乘着光束

1950年代，格雷戈里·本福德和詹姆斯·本福德这对双胞胎兄弟在阿拉巴马州长大，当时他们都阅读了罗伯特·海因莱因1956年的小说《星际之船》（Time for the Stars）。小说讲述了汤姆和帕特·巴特莱特——一对参与人类首次星际太空任务的双胞胎少年的故事。这个故事给本福德兄弟留下了深刻的印象，他们分享了巴特莱特兄弟对太空的向往，同时也被科幻世界深深吸引。

还在青少年时期，本福德兄弟就出版了29期粉丝杂志《虚空》（Void）。詹姆斯后来卖出了一些科幻故事，而格雷戈里则出版了200多个短篇故事，并写了31部小说，期间获得了两个星云奖。

但兄弟俩的主要追求是科学。格雷戈里是加州大学欧文分校的物理学名誉教授。詹姆斯也是一名物理学家，他经营着自己的公司，为NASA、喷气推进实验室（JPL）、洛克希德和波音等客户设计大功率微波系统。

尽管本福德双胞胎选择了不同的职业道路，但他们有一个共同的梦想：人类的星际旅行，他们将这一探索比作对美国西部的开拓。2013年，兄弟俩举办了“星舰世纪研讨会”（Starship Century Symposium），汇集了科学家和科幻作家，旨在在100年内推进人类星际探险的前景。

本福德兄弟对此类旅行的理由是现代版的“昭昭天命”：“因为我们是那些选择越过下一座山丘的灵长类动物的后代，”他们说。“因为我们不可能永远在这里生存。因为星星就在那里，召唤着新的地平线。”

振奋人心的光

但是，我们如何才能到达那些地平线呢？高速核火箭，常被引用的下一代首选飞行器，在技术上还远未成熟。化学火箭，自二战以来一直是标准配置，速度太慢；我们发射过的最快的火箭需要74000年才能到达离我们最近的恒星邻居——半人马座阿尔法星。更早到达那里需要更多的燃料，但潜在的收益有限：燃料载荷增加一百倍，最多只能使速度提升五倍。

相反，物理学对“帆船”似乎最为有利。这是物理学家兼科幻作家罗伯特·L·福沃德（Robert L. Forward）在1962年首次提出的，随后由本福德兄弟开发和测试。这些航天器由巨大的帆定义。这些飞船在精神上类似于格雷戈里和詹姆斯年轻时在阿拉巴马州墨西哥湾沿岸驾驶过的帆船，但它们不是利用风，而是利用光的力量。

帆船是太阳帆的概念后代，太阳帆是巨大的风筝，完全由阳光驱动，就像日本拥有46英尺宽的太阳帆“IKAROS”一样，它在2010年12月飞越了金星。不幸的是，仅靠阳光的推力相当微弱：IKAROS花了将近七个月才到达离我们最近的行星邻居。但是，持续集中的电磁辐射——无论是微波还是激光——将为航天器增加数量级的动量。

“光束会持续照射帆数小时，在此期间加速会持续，速度会增长到星际速度，”詹姆斯说。“十小时就能让你获得非常快的速度，大约是光速的10%。”

虽然福沃德的虚构帆船使用的是激光，但本福德兄弟更喜欢使用更便宜的微波来为他们的帆船提供动力。微波发生器，或称“发射器”，最初将建在地球上，但最终可以安装在将太阳能转化为微波的卫星上。

格雷戈里将发射器视为一项重大的基础设施投资，类似于铺设铁路轨道。有了发射器，帆船就可以在太空中组装并从那里出发，执行各种任务，朝几乎任何方向前进，就像今天横跨大陆的火车一样。

不仅仅是科幻

直到2000年，随着足够先进的太空时代材料的出现——以及NASA的财政支持——这一愿景才变得不再是假设。当时，詹姆斯和格雷戈里领导的项目开始在JPL和加州大学欧文分校测试这些想法。他们是第一个证明微波束实际上可以驱动一个真实结构——一个直径约1.4英寸的微型帆，由比人类头发细10倍的轻质碳纤维组成。

尽管第一个帆船项目规模不大，但本福德兄弟却有了一个惊人的发现：帆的加速度远超预期，因为碳纤维中捕获的一氧化碳迅速蒸发，提供了更大的推力，使得这个微小的物体变成了虚拟的火箭。“帆以4G的速度飞出，完全撞到了[天花板]，”格雷戈里说。这个意想不到的效果可以通过制造带有特殊涂层或嵌入材料的帆来利用。

格雷戈里说，作为额外的奖励，“在吹掉这些物质后，帆会变得更轻。”帆越轻，给定力下的加速度就越大。实验帆的放大版本每平方公里将重约5吨。但詹姆斯认为，石墨烯，一种仅单原子厚的超薄碳，最终可能会用于重仅500磅/平方公里（约250公斤/平方公里）的轻薄帆上。

在其他实验中，研究人员发现，微波束可以提供一种恢复力，使帆保持稳定并使其保持张开状态，前提是帆具有正确的形状。之前的太阳帆是平的，设计成这样是为了捕捉更多的阳光，但很难让它们与阳光保持对齐。光束驱动的帆船应该是凹形的——形似雨伞——以使其与光束对齐，这样当光波撞击帆时，它们自然会倾向于将其集中在光束上。

“接下来需要做的是在太空中进行真正的帆实验，”格雷戈里说。他和詹姆斯几乎在2005年6月获得了这个机会，当时一颗俄罗斯的Volna火箭计划将“Cosmos 1”——一个6415平方英尺的太阳帆——发射到太空。不幸的是，火箭在起飞83秒后发生故障，“Cosmos 1”从未进入轨道。

行星协会（The Planetary Society）在其LightSail设计方面取得了一些成功，但本福德兄弟的计划目前被搁置了。因此，詹姆斯决定评估光束推进的经济可行性，以“给这个想法一些数字”。他2013年的研究得出结论，建造一个能够将探测器送出太阳系的发射器将花费约300亿美元，但一旦建成，该系统可以廉价运行。经过四个半小时的加速，帆船可以在一年内到达冥王星，成本约为4000万美元。相比之下，“新视野号”探测器花了近九年半才到达冥王星，耗资约7亿美元。

解码光束

本福德的分析使哈佛-史密森天体物理中心的詹姆斯·吉洛雄（James Guillochon）和阿维·勒布（Avi Loeb）相信，帆船可能是太阳系内外太空旅行最实用的方式。他们还将这个想法应用于另一个科幻经典：外星人。

“似乎是合理的，”吉洛雄和勒布在2015年写道，“星系中其他地方的智能生命可能会采用类似的技术来促进宜居世界之间的快速往返。”

事实上，吉洛雄和勒布的计算表明，来自地球发射器的信号泄漏将比同一频率下太阳的无线电输出亮一百万倍。他们说，寻找这类信号围绕其他行星系统，“可以定义一个在寻找地外智慧（SETI）方面的新策略。”

SETI研究所天文学家塞思·肖斯塔克（Seth Shostak）表示：“我认为这并不疯狂，他认为这个想法‘很聪明’。詹姆斯·本福德也觉得SETI的论点很有趣，他提出了一个额外的观点：考虑到他们的发射器的泄漏在星系的其余部分是可见的，先进的外星人可能会故意在光束中插入一条信息。

如果我们建造了自己的光束驱动帆船的设备，或许我们也会在光束中放入一条信息——本福德补充说，前提是“人类就想说什么达成一致”。也许这对双胞胎作家在这方面也能提供帮助。