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換個位子,換腦袋!機率在不同行業代表什麼意思?——《塗鴉學數學》

臉譜出版_96
・2020/07/23 ・1978字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 作者/ 班‧歐林 (Ben Orlin);譯者/王年愷

若說人類「不擅長」機率,太過簡化又太讓人難堪了。

機率是現代數學裡一門相當精妙的分支,當中處處有悖論陷阱。即使是基本的問題,也可能讓冷靜無情的專家暈頭轉向。嘲諷別人機率算錯,就像是在笑他們怎麼那麼不會飛,或是怎麼那麼不會喝下一整個海洋的水,或是怎麼那麼不防火。

如果真要說句公道話,應該說人類處理機率的能力實在爛透了。康納曼和特沃斯基在心理學研究中發現,人類對於不確定的事件有頑固的錯誤想法。他們會一而再、再而三地高估可能性微乎其微的事件,並低估幾乎鐵定會發生的事件。

圖/臉譜出版提供

這沒什麼大不了的,不是嗎?老實說,我們什麼時候看過機率在真實世界裡冒出頭來呢?又不是一輩子都在想辦法抓住知識性的工具,讓我們也許能在每一個清醒時刻的種種不確定性混沌中稍稍有些安穩⋯⋯

好吧,為了以防萬一——本章是一個操作指南,說明各種不同的人類怎麼去思考不確定性。這個東西就算再難,也不表示我們不能拿它來玩一玩。

如果你是政治記者

圖/臉譜出版提供

哈囉!你是一位政治記者。你會報導即將到來的選舉。你會報導失敗的選戰。在罕見的特別日子裡,你甚至還會報導像是「政策」和「治理」的事。

另外,稍微不可能的事情發生時,你好像會感到困惑。情況並非一直如此。在某個遙遠的過去,你會把選舉視為無限可能的神奇時刻。你輕描淡寫最可能發生的結果來增加刺激感,讓每一場選戰看起來都像是比賽結束鈴聲響起時從中場丟球正中籃框定勝負的。

2004 年美國總統大選當天晚上,小布希在俄亥俄州領先 100,000 票,未開出的選票不到 100,000 張時,你卻說俄亥俄州的選舉結果「太接近,無法確定」。到了 2012 年的總統大選,機率模型預測歐巴馬獲勝的可能性是 90%,你卻說選戰是「兩邊都有可能贏」。

然後,2016 年又把你的世界完全顛倒過來了。川普贏了希拉蕊.柯林頓。第二天醒來時,你覺得你經歷了一次量子奇異點,選舉結果就像是一隻突然憑空冒出來的兔子一樣完全無法預料。但對機率學家席佛(Nate Silver)及看法相近的人來說,這個結果只不過有一點意外而已,發生的機率為三分之一—就像丟骰子丟出 5 或 6 一樣。

如果你是氣象預報員

圖/臉譜出版提供

哈囉!你是一位氣象預報員,是電視上的雲層先知。你的一舉一動都自信滿滿,每一次交談的結尾都是「現在把現場交還棚內主播」。

另外,你會故意把機率說得模稜兩可,讓觀眾不會對你生氣。當然,你會盡可能誠實。如果你說明天的降雨機率是 80%,你所說的完全正確:在這樣的日子當中,降雨的日子總共有 80%。

但是,當降雨比較不可能發生時,你會誇大這些數據。你害怕有人把雨傘留在家裡,天空卻下起雨來,他們跑到網路上罵你。因此,當你說明天降雨機率是 20% 時,這種日子實際上只有 10% 會降雨。你會增加機率,來減少觀眾的咒罵。

假如觀眾更了解機率是什麼,也許你就能夠說出真話。當觀眾聽到「10%」的時候,好像會理解成「不會發生」。假如他們真的理解真正的意思(「每十次會發生一次」),你就能放鬆講出心裡真正想說的數據。在這一天到來以前,你仍然只能兜售半真半假的數據。

現在把現場交還棚內主播。

如果你是千年鷹號太空船船長

圖/臉譜出版提供

哈囉!你是「千年鷹號」(Millennium Falcon)1 太空船船長。你是一位星際暴徒、壞蛋,也是心腸寬大的俠盜。你一生的伙伴是一隻身上只穿一條子彈帶的 8 英尺長太空狗。

另外,你完完全全否認有「可能性」這件事。你不是一個會冷靜反思和考慮戰略的人。你會走私違禁品,也會顛覆整個帝國。你是快速拔槍殺人的冒險之士,只要稍有遲疑便會喪命,多猶豫幾下的話還會更慘。

