深度解析：为什么说星际旅行会比你想象的更早实现？

“登月”这个词有时被用来形容一个疯狂的想法或一个不大可能实现的项目，就好比阿波罗11号完成人类第一次登月任务一样。其实，“突破摄星”（Breakthrough Starshot）计划在常人眼中，已经突破了“登月”一词所做的描述，因为它的目标远远超出了探索月球顾名思义，这个项目就是要去探索最近的星球。

这个计划是出生在俄罗斯的亿万科技企业家尤里米尔纳以及包括斯蒂芬霍金和弗里曼戴森在内的著名物理学家在2016年4月的一项会议上提出来。目前的设想是，在地球轨道上安装许多银质的巨大光帆。这些光帆上连接着数千枚晶片大小的芯片，通过强烈的地球激光撞击这些光帆产生压力，进行加速。在被激光驱动两分钟后，飞船将以五分之一光速的速度飞行——是任何宏观物体所能达到速度的一千倍。每艘飞船将会在太空中滑行20年，与此同时收集有关星际空间的科学数据。在靠近半人马座阿尔法星系的行星上，机载数码相机将拍摄出高分辨率的照片，并把这些照片传回地球，让我们可以第一次真实的看到我们最亲密的行星邻居。除了获取到科学知识外，我们还将会了解这些行星是否适合人类殖民。

“突破摄星”背后的研究团队和项目所应用的前沿科技一样令人印象深刻。董事会成员包括米尔纳、霍金和Facebook联合创始人马克扎克伯格。执行董事长是美国宇航局艾姆斯研究中心的前主任，皮特沃登。还包括诺贝尔奖和突破奖得主在内的许多著名科学家都在该项目中担任顾问。米尔纳已经做出承诺将投入1亿美元的项目启动资金。他还将鼓励他的同事在未来几年里为完成这个项目捐赠100亿美元。尽管这一切听起来就像是科幻小说，但这里并不存在什么科学的障碍来阻止“突破摄星”的实现。

不过这也并不意味这个项目是可以一蹴而就的：为了获得成功，大量科技领域的进步都是必要的。级组织者和参与的科学家们依靠进步的指数，推断出“突破摄星"计划可以在20年内实施。以下是11项项目涉及到的关键技术，以及它们如何在未来20年里呈指数级增长。系外行星的发现。系外行星是太阳系外的一颗行星。尽管1998年人类才第一次对一颗系外行星进行科学观测，但是直到今年五月一号为止，已被证实的有3608次对2702个系外行星系的观测探索。虽然有些系外行星类似于我们的太阳系中的，但很多都有迷人而奇异的特征，比如拥有为土星环宽度200倍的光环。

这些发现的原因是什么？

1. 望远镜技术的巨大进步

就在100年前，世界上最大的望远镜是胡克望远镜，长达2.54米。如今，欧洲南方天文台的超大望远镜由4个直径8米的大直径望远镜组成，目前是天文学中最高产的地面设施，平均每天都有超过一篇的科学论文基于它的观测结果发表。研究人员使用vlt星系和一种特殊的仪器，在其恒星的宜居带（允许液态水）中寻找岩石系外行星。

在2016年5月，研究人员利用了位于智利的“侦测凌日行星与微小行星小型望远镜：（TRAPPIST）探测发现，在宜居带中，不只有一颗而是有七颗地球大小的系外行星。与此同时，在太空中，美国国家航空航天局的斯基普太空飞船是专门为这个目的而设计的，并且已经发现了2000个系外行星。于2018年10月发射的詹姆斯韦伯太空望远镜将提供给人类前所未有的关于外星球是否能支持生命的见解。“美国宇航局华盛顿总部的外星球项目科学家，道格赫金斯称：“如果这些行星有大气层，詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）将成为解开这些太空秘密的关键。”

2. 发射成本

项目飞船的母舰将通过一艘火箭发射，随后释放出1000艘星际飞船。使用一次性火箭运送有效载荷的成本是巨大的，但是像SpaceX和Blue Origin这样的私人发射供应商最近在可重复使用的火箭上取得了成功，因此这些火箭的发射价格预计会大幅降低。SpaceX公司已经将猎鹰9号发射的成本降低到大约6000万美元每次，随着私人航空事业的壮大和可重复使用火箭的普及，这个价格预计还会进一步下降。

