透過光譜測量，找尋傳說中的反氫原子——《物理雙月刊》

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

來點原子理論吧？

你絕大部分是空曠的空間。是的，在那許多空間中有著所有的電子在你的身體裡與環繞在它們周圍的細胞核。因為數量多到如果所有的空間都被消滅，你會崩解成比一顆雀斑或是一隻螞蟻還小。

這不是關於原子唯一詭異的地方，當你接觸由原子所組成的任何東西時，你其實沒有碰到任何東西。而且，你可以接觸或被觸碰，雙手並沒有穿過你，你所感受到的是電磁力。

以本書為例，電子行進你的指尖的原子軌道只會從這本書的電子感覺到排斥作用。你感受到的是一股排斥的力量，但你認為你感受到的是由你的強大的頭腦所作的決定。這是一件好事，你的雙手可能不想要用這本書打造一個分子，所以就排斥它。

事實上在摩擦的形式裡有一點化學結合。你不會想要這本書就從手上滑落，那就是說，原子的化學結合是件好事，它能夠結合物質。

如果你用一把刀切了一片麵包，刀子其實沒有碰到麵包。刀子的原子推開麵包的原子。

這所有的一切都是因為電磁力的關係，它是宇宙裡的四大主要力量之一。這些力量負責所有粒子物理裡的標準模型，這個模型到目前為止是針對物質（粒子〉的基礎材料如何在我們的宇宙遊樂場裡互相合作的最佳解釋。

四種宇宙力量

• 電磁—這種力量能把物質連接在一起，包括原子。太好了！ 要感謝電磁力，才有光明。我們在宇宙所看到的每一樣東西都是來自電磁波。
• 重力—有些人覺得重力交互作用很有意思，雖然重力是在標準模式裡，但它卻無法以此來解釋。
• 弱核力（弱作用力）—這個力量是放射性衰變的原由。聽起來很無趣，但沒了它，就沒有太陽；所以也不會有你的出現。
• 強核力（強作用力）—這個力量連接原子裡的原子核。如果沒有這個力量，在你以碳為主的身體裡的原子中帶正電質子會互相排斥。還好有這股強作用力將質子與中子一起綁在它們的原子裡的原子核中。

技術補充：這四種力量都有帶粒子，這些帶粒子就像是其它粒子間的使者。例如，一個光子（光的量子，是光的一個粒子的使用術語〉是電磁學的使者。當兩個電子靠近時，它們會送出光子的「走開」的訊息給對方。這個訊息是非常強大並且會把電子推開。

如果一股粒子力量存在於重力，它會默默地傳導。或者更糟的是，它會接受證人保護計畫與躲藏到連科學家都無法找到。而且為了要符合標準模式，它必須在所有物質上用盡所有力量。有些說法是指這有可能是重力子，是重力的量子化化身。重力子是量子力學的聖杯，如果它浮出檯面，科學家可能最後可以讓相對論與量子力學一致。

何謂原子？

這個問題的答案可能沒有你想像的那樣簡單。回到遠古時期（約西元前四百六十五年〉，希臘自然派哲學家德謨克利特（Democritus〉說過我們所觀察到的每件事物都是由稱為原子的不可分割的粒子所組成。（原子 atom 源自於希臘文 atomos，意思就是「不可分割」〉。他深信如果你一直將某件物品對半切開，一定會來到一個點是你將無法再切割它。

這些無法分割的基本粒子是組成存在於我們身邊的每個事物。德謨克利特定義了我們現在所叫的原子，但他既對也錯。他對的是每一個事物都是由原子組成，但它們不是最基本的，因為它們可以再拆解。你可能在中學或高中（或更早〉時學過，一個原子可以再分成帶負電的電子、帶正電的質子及不帶電荷的中子。

所有一般正常的原子都有一個不帶電荷，意思是它們有著相同數量的電子及質子。沒有相等數量的電子及相對應數量質子的原子，我們稱為離子。不同的離子帶有不同的電造成原子結合成分子。這就是化學了。