在散兵坑裡沒有機率專家,而且你一生都躲在散兵坑裡。對你來說,繁複的機率算式只是累贅,和某個一直說「我的天啊」及「請容我建議」的神經質金色機器人一樣是拖油瓶。

我會覺得,我們每一個人的心裡都有一點你的特質。在需要冷靜、細心評估的時候,機率是相當有用的東西,但有時候我們需要一種自信,是頑強的量化數據給不了的。在需要直覺和行動的時刻,被機率拴住的人可能會畏縮,不敢跳出非跳不可的一大步。在這種時候,我們必須忘掉數據,儘管去飛。

註解:

  1. 譯注:《星際大戰》中的宇宙飛船,用於走私業務,影史上最著名的太空船之一。

——本文摘自《塗鴉學數學:以三角形打造城市、用骰子來理解經濟危機、玩井字遊戲學策略思考,24堂建構邏輯思維、貫通幾何學、破解機率陷阱、弄懂統計奧妙的數學課》,2020 年 5 月,臉譜出版

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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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另外一個你可能存在嗎?從宇宙誕生到現在,你的存在需要經過一千兆個「偶然」——《宇宙大哉問》
天下文化_96
・2022/09/23 ・3064字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 作者/豪爾赫.陳、丹尼爾.懷森
  • 譯者/徐士傑、葉尚倫

還有另一個你嗎?

如果世界上某個地方有另一個版本的你,會不會很奇怪?

這是什麼科幻劇情?圖/天下文化提供

你們兩個之間有很多共通點,喜歡吃的水果(香蕉)、不喜歡吃的水果(桃子)、擁有同樣的技能(製作香蕉冰沙)和相同的缺點(香蕉冰沙吃了停不下來)、同樣的記憶、幽默感以及個性。當你知道有其他版本的你存在時,你會覺得很怪異嗎?你會想與他們會面嗎?

想像一下更詭異的情況:有個人幾乎和你完全一模一樣,僅稍稍有些不同。如果這個人比你更好呢?也許他做的水果冰沙更加美味,或者生活的方式更有意義。或者,這個人比較沒有才華,但是比較卑鄙,就像是邪惡的分身呢?

假如有幸能見到另一個你,或許你可以發現自己的更多可能。圖/天下文化提供

這有可能嗎?

雖然讓人難以想像,但物理學家不能排除另一個你存在的可能性。事實上,物理學家不只認為另一個你是可能存在的,甚至認為另一個你存在的可能性更高。也就是說,就在此刻,當你讀到這篇文章時,可能有另一個你正在某個地方,穿著和你一樣的衣服,以相同的方式坐著,甚至讀著同樣的一本書(好吧,也許是稍微有趣的版本)。

搞不好另一個你也正在看這篇文章喔!圖/天下文化提供

要瞭解另一個你存在的意義及可能性,我們得先考慮你的存在有多麼獨特。

你存在的機率

乍看之下,世界上有另一個與你毫無二致的人,機率好像是微乎其微。畢竟,想像一下,為了讓宇宙創造你,有多少事情必須發生,而且要環環相扣,缺一不可。

超新星必須在氣體和塵埃雲附近爆炸,藉著震動造成引力崩坍,形成我們的太陽和太陽系。這些塵埃中的一小塊(不到萬分之一)必須聚集在一起形成行星,並與太陽保持合適的距離,這樣水就不會結冰或變成蒸汽。生命一定要開始,恐龍必須滅絕,人類不得不演化,羅馬帝國必須崩潰,而你的祖先必須逃過黑死病。然後,你的父母必須相遇並且喜歡上了彼此。你的母親務必在正確時間排卵。在與數十億顆精子的馬拉松游泳賽中,帶有你一半基因的精子必須衝刺獲勝。單單是讓你誕生,就需要這一連串事件。

宇宙必須經歷一連串事件,才會有現在的你。圖/天下文化提供

想一想你在生活中做出的所有決定,使你成為今日的你。你有沒有吃很多香蕉。你有沒有遇到那個重要的朋友。你那時候決定待在家裡,否則會被水果推車碾過。不知何故你發現了這本關於宇宙的蠢書,並決定閱讀它。所有的一切,都從四十五億年前開始,導致了你此時此刻在這裡存在。

假如所有事情以完全相同方式再次發生,從而造就另一個你的機會有多大?這似乎不太可能,對吧?

