Beyond Star Trek - 04.宇宙高爾夫

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04.宇宙高爾夫

作者: L. M. Krauss　譯者：KoShiyen

　　史卡利： 為什麼這裡這麼黑？

　　穆德： 因為燈關掉了。

　　不論你是漢．梭羅，強路克．畢凱 [Jean-Luc Picard]，或是某種黏答答的外星人，當你啟動推進器後，所面對最令人怯步的挑戰並不是如何像蜂鳥一樣在空中優雅地飛翔，而是如何先讓自己能動。

　　我們常聽人說，大小並不重要，但在某些狀況下，建造太空船時並非如此。假設你陷在某種很滑的冰上。唯一可以離開的辦法是靠推進器。你可以推附近的岩石，讓自己有效地離開。當你推的時候，質量大的 (岩石) 移動得慢，而你移動得快。然而，如果你必須帶著自己的燃料的話，相信沒有人會選擇帶著一塊石頭以備不時之需。你通常反而會把背包弄得更輕，再帶上高爾夫球具。如果你想在冰上移動的時候，只需要把高爾夫球拿出來放在冰上，每次打一顆出去就好了。當你每打出一顆球，雖然它很輕，不能讓你移動得太快，但因為你打出每顆球的速度都比丟石頭出去要快得多，而對推進力來說，推進物質的速度和質量同樣重要，所以當你丟完高爾夫球之後，你所得到的速度會比只丟一塊石頭要快得多。

　　前面敘述的過程跟直覺剛好相反 - 可能因為大部分的人 (我也不例外) 喜歡迅速的成果。但是伊索 [Aesop] 說得好，慢而穩才跑得快 (如果 "慢而穩" 指的是加速度，而比賽的時間又夠長的話)。如果達到夠快的末速要比快速達到高速重要的話(太空旅行本來就是這樣，正好跟發射地對空飛彈相反)，你所需要的並非排出大量而緩慢的物質以達到高速的 "推進力" [thrust]，而是持續地排出小量而高速的物質以得到高速的 "衝力" [impulse]。(從畢凱啟動企業號的衝力引擎 [impulse engine] 之後可以迅速地達到巡航速度看來，它應該改名叫做推進引擎 [thrust engine]。)

　　根據目前研究調查顯示，對目前現有的火箭引擎來說，最有潛力而可拿來當 "高爾夫球" 的是什麼呢？ 顯然較受歡迎的是較輕而能以高速排出的物質。目前已知最輕的原子是氫 [hydrogen] (一個質子 [proton] 加一個電子 [electron])，顯然正是最適合的選擇，而目前所有的計劃基本上也確實都以它為推進物質。用來替推進物質加速的能源受限於可用的科技。短期內最有可能的選擇是核熱火箭 [nuclear thermal rockets]，目前正由 NASA 的路易士 [Lewis] 中心的一群人員進行研究。我住在俄亥俄州 [Ohio] 的克里夫蘭 [Cleveland]，正好就在附近。在這裡用核反應爐加熱液體 (比方說，液態氫) 到安全容許的最高溫(以目前的材料來說，大約是攝氏 2,500 度)，然後將 "蒸氣" 從反應爐中噴出。這樣的實驗可以達到每秒 10 公里的速度，大約相當於 1% 光速的三百分之一。

　　這種速度對星際航行來說用處似乎不大，但卻對行星際的航行大有助益。利用這種科技，來回火星的燃料大約只需酬載的 5 到 10 倍重。問題是，核反應科技所需的空間很大，而且在政策上不被認同。然而，如果政治走勢改變，並且認可在太空中使用核反應爐的話，還有一個更好的選擇，就是所謂的核電推進系統 [nuclear-electric propulsion system]。這種系統不用核能加熱氣體，而是直接用核能產生熱能來發電，就像地球上的核電廠一樣。然後再利用強大的電場加速原子核 (例如氫原子核，也就是質子)，就像我們用來研究物質基本結構的大型基本粒子加速器一樣。在已知的實驗中，充電的粒子可以每秒將近 50 公里的速度向外噴出。(現代的粒子加速器可以將粒子加速到接近光速，但所用的裝置通常有數哩大，所需要的能源也非目前的太空船所能提供。) 這樣所建造的行星際太空船，所需的燃料大約只需酬載的2 到 4 倍，而且更重要的是，即使要到外行星，加速所需的時間也只是幾個月，而非數年。

　　然而，若想要到其他的星系，這些科技對於所需進行的近光速航行卻毫無幫助。如果想借內部推進而達到想要的速度，我們必須設法讓推進物質排出的速度更接近光速才行。

　　進入 Star Trek，之前提過的企業號用來進行次光速飛行的衝力引擎 [impulse drive]，是以核融合為動力。而這正是我們在真實世界中應該用來趨近光速的方法。當我們將氫原子核 (或是它較重的表兄弟 "氘" [deuterium] 的核) 結合，或者說"熔合" [fuse] 成氦時，所放出的能量大到足以讓氦原子核得到 5% 光速的速度。你可以想像一下，至少在理論上，將一艘太空船加速至這種速度的三到四倍，所需的燃料重量大約不到酬載的一百倍 - 當然還是個太大的量。

