Beyond Star Trek - 03.勇敢地出航….如果錢夠的話

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03.勇敢地出航….如果錢夠的話

作者: L. M. Krauss　譯者：KoShiyen

　　太空很大。真的很大。你就是無法想像它有多麼巨大、龐大、夭壽大。我的意思是，你可能以為從你家到藥局很遠，但跟太空相比根本微不足道。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 - 道格拉斯．亞當斯，銀河搭便車指南

　　我最近待在日內瓦 [Geneva]，突然想到有個名人盧梭 [Jean-Jacques Rousseau]也曾住過這裡。他說： "人生而自由，卻無處不受牽連。" [Man is born free,and he is everywhere in chains.] 自人類踏足地球以外的物體已歷 20 年，但可見的未來中卻沒有任何再登陸月球的計劃。最近一項關於火星隕石的研究，有新的證據顯示外星生命的可能性，更吸引我們往火星邁進。NASA 的伽利略號太空船 [Galileo]傳回的影像更顯示木衛歐羅巴 [Europa] 的凍原之下埋藏著有機的泥漿，甚至可能有海洋 - 生命誕生的搖籃。然而人類航向紅色行星或木星衛星的可能性似乎都還太遙遠。這是 21 世紀的門檻，我們仍舊受到地球的限制。對那些渴望脫離地球限制的人，我們所處的環境真可說是悲劇。

　　大螢幕或小螢幕上每天不斷轟炸我們的影像顯示，只要有了核融合引擎、曲速引擎、超空間引擎、蟲洞、反重力，或是想像力豐富的編劇編出來的任何其他東西，星際旅行就會變得輕鬆又舒適，而實際上被侷限在地球的人類正好是個明顯的對比。那麼，問題到底出在哪裡？ 我們到底要怎樣才能任意遨遊？呃，最基本的問題 (即使排除物理上可不可能的考量) 在於經費問題。雖然比起來像步行，但即使只是來回火星，限制我們發射載人太空船的因素，在於我們無法籌措足夠的經費，以建造一架能承載所需燃料及太空人的長程太空船，更別提要到半人馬座α星 [Alpha Centauri] 了(離我們最近的星系，距離約 4 光年)。

　　在真實生活，以及部分科幻小說中，金錢決定了 (即使在物理上) 什麼可能發生，以及什麼真正發生。別忘了就是因為錢 (或者該說因為沒有錢)，才導致金．羅登貝利 [Gene Roddenberry] 發明了光波輸送，讓企業號的船員可以 "傳送" [beam down]到星球上，因為他沒有經費替每一集拍攝太空梭登陸的畫面。結果，一直到 30 年後，在確信能大賣的第七部電影以及第三部衍生影集中，派拉蒙 [Paramount] 才終於讓我們看到企業號墜毀在行星上的場面，以及凱薩琳˙珍葳 [Kathryn Janeway] 艦長的航海家號，更平穩地在更多集中著陸。沒有任何東西能像金錢一樣地啟發編劇的想像力。看看新一代超人 [Superman] 電影的編劇凱文˙史密斯 [Kevin Smith] 在1998 年說的話： "預算很大。天啊，真的有夠大！" [The budget is big. God almighty, it is big！] 當考慮到真正的太空航行，金錢所代表的不只是製作費 (至少對那些相信 NASA 真的把太空人放上月球，而非好萊塢舞台的人來說)，而是能源。能源，換句話說，就是燃料。

　　初步看來我們的問題有點令人困惑，畢竟 20 年前我們就已經可以發射載人的指揮艇與登月小艇，登陸月球再回來。當然火箭引擎不可能變得更差！然而，到火星比到月球遠上一百倍，所以以同樣的速度到那裡就需要一百倍的時間，也就是單程就要10 年 - 以目前的太空科技來說，載人的任務要花的時間太長了。可是地球繞太陽的速度大約是阿波羅號到月球速度的 20 倍。因此，往火星的太空船要離開地球軌道，應該從一個已經有相當速度的平台上發射。如果我們利用地球對太陽系的速度當作發射火箭到火星的跳板，假設太空船的速度可以提昇到阿波羅號的兩到三倍的話，單程大概只需六個月到一年。

　　所以，我重複一次，到底問題在哪裡？呃，上述的速度提昇聽起來不大，要花的錢可不少。要了解這一點，我們必須先回顧一下火箭是如何運作的。火箭的推進靠的是物理學上的 "動量守恆定律" [Conservation of Momentum]。簡單來說，這條定律的意思是如果我把某樣東西丟出去，我會向相反的方向運動。火箭向前跑，是因為它把質量向後丟。火箭被推進的速度由三個因素決定：推進物質的速度，推進物質的質量，以及火箭本身及所剩燃料的質量。所以，舉例來說，吹飽的汽球鬆手後會飛走，因為它迅速地向後吹出氣體。如果汽球不夠輕 (比方說用水泥做的)，它就不會動。同樣的，如果汽球吹得不夠飽，球壁不夠緊，吹出來的空氣很慢，它也不會動。

　　當我們考慮汽球的時候，我們不用擔心內部空氣的質量。但是火箭卻不是如此： 它們需要的燃料太多，以致燃料的質量不可忽略。問題來了：如果我要火箭跑得更快，就要向後丟出更多的推進物質，但如果我要丟出更多的推進物質，我一開始就要帶更多的燃料。可是如果我一開始要帶更多的燃料，就要再多噴出一點推進物質才能讓船動，但那又要再帶更多的燃料....就這樣沒完沒了。

