比爾·奈

你知道當前的月相嗎？我們當中的大多數人對此一無所知;如今我們也根本無需知道。但在路燈和電燈充斥在我們生活的角角落落之前，人們會孜孜不倦地觀察夜空。因此在1607年，當一顆十分明亮的彗星出現在天空中時，人們對它是又害怕又著迷。

這顆劃過天際的彗星就是我們現在所熟知的哈雷彗星（以英國科學家愛德蒙·哈雷的名字命名，他計算出了該彗星的軌道），德國天文學家約翰尼斯·開普勒曾對他當年看到的景象進行過深入思考。他推斷，哈雷彗星的華麗尾部可能是因太陽的溫度使彗星表面的物質蒸發(fā)或釋放而產生的。開普勒曾想象過去探索星空：“只要船或帆能適應天上的微風，就一定會有人無懼無垠的天際?！?/p>

畢竟在16世紀和17世紀，船舶很常見，它們由風驅動，而太陽的熱則是風的成因之一。得益于尼古拉·哥白尼的理論與探索，在開普勒生活的時代，人類已經開始了解我們是生活在一個圍繞著一顆恒星轉動的行星之上的。那么，開普勒想象人類在星空中航行或許可以說是自然而然的了。

1977年，我坐在康奈爾大學卡爾·薩根的天文課堂上時，宇宙航行在我看來顯然是再自然不過的事情。薩根生動形象地描述了他想象一艘航天飛船在重力和軌道力學的約束下運行，從星球間滑過的景象。它將在廣袤的宇宙中航行，以無盡星空中的星光為動力，一往無前。

我的教授曾經描繪的夢想如今正被世界上最大的非官方太空組織——行星協會實現，薩根在1980年共同參與創(chuàng)辦了該機構（如今由我負責）。2015年6月，協會測試了它通過眾籌籌款建造的光動能宇宙飛船“光帆1號”。在本文發(fā)表時，我們正準備于秋季在美國的卡納維拉爾角發(fā)射它的下一代飛船“光帆2號”，它將由SpaceX“獵鷹”重型火箭送入地球軌道。

在開普勒首次寫下關于星際航行的文字大約三個世紀后，科學家發(fā)現光的性質是純能量——它能促使事物前進、運轉或發(fā)生。目前我們知道每個光子有多少能量。盡管光子沒有質量，它們卻有動量。

我們或許都知道滾動的保齡球有動量，它們能將動量傳遞給保齡球瓶。當保齡球擊中球瓶時，球瓶倒下即得分。此外，如果你曾經被保齡球擊中過胸腔（就像我在一檔兒童電視節(jié)目中經歷的一樣），你就會知道它的動量有多大。

相反地，光的動量是一種超乎我們日常經驗的概念，對于我們來講可能有點難以理解：你置身戶外，站在陽光下的時候，根本不會感到陽光能把你推來推去。光的力量，尤其是一個光子的力量，實在是微乎其微——因此在地球上，太陽光壓會被你受到的其他壓力抵消，例如摩擦力和重力。

要是我們能利用大量光子的能量，又不會受到其他阻力的影響會怎樣呢？據我們所知，只有一個地方能擺脫所有的摩擦力和重力：外太空。

自上世紀20年代起，人們就開始設想一種質量很小、體積很大的飛船，被光子的壓力推動著在宇宙間自由穿行，就如同氣體的分子——空氣——推動著帆船在大海上航行那樣。

利用太陽能航行的精妙之處不僅在于概念，還在于其效率。一旦進入軌道，飛船就不再需要任何燃料推動了。盡管光的推動力很小——每平方米光帆上只有九微牛頓（約合一百萬分之一千克）——這與傳統(tǒng)的火箭引擎不同，然而它卻永遠也不會耗盡。因為太陽持續(xù)不斷地發(fā)出光芒，能量雖然微小，卻每分每秒都在不斷地累積。

以下就是“光帆2號”的飛行原理。我們的飛船最初和一塊面包的大小相當：10厘米×10厘米×30厘米，是當今立方體衛(wèi)星的標準大小和形狀。好在，由于地球軌道上幾乎沒有空氣，所以飛行器的外形無需制成光滑的空氣動力學形態(tài)。

飛船中的小隔室里裝有亮晶晶的光帆;在軌道上，它們將展開，成為邊長超過5.5米的正方形。陽光推動光帆時，地面上的控制人員能操控飛船上體積很小的電動發(fā)動機，讓它在宇宙中調轉方向。繞地球飛行時，我們將讓光帆的邊緣側向太陽，然后扭轉或停住飛船，使陽光垂直照射在光帆上，然后再固定光帆的邊緣，使其側向每條軌道。

