Beyond Star Trek - 05.單程還是來回？

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05.單程還是來回？

作者: L. M. Krauss　譯者：KoShiyen

　　愛因斯坦有個小理論。

　　這個理論跟相對性有關。

　　呃，愛因斯坦試驗過這項理論，

　　所以他看來如此困惑，連頭髮都一團亂。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 新節奏藍調四重奏

　　當我們想像未來的時候，常常會把實用性省略掉。物理及科幻的樂趣之一，就是看清若想在當今世界有任何進步，就絕不能用目前的成就限制自己的思考。但同時我們也必須謹記，不論是人類或外星人，建造的東西都要有實用性。如果我們想要推測星際旅行 (或任何未來科技) 的模式如何，我們必須先嘗試想像什麼才是最簡單的方式 - 根據以知的物理學，以及它們尚未排除的可能性。

　　需要一直是發明之母，不論在真實世界或科幻世界，甚至當考量已經不可想像到極點時也一樣。畢凱有次引用科克艦長對麥考伊 [McCoy] 說的話對百科 [Data] 說："事情只有在做到之前才是不可能的！" [Things are only impossible until they're not！] 如果雙程火箭推進是星際航行最荒謬的方法，我們就要考慮其他替代方案，不論那些方案一開始看起來是否合理。

　　我們已經在這樣做了，因為今日的工程師在規劃載人離開太陽系的來回任務時，正遭遇 (規模小了點) 未來的星際旅行者要面對的同樣問題。他們可能已經考慮過前人是怎麼解決問題的。哥倫布 [Columbus] 用帆船橫渡大西洋不需要燃料; 他用的是風。路易士 [Lewis] 跟克拉克 [Clark] 探索北美時也沒有帶任何燃料; 他們沿路打獵釣魚。這個教訓很明顯。如果你想探索沒人到過的陌生新世界，你可能需要就地取材。

　　火箭工程師羅勃˙祖賓曾提出本地版的這種策略，期望在可負擔的成本內到達火星。這就是著名的 "直達火星" [Mars Direct] 法，它所規劃的太空船只需要裝載將太空人送達火星所需的燃料。回程的燃料可以用非常簡單的技術在火星地表製造 - 事實上，因為技術是如此簡單，祖賓雖然不是化學工程師，卻已經在地球上建立成功的原型。

　　火星大氣有 95% 是二氧化碳 [carbon dioxide]，而大氣中的二氧化碳可以很容易地被過濾，加壓並在火星的地表溫度下以液態儲存。祖賓的計劃是攜帶少量的氫，並讓它跟二氧化碳反應，產生甲烷 [methane] 跟水。因為這是放熱 [exothermic]反應，所以不但不需要額外輸入能量，還可以在鎳 [nickel] 或釕 [ruthenium] 的催化下自發反應。產生的甲烷跟水很容易就可以分離，水再電解成氫跟氧 [oxygen]。氫可以循環利用，氧則冷凍後儲存。要回家的時候，只需將氧和甲烷混合，就得到高效能且易長期儲存的燃料。

　　可能有人反對，送人上火星而不準備回程的燃料，這種缺乏安全的措施可能讓NASA 無法維持載人任務的事業。祖賓的回答很妙，他建議在送人上去之前，可以先派太空船送煉油設備過去。當這艘自動操作的太空船安全著陸並且製造出必要的燃料之後，再開始載人的任務。

　　最後，問題是如何將煉油設備中的油傳送到回程的太空船中。答案是，那比轉移太空人要容易多了。攜帶煉油設備的太空船可以直接當作回程的太空船。太空人在火星上的任期結束後，就直接從火星地表移轉到已加滿油的回程太空船中。在這段期間，兩艘太空船就等於是火星上的基地，在回程軌道計算出來之前，可讓太空人居住至少兩年以上。

　　當然，還有很多很多其他要考量的：來回途中暴露於輻射，在火星地表的動力來源，以及保持太空人肌肉不致萎縮的人造重力等等，但這些理論上都是可以解決的，重點是我們在合理的預算下可以送人上火星並且還有足夠的燃料回來。考慮人員的數量以及必要的防輻射措施，來回的費用預估大約是美金一百億到五百億之間。雖然不算便宜但卻可能實現 - 跟 1960 年送人上月球的費用相比的話。

