 《三思科学》电子杂志
2005年第2期
2005年2月15日
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太阳帆船
 萧楠
1899年某日，俄罗斯帝国，在一台奇怪的机器旁边有一个人紧张地忙碌，只见他拉下电闸，一束电弧光闪过，机器另一端罩内的小金属片奇怪地转了起来，“成功了！”这人一脸的兴奋。
这个人名叫彼得·尼古拉耶维奇·列别捷夫(Peter Nikolaievich Lebedev，П.Н.Лебедев，l866-1911)，他所做的是一个划时代的实验，他证明了光的确能产生压力。
关于光有压力的探索最早可以追溯到17世纪，1619年开普勒猜测彗星的尾巴之所以背向太阳，是因为存在一种太阳风将其吹开，现在知道导致彗尾背向太阳的原因主要是阳光的压力，所以开普勒的猜想可以作为第一个牵涉到光压领域的论述。后来牛顿主张的光微粒说则很自然地引进了光压的概念，但不久光波的概念就开始普及，光压也就失去了生存的空间。即使如此，仍旧有众多实验物理学家试图以实验证明光具有压力。例如1873年威廉·克鲁克斯(William Crookes)就设计了辐射计。
辐射计 | |
上图就是辐射计，在一个半真空的容器内有这样的四片金属叶片，它们都是一面涂黑，另外一面是涂白，然后放置于针尖上。用光源照射它就会使它们开始旋转，克鲁克斯由此认为发现了光压。但实际上，这是空气分子的压力导致，由于容器内没有抽空，所以黑色部分吸收热量导致的温度增高会加热这面的空气分子，使之热运动加快，对于叶片的压力大；而白色部分吸收热量少温度低，这面的空气分子热运动慢，压力就小，其综合效果就是叶片开始旋转。
真正证实光压存在的实验就是本文开始时列别捷夫所做的实验，下图是他的实验工具：
别捷列夫的实验 | |
细金属片R放置于真空的容器G中，B点产生电弧光然后通过透镜组C、D、K、W到达反射镜组，最后经过一系列反射照射到真空中的细金属片R。通过挪动S1反射镜的位置可以让光从右侧入射，或者从左侧入射照到细金属片R的背面。P1可以转送部分光线到热电偶T，从而测量能量的大小。
列别捷夫的实验结果和分析发表在1901年出版的论文《光压的实验研究》(Experimental Research on Light Pressure)上，1900年美国的E. F. Nichols和G. F. Hull也通过实验得到了同样的结论。他们的光压实验宣布了光波动说的完结，成为光量子学说的基础。
光压有什么实际的用途吗？它能不能用来，比如说，推动一辆汽车？或者一艘船？这看来不太现实。但科幻小说作家的眼光往往投射在时代的前方，1965年，著名硬科幻作家阿瑟·克拉克(Arthur C.Clarke)，写出了名作《太阳帆船》(Sunjammer)，设想以大面积的轻质量材料制成巨帆，在真空的太空中利用太阳的光压和太阳风来航行。
太阳的结构 | |
什么是太阳风？原来，从太阳发射出来的，不仅仅有光，还有从太阳日冕层中发出的强大的高速运动的带电粒子流。太阳由核球层、辐射层、对流层、光球层、色球层和日冕层共同组成，日冕层是太阳大气的最外层，由稀薄的等离子体组成，粒子密度为每立方厘米1,000万至10,000万个，温度约为15,000摄氏度。由于太阳温度极高，引起日冕连续不断地向外膨胀，驱使这些由电子、质子和氦核等组成的等离子体不停地向行星际空间运动。这些带电粒子运动的速度主要在每秒200-800公里之间，最高每秒达1,000公里。尽管太阳的引力比地球的引力要大得多，但这样高速的粒子流仍有一部分要冲脱太阳的引力，像阵阵狂风那样不停地“吹”向行星际空间，所以被人们形象地称之为“太阳风”。