它就像一艘帆船，只不過是在宇宙中而非在天空中航行，并且直接由陽光驅動。與在巨大的海邊船塢中造船不同，光帆是在美國加利福尼亞州一座座小小的陸上實驗室中建造完成的（盡管可以用于沖浪）。

在從事打造“光帆2號”的任務期間，我們期望能夠聚集軌道能量，從而讓我們了不起的小飛船攀升至越來越高的軌道。我們希望它能發(fā)回自身和地球的美麗圖像，我們還相信它將從根本上提高航天技術。這些光帆飛船任務是全世界為降低宇宙探索成本所做努力的一部分，通過這些任務獲得的經驗，那些成本高得使人難以負擔或是不可能實現的飛行未來也將能得以完成。

例如：太陽偶爾會在名為“日冕物質拋射（CME）”的過程中釋放出巨大的能量，這些能毀壞衛(wèi)星上攜帶的電子設備的帶電粒子流在太空中的移動速度非?？臁贿^還是要比光子的運動速度稍遜。

正如開普勒曾經指出的那樣，靠近太陽軌道的物體比遠離太陽軌道的物體運動速度快，因為太陽引力能起到牽拉作用。如果我們嘗試將一顆衛(wèi)星放在一條軌道上，使它與太陽之間的距離和金星與太陽之間的距離相當，然后我們計劃飛船與地球同步——好吧……它辦不到。相反，它會徑直朝太陽飛去，然后被太陽吞沒。要讓它留在這條軌道上，飛船需要另一個恒定的外力。光帆能提供持續(xù)的推動力，飛船上的儀器會探測到日冕物質拋射現象并給我們發(fā)來警報信號。我們可以操控臨近的地球軌道衛(wèi)星，好讓它們能夠轉向，始終背向粒子流——但我們關鍵的飛船則要遭受一點小損害。

我們希望“光帆2號”能發(fā)回自身和地球的美麗圖像。我們相信它將從根本上提高航天技術。

在具備光帆航行同樣特征的情況下，我們可以將一艘裝備了紅外望遠鏡的飛船送入地球軌道，與地球同步運行。這艘飛船能將它的熱感望遠鏡朝向遠離太陽的方向，探索冰冷漆黑的宇宙，說不定能發(fā)現一顆將要與地球相撞的危險小行星發(fā)出的光亮。

也可能，光帆飛船可以被安置在幾乎永遠位于地球北極或南極上空的軌道上，用來監(jiān)測天氣和氣候的變化。光帆飛船是一項剛剛起步的技術，甚是迷人，也十分了不起。

想想我們所生活的現代世界和探索帶來的巨大影響吧。你正在瀏覽的電子設備或紙質書刊，你駕駛的汽車，你乘坐的飛機和火車，你吃的食物，你穿的衣裳，它們之所以存在，都是因為我們的先人學會了如何在無垠的大?！粗拇箨憽瓱o盡的宇宙中前行。

在行星協會，我們的使命是推動空間科學和探索的發(fā)展。大多數生活在地球上的人日復一日、年復一年地忙忙碌碌，過著日子，卻從沒思考過宇宙——但當我們放眼宇宙，付諸行動，我們就能做出了不起的成就。通過邀請世界公民參與到光帆飛船的任務中——倡導科學基金、出席行星協會的活動、訂閱更新的發(fā)射信息——我們給他們提供了一個參與未來、使宇宙民主化，以及幫助我們所有人獲得一個以重要的新視角看待宇宙以及宇宙中我們所處的世界的機會。向星空致敬！

繼續(xù)前行……

隨著“光帆2號”準備進入地球軌道，這里也要介紹一些關于那條軌道上一顆舊衛(wèi)星的信息。1958年3月17日，美國將“先鋒1號”（左）送入軌道時，它是世界上第一顆太陽能衛(wèi)星。1964年，它停止了傳送信息——但發(fā)射升空后的60余年來，它一直在繞軌道飛行，“先鋒1號”因而成了宇宙中最古老的人造衛(wèi)星。截至目前，它已經繞地球飛行了約23.9萬圈，美國國家航空航天局的大衛(wèi)·威廉姆斯說，而且“大多數人推測它還將在軌道上繼續(xù)飛行數百年”。