也許不是喔!讓我們回溯所有導致你出現的隨機事件、決定和時刻,並試著計算機率是多少。

讓我們從今天開始算起:你醒來後做了多少決定呢?你可能決定怎樣起床,穿什麼衣服,吃什麼早餐。即使是看起來很小的決定,也可能改變你的人生歷程。例如,你選擇穿有香蕉圖案的襯衫或者是領帶,可能影響你未來的配偶有沒有注意到你。

讓我們假設,你每分鐘大約會做出一兩個可能改變人生的決定;這聽起來好像很有壓力,但如果你贊同量子物理學和混沌理論,數字應該會更高。假設每分鐘只有幾個決定,那麼你每天就要做出數千個重要決定,每年就高達約一百萬個。如果你超過二十歲,人生到目前為止,就已經做出超過兩千萬個決定,才會有今日的你。

接下來,假設你做的每個決定只有兩種可能,例如 A 或 B,或者香蕉和桃子。好啦,我知道通常要選擇的項目很多(譬如,早餐店的菜單選項多不勝數),但讓我們簡化問題。要計算那兩千萬次決定而成為你的可能性,你必須取 2 的兩千萬次方,即 220,000,000

如果你超過二十歲,人生到目前為止,就已經做出超過兩千萬個決定,才會有今日的你。圖/天下文化提供

為什麼?因為每做一次決定就會讓可能的數目加倍。舉例來說,你必須選擇從哪邊(左邊或右邊)下床、早餐吃什麼水果(香蕉或桃子),以及上班搭什麼交通工具(火車或公車),總共就有 2×2×2(或 23)種開啟一日行程的方式。你從左邊下床、吃香蕉並坐公車的機率是 23 分之一,或說 8 分之一。

因此,如果你在生活中做出兩千萬個 A 或 B 的決定,那就意味你的生活可能有 220,000,000 種不同的結果。這真是一個驚人的數字,是吧!但我們才剛開始暖身而已!

我們還必須考慮你的出生機率,包含你父母做決定的可能結果。如果將你父母的決定算進來,就必須再加上四千萬個決定(你父母各兩千萬個)。再加上你四個祖父母,還有八千萬個。曾祖父母呢?還有一億六千萬個。你瞭解了嗎?每回推一個世代,祖先數量就增加一倍,影響你出生的決定數量也跟著加倍。人類已經在地球上生活了至少三萬年,或許可換算為大約一千五百個世代。若將你所有祖先全部考慮進來,可能的數量會更龐大。

如果再將你父母的決定算進來,就必須再加上四千萬個決定。圖/天下文化提供

其實,真要計算起來實際情況更加複雜,如果回溯得夠遠,你會發現親戚之間盤根錯節的關係,同一個人可能在你的家譜中重複出現,除了引發令人尷尬的話題之外,也讓數學計算變得更加複雜。為簡單起見,我們假設你每代只受到兩個人的影響。這仍然有 1,500 代× 2 人× 2,000 萬個決定= 600 億個決定。及至目前為止,你發生的機率是 260,000,000,000 分之一。

只算到這裡就夠了嗎?讓我們考慮人類史前歷史並回溯到數十億年前最小微生物演化之時。在大約三十五億年前,地球上的生命開始孕育。如果你不得不製作年代如此久遠的家譜,就會發現祖先主要是微生物和簡單植物。他們大概無法做出有意識的決定,但仍會遭受到隨機事件影響,諸如風如何吹動,陽光是否照耀,天降甘霖與否等等。

假設你的微生物祖先每天至少受到一個隨機事件影響,每個隨機事件也有兩種可能結果(例如,一塊石頭是否砸落在你的微生物祖先身上)。這意味我們必須將另外一兆(1,000,000,000,000)個決定事件添加到我們的機率中。

現在,讓我們回到四十五億年前太陽系剛形成的時候,找到你的構成原子之前所在的恆星或行星,然後再一路回到一百四十億年前的大霹靂。讓我們做個超級的低估,假設在那些日子裡,每天都發生了一件可能影響你來到人世的重要大事。直到今日,大約有一千兆個關鍵事件,你存在的機率陡然劇降到約21,000,000,000,000,000 分之一。

總而言之,你存在的機率大概是 2 的 1000 兆次方分之一。圖/天下文化提供

——本文摘自《宇宙大哉問:20個困惑人類的問題與解答》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

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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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面對新聞媒體,科學家該如何溝通?——《疫苗先鋒》
天下文化_96
・2022/03/27 ・3958字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者/莎拉.吉爾伯特、凱薩琳.格林
  • 譯者/廖建容、郭貞伶

