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這年頭,人人都想上外太空!歡迎來到太空旅行的新黃金年代——《離開太陽系》

時報出版_96
・2019/04/15 ・4892字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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編按:本文摘自《離開太陽系》第二章:太空旅行的新黃金年代。美國的太空計畫經歷數十年的冷落忽視後捲土重來,在得到企業贊助、太空旅行成本降低和民眾對 NASA 的重新關注下, NASA 決定宣布長程目標——重返月球,並「登上火星」。

圖/wikipedia

妳是燃燒我靈魂的光。
妳是我的太陽,我的月亮,我的滿天星辰。
──美國詩人 E.E.康明斯(E. E. Commings)

NASA 的重返月球計畫

支持 NASA 重返月球的重要推手有二:重型運載火箭「太空發射系統」(SLS)和「獵戶座太空船」(Orion)。兩者都是歐巴馬總統於二○一○年初、大砍「星座計畫」預算所留下的孤兒。不過 NASA 仍設法保全星座計畫中的獵戶座太空船,以及尚處於計畫階段的重型運載火箭 SLS 。這兩項要件源自截然不同的任務計畫, NASA 東拼西湊,另創一套基礎發射系統。

目前進度顯示, SLS 與獵戶座太空船預計於二○二○年中,執行載人近月飛行任務。各位應該會先看出來,「 SLS 與獵戶座太空船」這組合跟直屬前輩「太空梭」截然不同,卻和「神農五號」有些神似。過去四十多年來,神農五號一直都只是博物館展覽品,卻在某種意義上起死回生、以 SLS 之姿歸隊。這是一套令人似曾相識的新組合。

圖/pixabay

SLS 可載運酬載達一百三十噸,高度則和神農五號差不多,約九十八公尺。升空時,太空人的座位設置跟太空梭不同:他們並非坐在火箭側面的太空船裡、而是在火箭尖頂上的太空艙內,就跟銜接在神農五號上方的阿波羅號一樣。而「 SLS 獵戶座」的用途也不同於太空梭,主要是設計用來載人、而非載物。此外,「 SLS 獵戶座」的目標不僅止於進入近地軌道,它跟神農五號一樣,旨在達到脫離速度,擺脫地球束縛。

神農五號火箭和阿波羅號只能送三名太空人上太空,但獵戶座太空船可載運四至六名機組員。而獵戶座也跟阿波羅號一樣,艙內空間十分狹窄,直徑不到五公尺、高三點三公尺,重兩萬五千八百公斤。(由於空間珍貴,歷史上太空人的個子都不高。以俄國加加林為例,他的身高只有一五八公分。)

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神農五號(唯一載人上月球的火箭)、太空梭及其他處於測試階段的運載火箭的尺寸比例圖。圖/時報出版

此外, SLS 和神農五號不同的是,後者專為登月設計,但 SLS 可以載你到任何地方──月球、小行星甚至火星都行。
然而,有幾位億萬富翁早已受不了 NASA 的官僚與牛步,他們也想把太空人送上月球、甚至比 NASA 早一步登上火星。這群年輕企業家受到前總統歐巴馬的提議所誘,支持讓私人企業接手載人太空計畫。

捍衛 NASA 立場者宣稱, NASA 步調謹慎乃是基於安全考量。在發生兩次太空梭爆炸意外後,國會聽證會在輿論的強力反對之下,幾乎全面中止太空計畫。如果再發生一次類似事件,太空計畫極可能就此畫下句點。此外他們也指出, NASA 於一九九○年代也曾盡力配合「更快、更好、更便宜」的宗旨,然而當「火星觀察者號」(Mars Observer)於一九九三年即將進入火星軌道之際、卻因為燃料槽爆炸而導致失聯,許多人就批評 NASA 操之過急,故這道「更快、更好、更便宜」的標語也因此默默撤下。

所以我們必須在「一頭熱地只想加快腳步」和「陷於安全及成本陰影的官僚作風之間」,設法巧妙平衡。

貝佐斯和馬斯克都想把人類搬進外太空。圖/nasa

儘管如此,依然有兩位億萬富翁率先搶進太空計畫,企圖找出捷徑。他們是傑夫.貝佐斯和伊隆.馬斯克。前者為亞馬遜創始人和《華盛頓郵報》老闆,後者則是 PayPal 、特斯拉汽車聯合創辦人,並創辦「太空探索技術公司」(SpaceX)。

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報章媒體已先一步為此冠上「億萬富翁之戰」的稱號。貝佐斯和馬斯克都想把人類搬進外太空。不過馬斯克把眼光放得比較遠,鎖定火星為目標,至於貝佐斯則決定先登上月球再說。

來趟月球之旅吧!真實的登月旅程長什麼樣?