　　即使已經到了這裡，想成民椄O有其他的問題。其中一個理由就是，核融合太過有效 (我是指它放出的能量太大)，讓人擔心。你怎麼確定釋放的能量是會向後排出，還是把引擎 (或整艘船) 燒掉？ 回想一下 ID4 中的飛碟放出的熱有多少！ 當然，我們物理學家常說，那是工程上的問題 - 所以現在先不用擔心。

　　但還是有其他問題。如果你想停止的話，就要另外攜帶足夠停止的燃料，而這個量跟起步所需的量是一樣的。這表示你需要攜帶的燃料重量不只是酬載重量的一百倍，而是酬載加上煞車燃料重量的一百倍，大約是原酬載重量的 10，000 倍。而這只是起步跟煞車而已！ 它還不包括回程的燃料呢。

　　這提醒了我們，若想到達近光速的話，就不該再繼續執著尋找比光速慢的推進物質了。那麼由此看來，何不直接向後打一束光線用來加速呢？問題在於，可見光所攜帶的能量太小了。所以，雖然理論上向船後打出一束雷射 [LASER，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation] 光，最終總會達到光速，但所需的時間卻是不可想像地長。所以我們再回到陷在冰上的問題：放出可見光就等同於丟出小塊的米粒。雖然終究可以讓你達到岸邊，但光是讓你開始滑動所需要的米就已經多到爆了。以雷射可見光對單一原子加速或減速已在實驗室中實現，而且效果很好。不幸的是，我們和我們的船都是用多到爆的單一原子構成的。

　　然而，我們不該絕望，因為還是有辦法以雷射產生比一般裝置更高能量的輻射。如果我們讓物質 [matter] 粒子與反物質 [antimatter] 粒子互相抵銷 [annihilate]，則放出產物的速度接近光速，更重要的是，它們所攜帶的能量是正反物質融合放出的所有能量 - 就如同你將物質粒子以光速排出一樣。這是為火箭推進量身訂做的程序。就像製造炸彈的人常說的，你再也找不到更划得來的爆炸了 [there is no bigger bang for your buck]。

　　反物質聽起來像是純科幻小說，而且也確實是 Star Trek 推進理論的中心。但它一點都不是科幻。我們簡單回顧一下： 自然界中反物質的存在，是根據相對論以及主導次原子粒子特性的量子力學 [quantum mechanics] 共同推導的必然結果，關於這一點我之後會詳細討論。反粒子 [antiparticles] 跟它的正常同伴粒子特性完全相同 (質量，旋轉等等)，但是它們的帶電性，以及一些其他曖昧的特性相反。當粒子與反粒子反應時，它們會互相抵銷成純輻射，帶走原先儲藏在質量中的能量。 1930年人們才瞭解應該有反物質存在，而巧合地在兩年內，人類就在每天由外太空灑向地球的宇宙射線中，發現了電子的反粒子。

　　目前的問題是，反物質通常很難取得。宇宙中的反物質並不多。不過我寫這一段的時候有人發現，我們銀河的中心可能有個反物質噴泉，問題是如何才能到達那裡。(唯一可能到那裡的方法，是靠以反物質推進的光速太空船。) 我在上本書中以很大的篇幅描述我們如何在地球上以大型粒子加速器製造反物質帶電粒子。現在我有機會提供幾個最近的實驗發現來更新那些討論。我那時預測在十年內就可以成央A但是對於它們發生的所在我卻是大錯特錯。

　　1996 年的大新聞就是 CERN [歐洲核能研究中心，European Center for Nuclear Research] 在日內瓦的實驗室，終於首次製造出中性的反原子 [antiatom] 。反原子可以說是反物質研究的實驗聖杯。我們通常在實驗室中製造的反粒子是基本粒子(比方說質子或電子) 的反粒子，而非這些基本粒子所組成原子的反粒子。帶電的反粒子除了電性跟正粒子相反之外，並沒什麼稀奇。但是原子是電中性的 (幸好它是，否則我們彼此間的引力足以讓我們完全潰縮，或是爆炸)。

　　物理上有條基本定律就是，如果宇宙是由反物質而非物質構成的話，反物質就會彼此結合成反原子，而且看起來跟正原子完全一樣。反恆星跟恆星一樣，放出同樣頻率的光波，反棒球也會落向反地球，而且落速跟棒球落向地球的速度完全一樣。反科克艦長 [Captain Kirk] 不會變得邪惡，反史巴克 [Spock] 也同樣不會笑，不會長鬍子。宇宙看起來會完全一樣。雖然根據到目前為止的所有實驗，都讓我們確信這一點，但還有一項實驗還沒做過。在 1996 年之前，我們從未觀察過反質子[antiproton] 與反電子 [antielectron] 結合，而形成反原子的過程。在我們製造出反原子之前，我們沒有任何機會去測試到底原子與反原子是否特性相同。