由于地球磁场和大气层的保护，地面上的人类无法感受到太阳风，只有极光能间接显示着这种“风”的存在。太阳风是1958年由人造地球卫星测得，并由美国科学家帕克取了这个形象的名字。1962年，“水手2号”飞船获得的资料进一步证实了太阳风的存在。
克拉克利用光压和太阳风作动力制造太阳帆船的概念很快引起美国宇航局的注意，这种太阳帆船有着明显的优点，它不需要动力装置，也不需要能源，而且可以长时间加速。美国宇航局因此开始研究，但限于当时的条件，并没有能力取得具体的成果，因为这种太阳帆的帆体必须非常质量轻，延展性好，而且必须结实，能耐受太空里无处不有的流星，还要能承受太空中的温度。1976年，美国的科学家就提出过大规模建造太阳帆的设想，他们建议建造一艘太空船，为它装上太阳帆，并让它去探测1986年回归的哈雷彗星。但是，美国太空总署却没有批准这个项目，没有进行太阳帆的研制工作。
虽然正规的航天机构长期不愿意从事太阳帆的研制工作，但是一些民间机构却对它情有独钟，因为对它的研发不需要花费太多的资金。在美国，有一个宇宙工作室，这个组织的创办人是一位女性，提起她，可能知道的人不多，但提起著名的科普作家卡尔·萨根，则人人知晓，她就是萨根的妻子安·德鲁彦。当宇宙工作室听说美国行星学会有意要研制太阳帆的时候，两家一拍即合，宇宙工作室愿意投资400万美元，帮助行星学会开展有关太阳帆的研制工作。行星学会拥有十多万名付费会员，但却是一个非盈利的组织，它们致力于太空探索。
这项计划还得到了另一个组织的支持，这个组织是俄罗斯巴巴金科学研究中心，他们负责建造一艘太空船，太阳帆就装在这艘太空船上，而且他们还要承担发射任务。对于巴巴金科学研究中心来说，这是一笔好买卖，因为他们需要为俄罗斯退役的军用火箭寻找出路。
按照最初的设想，这个利用太阳帆的飞船名字叫做“宇宙一号”，重量为40千克，它装有8块三角形的超薄聚酯薄膜板。进入轨道后，它将会展开8块膜板，来自太阳的光压和太阳风会将它推到一个更高的轨道。阳光和太阳风对它施加的压力将很微，相当于苹果在手掌上的压力的五百万分之一。然而，这种“轻于鸿毛”的力量已足以令飞船移动。重100公斤的“宇宙一号”会以每秒百万分之一米加速，而且只要有阳光便会不断加速。1日后，速度将会增加每小时100米。100日后，速度能达每小时1万米。“
宇宙一号 | |
不幸的是，该项计划在实施的过程中遇到了重重困难。2001年4月，它在地面试验过程中，一些线路短路造成该飞船的一些元器件和电缆受到损害，亚轨道飞行的时间一推再推。2001年7月20日，“宇宙一号”从一艘俄罗斯的核潜艇上发射升空，虽然它进入了太空，却是一次失败的试验，后来没有找到返回舱，至于太阳帆是否在太空中被打开，也就无从知晓。“宇宙一号”的太阳帆实验因此遭到重创，被迫停止下来。
2004年8月9日日本在鹿儿岛(Kagoshima)用火箭发射太阳帆 | |
就在备受关注的“宇宙一号”沉默的时候，却传来日本人研制太阳帆的消息。日本人制造太阳帆的材料是聚酰亚胺树脂，厚度只有0.0075毫米，具有耐热和抗辐射性。2004年8月9日，日本人研制的太阳帆升空了，实验中，火箭旋转上升到超过150公里的高度后，打开了由4片树脂薄膜组成的三叶草形的帆；在飞到最高高度170公里时，帆与火箭分离。而后，火箭又打开由六片扇形树脂薄膜组成的帆。大约在火箭升空6分40秒后，两个树脂薄膜帆都坠落在内之浦东面海面。