來自全國各地的朝聖者湧入佛羅里達州,爭相目睹即將載送太空人上月球的第一座太空艙。這座登月艙將載著三名太空人進行一趟史無前例的旅程,首度實際接觸另一顆天體。這趟奔月之旅預計歷時三天,太空人也將經歷前所未有的體驗──譬如失重狀態。完成這段英勇之旅後,太空艙會安全墜落於太平洋,而艙內乘客將受到英雄式歡迎,開啟人類歷史的新篇章。

這趟旅程的每一道計算皆遵循牛頓運動定律,確保旅途精準無誤。但是有個問題:上述一切其實全是杜撰的,節錄自凡爾納(Jules Verne)在冷戰結束後不久、於一八六五年出版的小說《從地球到月球》(From the Earth to the Moon)。而且故事中籌畫登月任務的並非 NASA ,而是「巴爾的摩槍枝俱樂部」。

然而真正不可思議的是,凡爾納在人類首次登月的百餘年前寫下這則故事,卻能精準預測實際登上月球時的諸多特點。不論是登月艙大小、發射地點和返回地球的方法,凡爾納一一正確描述。

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凡爾納(Jules Verne)的小說《從地球到月球》(From the Earth to the Moon)。圖/wikipedia

這本書唯一的明顯錯誤是利用「大砲」送太空人上月球。砲彈擊發後會猛然產生兩萬倍於重力的加速度,這個速度肯定害死太空船上的每一個人。不過,在液態燃料火箭出現以前,凡爾納無從設想另一種太空旅行方式。

凡爾納也假設太空人將體驗失重狀態,但只會發生在「地球與月球的中點」這個位置上。凡爾納並不知道,其實太空人整段旅程都會處於失重狀態。(時至今日,依然有許多評論家對「失重」有所誤解,有時甚至表示失重是因為太空無重力所致。事實上,太空可謂「重力滿載」,至少足以鞭策巨如木星的超大行星繞著太陽轉。太空人之所以感覺失重,是因為太空人和他身邊的所有物體皆以等速墜落。也就是說,太空船內的太空人和太空船一起往下掉,因而產生重力「被關掉」的錯覺。)

新薛帕德:第一座固定提供太空觀光的載人火箭

今天,點燃這把「新太空競賽」之火的並非巴爾的摩槍枝俱樂部成員的私人募款,而是貝佐斯此等商業巨頭的支票簿。他才不想等 NASA 批准他製作火箭、用納稅人的錢建造發射台。他自己成立公司「藍色起源」(Blue Origin),用自己的零用錢造火箭、蓋發射台。

目前藍色起源的進度已超越計畫階段:自製火箭系統「新薛帕德」(New Shepard)──紀念首位乘坐次軌道火箭(suborbital rocket)進入太空的美國人亞倫.薛帕德(Alan Shepard)──已建置完成。事實上,新薛帕德火箭是全球第一架成功降落回原發射台的次軌道火箭,這點打敗了馬斯克的獵鷹火箭(獵鷹是全球第一架可重複使用、真正運送物品進入近地軌道的火箭)。

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貝佐斯的新薛帕德火箭還只是「次軌道」火箭,意即無法達到每小時一萬兩千八百公里的速度、故無法進入近地軌道。雖然這款火箭無法帶我們上月球,卻有可能成為美國首座固定提供「太空觀光服務」的載人火箭。前陣子,藍色起源釋出一段新薛帕德假想旅行的短片,看起來就像坐在豪華郵輪頭等艙一樣:踏進太空艙,各位立刻感受到寬敞舒適的內部空間,和科幻電影常見那種狹小、擁擠的艙房截然不同。你和另外五位乘客在這寬廣的大房間裡繫好安全帶,斜躺沉入舒適的黑皮革座椅,隔著七十幾公分寬、一公尺高的大窗戶向外看,而「每一個座位都『靠窗』──太空中最大的一扇窗。」貝佐斯如是說。太空旅行未曾如此奢華怡人。

由於你即將進入外太空,請務必配合幾項預防措施:啟程兩天前,請先到美國德州的范霍恩(Van Horn)──藍色起源發射設施所在地──報到。你會見到同行團員,且聽取簡報。由於此行全程自動化,所以不會有任何機組員陪同飛行。

