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突破摄星计划:人类发射探测器,半人马α星大祸临头!

2017-03-21 08:56     科技     来自:牛人趣事

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松鼠名片

毕业于北京大学元培学院,擅长以通俗易懂的文风写作最有争议性的科学话题,话题涉及演化、物理、数学等诸多领域。精通翻译,关注社会新闻与科学漫画。曾采访《自然》总编Philip Campbell、《科学美国人》总编Mariette DiChristina等多位业界人物,致力于与顶级科学家的沟通与采访。

2016年4月,我们的霍金老爷子发表了一个惊人的消息:他和尤里·米勒、马克·扎克伯格等大人物,一起设立了“突破摄星”(Breakthrough Starshot)计划,要在未来的20年里,往半人马α星(南门二)发射一个探测器舰队。

按照计划,他们会在地面上建设一个100GW的超级激光阵列,与此同时向地球轨道上发射1000个所谓“纳米探测器”。这些探测器很小,每一个的质量都只有几克,但是它们都会备有一张4米见方的超薄光帆。一切就绪后,用地上的强激光照射光帆,短时间内提供巨大的推力,令其在几分钟内加速到0.2倍光速(每秒6万千米),然后花20年时间抵达半人马α。

“突破摄星”计划设想的纳米探测器和光帆。

图片来源:space.com


是不是很厉害!

……厉害归厉害,但是万一半人马α星真的有生命存在,他们见到这么一坨东西飞过来会有什么感想?

让我们来算一算吧。

他们会看到什么?


肉眼看过去,探测器的本体很小,绝大部分是这个4米×4米的光帆。光帆在我们眼中一定是闪闪发亮的,因为哪怕它只吸收一丁点光能,在能量巨大的激光打上去的时候,也会承受不住而气化。“突破摄星”计划预计制造出吸收率低于10^-9的超反射光帆,那将是大部分人见过的最明亮的镜子(要知道,日常镜子反射率能到95%就不错了)。

如果半人马α星周围的行星上能支持生命的话,他们遵循的物理定律一定和我们相同。因为光能承载的信息远远大于其他感官媒介,视力对于生命应该有巨大的好处。在地球上,视力分别诞生了好多次,95%的动物物种有视力;因此我们可以有把握地猜测,半人马α若有文明,几乎肯定拥有某种形式的视力。

具体的视力范围依赖于恒星的光芒。半人马α的三颗恒星和太阳相比,整体要稍红一些,但是相差还不算特别远,因此他们的视力范围也不会和我们相差太远。

半人马α星A, B和C(也就是比邻星)与太阳的对比。

图片来源:pics-about-space.com


总之我们可以推测,在我们眼中闪闪发亮的光帆,在他们的天文学家眼中也是如此。

这带来了一个严重问题:他们可能无法准确估计这些探测器的大小。

我们是怎么知道天体大小的?几乎所有的时候,遥远天体在望远镜里都是一个光点而已,不可能直接像看日常物体一样看出大小来。早年间测量大小的一个重要手段是看它多亮--越亮的东西,反光面积越大,个头也应该越大。显然这个办法有严重的缺陷:我们不知道它的反光率。但是天然物体的反光率,范围也就那样,误差不会到太过夸张的程度。(当年我们正是因为反光率问题而高估了冥王星的大小。)

但是这对我们的探测器就不适用了。它不是一个传统的小行星,而是一个反光率接近100%的平面。如果半人马α天文学家的观测技术还不够高明,他们很可能会把这个探测器当成一个典型小行星来估算大小。常规的小行星反照率通常在0.05-0.3之间,因此他们会按照亮度认为这是一个直径10米左右的小行星,重量约1000吨(一般假定小行星的密度在2000千克/立方米左右)。

然后,这样的小行星有1000颗,每一颗都在以0.2倍光速飞奔过来……

呵呵。


他们认为会发生什么?