特立獨行的氦原子

現在事情發展到這裡只會變得更詭異了。試想一個氦原子，這個「某樣東西」的小部分來自於兩個帶負電的電子繞著兩個帶正電的中子。（因為如此，這個原子就不帶電荷。兩個帶負電的電子抵銷了兩個帶正電的質子，它們的電荷是由於電磁力所產生的。〉

你曾經聽過關於異性相吸嗎？ 這就是電磁力運作的方式。一個正電無法抵抗一個負電的充滿誘惑吸引力。並且，兩個志趣相投的負電是無法忍受一直膩在一起。根據這種直覺，氦原子是說不通的。首先，就我們所知道的磁鐵，難道電子不會摧毀帶正電的質子嗎？

第二點，為什麼兩個帶正電的質子不會互相排斥呢？

第一個問題的答案是電子的軌道因為波粒子二元性不會受到破壞。如果你不記得這個主題，那我們來複習一下：每一個事物都有自己的頻率波。從記憶圖像的觀點來說，可以將波想像成彈簧（從側面看，它像一道波浪〉。當一個電子接近其核心時，彈簧就會變得越來越緊直到某一個寬度是無法再做任何壓縮。這讓它們沒辦法進入原子核中。

為什麼在一個原子核裡的質子會結合在一起的這個問題的解答就是強核力。在一個非常短的距離，假設是一個原子核的寬度好了，其力量的強度遠超過試著要分開它們的電磁力。在這章插曲加碼篇，你會知道這些力量彼此間到底有多強的關聯性。

答案是宇宙大爆炸後約三十八萬年。第一個原子出現在我們的宇宙是氫與氦原子，是原子裡重量最輕的。比較重的原子一直到一百六十萬年後第一批恆星（團）形成後才出現。所謂的新手，也就是這些較重的原子（元素）像是鐵，一直到第一個超新星出現後才存在。越大的原子有可能越年輕。這是因為它們是從較輕的原子經過混合後所形成的。

• 本文接續下一篇：夸克是構成物質的基本單位，那麼強子呢？它們的關係是什麼？——《科幻小說不是亂掰的：白日夢世界中的真實科學》下

——本文摘自《科幻小說不是亂掰的》，2019 年 3 月，時報出版

編按：本文摘自《離開太陽系》第八章：打造星艦。
星艦是一種尚處於理論階段，用來作恆星際旅行的交通工具。嚴格上星艦需要人駕駛，在不超過壽命的期間內到達目的地恆星系。星艦一詞目前只出現在科幻小說中，現實中人類還沒有創造出真正可以進行星際旅行的機具。

為何要追星逐月？
因為我們的靈長類祖先選擇展望更遠的山頭，而我們是他們的後代。
因為我們不會在這裡無限期繼續生存。
因為眾星就在遠方，在嶄新的地平線外召喚我們。
──天體物理學家兄弟詹姆斯與古格里．班福德

百年星艦會議：擬定星際旅行時間表，帶領人類航向宇宙

二○一一年， DARPA 和 NASA 聯合贊助一場名為「百年星艦」（100 Year Starship）的研討會，成果豐碩。這場研討會的目標不只是要在百年內實際造出星艦，更要結合頂尖科學家之力，為下個世紀擬定可行的星際旅行時間表。這項計畫由一群資深物理學家和工程師組成的非正式團體「老衛士」（Old Guard）負責統籌，其中不少人已年越古稀。他們寄望匯集眾人智識，帶領人類航向星辰。這股熱情至今燃燒數十載，不減當年。

藍迪斯也是老衛士之一。不過這個團體還有一對奇葩──詹姆斯與古格里．班福德，這對雙胞胎碰巧都是物理學家，而且也都是科幻作家。詹姆斯告訴我，他還是小孩子的時候就迷上星艦，狼吞虎嚥所有能到手的科幻小說，尤其是羅伯特．海萊因的「太空軍」系列（Space Cadet）。