　　那我們如何將這個概念應用於載人到其他恆星呢？ 我們是否該預期，在外星人來地球之前，也會有艘大太空船先降落地球 (在摩哈維 [Mojave]，或是拉斯維加斯[Las Vegas] 外面的沙漠，或是羅斯威爾附近) 開始煉油？ 我不認為如此。

　　我們對火星的了解已經不少了，但若要到另一個恆星的行星系，我們或許無法得到夠詳細的資訊，以供事先發射回程用的太空船。據我所知在人類的探索史中，並沒有這種先例。然而，各種樂觀方案都已經建議，與其使用在地球或目的地取得的燃料，不如仿照早期探險家的方式，沿路煉油。

　　目前的銀河中，我們這一區的密度是很小的 - 每立方公分平均大約只有一顆質子。這對擷取物質或反物質以作為燃料來說，太不實際了。然而，宇宙中也充滿了輻射。首先提出利用輻射能的人，同時也是首位撰寫太空旅行科幻小說的作家。約翰˙克普勒 [Johannes Kepler]，身為行星運動定律的發現者，是個生命不斷被打斷的大忙人。在他獻身於科學期間，他成它a保護母親免於巫術的控訴，並且撰寫了來回月球的故事。他也同時從最近又回來的海爾波普彗星中觀察到： 不論彗星向太陽靠近或遠離，它們的尾巴總是指向遠離的方向; 因此太陽必定對它造成某種壓力。這使得克普勒在 1609 年就提出，我們總有一天可以設計出利用這種 "天上微風" [heavenly breeze] 航行的帆船。

　　確實有所謂太陽風 [solar wind] 的存在，指的是由太陽表面向外放出的高速帶電粒子束。然而，它們的速度大約只有百分之一光速的十分之一。一艘用太陽風推進的帆船，可能適用於行星際的航行，但對星際間的航行卻沒什麼幫助 - 至少以人類的時間來說是如此。

　　除了太陽風之外，陽光本身也會產生壓力 - 任何光都會產生壓力。但這個壓力十分小。畢竟，如果太陽的光子 [photon] 壓力很強的話，地球會被推走的。然而，某些勇敢的未來主義者 [futurists] 已經建議利用太陽帆航向其他恆星。要將一艘1，000 噸重的太空船在一年內加速到光速的十分之一，必須要 100 哩寬的帆才能產生足夠的推進力，而如果限制帆重不能比太空船本身重的話，它的厚度必須小於廚房垃圾袋的千分之一。

　　其他人建議改良太陽。太陽雖然很亮，但是光卻向四面八方散播。想想這樣浪費掉的陽光有多少！何不造一個強力的太空雷射槍，或許就以太陽為動力，將所有的能量集中射出，而船帆只需夠大到 (比方說德州 [Texas] 寬度的四分之一) 在極遠的距離外也能接受到這束雷射光就行了？ 而在太空船到達目的地前幾年，利用反射機構可以再將光束導引使太空船減速。

　　當然，所有的構想都有它的問題 - 有些可能跟基本定律衝突，其他的則有工程上的問題。它們同時也都需要大量的資源以興建巨大的風帆以及雷射槍。而且它們成功與否跟特定的星際狀況有關。就像我們駕駛帆船要考慮風向一樣，星際航行時風也會是困難的問題。同樣地，如果在雷射的射程之外，就不可能利用雷射的能量航行。最後，這些方法都沒有考慮航程以外的停止; 任務全都必須事前計劃，如果在路上看到什麼有趣的東西，就只能紀錄下來留待下次再探索。

　　現在，我目前談到的所有東西，即使是核融合跟反物質引擎，都需要對 "傳統"物理學做完整的了解。我想我已經適當地解說過，任何想到地球的外星人可能都不會訴諸如此傳統的物理學。但是有人期望他們會嗎？就像穆德跟史卡利說過的，"當傳統物理學無法提供解答的時候，我們能否能將幻想也看做可能性之一？" [When conventional science offers no answers，may we finally turn to the fantastic as a possibility？] 我的答案是，"是的，只要幻想不是不可能的！"

　　好吧，那麼曲速引擎，蟲洞，反重力，以及所有與時空本質相關的其他精采刺激的未知又如何呢？要討論這些可能性，可以再寫出另外一本書，但是已經有人做過了。我在這裡想做的是區別真正實際可行的，以及只有在理論上可行的辦法。廣義相對論在理論上容釵U種不可思議的事情存在，從曲速引擎到時空旅行。那使得思考或撰寫相關的論述都有了根據，甚至連我自己都曾花時間研究。但這裡我們先要問問，若有一天真能造出太空船，它們該有什麼樣的表現。