2020 年 7 月 15 日,佩斯頓(Robert Peston)在英國獨立電視台《十點新聞》(News at Ten)報導:「記者最近得知,在製藥界巨頭『阿斯特捷利康』的支持之下,牛津正在進行的疫苗開發工作有了非常重要的消息,同儕審查顯示,我們身上都具備的抗體,以及名為 T 細胞或稱殺手細胞所造成的免疫反應,跟研究者期待的一樣好。所以這是個好消息,是疫苗可能有效的證據……相關人士認為最快在秋天『這款疫苗』就有可能大量生產。」

Robert Peston
羅伯特.佩斯頓現為英國獨立電視台的記者。圖/Nuffield College

我想我真的把紅酒噴了出來。這是在搞啥啊?所有參與這項計畫的人,只要是跟臨床試驗數據沾上一點邊,都會受到嚴格的指示,絕對不能談論它。我們不能在自己的電腦裡保存副本,或是用電子郵件傳送。當然也不能告訴朋友。甚至有些人實際參與疫苗製造,也還未被告知數據是長什麼樣子。但是,佩斯頓卻在推特跟全國新聞上大談特談。

《泰唔士報》(The Times)及《每日電訊報》(Telegraph)上,立刻出現了對他的某些說法照單全收的文章(其他報紙則主要關注我們有必要在三明治連鎖店裡繼續戴口罩)。牛津大學甚至在推特上發推其中一條新聞連結;我們被禁止談論自己的研究發現,但洩密的科學卻可以,這似乎是精神錯亂了。

我不認為我們有人去調查消息從哪裡走漏(對於洩密的源頭為何,充斥著各種猜測:是英國疫苗任務小組的某人說出去的,還是有政府部長想要在那一天曝光一個好消息?)但這讓我們在未來更加小心。如果我們瞭解得還不夠清楚的話,這件事也讓我們更加明白了,當聚光燈照到我們所做的每一件事情上時,燈光是多麽刺眼。

媒體的影響

在我小時候,我夢想著要成名:我會上電視,《每日郵報》(Daily Mail)上會刊登我的照片,所以我決定要成為科學家。以上純屬虛構,並沒有人這麼說過。

一整個 2020 年,團隊裡的每個人都挺身應付自己的人生課題。與此同時,由於事情還沒有難到爆表,我們以很快、有時快到嚇人的速度發展出全新的技能。我們一路走一路解決問題,也因為參與這個「世上獨一無二的故事」,我們學習著如何克服在溝通上所遇到的挑戰。

當人們只想要簡單的答案時,我們試著想出方法讓人們瞭解事情的複雜性。在為病人保密(和避免內線交易)的同時,也要公開透明。要真實地介紹我們的工作,卻又不低估它的價值。既要跟人們討論與數據相關的注意事項、未知數及不確定性,又要能給人們安慰,讓人們信任我們的工作。在維持住個人生活界線的同時,我們也努力促進大眾對科學有更多瞭解。

有時候媒體(傳統媒體和社群媒體)會幫助我們應對這些緊張局面。大部分新聞記者跟我們一樣,都是在艱難的情況下盡力而為,在傳播新興的複雜科學方面,有許多記者做得相當出色。但是在其他時候,媒體似乎也確實造成了緊張狀態。有時候,某些記者有自己的目的,而其他記者根本沒仔細去查證真相,就把這位記者說的話當成事實報導出來,結果訊息被扭曲,或是故意聳人聽聞,讓我們深感挫折。

這同時也是我們的機會,畢竟可以接觸到通常不會對我們的研究感興趣的人群,並將確認過的正確訊息告訴全世界。我們始終清楚,疫苗之父詹納(Edward Jenner)的偉大成就不是發明對抗天花的疫苗。疫苗並非他的創見,他就跟其他科學家一樣,都是在其他人的工作基礎上發展壯大。但是他做到了其他人沒有做到的事,那就是向大眾宣傳他的發現,並呼籲人們廣泛接種疫苗。

1796 年,愛德華.詹納發明人類史上第一支疫苗,用來對抗天花。圖/Wikipedia

媒體像雙面刃一樣,這並不是什麼新鮮事。但我們不是有影響力的人或是皇家成員,所以我想,我們絕大多數的人先前並沒有那麼關心媒體的本質。我們在實驗室裡隱姓埋名的工作,如果我們的最新發現能刊登在高度專業的科學期刊,我們會很高興。可是現在,我們別無選擇,只好拿起這把雙面刃,盡我們所能地揮動。我們的工作很重要,而且人們想要瞭解我們的工作,即使我們不想涉入,也無法置身事外。在 2020 年最初的幾個月,關注、壓力及失言都在逐漸累加。1 月底,全世界開始擔憂疫情,我們收到很多請求,希望我們發表談話。2 月時,我們在研究實驗室首度進行照片拍攝(不是在臨床生物製造機構,畢竟我們正在製造疫苗,我不能冒險讓疫苗製造過程受到汙染或中斷),往後還又進行過好幾次。