他了解到，如果他和弟弟真心對太空感興趣，那就應該去學物理。學得越多越好。所以兩人立志要拿到物理博士學位。現在詹姆斯是「微波科學公司」（Microwave Sciences）董事長，數十年來始終積極投入「高功率微波系統」相關研究。古格里是加州大學爾灣分校的物理教授，另一個身分則是眾人嚮往的科幻界桂冠「星雲獎」（Nebula Award）得主。

百年星艦研討會結束之後，詹姆斯和古格里合寫一本書：《星艦世紀：航向最偉大的地平線》（Starship Century: Toward the Grandest Horizon），其中包含眾人在研討會發表的許多意見想法。本身是微波輻射專家的詹姆斯相信，光帆最有可能帶領人類飛出太陽系。不過他也表示，另類純物理設計也發展了相當長的一段歷史，因此這些造價貴得離譜、卻是依紮實物理定律所設計出來的新奇玩意兒，將來有一天說不定就真的做出來了。

100％能量轉換率的反物質星艦，有可能嗎？

第五波科技革命（包括反物質引擎、光帆、核融合引擎、奈米船等）或許能將星艦設計推往令人振奮的新視界。曾現身《銀河飛龍》的反物質引擎說不定會成真：這種引擎能提取宇宙蘊藏量最豐富的能源、並藉由物質與反物質碰撞，直接將物質轉換成能量。

顧名思義，「反物質」與「物質」完全相反，兩者所帶的電荷也相反。是以「反電子」帶正電，「反質子」帶負電。（我曾經在一群高中生面前嘗試驗證反物質：將一顆會放出反電子的「鈉–二十二」膠囊放進雲霧室［cloud chamber］，並且拍下反物質通過時留下的美麗痕跡。後來我還造了一座兩百三十萬電子伏特的電子迴旋加速器，希望能分析反物質的特性。）

物質與反物質發生碰撞時，兩者會互相湮滅並化為純能量，所以這個反應釋出的能量轉換效率為百分之百。相較之下，核武的能量轉換率僅百分之一，意即氫彈所含的能量幾乎都浪費掉了。

反物質火箭的設計相對簡單：將反物質儲放在安全槽內，再以穩定流速注入內燃室。反物質與普通物質在內燃室內「乾柴遇烈火」，爆炸般地釋出巨量 γ 射線和 X 射線。反應產生的能量經排氣室出口噴出，產生推進力。

詹姆斯．班福德特別告訴我，雖然反物質火箭最受科幻迷青睞，但要想製造這種引擎會碰上幾個大問題。其一：反物質是自然現象，但其存量相對來說非常稀少，因此我們必須製造大量反物質供引擎使用。全球第一顆「反氫原子」──結構為一顆反電子圍繞反質子旋轉──於一九九五年、在瑞士日內瓦的「歐洲核子物理研究中心」（European Organization for Nuclear Research，CERN）製造誕生。

那些都是理想狀態，現實中的難題還是無法解決

研究人員將一道普通質子束射向一枚普通物質標靶，質子撞擊標靶後產生些許反質子，然後再利用巨大磁場引導質子與反質子，令其一左一右分道揚鑣。接下來，反質子會降速並儲存在「磁力阱」（magnetic trap）內，與反電子組成反氫原子。二○一六年， CERN 的物理學家取得反氫原子，分析環繞反質子的反電子殼層，一如預期地發現反氫原子和普通氫原子的「能階」（energy level）可完全對應。

CERN 物理學家宣稱，「假如我們能把在 CERN 製造的反物質全部集合起來、與普通物質進行湮滅，這個反應產生的能量大概可以讓一顆電燈泡持續亮好幾個月。」推動火箭絕對需要更多能量，更別提反物質還是世上最昂貴的一種物質形式。以今日造價估算，製作一公克反物質大概需要七十兆美元。目前，科學家只能利用粒子加速器（建造和運作成本可謂天價）製作極小量的反物質。 CERN 的「大型強子對撞機」（LHC）是全世界威力最強的粒子加速器，造價超過百億美元，卻只能產出薄薄一束反物質。若要儲備足以驅動星艦的反物質燃料，美國大概會破產吧。