講師表示,整趟飛行歷時十一分鐘:你會直直衝上近一百公里高空,來到大氣層與外太空的交界。窗外的天空會先變成深紫色、然後墨黑。待太空艙來到外太空,你就可以解開安全帶,體驗四分鐘的失重狀態。屆時你會像雜耍演員一樣在空中翻滾飄浮,不受地球重力限制。

圖/picryl

體驗失重時,有些人會噁心想吐,但是沒關係,講師說,因為旅程太短,影響不大。(NASA 會用「嘔吐彗星」(vomit comet)來訓練太空人。「嘔吐彗星」是一架可模擬失重狀態的 KC–135 空中加油機。「嘔吐彗星」先筆直往上衝,然後關掉引擎、任其落下。這時,太空人有如空中墜落的石子,成為「自由落體」。三十秒後,引擎重新啟動,太空人這才落在機艙地板上。如此過程會一再重複好幾個鐘頭。)

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這趟新薛帕德之旅結束之際,太空艙會釋放降落傘,最後利用自身火箭裝置穩穩降落地面。回程不再掉進大海,而且也跟太空梭不一樣──新薛帕德備有安全系統,會在發射失敗時將乘客彈出去(「挑戰者號」太空梭沒有這種彈射系統,導致七名太空人不幸喪生)。

搶食太空觀光這塊大餅:提供付費服務,開啟太空旅行新紀元

藍色起源還未公布「次軌道太空之旅」一趟要價多少,不過分析家認為,初始價格大概在每人二十萬美元之譜。這個數字其實是他們的次軌道火箭研發對手布蘭森──另一位在太空探索史上占有一席之地的億萬富翁──訂出來的。布蘭森是「維珍航空」(Virgin Atlantic Airways)、「維珍銀河」(Virgin Galactic)創辦人,另外也贊助航太工程師伯特.魯坦(Burt Ruten)做研究。二○○四年,魯坦研發的「太空船一號」(SpaceShipOne)贏得「 X 獎基金會」一千萬美元的「安薩里大獎」(Ansari XPRIZE),令他一時聲名大噪。太空船一號能飛上一百多公里高空,抵達大氣邊緣。雖然太空船一號在二○一四年飛越加州莫哈維沙漠(Mojave Desert)時發生嚴重意外,布蘭森仍打算繼續火箭測試,讓「太空觀光」成真。最後哪家的火箭系統能成功商業化,時間會給出答案。不過,顯然社會大眾已普遍接受「太空觀光」的構想了。

貝佐斯同時也製造另一種火箭,準備把人送進地球軌道。這款火箭名為「新格蘭」(New Glenn),紀念首位進入地球軌道的美國太空人約翰.格蘭(John Glenn)。新格蘭火箭分三節,總高約九十五公尺,可產生一千七百多噸的推進力。儘管這款火箭還在設計階段,貝佐斯卻暗示他已著手設計另一更先進的「新阿姆斯壯」火箭(New Armstrong),計畫飛越地球軌道、直奔月球。

企業號(Enterprise)上的史巴克(Spock)和寇克艦長(Captain Kirk)。圖/wikipedia

貝佐斯從小就夢想上太空,而且常常幻想跟《銀河飛龍》的「企業號」(Enterprise)組員一起飛行。他會參加電視劇改編的話劇表演,扮演史巴克(Spock)、寇克艦長(Captain Kirk)或甚至電腦的角色。高中快畢業的時候──這年紀的小伙子大多在幻想人生第一部車或高中畢業舞會──貝佐斯就已經為下個世紀規畫極具前瞻意義的藍圖。他說,「我想蓋太空旅館、主題公園、豪華遊艇以及可容納兩、三百萬人的太空社區,全部在軌道上繞著地球轉。」
「整個概念都是為了保存地球……目的是疏散人類,讓地球變成公園。」他寫道。在貝佐斯眼中,所有會汙染地球的工業活動,最後應該都可以搬進太空。

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貝佐斯可不是空口說大話。成年以後,他拿出實際行動,成立藍色起源公司、打造未來火箭。他的「藍色起源」意指地球(從外太空看地球,地球是個藍色球體)。該公司理念是「開啟太空旅行新紀元,提供付費服務。藍色起源的理想很簡單,」他說,「我們希望將來有數百萬人在太空生活、工作。雖然這得花上許多時間,但我認為這是個值得努力的目標。」

