用激光捕捉太空中的塵埃顆粒，讓它們按照一定的幾何形狀排列后，一架不可思議的太空望遠鏡就制作成功了。它的鏡面有一個(gè)足球場(chǎng)那么大，重量卻僅及一個(gè)饅頭。
當事情涉及空間望遠鏡，有一句話(huà)總不會(huì )錯的，那就是“大就是王道”。今天幾乎所有的太空望遠鏡，譬如像著(zhù)名的哈勃空間望遠鏡，都是用一個(gè)巨大的凹面鏡來(lái)收集星光的。鏡面愈大，能收集到的光線(xiàn)就愈多，圖像就越清晰。當需要觀(guān)測非常遙遠的星系時(shí)，大尤其是硬道理。但大是有代價(jià)的，越大越重的鏡面，不論加工還是發(fā)射起來(lái)，費用都更加高昂。所以科學(xué)家們一直在尋找辦法，試圖既能把鏡面做得更大，但又不至于太重。
用激光搭建太空望遠鏡的設想
1970年，美國貝爾實(shí)驗室的一位科學(xué)家意識到，用激光束能把微小的顆粒物移動(dòng)或固定到一個(gè)位置上。其原理是：一束光被物體反射后，對物體會(huì )有一個(gè)反向的作用力——當然，這個(gè)作用力通常是非常微小的，對于一個(gè)宏觀(guān)的物體，幾乎不會(huì )產(chǎn)生什么影響。但如果用功率很強的激光照射一個(gè)微小的顆粒物，其作用就不可小覷了。這樣，用激光就能把顆粒物推到任何一個(gè)位置上去。
自那以后，科學(xué)家陸續實(shí)現了用激光來(lái)捕捉和固定原子、分子和其他的一些小顆粒物。例如，今天的生物學(xué)家能夠用一種所謂的“光鑷子”來(lái)操縱病毒和細菌。美國華人物理學(xué)家朱棣文就因在發(fā)展“光鑷子”方面的杰出貢獻，被授予1997年的諾貝爾獎。
接著(zhù)，在1979年，一位法國天文學(xué)家又提出，激光還可以用來(lái)捕捉太空中的塵埃顆粒，讓它們按照一定的幾何形狀排列后，可當作望遠鏡的反射鏡面使。在太空中，因為這些塵埃都處于失重狀態(tài)，所受的合力基本為零，所以一旦把它們推到某個(gè)位置，就基本保持不動(dòng)。就算有時(shí)某些顆粒物偏離了位置，我們也還可以通過(guò)定期檢查，用激光把它們一個(gè)個(gè)推回去。
這樣制造出來(lái)的太空望遠鏡，鏡面面積可以很大，但重量卻非常之輕。例如，一個(gè)直徑35米的反射鏡面，質(zhì)量只有100克，差不多只有一個(gè)饅頭那么重。你自己不妨比較一下，哈勃望遠鏡的鏡面直徑只有2.4米，質(zhì)量卻達828千克；2018年美國宇航局計劃發(fā)射的韋伯空間望遠鏡，鏡面直徑6.5米，質(zhì)量也有700千克。
此外，這種新型的太空望遠鏡若不小心被飛來(lái)的隕星撞破，只要用激光把被沖散的塵埃擺放回原先的位置即可修復。
松散的“鏡面”為何可以反射星光？
你或許要問(wèn)：這樣一個(gè)松散的結構怎么可以反射星光呢？對了，需要事先聲明的是，天文學(xué)上所謂的“星光”，并非一定就是波長(cháng)只有幾百納米的可見(jiàn)光，也可以是波長(cháng)在微米量級的紅外光，以及毫米波、厘米波，甚至是波長(cháng)在1米以上的射電波。