　　CERN 的第一顆反原子是用很奇怪的方法製造出來的。當高能粒子撞擊薄靶[thin target] 時，各種各樣的粒子都會產生，並從薄靶背後以同樣的方向射出。如果你以高能的反質子 (CERN 就用這個來研究物質的基本結構) 衝擊薄靶，產生的粒子有部分是正子 [positron] (電子的反粒子)。在很罕見的情況下，衝出薄靶的正子會跟剩下的反質子速度相近。當這些正子跟反質子並肩前進時，幸運的話就會結合生成反氫 [antihydrogen]。

　　在 CERN 的加速器中，這樣產生的反氫原子速度跟光速相近，並且會在幾個微秒(譯註：百萬分之一秒) 內就分裂。這個時間量小到沒有任何儀器可以精準地測量反原子。我們希望製造的是靜止的反氫，並且可以讓我們儲存夠長的時間。這樣我們才能去測驗，比方說反氫在地球重力場中是否以跟氫原子同樣的速度掉落。或者也可以用電流去激發反氫原子，看它放出的光線頻率是否跟氫原子一樣。

　　這正是 CERN 的實驗者想做到的事。他們撥款建造反質子減速器，將 CERN 同步加速器製造的反質子減慢到能捕捉並冷卻的速度，然後再跟實驗室中儲存的正子結合，製造出少量而穩定的反氫。

　　但是，你可能會問，反氫怎麼能儲存下來做實驗呢？畢竟，將反氫原子裝載重物質構成的容器中，它們會跟容器壁的質子和電子互相抵銷。要把帶電的反物質裝在盒子裡而不讓它碰到容器壁很簡單。在磁場中帶電粒子 (例如反質子) 會做圓周運動，所以可以裝在所謂的磁性瓶 (圓柱環 [torus]，即甜甜圈形狀的圓環) 中，利用磁場保持內部粒子沿中心旋轉而遠離容器壁。這就是目前我們在粒子加速器中儲存反物質的辦法。在我的上本書中我就批評過 Star Trek 的編劇，居然使用重氫的反原子[反氘，antideuterium] 而非帶電的反質子作為企業號上的反物質燃料，因為後者容易儲存得多。

　　現在想想我或許太苛求編劇了。選擇儲存反原子，而非各自帶正負電的粒子，就跟 CERN 要冷卻並儲存中性的反原子是同樣的道理。如果你想儲存大量的物質 (以CERN 來說是數千顆反原子，以星艦來說則是數十億個數十億個數十億個反原子)，那麼帶電粒子並不適用。帶電粒子間的互斥力是如此不可想像的巨大，因此在一般的密度下幾乎不可能儲存得下那麼大的量。事實上，如果地球平均每五十億噸物質就多出一顆電子的話，地表單一電子所受的斥力就可以抵銷其所受的重力。如果比例再提高一點的話，甚至足以讓地球整個炸開來！

　　好吧…那到底要怎麼捕捉並儲存中性的反原子呢？你還是可以用磁力，但是要加上點小技巧。反氫原子的核只含有一個反質子。既然反質子的基本特性之一 (就跟質子一樣) 是所謂的核自旋 [nuclear spin]，那它們其實就像一個小小的磁鐵。在強大的外部磁場中，它們的自旋會使內部的磁場盡量傾向與外磁場一致 (因為方向相反的話要多耗能量)。現在，如果你能製造反氫原子，再冷卻到絕對溫度的數千分之一度 (這目前已經可以做到了，真是了不起) 之後，這些反原子基本上就沒有足夠的能量，可以將自己的核磁場轉成與外部磁場相反的方向。想像如果我們有一堆很冷的反原子，它們的核自旋都朝同一方向，我們再將它放入圍阻場，外面再加上反向的強磁場。如果這些原子夠低溫的話，沒有任何粒子有足夠的能量逃出強磁場的範圍，所以就會盡量聚在中心。這樣你就得到一個磁場陷阱了。

　　磁場陷阱已經成它a用來限制一般的原子，只要我們製造得出反原子，理論上應該也同樣適用。CERN 計劃在 1999 年進行一項這樣的計劃。反質子減速器大約需要五百萬美元，大約每小時可以儲存並偵測 1，000 顆反原子。這樣的產量相當於每年九百萬顆反原子，照這種速度，想製造足夠的反原子讓一隻跳蚤達到近光速，所需要的時間也在目前宇宙年齡的一百萬倍以上。

　　所以反物質推進目前還不太可能實現。但是若有一天，我們或任何其他生物想要攜帶足夠的燃料以達到近光速的話，反物質可能還是最好，而且或陸艉@可行的辦法。即使如此，還有很多大問題： 用這種方式來回需要的反物質是船質量的 16 倍！ 攜帶並保存相當於 16 倍船重的反物質，假設持續 20 年吧 (這是到最近星系來回的最短時間)，在邏輯上根本就是惡夢。即使星艦企業號也常常遇到反物質儲存的問題。所以一定得先想個更好的辦法。