二○一七年,貝佐斯宣布,藍色起源的近程計畫是建置「地月輸送系統」。他設想的是一套龐大的運作體系,就像「亞馬遜」(Amazon)一樣,只消按個按鈕,就能將各式各樣的貨品──機器、建材、商品及服務──迅速送往月球。一向被視為孤寂太空荒漠的月球則搖身一變,成為熙來攘往的工商業樞紐,不僅有製造業、還有可永久居住的基地。
這類有關「月球城市」的言論常被批為空談、自我中心的狂言妄語,但若出自全球最有錢有勢的少數幾人之口、且此人意見可直達總統、國會和《華盛頓郵報》編輯室,無人不認真看待。

 

 

 

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

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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印度登陸月球熱門探測點——月球南極!那裡藏著什麼?為什麼各國爭先恐後?
PanSci_96
・2023/11/11 ・4407字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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你準備好要當月球移民了嗎?

人類再次展開登月競賽,準備重返月球。

今年八月二十三日,在全世界的矚目下,印度登月艇「月船三號 Chandrayaan-3」成功著陸於月球南極附近,展開為期半個月的科學探測任務,也成為人類史上第四個成功軟著陸於月球表面的國家!這更是 21 世紀以來除了中國嫦娥系列之外唯一的成功登月任務。

這次的登陸地點選在月球南極附近。除了月船三號,未來印度與日本合作的月船四號,以及中國的嫦娥七號、嫦娥八號任務,甚至是 NASA 阿提米斯計畫的首次載人登陸,地點也選在月球南極。

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問題來了,月球南極到底有什麼樣的魔力,能讓世界各國如此趨之若鶩?是有挖不完的石油?數不清的黃金?還是外星人留下的秘密裝備?

月球南極有什麼?

從人類的生存、家禽動物的飼養、到植物的灌溉,都脫離不了「水」這個在地球上再常見不過的物質。不僅如此,水電解之後得到的氧氣可以用於呼吸,氫氣則可以做為火箭引擎的燃料使用。想要讓人類走出地球,成為跨行星物種,確保充足的水源供給絕對是最核心的要務之一。

然而,雖然地球上的液態水很多,但正由於我們對水的需求如此龐大,如果要把所有需要的水都從地面用火箭發射進太空,需要的成本將非常驚人。

因此直接開採並使用本來就在太空中的水資源,才是合理且經濟的做法。沒錯,各國在將人類送上登月前,先將目光鎖定在了月球南極,關鍵就是要尋找「水」。

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如果月球上有水,不僅能幫助人類在月球建立起永久基地。月球,更將成為人類航向廣袤星海的第一片綠洲。

可是,缺乏大氣保護、日夜溫差超過兩百度的月球表面,真的會有水存在嗎?

由於缺乏大氣層,液態水在月球上要嘛會因為蒸發而散逸,要嘛會因為低溫結成水冰,很難以液態穩定存在。而即使是固態的水冰,也會在炙烈的陽光下昇華,因此月球表面的大部分地方是幾乎沒有水的。

但大家可以想像一下,月球的公轉軌道與地球繞太陽公轉的黃道面幾乎平行,夾角只有 5.145°。也就是說,月球不論在哪個位置,陽光總是直射在月球赤道附近。如果此時月球的南極點剛好有個向下凹陷,而且足夠大、足夠深的隕石坑,那麼在隕石坑之中的陰影區,就永遠不會照射到陽光。

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圖/wikimedia

這些地方被稱為「永久陰影區 Permanently Shadowed Areas」。由於不會受到陽光照射,因此永久陰影區附近的水冰,能夠持續存在數十億年的時間。

但是,雖然有「保存」水冰的條件,關鍵是永久陰影區中真的有水冰存在嗎?如果有,含量又有多少呢?這時,各國的探月任務就接手上場了。

月球南極真的有水嗎?

