YANGHUIMIN

　　　　4月12日，曾为物理学家的互联网亿万富豪Yuri Milner宣布将投入1亿美元用于启动Breakthrough Starshot计划，这一计划的目标是希望以激光驱动光帆在20年内抵达半人马座阿尔法星。我们想说的是，这一项目靠谱吗?
　　该计划的任务是将重为1 g、尺寸为4 m4 m的光帆，及设备组件加速到0.2 c的巡航速度。为给具有100%反射率的光帆提供其所需的1013 J的能量，该项目需要1 km宽的激光阵列在约两分钟内发射100 GW的平均功率。这些光帆每个约相当于一部iPhone的价格可以每天从位于地球轨道的容器释放，并通过激光加速以朝目标进发。经过一年的发射，会有数以百计的探测器朝半人马座阿尔法星前进，其中一小部分也许可以侥幸抵达。
　　
　　利用地基激光阵列来驱动轻型探测器抵达半人马座阿尔法星
　　回顾20世纪上半叶，利用光帆作为推进器穿越太阳系的想法经常见诸科学文献和科幻小说。而当1960年激光发明后不久，人们意识到相干激光可以形成低发散度的光束，由此引发了利用激光驱动光帆的一些提议。
　　1984年Robert Forward大胆提议利用100 km直径的Fresnel透镜将100 GW的天基激光阵列聚焦到4 km直径的光帆和设备组件之上，由此把航天器加速到十分之一光速，可在40年内抵达与我们相邻的半人马座阿尔法星系。但是这一提议一直未曾付诸实现。
　　那么自1984年以来哪些东西发生了改变使得人们有信心提出Starshot这一更为雄心勃勃的计划?至少有两件事情：一是由Moore定律导致的激光以及设备工艺主体尺寸的减小和耗费的降低;二是极其富有且有眼界的互联网巨头的出现。
　　这些企业家希望技术除了交友、消费以外激发更多事物的想法是令人赞赏的。Starshot确实是比在线交友app更具雄心，然而考虑到技术现状，将之视为科幻也许更为恰切。
　　让我们先排除耗电量，粗略估计一下激光的耗费。二极管抽运的光纤激光器能够较为合算地提供最高的平均功率，乐观估计的话每瓦功率大概耗资100美元。也即是说要提供100 GW功率最低花费也需要10万亿美元。假设大规模生产可以节省90%开支，如此一来花费会降至1万亿美元。再纳入Moore定律的一些技术进步，将这一数字缩减至其十分之一，依然还要1千亿美元。可资比对的是，按2016年的市值来计算，Apollo登月计划是耗费了1500亿美元。
　　激光是最昂贵的资本开支项，但是电力消耗也是一个重负。按照美国工业用电价格每千瓦时0.10美元来说，Starshot计划中的激光阵列一次激光发射大概就需要1百万美元，这还是在假定用电效率达到50%和一个100 MW的专用电场全天候供电的情况下。
　　更为根本的是，即便不断有海量资金投入其中以解决问题，计划破产的潜在因素依然存在。主要问题是能否快速地将1013 J能量传递给候在空间的光帆。换句话说，激光阵列能在多远的距离上保证在光帆上提供大致恒定的平均束流强度?
　　为提供100 GW功率，需要1百万个100 kW的单模光纤激光器。(顺便说一句，这样高功率的单模激光器尚不存在，且其开发也有着难以克服的技术困难。)假如每个这样的激光器占据1 m2面积的话，那么激光阵列的直径约为1 km。为使全部激光功率集中在4 m4 m的光帆上，激光束腰(光束传输时强度最高的位置)应当与光帆一道移动。通过控制阵列中激光束的相对相位，束腰位置可以动态调整到由阵列直径设定的最大距离。而对于这样的光帆和阵列尺寸，为了使光帆在约100 s时间内达到0.2 c的速度，其加速度约需要为105 g，这要求束腰需要移动3109米。
　　即便基于石墨烯材料的光帆具有足够大的抗拉强度从而能承受如此大的加速度所导致的应力，并且激光的能量也不会使其蒸发，那么仍有一个大问题存在：这些激光必须进行精确相位控制以实现相干合束而不是作为100万独立的光束。如何能够令光束在穿越了多风、紊乱并且充满气溶胶的数十公里的大气之后聚焦到快速加速的光帆上还保持同相位呢?
　　有些人会说这些问题可以通过自适应光学和反馈来解决。不那么乐观的看法认为，不存在这样一个反馈系统使得其能够快速或者足够精确地提供所需要的激光相位调整。激光内禀相位会在中途发生快速涨落，并且高功率光束加热的空气也会造成额外的湍流。有一件事情是可以肯定的：除非这一显然不可逾越的激光相位问题得以解决，否则地基激光阵列是不会有用的。
　　比起地面激光系统的规模和复杂性，将其置于空间中此时湍流问题自然得以解决会引入除了迅猛增加的费用和运输问题以外的更多更为复杂的问题。一个简单的问题：一个100 GW的天基激光系统就是一个实打实的超级武器当然也是世上最昂贵的。这样一项计划势必会引发国内以及国际间无休止的政治争端。
　　当然也有积极的一面。Milner慷慨的种子基金以及与之相伴的公开性，是对人们想象力的及时和必要激发，正如美苏的空间项目对于孩提时代的我们的意谓。
　　考虑到迈向星际的诸多技术挑战和巨大耗费，1亿美元显然是杯水车薪，也许也没有人知道需要花多少钱。然而，对于一些基础性科学的研究(其本身即是重要的)，以及引起对于技术应为何物的重新关注来说，Milner的努力是一项值得称赏的公共服务。