全球現有的大型原子對撞加速器都屬於「目的導向」設備，僅供研究使用，在製作反物質方面更是極度沒效率。目前想過的部分解決方案，是建造專門用來「攪拌原子」的工廠設施。 NASA 科學家哈洛德．葛里希（Harold Gerrish）認為，如此一來，反物質的製造成本可望降至每公克五十億美元。

至於「存放」則是另一道難題，同樣所費不貲。若將反物質置於瓶中，它會撞擊瓶身，要不了多久便湮滅消失。這時就需要「彭寧離子阱」（Penning traps）來框限反物質。這種離子阱利用磁場「抓住」反物質原子，令其懸浮，防止它們與容器接觸。

在科幻小說中，諸如成本、儲存這類難題，有時會透過「天上掉下來的禮物」而順利解決（譬如突然發現一顆「反物質小行星」，讓人類能廉價取得反物質）。可是這種假設場景也同樣冒出一個複雜問題：反物質究竟來自何方？
架起儀器朝外太空掃視，舉目所及皆是「物質」，而非「反物質」。我們之所以曉得這一點，是因為電子與反電子相撞至少會放出一百零○二萬電子伏特的能量──這是反物質撞擊的指紋。然而在檢視宇宙時，我們只能偵測到非常微量的這類輻射。我們周圍的可觀測宇宙絕大部分是由普通物質──也就是構成你我的相同物質──所組成的。

物理學家相信，在「大霹靂」那一刻，宇宙處於完美的對稱狀態，含有等量的物質與反物質。若真是如此，兩種物質的湮滅作用本應十分完美且徹底，宇宙亦將純粹由放射線組成。可是你在這裡、我在這裡，你我皆由照理說已不存在的物質組成。我們的存在與現代物理理論相悖。

科學家還沒搞清楚宇宙的物質何以多於反物質。大霹靂時，僅有約百億分之一的普通物質熬過爆炸，你我也是其中一部分。目前的主流理論是，某種東西在大霹靂時違反了物質與反物質的完美對稱性，但我們還不識其真面目。諾貝爾獎仍癡癡等待能解開這道謎題的有志之士。

對所有期望打造星艦的人來說，反物質引擎始終都在決選的優先名單上。但我們對反物質的特性仍幾近一無所知。舉例來說，我們不曉得反物質「朝上」或「朝下」墜落。按現代物理學預測，反物質和普通物質一樣會朝下墜落。但這麼一來，「反重力」大概就不可能存在了。話說回來，這項理論和其他多數反物質理論皆不曾測試檢驗過。受制於成本和人類的有限理解，反物質火箭大概到下個世紀仍只會是美夢一樁──除非，「外太空飄過一顆反物質小行星」此等好事恰巧落在我們頭上。

另一個待嘗試的迷人概念：衝壓噴射核融合星艦

衝壓噴射融合火箭則是另一種迷人概念。這種火箭外表看起來像個巨大霜淇淋筒，鏟起星際間的氫氣、送進核融合反應器予以濃縮，產生能量。衝壓噴射火箭的推進模式和噴射機或巡弋飛彈一樣，相當符合經濟效益：譬如噴射機無需自行攜帶氧化劑，只要吞進大量空氣就能節省成本。而太空更是充滿無盡的氫氣，燃料供應無虞，故星艦可以持續加速到永遠。這種動力系統和光帆一樣，比衡無上限。