這些探月任務可不是一時興起,因為過去「月球上沒有水」的印象可是深植人心。直到 1990 年代開始,科學家才陸陸續續從越來越多月球探測器的資料中,發現水可能存在的蛛絲馬跡。

其中一次重大的進展發生在 2009 年。當時,NASA 使用擎天神五號火箭,同時發射了「月球勘測軌道飛行器 LRO」以及「月球坑觀測和感測衛星 LCROSS」兩個探測器。前者是一顆繞月衛星,後者則是一個撞擊用探測器。

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在發射升空之後,NASA 首先讓 LRO 與火箭分離,並進入月球軌道。接著,還連在火箭第二節上的 LCROSS,則跟著第二節火箭一起朝著月球南極的永久陰影區之一——卡比厄斯環形山飛去。在撞擊前數小時,LCROSS 與第二節分離,並讓第二節火箭以每秒 2.5 公里的高速,直直撞入永久陰影區,激起大量的月表物質。LCROSS 則直直飛入其中,檢測其中的物質成分。並在六分鐘後,同樣撞擊於月球表面。但就在這短短的六分鐘的犧牲打中,LCROSS 收集到的資料向科學家展示了,月球南極的永久陰影區中不僅確定有水冰的存在,更有汞、鎂、鈣、銀、鈉等其他諸多有用的物質資源。

2009 年 6 月 18 日至 2009 年 10 月 9 日 LCROSS 軌跡模擬動畫。圖/wikimedia

有了 LCROSS 的資料,再加上其他月球探測器,像是克萊門汀號、月船一號、LRO 等等,提供各種遙測資料,人類終於能掌握月球表面有水存在的證據。

時間回到現在,月球表面-尤其是月球極區的永久陰影區中,有水冰的存在已經是科學家的共識。但是這些水冰具體有多少,能否支撐人類在月球極區建立太空基地呢?這就只能實際派出登陸艇前往一探究竟了。

到月球南極尋找水冰吧!

可惜的是,8 月 23 日成功在月球上著陸的月船 3 號和攜帶的月球車 Pragyan,在 9 月 2 號和 4 號就入休眠,推測可能是因為無法承受極低溫環境,至今還未能重新喚醒。

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Pragyan 登陸月球。圖/wikimedia

在未來兩年的月球極區無人探測任務中,NASA 的 VIPER 任務可以說是最值得期待的另一項任務。VIPER 全名為月極揮發物調查漫遊車,是 NASA 有史以來第一台「無人月球車」,同時也是 NASA「商業月球載酬服務 CLPS」系列任務的一員。CLPS 和過去的太空任務不同,是由 NASA 提供科研載酬,由商業公司提供載酬的發射、巡航、著陸等服務。本次 VIPER 任務選定的商業夥伴是美國的 Astrobotic Technology 公司,VIPER 探測車將會乘坐該公司的 GRIFFIN 登陸器降落在月球南極,透過各種儀器勘查月球極區揮發份的組成與分布。

這台重 430 公斤,體積與高爾夫球車相當的 VIPER ,身上塞有四個主要儀器。

首先是中子光譜儀,它會藉由量測月球表面中子輻射的能量分布,了解地底下氫原子的分布狀況,從而推測水冰的含量。

第二,近紅外光揮發份光譜儀,它會以近紅外光燈照射月表,並從揮發份的光譜分析它的化學組成,同時也能判斷水是以結晶、非晶質的冰,或是氫氧根離子的形式存在。

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第三,質譜儀,能藉由電場分離不同荷質比的物質。除了能知道月表有哪些元素以外,還能分辨氘與氫、氧-18 與氧-16 等不同同位素的含量,對分析水的來源至關重要。

第四個儀器名為 TRIDENT(The Regolith and Ice Drill for Exploring New Terrain),縮寫很酷,名字很長,但簡單來說就是一個裝有溫度計的鑽頭。可以從月面下一公尺處鑽取一段十公分長的岩芯,為前面幾個儀器提供樣品。

除了這些科研儀器以外,VIPER 上還有一對立體視覺攝影機,能夠拍攝具有距離感的照片,為探測車的導航提供參考。

VIPER 原型機。圖/wikimedia

有了 VIPER,NASA 還必須想好要把珍貴的探測車派到何處進行調查,才能盡可能發揮他的潛能。除了理所當然地要放在可能有水的地方之外,地表的起伏與材質也有要求,比如太陡峭的山壁顯然就不是個好選擇。同時探測的地點,還必須可以和地球建立通訊。

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更重要的是,由於 VIPER 是太陽能驅動的探測車,探測地點不可以長時間缺乏日光,否則探測車會不僅會因為缺乏電力,還會因為長時間處於酷寒環境中而壞掉。進入休眠的月船三號,就是因為設計上就沒有為度過月球寒夜做準備,因此任務的極限時間一開始就限制在兩週左右。綜合以上條件,科學家選定了月球南極 Nobile 隕石坑西方的高地作為 VIPER 任務的地點。這裡雖然不是嚴格意義上的永久陰影區,但是滿足有日照,且時間足夠短到允許地底下有水冰的存在。

為了有充分的時間進行探索,VIPER 設計時就有考慮探測器的電力與保溫,可以透過三個休眠時期度過月球的夜晚,執行至少一百天的任務。在這一百天中,VIPER 將會調查隕石坑周圍,了解到底有多少水冰和二氧化碳、二氧化硫等揮發物,為將來的登月計畫鋪路!