　　我在這裡明確地列出我認為絕不可能實現的事，即使他們在定理上絕對成立。當人們想要維持任何希望的時候，即使些微的希望也會變成炫目地明亮。當我和其他人開始宣傳，曲速引擎跟時空旅行在我們的宇宙中是否可能還值得爭議的時候，我驚訝於原來這種概念早已迅速地散播開來了 - 不只限於科幻迷，同時也散播於學術界中。即使 NASA 也在注意這些論調，而且邀請我在研討會上演講關於太空旅行的非推進式方案，包括曲速引擎及蟲洞。

　　當由傳統的牛頓式推進轉為愛因斯坦開導的神奇可能性，至今仍阻撓人類前往鄰近行星的種種基本而嚴重的能源問題似乎都變得微不足道。接下來先回顧一下這些辦法，然後再告訴你最近一些其他刺激的新發現，然後再透露一些我以前沒提過的，關於曲速引擎的小秘密。

　　現在你已經可以清楚地想見，要以合理的火箭太空船進行近光速的太空航行是多麼偉大的工程。但若可以讓空間為你移動的話，為什麼還要自己穿越太空呢？愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，空間本身受到物質的影響而會膨脹，收縮或彎曲。如果這可能的話，就等於為我們開啟了 "設計宇宙" 的新世界。

　　在廣義相對論中提到，你想在宇宙中遨遊根本不需要移動。你也可能以光速行進但卻完全不動。事實上，你在讀這行字的時候正是如此。雖然我們彼此之間，以及對週遭環境來說，都幾乎是靜止的; 但對某個在宇宙的另一端，讀著克林貢 [Klingon]文版的這本書的外星人來說，我們之間卻以光速做相對運動。這個外星人相對於他週遭的環境仍舊是靜止的，但他對我們來說也同樣正以光速遠離。

　　我們怎麼可能同時運動又靜止呢？ 很簡單： 我們之間的 "空間" 在膨脹。

　　這個概念就是曲速旅行的根本。我們可以用相對論清楚地證明，下面的敘述在理論上完全可能。比方說你想要到最近的恆星去，但不想在火箭太空船中花上 10,000年的時間。那麼你只需要航行到月球旅程的四分之三多一點，到達地月重力的平衡點，然後就可以停機休息了。接下來只要設法讓你跟最近恆星間的距離 (四光年) ，在比方說一秒鐘之內收縮，而你跟地球之間的距離 (180，000 英哩) 也在同樣時間內膨脹。之後你環顧四週，就會發現自己離半人馬座ㄛP只有 180，000 英哩，離地球卻有四光年遠 - 而你完全沒動過！接下來只需再發動引擎，走完剩下的路就成了。

　　雖然聽起來很靠不住，廣義相對論方程式卻已經證明這確實可能。我不想貶低這到底有多偉大。事實上，物理學同樣也多多少少可以證明更怪異的現象 (比方說可穿越的蟲洞，或是時光機器) 在理論上是可能的。不管怎樣，我們看看下面的敘述：

1。讓空間膨脹所需要的物質，跟我們以前觀察過的任何物質都完全不同 - 這種物質 　 的重力是斥力而非引力。雖然在次原子級的尺寸來說，統馭物質特性的定律容? 　 這種現象存在，但我們甚至無法確定在理論上，是否能在巨觀條件下製造出這種 　 物質。

2。就算能製造出這種物質，要讓這種物質得以移動任何巨觀上的物體，所需的能量 　 也超過太陽一生所放出的總能量。

　　看看新結果： 過去一年中，釵h研究者用檢視蟲洞太空旅行的態度來看曲速引擎理論。但他們並沒有任何令人振奮的發現。理論物理學家萊利˙福特 [Larry Ford]與他在塔斯大學 [Tufts University] 的同事們已經證明，為了不牴觸能量守恆定律，空間的脹縮只能發生在包圍太空船的泡泡表層。而為了讓特別物質限制在包圍巨觀物體 (如太空船) 的薄殼內，需要的能量大約是整個可見宇宙質量的一百億倍！或釦畯怚u能想像用曲速傳送一顆原子，而非這架太空船。同樣的能量問題還發生在蟲洞，以及可能運用到這些科技的時光機器上。