波爾．安德森（Poul Anderson）的名作《 τ 零》（Tau Zero），描述一具衝壓噴射火箭因故障而無法關閉的故事。當火箭加速至逼近光速時，一些光怪陸離、涉及相對論的扭曲現象逐漸浮現：火箭內時間變慢，但火箭外的宇宙時間仍正常前進。火箭速度越快，火箭裡的時間越慢。然而對於火箭或星艦上的人來說，一切看起來再正常不過，反倒是外頭（宇宙）的時間飛快掠過。最後，這艘星艦的速度快到全體組員只能無助地看著時光以數百萬年的速度飛逝。在航向未來數十億年之後，星艦組員意識到宇宙已不再膨脹，實際上反而正在塌縮：宇宙膨脹終於開始反轉。隨著宇宙邁向終點「大崩塌」（Big Crunch），星際逐漸聚集、宇宙溫度驟升。來到故事尾聲，星辰開始崩塌，星艦設法擦過並逃離宇宙這團大火球，目睹新宇宙在「大霹靂」中誕生。這篇故事或許荒誕不經，理論基礎倒是完全遵守愛因斯坦相對論。

讓咱們暫且把前段的末日預言放在一邊。初看之下，衝壓噴射核融合火箭這玩意兒厲害到不像是真的。但幾年過去，有人開始提出批評：譬如那把「鏟子」或許得做到好幾百公里寬，不僅大得不切實際、製作成本更是無人負擔得起。此外，這種引擎的核融合速度可能無法產生足夠的動力，不足以維持星艦巡航。詹姆斯．班森博士（James Benson）也明白地指出，或許銀河系內其他區域的氫氣量充足，但我們所在的這一區（太陽系）氫氣不足，無法餵飽衝壓噴射引擎。另外還有人宣稱，當衝壓噴射火箭通過太陽風帶時，太陽風的牽引力可能超過火箭推進力、使其無法達到需要的相對速度。目前物理學家已著手修改設計，期望能修正這些缺點。不過在衝壓噴射火箭成為實際選項之前，人類還有好長一段路要走。

除此之外，還有星艦旅行必須面對的難題

在此必需特別強調一點：前面提及的所有星艦旅行，都必須面對與「近光速移動」有關的諸多問題。最大的危險是撞上小行星，即便是再微小的小行星都可能畫破或刺穿星艦防護罩。誠如先前所提，宇宙碎片常在太空梭表面留下刮痕或創口，而這些碎片有時會以接近軌道速度（近地軌道）的速度、或時速近三萬公里的高速撞上太空梭。然而，如果飛行速度接近光速，那麼宇宙碎片撞擊的速度也會是前述速度的許多許多倍，搞不好還會令星艦粉碎解體。

在電影中，這類難題大多會藉由「可輕易驅除所有微小隕石的超強力場」加以排除。然而不幸的是，這種力場只存在在科幻作家的腦袋裡。就現實而言，要形成電場、磁場確實不難，但即使是不帶電的塑膠、木頭、水泥等家中一般常見物品，依然能輕易穿透這些力場。此外，遊走外太空的微小隕石因為不帶電，故無法利用電場或磁場令其偏向。至於重力場則因為具吸引力、作用力又弱，也不適合作為我們需要的防護力場。

「煞車」則是另一項挑戰。試想，若以趨近光速的速度迂迴穿越太空，接近目的地時該如何減速？光帆仰賴太陽光或雷射光提供動力，卻無法用於減速，故大多只能用於「飛越」任務。

讓這些核子動力火箭來個一百八十度大迴轉、令推進力徹底轉向，或許是這類火箭的最佳煞車方式。不過如此一來，每趟任務粗估會有一半的推進力用於達到目標速度、另一半則用於減速。關於光帆該如何減速，或可將帆體反過來，利用目的地的星光使其降速。

另外還有一個問題：具「載人」功能的星艦體積多半相當巨大，故只能在太空組裝。因為如此，人類必須執行多次太空任務，將建造星艦所需的材料分批送往近地軌道，然後再安排另一批太空任務，完成星艦組裝。為避免經費嚴重超支，科學家必須針對太空發射任務構思一套更經濟的執行方式──於是「太空電梯」登場的時刻到了。

本文摘自《離開太陽系：移民火星、超人類誕生到星際旅行，探索物理學家眼中的未來世界》，2018 年 12 月，時報出版