要前往其他星球甚至離開太陽系,比起地球,擁有較低重力的月球,一直被認為是人類出發太空的前線基地。人類想要成為跨行星物種,水則是絕對不可或缺的關鍵資源。而經過數十年的研究,科學家終於在月球發現可能蘊藏大量水冰資源的地方。我們離移民月球或其他行星,又更靠近了一步。

就讓我們一起期待這些探測器們,幫助我們揭開月球南極的神秘面紗吧。

跟大家說個小趣聞,月船三號著陸之後,印度為了慶祝任務成功而將月船三號的登陸點命名為「濕婆神之力 Shiv Shakti」。那如果今天是你的探測器成功登月了,你會想幫登陸地點取什麼名字呢?留言與大家分享吧!

最後也想問問大家,如果人類真的確保水源,並在月球南極建立起了月球永久基地,你會想移民過去嗎?

  1. 不只想,我還想接著去火星跟太陽系外呢
  2. 去旅遊的話剛剛好,我想去找露西和大衛約會的地方聖地巡禮
  3. 先等等,說不定月球背面,還有外星人在等著我們呢

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PanSci_96
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如果整個地球由質子構成,月球由電子構成,那會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/04/26 ・2141字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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如果整個地球都由質子構成,而整個月球都由電子構成,那會怎樣?
——諾亞.威廉斯(Noah Williams)

質子地球,電子月球

這可能是我寫過最具破壞性的假設情境。

你可能會想像電子月球繞著質子地球運行,有點像是巨大的氫原子。某方面來說,這還有點道理;畢竟,電子繞著質子運行,而衛星繞著行星運行。事實上,原子的行星模型曾流行一時(不過,拿來解釋原子竟然不太管用)。

如果你把兩個電子放在一起,它們會想要分開。電子帶負電,而來自電荷的排斥力比將它們拉在一起的重力強了大約 20 個數量級。

如果你把 1052 個電子放在一起(構成月球),它們會劇烈的互相排斥,以致每個電子會被大到不可思議的能量推開。

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事實證明,對諾亞假設的「質子地球和電子月球」情境來說,行星模型更是大錯特錯。月球不會繞著地球運行,因為它們根本沒有機會影響彼此;使兩者各自分別炸開的力量,會遠大於兩者之間的任何吸引力。

如果暫時忽略廣義相對論(等一下會回來談),我們可以算出,來自這些電子相互排斥的能量,足以使它們向外加速到接近光速。將粒子加速到那樣的速率並不少見;桌上型粒子加速器(例如映像管螢幕)可以將電子加速到光速的相當比例。

但是,諾亞月球的電子所攜帶的能量,會遠遠大於普通加速器中的電子所攜帶的能量。它們的能量會超過普朗克能量的數量級,普朗克能量本身則是比最大的加速器中,所能達到的能量又大了很多數量級。換句話說,諾亞的問題遠遠超出普通物理學的程度,帶我們進入到量子重力與弦理論之類的高等理論領域。

所以我聯繫了尼爾斯.波耳研究所(Niels Bohr Institute)的弦理論科學家基勒博士(Dr. Cindy Keeler),請教她關於諾亞的假設情境。

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基勒博士同意,我們不應該信賴任何涉及「在每個電子中放這麼多能量」的計算,因為這遠遠超出加速器測試的能力範圍。「我不相信粒子能量超過普朗克尺度的任何事情,」她說。「我們實際觀測到的最大能量存在於宇宙射線中;我認為比大型強子對撞機大了差不多 106,但還是離普朗克能量很遠。身為弦理論科學家,我很想說會發生什麼關於弦理論的事情——但說老實話,我們也不知道。」

幸好,故事還沒結束。還記得我們先前決定忽略廣義相對論嗎?嗯,這是「帶入廣義相對論反而使問題更容易解決」的罕見情況之一。

在這種情境下,存在巨大的位能——使所有這些電子遠離彼此的能量。這樣的能量會扭曲空間和時間,和質量一樣。結果證明,電子月球中的能量大約等於整個可見宇宙的質量與能量總和。