3. 星芯片（ Starchip ）

每个15毫米宽的星芯片都包含大量复杂的电子设备，如导航系统、相机、通信激光器、放射性同位素电池、相机多路转换器和相机接口。人类是否可以将整个宇宙飞船压缩到一个小镜片上取决于呈指数递减的传感器和芯片大小。上世纪60年代，第一台计算机芯片包含了一些晶体管。多亏了摩尔定律，我们现在可以在每个芯片上挤压数十亿个晶体管。第一个数码相机重达8磅，并且只能拍摄0.01万像素的图像。现在，一个数码相机传感器能产生高质量的1200万像素的彩色图像，并能与其他传感器一起使用，比如GPS、加速度计和陀螺仪。随着小型卫星不断提供给人类越来越优质的数据，太空探索也会不断进步。要想获得这个项目的成功，我们需要在2030前将芯片的质量减少到0.22克。不过，如果能够延续之前的速率缩小芯片这一期望还是完全有可能实现。

4. 光帆（Lightsail）

光帆必须由具有高度反射性（从激光中获得最大动量）的材料制成，最低吸收力（这样就不会在高温中燃烧），而且重量也很轻（加速快）。这三个标准需要严格遵守，目前还没有令人满意的材料。图片来源：突破摄星。这一技术的进步可能来自人工智能的自动化和加速材料的发现。这种自动化已经达到了这样的程度：机器学习技术可以“生成数以万计的候选材料库”，让工程师能够识别哪些是值得为一些特定应用领域探索研究追求的。

5. 能量储存

虽然星芯片将使用一个微小核动力放射性同位素电池来维持长达24年的旅程，但我们仍需要用常规的化学电池来制造激光。激光器需要在很短的时间内使用巨大的能量，这意味着能量必须储存在附近的电池中。电池存储的年增长率为5%-8%，尽管我们经常没有注意到这一好处，因为家用电器的耗电量也以相当的速率增长，从而实现了稳定的运行寿命。如果电池的储电量继续以这种速度增长，那么在20年里，他们的容量应该是现在的3到5倍。该项的持续创新预计将会受到特斯拉太阳能城对电池技术重大投资的推动。这些公司已经在考艾岛安装了近5.5万电池，为它们的大部分基础设施提供电力。

6. 激光

成千上万的高能激光器将被用来把光帆推进到非同寻常的速度。依照摩尔定律，激光器的速度与集成电路几乎是一样的，每18个月的能价比为1/1。特别是，过去10年里，二极管和光纤激光器的功率大幅加速，前者在2010年突破了10千瓦，而在几个月后又突破了100千瓦的大关。除了原始电源，我们还需要在相控阵激光器的结合上取得进展。

7. 速度

我们快速移动的能力正在加速提升。1804年，第一列火车被发明出来，然而在不久之后就产生了当时前所未有的70英里时速。太阳神2号太空飞船在1976年超越了这一纪录：以它最快的速度，356,040公里每小时，离开的地球。仅仅在这40年后，“新视野号”太空飞船实现了以日为中心，约每秒45千米或10万英里每小时的速度。然而，即使以这样的速度，要在4光年以外的地方到达半人马座阿尔法星也需要很长很长的时间。在粒子加速器中，加速亚原子粒子的加速是一种常态，但对于宏观物体来说，这是前所未有的。对任何人造物体来说，达到20%光速的速度将意味着1000倍的速度提升。记忆存储基础于计算就相当于计算能力对于信息储存。“突破摄星”项目依赖于不断降低的成本和数字存储的大小，包括为其程序提供足够的存储空间，以及半人马座阿尔法星系统和它的行星所拍摄的图像。几十年来，记忆存储的成本呈指数级下降:1970年，一兆字节的成本约为100万美元;现在约为1/10美分。存储器的大小也有类似的下降，从1956年的一个5兆字节的硬盘，到现在重量只有几克的512 gb的u盘。

8. 通讯系统

一旦图像被拍摄，星芯片将把图像传回地球进行处理。自1876年亚历山大格雷厄姆贝尔发明电话以来，通讯技术发展迅速。目前美国的平均网速为每秒11兆比特。Starshot要想发送数字图像到4光年以外或者20万亿英里，其所需的带宽和速度将需要利用最新的通信技术。光无线通信（li-fi）是一项有前途的无线技术，比无线网络快100倍。另一种是通过光导纤维，现在它的速度位每秒1.125兆兆位。在量子通讯领域人们也做过一些探索，这项技术不仅是超快的，而且是完全安全的。

9. 计算

“突破摄星”项目的最后一步是分析从宇宙飞船发回的数据。要完成这一步，我们必须利用成指数级增长的计算技术。60年来，计算速度增加了万亿倍。随着云计算的出现，计算的成本也在不断下降。通过对未来进行推断，并利用新型的处理方式，如量子计算，不断进行探索研究，”突破摄星“计划发回的数据将会实现人类能量千倍的增长。如此极端的处理能力将使我们能够对我们最近的邻近星系进行复杂的科学建模和分析。

注：作者Mark Jackson特别感谢Pete Worden和Gregg Maryniak对文章给出的意见和建议。

【选自：SingularityHub，作者：Mark Jackson，编译：网易见外编译机器人，审校：秦昕】