我們通常都用一塊鍍了金屬的鏡子來(lái)反射光線(xiàn)。你要是細究起來(lái)，未免會(huì )感到奇怪：金屬是由原子組成的，而原子又是由原子核和核外電子組成的。而我們知道，原子核只占原子體積的萬(wàn)分之一，電子的體積則更小。換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)原子里面絕大多數地方是空的。更不用說(shuō)，原子跟原子之間又有很多空隙。如此一來(lái)，一張金屬的表面，其實(shí)還是虛空的地方占多數，那么請問(wèn)，光照到金屬上，為何不會(huì )從這些空的地方透過(guò)去，反倒被反射回來(lái)？
這其實(shí)涉及到光的波粒二象性。量子力學(xué)告訴我們，光既是波，又是粒子，即光子。反射發(fā)生的條件是：只要組成表面的各個(gè)原子之間的距離比入射光的波長(cháng)短，就能發(fā)生反射。要理解這一點(diǎn)，我們不妨把光子想像成一個(gè)皮球，波長(cháng)就是其半徑，再把金屬表面想像成一張網(wǎng)。那么，道理是顯然的：只要網(wǎng)孔的尺寸比皮球小，哪怕這張網(wǎng)上到處是孔，也能把皮球反彈回去。
推而廣之，要反射紅外光，組成反射面的各個(gè)微粒之間的距離，在微米量級即可……要反射射電波，微粒之間的距離甚至可以在1米以上。每個(gè)微粒彼此相距1米以上，那當然是夠松散的。
這個(gè)松散的“鏡面”，要是用來(lái)反射可見(jiàn)光，當然是無(wú)能為力的。但幸好，從遙遠星系傳來(lái)的“星光”，其波長(cháng)都比較長(cháng)，大多在紅外到射電波段。為什么波長(cháng)這么長(cháng)？原因是宇宙在膨脹。這些“星光”當初出發(fā)時(shí)，本來(lái)都是波長(cháng)很短的可見(jiàn)光，但因為宇宙在膨脹，結果波長(cháng)都被拉長(cháng)了。
所以，用這樣一個(gè)松散的“鏡面”，依然可以反射來(lái)自遙遠星系的“星光”，你該不會(huì )再奇怪了吧？
實(shí)現夢(mèng)想從擺弄水中的小球開(kāi)始
一位瑞士科學(xué)家一直在試驗如何把這個(gè)夢(mèng)想變?yōu)楝F實(shí)。最近，他終于在一項實(shí)驗中取得了一些進(jìn)展。
實(shí)驗是這樣：在一個(gè)水箱中，投入一些密度與水相當的塑料微小球。小球直徑3微米，差不多只有一粒細菌那般大。因為浮力和重力抵消，這些小球懸浮在水里——當然肉眼是不可見(jiàn)的——靜止不動(dòng)。然后，他用一束高功率的激光從水箱底下照射它們。在激光的推動(dòng)下，大約有150粒小球被推到了水面。它們被推擠到一起，排列成一個(gè)平面。為了測試其反射效果，他用一束普通的光照射一把刻有數字“8”的透明尺子。當這束光透過(guò)“8”字，經(jīng)塑料小球組成的平面反射后，他的確看到了“8”字的像——盡管有些模糊，但還是不難辨認。這說(shuō)明，這個(gè)人造的鏡面，其反射效果還是可以的。
原則上，這樣的望遠鏡你想鏡面多大，就能做得多大，沒(méi)有任何限制。因為原材料都是現成的，不需要人工發(fā)射上去。當然了，這項工作才剛剛起步，前面的困難還有不少。比如，這項工作需要功率很大的激光，目前地球上最大功率的激光都嫌不夠。此外，激光持續照射在塵埃顆粒上，總有一部分會(huì )被塵埃吸收，在太空中散熱又不易，那么熱量積累導致塵埃氣化了怎么辦？這些問(wèn)題都亟待解決。但要是真有一天能在太空中建起一架擁有巨大反射鏡面的望遠鏡，那將為我們了解宇宙提供多大的便利??！
聯(lián)系客服
