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上世紀(jì)60年代以前，人們想要建立遠(yuǎn)距離的通訊，只有兩個辦法：要么通過海底的電纜傳輸，要么通過電離層反彈無線電信號。 然而，這兩種通訊手段都有許多缺點(diǎn)，海底電纜很可能因?yàn)楦鞣N原因被截斷，而電離層的通訊對于自由電子的密度和無線電波的波長都有很高的要求，只有特定的波長遇到特定的電子密度后才能在地面和電離層間來回反彈，從而達(dá)到遠(yuǎn)距離傳播的效果。
但是，電離層的電子密度取決于它吸收的太陽和宇宙中其它輻射源的輻射劑量，如果是夜間少了太陽的輻射，基本就無法建立通訊了，或者十分不穩(wěn)定。 對于二戰(zhàn)剛剛結(jié)束沒多久的世界來說，各國的局勢都不明朗，特別是美國和蘇聯(lián)當(dāng)時處在緊張的冷戰(zhàn)中，這種不穩(wěn)定的通訊技術(shù)明顯不夠用。 所以，當(dāng)時的科學(xué)家絞盡腦汁，希望建立全新的通訊系統(tǒng)，其中就包括美國科學(xué)家向太空發(fā)射了超過4.8億根銅針。
圖注：當(dāng)時銅針的紀(jì)念郵票 那么，這些銅針為什么能夠幫助建立通訊呢？現(xiàn)在這些銅針怎么樣了呢？ 西福特計劃：銅針的作用 美國向太空發(fā)射銅針的項目被稱作“西福特計劃”，是1958年由麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家沃爾特·E·莫羅(Walter E. Morrow)所提出。
其目的就是用數(shù)億根細(xì)微的銅針在地球上空建立一個環(huán)繞地球的“銅針環(huán)”，這個環(huán)可以永久性地反射無線電信號，而不受限于太陽和其它干擾，完美地代替原有的電離層方案。 1961年10月21日，他們開始了第一次測試，超過一億根銅針被發(fā)射，但不幸的是，由于針銅在軌道上沒有按計劃分散開來，所以這次測試失敗了。 1963年5月9日，吸取教訓(xùn)之后，美國進(jìn)行了第二次嘗試，一批3.5億根銅針再次被送入軌道。
銅針的分配器，圖源：GeneralNotabilit 這次他們將這些銅針緊密地擠在由萘凝膠制成的裝置中，整包針頭僅20公斤重，然后跟隨衛(wèi)星一起發(fā)送到地球軌道，萘凝膠會在太空中迅速蒸發(fā)，并釋放銅針。 按照原計劃，3.5億根銅針會在2個月的時間內(nèi)逐漸在地球軌道上釋放，然后形成一個環(huán)繞地球的環(huán)（如果成功的話地球會和土星一樣擁有一個光環(huán)）。 最終，這個光環(huán)的寬度會達(dá)到15公里，厚30公里，在3700公里的高度沿著穿過南極和北極的軌道環(huán)繞地球運(yùn)行。 西福特計劃的銅針長1.8厘米，直徑0.0018厘米，重量僅為 40 微克，這個正好是8000 MHz微波波長的一半。
當(dāng)這個波長的微波撞擊銅針時，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，實(shí)際上這時候的銅針就是充當(dāng)微小的偶極天線，每個天線都在各個方向重復(fù)它們接收到的完全相同的信號。 5月14日，也就是發(fā)射的5天后，科學(xué)家首次嘗試使用西福特銅針進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。 這時候，偶極天線（銅針）還沒有完全散開以填滿它們的整個軌道環(huán)，所以它們彼此的間距還比較密集。