相當於整個宇宙的質能集中在(相對較小的)月球的空間裡,會使時空強烈扭曲,甚至會比那 1052 個電子的排斥力還要強。

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基勒博士斷言:「沒錯,黑洞。」但這可不是普通的黑洞,而是帶有大量電荷的黑洞。為此,你需要一組不同的方程式——不是標準的史瓦西(Schwarzschild)方程式,而是萊斯納—諾德斯特洛姆(Reissner-Nordström)方程式。

萊斯納—諾德斯特洛姆方程式比較了向外的電荷作用力和向內的重力之間的平衡。如果來自電荷的向外推力夠大,黑洞周圍的事件視界可能會完全消失。那樣會留下密度無限大的物體,光可以從中逸出——這就是所謂的裸奇點(naked singularity)。

一旦有了裸奇點,物理學就會開始分崩離析。

量子力學和廣義相對論給出荒謬的答案,甚至是不同的荒謬答案。有人認為,物理定律根本不容許出現這種情況。正如基勒博士所言,「沒有人喜歡裸奇點。」

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以電子月球的例子來說,來自所有這些電子互相排斥的能量會非常大,以致重力會獲勝,而奇點會形成正常的黑洞。至少,某方面來說是「正常的」;它會是和可觀測宇宙一樣大的黑洞。這個黑洞會導致宇宙塌縮嗎?很難說。答案取決於暗能量是怎麼回事,沒有人知道暗能量是怎麼回事。

但就目前而言,至少附近的星系是安全的。由於黑洞的重力影響只能以光速向外擴展,因此我們周圍的大部分宇宙仍會天下太平,對我們荒謬的電子實驗毫不知情。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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在月球上發現新礦物、首次登陸月球背面,其實中國的太空實力超強?
PanSci_96
・2023/04/23 ・2838字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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說到當今的登月計畫,除了美國阿提米斯外,中國也有載人登陸月球,並且已經進行過多次無人探測任務。甚至打算建立長期駐人基地,而這個計畫就是——「嫦娥工程」。

近期關於嫦娥工程的新消息:中國宣佈發現了月球上的全新礦物,並將它命名為「嫦娥石」。

中國目前的太空實力究竟如何?嫦娥工程到底在做些什麼?比起五十多年前的美國阿波羅計畫,中國的登月計畫又有什麼不同之處?

中國的太空科技實力

中國的太空實力雖然不是最頂尖,但無疑名列前茅,由於起步相對美俄晚了一些,同時在太空相關領域的透明度又比較低,再加上政治等因素,讓中國的太空發展相關消息蒙了一層面紗,鮮少出現在世人眼前。

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回到 1950 年代,美蘇太空競賽如火如荼地進行著,追逐著許多人類從未完成過的壯舉。1957 年 10 月,蘇聯史波尼克一號衛星發射成功,引起全球的高度關注;中共政權看見蘇聯成功的同時,也萌生了自己發射人造衛星的想法……。

時間來到美蘇太空競賽打得最火熱的 1960 年代,中國的太空科技發展也沒有寂靜,由於中共對於軍事科技的需求,又受益於留美學者歸國和蘇聯的技術援助,飛彈及火箭技術逐漸發展成熟;美國阿波羅十一號載人登月成功隔年,中國發射了第一顆人造衛星「東方紅一號」,成為繼蘇、美、法、日後,第五個成功自主發射人造衛星的國家。

值得一提的是,「東方紅一號」由於是運行在幾乎沒有空氣阻力的中地球軌道,至今它仍持續繞著地球轉!

近二十年中國的太空發展也有了許多新進展,2003 年神州五號升空,太空人楊利偉搭著神州太空船繞地球 14 圈後安全返回,完成中國史上首次載人太空任務;在此之後,透過長征系列火箭及神舟太空船,持續執行了好幾次載人太空任務。而在 2022 年底,中國完成太空站「天宮」的建造,亦是目前世上僅有的兩座現役太空站之一。

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東方紅一號至今仍在軌道上運行。圖/維基百科

嫦娥工程

「嫦娥工程」於 2004 年正式啟動,預期的工程方向大致分為:前期的無人探測器探月、中期執行載人登月任務,長期則以建設月球基地並讓基地常駐太空人為目標;目前正陸續進行前期的無人探測任務,中期載人任務則還在準備階段。

美國和蘇聯早在五十幾年前就在進行月球探測任務了,阿波羅十一更在 1969 年成功載人登月,中國現在才在進行探月任務,有什麼亮點是值得我們關注的呢?