直径10米的小行星,本身倒没有什么了不起。就算是以60km/s的速度(这算很快的小行星了,绕太阳运行的天体最快不能超过72km/s)撞上来,也出不了正经陨石坑,充其量相当于一个通古斯大爆炸。哪怕1000个加在一起,也只是一场区域性的灾难,不会对全球文明产生根本影响。

问题是,现在这些“小行星”不是60km/s,而是60000km/s。速度翻了1000倍,能量就增加了1000000倍。这堆小行星加起来,哪怕不计相对性效应(对0.2c而言,计入不会影响数量级),总能量也可达10^24J,或者相当于10^14吨TNT当量。这能量当然不足以摧毁星球,但是已经和毁灭恐龙的奇克苏鲁伯小行星撞击总能量相当。虽然实际上它们撞到目标行星的概率微乎其微,但毕竟有1000个啊!哪怕是千分之一的奇克苏鲁伯,起码也得造成一轮全球气候大波动。

更加可怕的是这一危机带来的心理震撼。如果眼见世界末日就要来临了,我们会做什么?恐怕不可能还一切如常吧。完全有可能在真正的撞击到来之前,绝望和恐慌就已经彻底摧毁了社会秩序,带来文明范围的巨大衰退了。

搞出什么奇怪的邪教也是完全有可能的……

图片来源:thoughtforyourpenny.com


还有一个更大的潜在威胁,不过这个威胁此处要卖个关子,下一节再说。


实际上会发生什么?


假定他们并没有被绝望摧垮,而是顽强地熬到了小行星来临的那一天,应该会发现是虚惊一场吧!这些探测器其实每个都只有几克而已,砸到地上顶多也就砸坏个花花草草,不会成什么气候吧!

慢着。一个相对性速度运动的宏观物体,在太空中运动还无所谓,和其他物质接触可就有问题了。比如,它如果在大气层中运动,能让前方的空气发生核聚变。

是的你没看错,核聚变。

核聚变的基本原理是让两个轻原子撞成一个重些的原子(但通常不会比铁更重)。地球物理学家致力实现的主要是氢原子聚变,但是除了氢之外还有很多种聚变方式。常见大气层元素不过碳氢氧氮硫,这些通通都有聚变潜力。

正常情况下空气不会聚变(如果会,我们就不用研发聚变反应堆了……因为我们都死了),因为原子核带正电,互相排斥。为了让原子聚变,我们需要用原子弹、磁场或者激光把它们硬压进一个小区域,逼它们接触。但是现在我们有了一个0.2c的飞行器,这些都不成问题--它飞得如此之快,前方的气体以日常每秒几百米几千米的速度简直就是静止的。它们根本来不及逃开,被硬生生压在了一起,强行发生核聚变。在这个场景下,流体力学根本就无关紧要了。



xkcd的作者Randall Monroe其实在子系列What if中描述过类似的场景:以0.9c投掷棒球会发生什么?结果就如图啦(我认为网球王子的作者应该看看这一篇——编辑)。

图片来源:songshuhui.net


这些核聚变会产生多大的能量?几乎不可能计算,本来建模就够难了,何况我们也不知道目标星球表面的大气层状况。但是有一点可以肯定,这会产生数量巨大的伽马射线,它们会打击周围的空气令其电离,从而一边扩散产生更多辐射、一边形成一个不断扩张的等离子球。

聚变的力量也会对探测器产生反向推力,但这种力量在0.2c面前不值一提。不过它们会剥蚀探测器的表面,炸出许多微小碎屑,这些碎屑以0.2c的速度继续前进,并引发更多的聚变。

很难计算探测器抵达地表时是什么样的(如果大气层的厚度是100km,它抵达地表只需要1毫秒)。也许它早就分崩离析了,但这无关紧要,反正是一坨碎屑裹挟着一个大号等离子球撞到了地上。由于总质量太低,我们可能见不到很大的坑,但是过程中的伽马射线和X射线可不是闹着玩的。有可能周围几公里甚至几十公里的生物都被伽马射线扫平了。

换句话说,和挨了一个中子弹没有太大的区别。

哪怕只有一个落到了目标星球上,也是令全球震惊的暴行,而他们已经知道有一千个这样的武器奔着他们过来。这种致命外交事故会对两球关系产生怎样的影响?简直无法想象。

而说到底,发射这样的航天器并没有什么不可逾越的技术鸿沟。如果他们奋起发展科学技术,决定实施报复性打击的话……那霍金,你可就把我们全都毁了。

作者:Ent 

编辑:Stellasun

排版:红色皇后

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