悼念「宇宙之王」!回望他生前最後推進的宇宙探索計劃

那個解釋時間的人,被時間帶走了。

生於伽利略忌日,卒於愛因斯坦生日。英國物理學家史蒂芬·霍金2018年3月14日去世,享年76歲。

霍金沒有死,他只是終於擺脫了束縛著自己的肉體。從輪椅上一躍而起,飛向了那個他一直憧憬的地方。

如今,他也終成時間中的一段簡史。

悼念“宇宙之王”!回望他生前最後推進的宇宙探索計劃

以下懷念文章,是霍金生前最後幾年推進的宇宙探索計劃。原文標題《霍金啟動“突破攝星”計劃,是科研還是科幻?》

撰文/夏楊

著名天體物理學家史蒂芬•霍金開通了新浪微博。僅在他發出第二條博文後,粉絲量就飆升至300多萬!看到被譽為“愛因斯坦之後最傑出的理論物理學家”的霍金也來做中國網友,很多人驚呼“好興奮”,“沒想到能和霍金這麼近”!

悼念“宇宙之王”!回望他生前最後推進的宇宙探索計劃

霍金微博開通後最先發的兩條博文,一條是向中國網友打招呼,敘說他來中國的兩次經歷。第二條宣佈他4月12日剛在美國啟動的外空探索行動,即“突破攝星”計劃!

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霍金的發出的第一條博文

新浪微博官方的簡介信息顯示:“落款S.H.的內容均來自於霍金教授本人”。這兩條微博均落款有“S.H.”,即,都是霍金教授本人發佈的!

而霍金生前發出的最後一條新浪微博,則是和@TFBOYS-王俊凱 的互動,回答中國網友的提問。這也讓中國人對這位世界大科學家倍感親切。

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生前最後一條微博

對於“突破攝星”計劃,霍金特別強調,Facebook創始人馬克•扎克伯格,還有俄羅斯億萬富翁尤里•米爾納等,都參與進來提供資助。項目資助金約1億美元。


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Facebook創始人馬克•扎克伯格

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俄羅斯億萬富翁尤里•米爾納與霍金

何謂“突破攝星”計劃?天體物理學不是那麼容易搞得懂。不過,“網友”霍金特別能理解大家,專門用通俗的語言做了簡單介紹。

霍金說:“‘突破攝星’計劃旨在研發出一臺‘納米飛行器’—— 一臺質量為克級的自動化太空探測器—— 並且通過光束把它推動到五分之一的光速。”

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“納米飛行器”概念圖

霍金設計的這種小型飛船真科幻!據他4月12日在美國舉行的發佈會上的介紹,這種飛行器由一塊名為“星片”的電腦芯片作船體,該芯片兩三釐米見方,僅幾克重。但上面集成了攝像機、光子推進器、導航和傳輸部件等,是具有完整太空探測功能的飛行器。這種微型飛船需要製造數千個。

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飛船芯片小如郵票

這種飛船芯片上安裝“光帆”。這是一種超材料布蓬,接收地面發射來的高能激光,帶動飛船前行。

“如果我們成功的話,這個飛掠任務將會在發射後二十年左右到達半人馬座阿爾法星,併發送回來在那個星系中發現的行星的圖片。”而這次飛行,將是人類飛行器走出的最遠距離!

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“光帆”概念圖

“突破攝星”計劃,是為了尋找太空中的類地行星。之所以把目標選定半人馬座星系,是因為它是距太陽系最近的恆星之一。半人馬座的α星距離地球約4.37光年。

天文學家相信,在半人馬座阿爾法星系統中,很可能存在一顆類似地球的行星,在圍繞著其中一顆恆星運轉。這次探測,就是想判斷,那裡有沒有可容納生命的地方。

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4.37光年有多遠?直觀地說,用目前最快的宇宙飛船,也需花費3萬年時間才能飛到!要這麼長時間,對人類來說有意義嗎?!