　　理論上還有個更煩人的問題，如果可能成立的話，會讓曲速引擎更不可能實現。在我上本書中並沒有明確地提到它，因為我相信其他的問題已經更嚴重了。或釦琣飛虓Q到：雖然曲速引擎可以讓你從任意點出發，以超光速到達遙遠的另一點，但它並不會讓你更快到達。怎麼說呢？ 呃，比方說你想利用曲速引擎，在一秒內航行 1,000光年。為了讓你前面的空間收縮，你必須安排適當的物質分布其中。要做到這一點，你至少必須送出一個信號到這個空間中。但這個信號至少需要 1,000 年才能散播到整個區域。所以，雖然只要曲速波前一開始收縮，你就可以 (理論上) 用任意速度行進，但之前的發射 "倒數" 卻要持續 1,000 年。我知道在家裡舒服地等上 1,000 年總比窩在狹窄的太空船裡要好，但是結果其實是一樣的。不論你怎麼縮減，從 "這裡"到 "那裡" 的時間絕不會少於 1,000 年。雖然可能性完美無缺，曲速引擎終究只能令人無限地失望。記住這一點，福克斯˙穆德！

　　能量就是能量，即使過了一百年，我們對物理了解得更透徹，我們想穿梭銀河所需的能源還是一樣的，而想要控制重力令空間依我們的需要彎曲，所需的能量也比整個銀河的總能量還大。這就是為什麼大多數的物理學家，包括我自己，都認為不太可能已經有外星人造訪地球的原因，尤其是擁有高度發展文明的外星人，怎麼可能願意浪費這麼多資源，大老遠跑來在人類的鼻子裡面插片金屬，或是綁架哈佛 [Harvard]精神科醫師的病人。就算他們想要做些怪異的實驗，看起來也太不值得了。

　　福克斯˙穆德，這個已取代 Star Trek 的貴族 [Q] 而成為電視新話題的人，曾經主張 "最簡單的解釋也就是最不可能的解釋" [the easiest explanation is also the most implausible]。對釵h人來說，眾多的外星人目擊及綁架事件的最簡單解釋就是外星人真的已經來過地球。但是對物理學家來說，這個解釋是最不可能的 - 就因為跟面對任何星際旅行者相比，有太多其他需求上比較不令人怯步的可能性。

　　因為我們受到能量學 (或酗ㄛO物理學) 的禁制，無法以超光速旅行，所以 51區，羅斯威爾，外星人植入物，通通都變得更不可能了。若非確定地球上有智慧生命，外星人幹嘛要浪費必要資源來拜訪我們？但為了確定智慧生命存在，他們必須要先收到我們存在的信號。我們目前放出過的可測電磁訊號，包括我愛露西 [I Love Lucy]，Star Trek，陰陽魔界 [Twilight Zone]，NBC 晚間新聞等等，歷史大約只有半個世紀多一點點。而在 1947 那年，人類首次目擊飛碟，以及羅斯威爾事件時，我們放出的訊號大概才剛剛到達離我們最近的星系。住在那裡的任何文明，就算有足夠的資源，也實在非常不可能有時間進行預計在 1947 年到達地球的任務。"接觸未來" 中的外星人，偵測到希特勒 [Hitler] 在 1936 年奧林匹克 [Olympics] 運動會開幕時的電視訊號，如果要回傳訊息的話，在 1996 年之前也不可能到達。

　　有個漏洞我還沒討論到，而這個漏洞是我常在演講時提到的，不論講題是外星人來訪或是人類目前的宇宙觀。如果外面的物理定律跟我們不一樣呢？確實，如果貴族可以超越我們的物理定律，那宇宙為什麼不行？我們常在科幻故事中讀到，在某些詭異的地方，物理定律是跟預期完全不同的。我還清楚地記得小時候看了某一集 "陰陽魔界" 之後怕得要死，因為在影集中房屋的牆壁突然變成通往某個次元的無形大門，而有個跟我差不多年紀的小男孩掉了進去。

　　我們無法保證 (除非有人翻遍每一塊石頭，搜遍每個角落和縫隙) 真實宇宙中沒有像 "陰陽魔界" 那樣的地方。那我們物理學家怎麼能那麼有自信，我們的物理定律是全宇宙通用的呢？ "真是宇宙級的厚臉皮！" [What cosmic gall！]，我太太在遇到類似假設的時候常這麼鬼吼。

