激光推進(jìn)的星際旅行

朱崇愷

激光推進(jìn)納米圖案的概念圖

加州理工學(xué)院應(yīng)用物理與材料科學(xué)教授哈里·阿特沃特（Harry Atwater）領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過在物體表面創(chuàng)建特定的納米級圖案，設(shè)計(jì)了一種僅使用光線去懸浮和推動物體的方法。雖然這項(xiàng)研究目前仍停留在理論層面，但這意味著人們對新的太空推進(jìn)方式的開發(fā)邁出了重要一步。理論上，使用這種僅靠光能驅(qū)動和加速的技術(shù)的太空船可以在20年內(nèi)到達(dá)最近的太陽系外行星。

作為激光物理領(lǐng)域突破性發(fā)明的光學(xué)鑷子（2018年獲諾貝爾物理學(xué)獎），能利用激光操縱微小的物體，如納米粒子。然而，光學(xué)鑷子只能在非常短的距離內(nèi)操縱，并且只能操縱非常小的物體。本研究的第一作者、博士后學(xué)者伊利奇（Ognjen Ilic）作了一個類比：“人們可以使用來自吹風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定氣流來懸浮乒乓球。但如果乒乓球太大，或者距離吹風(fēng)機(jī)太遠(yuǎn)，這就不會起作用。”

新研究的關(guān)鍵是在物體表面上創(chuàng)建特定的納米級圖案。這種圖案會與光相互作用，使物體在受到擾動時(shí)可以自行調(diào)整，產(chǎn)生恢復(fù)性的扭矩，從而使其保持在光束之中。有了這一特性，光學(xué)鑷子就不再需要高度聚焦的激光束，只要激光“編碼”了自身的穩(wěn)定性，光源甚至可以在數(shù)百萬英里（1英里=1.609344千米）之外。

“我們已經(jīng)想出了一種可以懸浮宏觀物體的方法，”人工光合作用聯(lián)合中心的主任阿特沃特說，“一個大膽有趣的應(yīng)用就是使用這種技術(shù)來推動新一代的航天器。盡管目前距離實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走，但我們正在測試其原理。”理論上講，這種航天器可以用地球發(fā)出的激光加速。它無需攜帶燃料，卻可以持續(xù)加速，使航天器最終將達(dá)到一個非常高的，甚至是相對論級別的速度，從而完全可以前往其他恒星。而傳統(tǒng)火箭的速度受限于自身所攜帶燃料的重量，燃料一旦耗盡，火箭就無法繼續(xù)加速，這導(dǎo)致它們無法在合理的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)星際旅行。

除此之外，阿特沃特還設(shè)想在地球上使用該技術(shù)，以便能夠快速制造更小的物體，比如電路板。