要想去得“有意義”,就要提高飛船速度。霍金說:“愛因斯坦曾經幻想在宇宙中乘著一道光線飛馳……一個多世紀後,我們有機會可以達到光速的一小部分:一億英里每小時。”

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科幻劇《星際旅行》中宇宙飛船用“曲速引擎”實現超光速航行

“時速一億英里”有多快?我們還是用現有飛船的速度來做比較:美國1977年發射升空、用來探測太陽系外圍行星的宇宙飛船旅行者1號和2號,運行速度約為每秒17公里,即3.8萬英里每小時。這距霍金設計的速度,還要提高2600多倍!

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“旅行者號”飛行器

再看美國2013年發射、前往木星探測的宇宙飛船“朱諾號”。它經過地球時的速度是每秒25英里,利用地球的重力“彈出”後,速度可超過16.5萬英里每小時。而這個速度,按霍金的要求,還要提高600多倍!

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“朱諾號”飛船

多解釋一句:宇宙飛行器要控制“體重”,燃料不可能多帶。因此一般都利用行星引力場加速,即所謂的“彈弓原理”,在側向接近一顆大行星、並掠過行星時,利用該行星的引力,將飛船“甩”出去。每掠過一顆大行星,就獲得加速一次。

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飛行器利用行星引力場加速示意

新的飛行器採用什麼樣的動力?如何提高速度?這是“突破攝星”計劃能否實現的關鍵。對此,霍金教授提出的設想是:激光動力。

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激光發射器假想圖

目前該計劃還有很多難題有待解決。據BBC報道,英國穆勒太空科學實驗室教授安德魯·科茨就提出很多問題,比如:如何抵抗空間輻射和粉塵環境?如何確保儀表靈敏度?如何抵禦發射初期與地球大氣間強大的相互作用?如何保證運行階段的穩定性及其電力供應?

在微型飛行器最關鍵的動力設計上,科學家提出的異議也最多。他們認為,目前看來,這個科研計劃更多是“科幻”!據《科技日報》報道,有中國科學家認為,該計劃至少在短期內難以實現。

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太空飛船

按照霍金的設想,新的微型飛船用激光束推進。對此“光壓”原理,中國航天科工二院研究員楊宇光解釋:就像太陽照在人身上會產生熱量一樣,將光照到一個物體上面,物體在不斷獲得能量的同時也會產生壓力。

“但是,光的壓力是微弱的。”楊宇光同時提出質疑:根據計算,如果將1克的物體加速到光速的20%,需要獲得1.8萬億焦耳的能量,它相當於400噸TNT炸藥的能量!

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“光壓”原理

霍金設計用超強激光代替日光,能量是大了,但仍有問題。“要想推到光速的20%,需要的總能量比一個原子彈爆炸的總能量還要高。這樣強的能量集中到克級質量的探測器上,是現有材料無法抵擋的,而且複雜結構的飛行器也無法承受超高加速度。”

《國際太空》雜誌主編龐之浩也指出:這種飛行器只有郵票大小,當飛遠以後,在地面上用激光器瞄準很困難,如何能準確地、持續地光壓推進?

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宇宙空間站

中科院高能所研究員曹俊則提出,信息傳輸也有困難。他說,目前信息傳輸主要依賴電磁波,即使納米飛船上能搭載信號發送器,傳送信息也是難題。

當然,一個人類前所未有的計劃,有各種困難是難免的。霍金在微博中用詞也很謹慎,他為這項研究框定的時間是:“在一代人的時間內。”

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霍金在“突破攝星”計劃發佈會上

並且,作為探索性研究,總是成功與失敗並存。所以,令霍金教授頗為興奮的“突破攝星”計劃,究竟是科研還是科幻,還有待於時間檢驗!