　　呃，這有兩個答案，但基本上是一樣的。第一個是 400 年的成汀垓z學家們有自信。第二個是在這 400 年的成奶丑A我們用來測試物理定律通用性的實驗都是肯定的。

　　我不想侷限在物理學的歷史細節，只想告訴你一項現代的發現，而我相信這又更令人信服地強調了我們所認知的物理定律的通用性。

　　當遭遇物理定律的通用性問題時，科學家們常會訴諸於繁星。"社會選擇"[Social Choice] 及其他後現代期刊的編輯們可能會認為，物理定律若非由該死的白人男性發展的話，可能會完全改觀，但我在仰望滿天繁星時卻對客觀現實感到安慰。在遙遠的群星中可能有某個行星，上面的女性共生體 [symbionts] 統治其他的男性身體及心理，像是 "銀河前哨" [Deep Space Nine] 中的楚爾人 [Trills] 一樣，但即使在那裡，物理定律的發展仍然要符合事實，他們的太陽跟我們的顏色仍然相同。沒有什麼比物體受熱時所放出的光譜更能說明一切的，即使是指紋或 DNA [去氧核糖核酸] 也比不上。任何元素都會放出它獨特的色彩組合，而 20 世紀物理學的重大成就之一，就是將已知的頻譜特徵分類，並據此推測未知的頻譜。遠方恆星放出的光線跟地球上燃燒氫氣的色彩一致，這不但告訴我們遠方的恆星主要由氫組成，同時也顯示在那裡，決定頻譜的電磁基礎定律 (以及量子力學定律) 一定跟我們一樣。

　　恆星就說到這邊，那麼行星間的太空呢？ 宇宙本身呢？ 呃，感謝 NASA，我們現在已經有令人信服的直接證據證明，我們所知的物理基本定律在整個可見宇宙中都是適用的，而且自從有宇宙以來幾乎一直都是如此。你可能聽說過 NASA 在 1989 年發射宇宙背景探索 [Cosmic Background Explorer，COBE] 衛星，用來測量大霹靂[Big Bang] (我們的宇宙就是 100~150 億年前從其中產生的) 之後殘留的輻射性質。眾所週知 COBE 成它a在所謂的宇宙背景輻射中找到微小的擾動，而這種擾動就是今日宇宙結構的 "種子"。但它首先測量的是原始輻射的頻譜，並確認原先的預測值 - 就是一般所說的黑體輻射 [blackbody radiation]。

　　關於黑體頻譜 (這麼稱呼是因為，它是全黑物體受熱放出的頻譜)，你只需要知道，正確地瞭解它是 20 世紀物理學一切重大成就背後的驅動力就行了。研究黑體輻射導致量子力學的發展，以及如何從正確的量子力學角度去看電與磁。更重要的是，黑體頻譜的基礎在於深層並精準地了解各種粒子的統計學行為。這種了解也稱做統計力學 [statistical mechanics]，是今日理論物理學者所做一切計算，以及所有觀測現象的中心。發展它就是為了要解釋，為什麼你無法從看兩顆撞球碰撞的影片來推測影片是正放還是倒放，但是看 16 顆撞球相撞 (一顆白色母球撞一個排好的球陣) 卻可以看出對稱性的消散。與統計力學相關的定理是如此地精微，以致於有兩位研究者因為他們的觀念受到排擠而自殺。

　　總之，大霹靂殘留的宇宙背景輻射不但帶有黑體頻譜，同時還是可測量的黑體頻譜中最完美的 - 比我們在實驗室中能造出的任何頻譜都更接近理論預測值。所以我們可以使用宇宙本身來驗證量子力學的預測。我們現在知道，在現代地球物理學的基礎中，即使是最精微複雜的定律，也適用於充滿整個可見宇宙時空的輻射。因此很難找到好理由相信，宇宙中某個角落藏有所謂的 "陰陽魔界"，而且與宇宙毫不相關。

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　　即使如此 (即使發射太空船到其他恆星來回已被證明不可能，即使外星人來訪如此令人難以置信，即使星際旅行有這麼多限制跟路障)，我還是確切地相信，我們的命運就在繁星之間。我們總有一天，可以離開我們的太陽系。為什麼提出這麼多反論之後，我還能講得這麼自信？呃，我提到的每項障礙，都只限於來回雙程的旅程，而且是以人類的時間而論。我們未來能否航行於眾星之間的關鍵在於，當我們向外探索銀河之時，都已不需要考慮這些條件是否滿足。我相信總有一天我們必須如此。