r是该点到球面镜中心的距离，d是到光帆的距离，h和r2/2d的差别必须远小于激光波长也就是1微米。在距离为1千万公里的时候，对于1公里的口径，这个数值h是10微米；相距一米的两点，高度差大约是0.5埃，也就是氢原子的大小。 理论上也是可以做到的。 （注：大学二年级普通物理学――光学，干涉）

　　其次，1千米口径的、曲率随时间变化的球面镜，根本就做不来，只好用成百上千个小镜子拼起来。拼起来的超级发射镜还要同步地调节，好吧， 理论上也是可以的，实践上你也是可以祈祷的。

　　第三，这成百上千个小镜子，还要配备成百上千个激光器，这些激光器也必须同步，他们的频率和相位必须完全相同。好吧， 你可以接着祈祷了。

　　这就是需要千米量级的、相位相干的激光推进装置的原因。这也同时说明了 第三个不可能完成的任务 ：在物理学工作者里面，有这么虔诚的祈祷者吗？

　　4能不能利用激光推进装置收集回传的信号？不能。我们已经在6.1里回答了这个问题：超级飞船的尺寸太小了，就算它抵达南门二，也不可能发射激光信号回来――这是由衍射效应决定的。再说，他也搞不到足够的能量啊。这是 第四个不可能完成的任务 。俗话说得好：再一再二，不能再三再四！ (编者注：飞船发回的激光信号如果功率是1瓦的话，地球上1000米方圆的天线，只能受到10-18瓦的信号。也就是每秒5个光子。）

好了，就说这么些吧。应该可以说明这个计划是不可能的了吧。具体的数字可以讨论，改来改去的应该可以变化几个数量级，但是不会影响最终的结论：这个计划就是不行。利用这里的方法，也很容易判断推进速度为每秒钟1000公里的可能性，以及相应的困难。

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为什么要推动？显然，霍金推动的这个“突破摄星计划”是行不通的。

那么问题来了：他们为什么还要推动？这有什么好处吗？这都是大科学家啊，他们会不懂普通物理学吗？就算是那个大富豪米尔纳，对了，还有脸书的扎克伯格，他们的物理也肯定学得好的很呢，他们会不懂这么简单的事情？

察见渊鱼者不祥，智料隐匿者多殃。我就不多扯了，简单地用两句话做结束语吧：

　　 1、大学普通物理很重要！

　　 2、都指望中国政府买单！

　　 附录

[1] 霍金开通微博宣布"突破摄星"计划 发射纳米飞船到半人马座阿尔法星http://www.guancha.cn/Science/2016_04_13_356899.shtml[2] "电动帆"宇宙飞船推进技术开始测试http://www.guancha.cn/Science/2016_04_14_357026.shtml）[3] 突破项目网站（突破摄星计划）http://www.breakthroughinitiatives.org/News/4[4] 南门二 http://baike.baidu.com/view/122300.htm[5] 比邻星 http://baike.baidu.com/subview/146676/19201145.htm

本文经作者授权转载自其科学网博客，《赛先生》经作者同意对部分语言有语气上的修改，如阅读原文请点击左下角的“阅读原文”。

延伸阅读① 霍金2016年BBC演讲：黑洞有没有毛？

② 霍金：“万物理论”不存在

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