这个太阳帆成功地在太空中打开了它的伞架，但是，它却是一个无骨架的太阳帆，更为勉强的是，它根本就没有机会来检验太阳光子能不能驱动它前进。不过，这一系列的活动终于促使美国宇航局开始推动太阳帆的计划(Solar Sail)。
真空室里的太阳帆 | |
现在，在俄亥俄州Sandusky的一个美国宇航局研究中心中，四片组合在一起的太阳帆正静静地安放在一个直径100英尺的真空室内。而在今年(2004)7月初的一次实验中，太空推进实验室以及制造太阳帆的加州L'Garde公司的研究设计人员成功地展开了太阳帆系统，并测试帆体在华氏零下112度(也就是太空的温度)时的效果。
三角形帆 | |
而此前，太空推进实验室同另一个太阳帆制造者加州Able Engineering在弗吉尼亚州展开过一个单片的三角形帆，并使用兰利设备(Langley：单位面积上太阳辐射的能通量单位)进行了测试，以及试验帆体材料在受力、承重、拉伸时的效果。这个10米长的帆正安置在一个直径50英尺的真空室中。
这些太阳帆的厚度比一张信纸要薄40-100倍，尽管面积很大，但重量非常轻，这样，帆上受到的光压和太阳风压力会给它足够的动力，通过调整帆的角度还可以调整航向。对于传统飞船来说，燃料始终要占相当大的载重，进入太空后往往就没有足够的燃料，只能依靠行星的引力和惯性来航行，而太阳帆船不需要任何燃料和发动机，阳光和太阳风可以给它提供永久的动力，对于那些航往太阳系外的飞船来说，这种长期的动力可以在数年中持续给它加速，一直达到传统飞船无法企及的高速。
太阳帆船 | |
此外，如果有合适的帆和适当的船体质量，甚至可以让太阳帆船悬浮在太空中的某一点。比如，让它漂浮在极地上空，这样，若有人处于地球通讯死角时，就可提供宝贵的通讯联结。而普通的卫星根本无法做到这点，它们必须沿轨道绕地球旋转。
除了材料外，太阳帆在太空中应用的一个重要难点是展开系统，美国宇航局使用的帆桁系统可以在太空环境中展平并变硬，从而成为这些薄而反光的太阳帆的支撑架。太空推进实验室的人员还设计了一个存放装置，只有一件衣服那么大，太阳帆在太空展开前就放在这里由飞船带上天。此外，还有内置的展开系统。太空推进实验室人员还试验了一种可重卷的石墨帆桁系统，能够通过远程遥控来展开或者收起太阳帆。
2005年5月，太空推进实验室的人员还要进一步实验，尝试65英尺长的太阳帆。民间新的“宇宙一号”也在计划重新上天，在民间组织的追赶下，美国宇航局的太阳帆计划终于开始稳步前进。
太阳帆船 | |
不久前，民间的飞船已经上天，也许再过十几年，人们就可以乘坐民间的飞船来到太空，然后如克拉克所描写的那样驾驶太阳帆船进行比赛。而同时，更大的太阳帆船正携带着人类的探测器向太阳系以外的空间进发并利用其它恒星的光和恒星风在星海中航行。
附注：亚瑟·克拉克《太阳帆船》中译本的电子版是删节版，其中更多地提到太阳风，而删去了光压的概念。我记得小的时候看过《太阳帆船》的真正未删节翻译版，结尾写道：
“默顿看着喷着尾气向他飞来的救援飞船，和“狄安娜”号比起来，那些飞船显得如此快速而灵活，但默顿知道，它们有限的燃料很快就可以消耗光，而“狄安娜”号将永远飞行下去，总有一天她将达到那些飞船永远无法企及的高速。”
这个原版的结尾是我在80年代看的，现在根据记忆写出其大致意思。这个被删节版删除的解说，正道出了太阳帆船的特性——长久和最终的高速。
星际旅行的发动机·五、光帆
亚瑟·克拉克《太阳帆船》
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