　　希哲季諾 [Zeno] 在兩千年前就面對過類似的問題，他嘗試要加總無限數列。解答還是一樣的：如果我要加上去的數字變小的夠快，即使無限數列也會得到有限的和。在類似的情況下，新增的燃料重量是否變小的夠快？ 答案是肯定的 - 至少當速度低於光速的時候是; 當你趨近光速的時候，相對論 [relativity] 效應讓事情變得複雜。總之，最後需要的燃料量對船與推進物質的相對速度很敏感 (事實上是指數級的敏感)。

　　當船最後的巡航速度超過推進物質的速度時，事情就麻煩了。將火箭的末速從一倍增加到兩倍，只需要增加四倍的燃料。但是將末速增加四倍，需要的燃料卻是原來的 30 倍以上！ 這樣的話，火箭加燃料的初始重量大約是空船的 55 倍。

　　實際上，事情甚至會比這個 "火箭方程式" 預測的更不幸。要設計一艘能裝下大到不成比例燃料的太空船，結構必須比原來的強很多，也就是船要更重。通常要讓一艘船裝載足夠的燃料以超過推進物質速度的三到四倍，就已經幾乎是不可能的事了。

　　更慘的還在後面，到最近行星的來回雙程，最快也要花好幾年。所以你還必須在太空船中設計適當的住所，食物，可供太空人呼吸夠長時間的大氣。這樣一艘太空船絕對會比阿波羅號還要重。既然所需的總燃料是太空船總重的固定倍數，這表示即使以同樣速度，到火星所需的燃料會比到月球重上釵h倍。

　　接下來是回程的問題。火星的引力場比月球要強，所以要回到地球的話你需要為回程準備更多的推進物質，才能達到足以脫離火星的速度，就像要從地球出發時一樣。這表示在回程時，燃料相對於現在較輕的太空船的比例，與出發時的比例差不多。

　　然而，如果這些燃料在去的時候就要先帶著，那在你計算燃料時又要加在初始重量中。為了解問題所在，先想像一艘太空船，為了達到足夠速度，所需的燃料假設是空船的五倍。如果需要攜帶回程燃料的話，你降落火星時的質量必須是空船的六倍 - 也就是，空船加上回程所需五倍質量的燃料。

　　這表示從地球出發時，船加燃料的總質量是空船的 36 倍！這包括了船的質量，回程的燃料質量，以及去時所需兩者五倍質量的多餘燃料。我要強調這一點，正好我上一本書中的某項預估 (關於讓企業號達到一半光速再停止所需的燃料質量) 引起了遠超過其他議題的來信。需要的燃料總質量並不是 6 加 6 等於 12，而是 6 乘 6 等於 36。引述洛克希德˙馬丁 [Lockheed Martin] 公司前任火箭工程師羅勃．祖賓[Robert Zubrin] 的話，這樣很快就會變成 "星際大爭霸" [Battlestar Galactica]！ 這樣看來，或?ID4 裡的大飛碟還蠻實際的; 他們把船造得那麼大，就是為了要裝燃料！

　　前述的情況多多少少影響了 NASA 在 1989 年考慮載人火星任務的決定。大怪船的標價是多少呢？ 大約是四千億到四千五百億美金！在這種價格下，我們有生之年想要看到人類登陸火星根本就是白日夢。同時這項計劃也讓任何其他離開太陽系到其他行星的計劃黯然失色，因為這類任務考慮到燃料時，可行性變得更低。

　　重點在於，我們的銀河真的是很大。即使到最近的恆星，距離也是整個太陽系幅員的好幾千倍，而以目前能達到的速度，到最近的恆星大約要花 10,000 年，而且只有單程！ 即使以近光速行進，要在最近的星系中搜尋生命也要好幾個世紀。(這就是為什麼異形 [Alien] 電影裡雷普利 [Ripley] 要冬眠的緣故) 而我們的銀河中至少有一千億個恆星，銀河又只是宇宙中可見的一千億個銀河之一而已。

　　最後，很明顯地，要想在人類可接受的時間內離開太陽系，我們需要達到比目前更快得多的速度。為了解這個問題的嚴重性，我們來討論一下要將一艘太空船加速到光速的 25% (到半人馬座α星單程大約只需 10 年) 所需的燃料。(假設你能撐得過那麼高的加速度，我在此忽略加速至少需要一年的時間。) 如果利用火箭方程式 (提醒你，那仍然低估了對燃料的真正需求) 並使用傳統火箭燃料的話，所需的燃料質量大約是 1 後面跟上 20,000 個零，乘上酬載 [payload] 的質量！ 即使只運送一顆原子到最近的恆星，所需的燃料也遠超過目前整個宇宙中已知物質的總和！我想即使國會議員也可以清楚看出這根本行不通。

　　然而，在這道難題中，傳統燃料很明顯地只像個稻草人。沒有人會真的考慮把我們環繞地球的火箭當作前往鄰近恆星的交通工具。但是在商業界有很多創意性的思考，因此釵h人聲稱在未來 10 到 20 年中，至少進行一次到火星的載人任務並非不合理的目標。至於之後，誰知道呢？ 對太空旅行的強烈需求，會激勵我們 (或任何外星人，不論科技多先進) 運用兩項基本概念： (很詭異地，這兩項概念都來自於 1960 的預言家) "小就是美" [Small Is Beautiful] 以及 "就地取材" [Live Off the Land]。