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P.S. 霍金(以下內容整合自網絡)

悼念“宇宙之王”!回望他生前最後推進的宇宙探索計劃

史蒂芬·威廉·霍金,生於1942年1月8日,英國劍橋大學著名物理學家,被譽為繼愛因斯坦之後最傑出的理論物理學家。1979至2009年任盧卡斯數學教授,這是英國最崇高的教授職位。

他患有肌肉萎縮性側索硬化症,全身癱瘓,不能說話。 唯一能動的地方只有兩隻眼睛和3根手指。

霍金的主要研究領域是宇宙論和黑洞。他證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理,提出了黑洞蒸發現象和無邊界的霍金宇宙模型,在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步。

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奧巴馬曾親自為霍金頒獎

霍金的主要學術思想

時光機

霍金聲稱帶著人類飛入未來的時光機,在理論上是可行的,所需條件包括太空中的蟲洞或速度接近光速的宇宙飛船。不過,霍金也警告,不要搭時光機回去看歷史,因為“只有瘋狂的科學家,才會想要回到過去‘顛倒因果’”。

霍金在拍攝一部有關宇宙的紀錄片時提到,人類其實能建造出接近光速的宇宙飛船,並且能夠進入未來。他甚至說,自己是因為擔心別人把他當成“怪人”,所以才不敢亂說話,也不願意多談有關時光機的問題,直到拍紀錄片後才大方討論。

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時間縫隙

至於時光機的關鍵點,霍金強調就是所謂的“四度空間”,科學家將其命名為“蟲洞”。霍金強調,“蟲洞”就在我們四周,只是小到肉眼無法看見,它們存在於空間與時間的裂縫中。

他指出,宇宙萬物非平坦或固體狀,貼近觀察會發現一切物體均會出現小孔或皺紋,這就是基本的物理法則,而且適用於時間。時間也有細微的裂縫、皺紋及空隙,比分子、原子還細小的空間則被命名為“量子泡沫”,“蟲洞”就存在於其中。

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回到過去

霍金指出,理論上時光隧道或“蟲洞”不只能帶著人類前往其他行星,如果蟲洞兩端位於同一位置,且以時間而非距離間隔,那麼宇宙飛船即可飛入,飛出後仍然接近地球,只是進入所謂“遙遠的過去”。因為在四度空間中,10分鐘也許是n小時。不過霍金警告,不要搭時光機回去看歷史。

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飛去未來

霍金表示,如果科學家能夠建造速度接近光速的宇宙飛船,那麼宇宙飛船必然會因為不能違反光速是最大速限的法則,而導致艙內的時間變慢,那麼飛行一個星期就等於是地面上的100年,也就相當於飛進未來。

霍金舉人造衛星為例,指衛星在軌道運行時,由於受地球重力影響較小,衛星上的時間比地上時間稍快。由此,他設想出一艘大型極速宇宙船,可在1秒內加速至時速9.7萬公里,6年內加速至光速的99.99%,比史上最快的宇宙船阿波羅10號快2000倍。船上的乘客就是變相飛向未來,作出名副其實的時間旅行。

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四度空間

即使是在太空中,萬物也都有時間的長度,在時間中漫遊,意味著穿越該“四度空間”。

霍金舉例指出,開車直線行進等於是在“一度空間”中行進,而左轉或右轉等於加上“兩度空間”,至於在曲折蜿蜒的山路上下行進,就等於進入“三度空間”。穿越時光隧道就是進入“四度空間”。

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外星人論

斯蒂芬·霍金在美國探索頻道2010年4月25日播出的紀錄片《跟隨斯蒂芬·霍金進入宇宙》中說,外星人存在的可能性很大,但人類不應主動尋找他們,應盡一切努力避免與他們接觸。

霍金認為,鑑於外星人可能將地球資源洗劫一空然後揚長而去,人類主動尋求與他們接觸“有些太冒險”。“如果外星人拜訪我們,我認為結果可能與哥倫布當年踏足美洲大陸類似。那對當地印第安人來說不是什麼好事。”

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星際移民

霍金在2010年8月接受美國知識分子視頻共享網站BigThink訪談時,再曝驚人言論,稱地球200年內會毀滅,而人類要想繼續存活只有一條路:移民外星球。

霍金表示,人類如果想一直延續下去,就必須移民火星或其他的星球,而地球遲早會滅亡。霍金說:“人類已經步入越來越危險的時期,我們已經歷了多次事關生死的事件。由於人類基因中攜帶的‘自私、貪婪’的遺傳密碼,人類正在一點點掠奪地球資源,人類不能把所有的雞蛋都放在一個籃子裡,所以不能將賭注放在一個星球上。”

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