和當年美蘇太空競賽時期探月任務相似的是,這一系列任務都是一個國家從無到有探測月球,同時將目標放在未來的載人登月的準備上。然而時間相差 50 年,如今電腦、通訊等各方面技術進展,因此嫦娥工程能用更少的任務次數和更精簡的預算,完成任務目標。

例如前期的無人探測器探測,技術難度由簡單到困難大致可以分為:飛掠、硬著陸、繞行、軟著陸,最困難的則是軟著陸後,採樣返回地球;而為嫦娥工程打頭陣的嫦娥一、二號兩項任務,都是一次就成功進入月球軌道環繞月球,到嫦娥三號就已經軟著陸月球,並讓玉兔號月球車在月球上行駛,還拍下了嫦娥三號在月球表面的照片。

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不過,中國嫦娥工程的獨特之處,從接下來的任務才開始。

翻開過去登月任務的歷史紀錄就會發現,由於受到地球潮汐力影響,月球永遠都是以同一面面對地球(該現象被稱為「潮汐鎖定」),因此所有的登月任務,不論是無人探測器,或是阿波羅計畫中的每一次登陸,都是在月球面向地球的這一面進行。

那該怎麼解決這個難題的呢?中國在月球後方的「地月第二拉格朗日點」,設立了一座名為「鵲橋」的通訊中繼衛星;如此一來,鵲橋衛星就可以一直駐留在月球背面運行,維持地球與月球背面不間斷的通訊。

2018 年鵲橋衛星成功抵達預定軌道,從此讓月球的背面不再是無法觸及的通訊死角,同年年底嫦娥四號成功著陸月球背面,玉兔二號也開始在月球背面行駛,在人類的探月歷史上,達成一項全新的成就。

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嫦娥工程最近一次的任務是在 2020 年,嫦娥五號完成了月球表面樣本採樣,並帶回了將近兩公斤的月球岩石;這是自 1970 年代後,終於再次有月球表面的樣本被送回地球。就在不久前,中國科學家從這批樣本中發現了目前只在月球上被發現、全新的礦物種類,並且命名為「嫦娥石」。

嫦娥五號完成了採樣返回的壯舉。圖/維基百科

中國載人登月真的會實行嗎?未來的展望如何?

根據目前(2023)已知的規劃,嫦娥工程預計將發射嫦娥六號、七號、八號三顆無人探測器。

嫦娥六號原本是嫦娥五號的備份探測器,因此整體設計與任務流程應與嫦娥五號大同小異;但與嫦娥五號不一樣的是,嫦娥六號將飛到月球背面進行採樣。若成功,這將會是人類史上第一次獲得來自月球背面的月岩樣本!

嫦娥七號則將聚焦在探月計畫中各國的必爭之地——月球南極。本次任務進行兩次發射,第一次預計於 2024 年進行,將發射「鵲橋二號」中繼通訊衛星前往月球軌道;與前輩鵲橋號一樣,目的是為了確保未來多個任務與地球之間能夠隨時保持通訊。第二次任務則在 2026 年,將一次發射軌道器(Orbiter)、登陸艇(Lander)、探測車(Rover)與飛躍器(Hopper)在月球南極的永夜隕石坑(Permanently shadowed crater),尋找對未來月球開發至關重要的水冰。

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最後,嫦娥八號的初步規劃與嫦娥七號類似,都是由四個部分組成;但比起嫦娥七號的「探測」,嫦娥八號有個更重要的任務,那就是為中國的「國際月球科研站 ILRS」打下基礎。這輪世界各國探月競賽不只是要上去插旗子而已,而是要建立永久基地,永續利用月球資源。

在無人探測之外,中國對載人登月的準備也在如火如荼進行中。雖然具體細節仍不明朗,但是中國多年來一直有在研究比長征五號更大、更強、能夠進行承擔登月任務的新火箭。

比如前陣子在中國載人航天工程三十年成就展上,就展出了下一代載人火箭長征十號,以及其搭配的載人太空船與登陸艇的模型。根據目前的規劃,長征十號將於 2027 年首飛,能將 27 公噸的酬載送往月球。

新一代載人運載火箭「長征十號」模型。圖/維基百科

經過二十年的努力,中國的探月計畫順利地走過了無人繞月、登月以及採樣返回的過程,交出相當亮眼的成績,未來更有多個任務正蓄勢待發……。

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