當(dāng)天，西福特計劃的工程師在加利福尼亞州和馬薩諸塞州同時使用18.5米的微波碟形天線發(fā)送語音傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸速率大約是每秒 20000 比特——和1992年電話調(diào)制解調(diào)器的速度差不多。 然而，讓工程師感到意外的是，隨著銅針的分散，數(shù)據(jù)傳輸速率顯著下降，到了6月18日，每秒只能傳輸 400 比特了。 而這個時候的銅針還沒有完全填滿它的環(huán)，它還在繼續(xù)擴(kuò)散，到了7月2日，它的傳輸速率已經(jīng)沒法建立通訊了，所以項目終止。
事實(shí)上，這個項目在現(xiàn)在看來是很難成功的，因?yàn)殂~針被做得非常微小，它會因?yàn)楦鞣N原因而彼此遠(yuǎn)離并失去功能。 但那時候的人就是這么敢想和敢做，而且還嘗試了兩次。 銅針污染地球軌道 西福特計劃前后兩次總共向地球軌道發(fā)送了超過4.8億枚銅針，不知道你聽到這樣的事情第一時間會想到什么，反正我想到的是難以處理的天空垃圾。
雖然，西福特計劃在技術(shù)上取得過成功——至少有過短暫的成功，但其實(shí)從這個項目從被提出來那一刻起，它就受到了社會各界的強(qiáng)烈反對。 當(dāng)然，那時候人類剛剛發(fā)送了人造衛(wèi)星，太空中的人造產(chǎn)物屈指可數(shù)，還沒有太空垃圾的概念，當(dāng)時的天文學(xué)家主要擔(dān)心的是這些密集的銅針會影響到天文觀測。 不過，那時候的美國并沒有因?yàn)閯e人的強(qiáng)烈反對而放棄這個注定失敗的項目，原因也很簡單，代表人類未來的太空探索對他們來說明顯可有可無，而當(dāng)下來自別的國家可能的威脅，他們認(rèn)為才是最需要解決的。
美國聲稱那些銅針經(jīng)過了精心設(shè)計，可以在發(fā)射后的幾年內(nèi)返回地球，同時那些銅針很小且距離也很遠(yuǎn)不會影響到天文觀測，以此為由不顧任何反對的聲音發(fā)射了銅針。 事實(shí)上，只要稍微理智一點(diǎn)的人都應(yīng)該知道，一個功能齊全、足以進(jìn)行可靠通信的“銅針環(huán)”，它的密度會小嗎？會讓它幾年時間就返回地球嗎？ 所以，感謝這個項目失敗了，不然地球軌道上會布滿銅針。
不過，好在這些只是進(jìn)行測試的銅針確實(shí)在1970年左右，大批量重新進(jìn)入地球大氣層，由于它們太小了，在重新進(jìn)入時基本毫發(fā)無損，慢慢地飄落到地球表面。 現(xiàn)在這個項目已經(jīng)很少有人關(guān)注了，唯一能查到的數(shù)據(jù)是，截至 2020 年 3 月，已知仍有 36根針在軌道上運(yùn)行。 這些還在軌道上的已知銅針都會被標(biāo)記，在它即將影響到航天器時就會被處理，避免造成損失。 然而，沒人知道還有多少銅針未被觀察到，這些太空垃圾雖然微小，但對于太空事業(yè)來說，它們的威脅一點(diǎn)也不小。
最后 據(jù)信，70年代有研究表明，大部分銅針落到了北極高地，大約達(dá)到每平方公里有五根銅針左右。 當(dāng)時的美國試圖找到這些銅針，因?yàn)檫@樣可以幫助他們了解太空環(huán)境，而他們還試圖恢復(fù)項目。 然而，要在數(shù)十億噸北極冰雪中找到這種微小的銅針，無異于大海撈針，也就不得不放棄了。
其實(shí)，到了70年代這樣的項目已經(jīng)完全沒有必要了，因?yàn)閹缀鹾瓦@個項目同一時期，通訊衛(wèi)星出現(xiàn)了。 或許，“銅針環(huán)”會比通訊衛(wèi)星更加抗打吧！ |
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