讓攝影師及拍攝小組進實驗室,總是會一團混亂。三、四個人在實驗室裡踩來踩去,電線拉來拉去,有讓人絆倒的危險,拍攝小組將工具隨手棄置在實驗室的工作檯上,並要求深感壓力的團隊成員解釋目前正在做什麼,拍攝小組會說再講一次,最後一次,這次真的是最後一次。有時候結局並不愉快,譬如有位工作人員認為原本要進行拍攝的辦公室不合適,會拍到窗外的鷹架,結果他們在免疫學實驗室裡最忙碌的角落拍攝訪談,毀了一整個早上的工作。

到了 3 月,我和團隊成員一直不斷收到媒體的採訪請求。我記得曾跟《每日快報》(Express)的記者做過電話訪談。我跟他談了大約半小時,我以為我有小心仔細地向他描述整個故事:我們如何製造疫苗,如何測試疫苗的安全性,以及對於臨床試驗的計畫。結果當我看到新聞標題時,想像一下我有多麼驚訝:「冠狀病毒疫苗:牛津大學科學家怕英國『把雞蛋全放在一個籃子裡』」。

愚蠢的是,我真的說過這樣的話。就在訪談結束前,他問了我:「妳最擔心什麼?」現在回想起來,這顯然是記者的套話技巧。我們一直在聊天,我覺得很放鬆,所以我沒想太多就回答了。我其實說的是(我的想法埋在文章的字裡行間,文章其實寫得相當好,既清晰又準確),由於我們必須如此快速的工作,吉爾伯特無法先花上好幾年的時間測試不同版本的疫苗,再提出最後的設計,我們只能做出最簡單的選擇,重複之前對抗 MERS 的有效策略。但是標題暗示的跟我所說的並不一樣。上了一課,學到教訓了。

4 月時,聽說校園裡出現了狗仔隊(我想是有人在醫院停車場注意到某人持有長焦鏡頭的照相機)。我們並不習慣這種關注。格拉納托據稱死亡的假新聞所帶出的一連串事件,讓我們清楚的意識到,在跟媒體互動時,我們需要更有策略、更主動掌握局勢。

媒體在許多方面對我們都很有幫助。我們能夠那麼快地招募到臨床試驗志願者,新聞報導很可能是重要關鍵之一,它也提升了我們的知名度,讓注意到的人慷慨捐助我們的計畫。但是現在我們需要保護志願者及臨床試驗過程的隱私及安全性,並給我們自己空間,繼續研究工作。

我們在為疫苗臨床試驗而設立的網站上貼出告示:「我們知道臨床試驗的進展充斥著謠言及不實報導。我們懇請民眾不要相信這些訊息,也不要繼續轉傳。我們不會再提供關於臨床試驗的評論,所有的官方更新都會公布在這個網站上。」

我們也開始將所有來自新聞記者的要求轉給大學的新聞辦公室,他們會代表我們回絕絕大部分的要求。新聞辦公室幫我們安排跟幾位選定的記者做了幾次背景介紹。我們不再做任何形式的評論,而是討論一些一般性議題,譬如,比較兩次不同臨床試驗結果的困難之處,以及我們可能會如何處理;或者在臨床試驗中我們如何測量抗體。除此之外,我們會在有數據要發表以及有話要說時再進行溝通,而不是無話不說。

當然,這並未讓各方不再提出請求。儘管我的推特出了點狀況,相對來說我的私人資訊還是沒那麼公開,但吉爾伯特就得放棄手機了。大學網站上有她的手機號碼,記者不斷打來要她發言,公眾人士想聽她的保證,投資顧問希望得到內線消息,會議籌辦業者想找她當主講人。

吉爾伯特教授不斷收到新聞記者和各方人士的邀約。圖/Pexels

可是吉爾伯特無法放棄電子信箱,因此她的收件箱中充滿了想得到及想不到的釣魚嘗試,企圖誘使她點擊惡意附件,也有人寄來各種訊息,要她放棄研究,採用他們的理論來治癒新冠肺炎,包括吃香蕉/大蒜/水仙花/日本梅精/植物/所有天然成分/複合配方/蜘蛛毒的解毒劑/水及鹽/動物(「我沒有指明什麼動物」)。

大學升級了網路安全防護。有傳言說俄羅斯特工試圖偷竊我們的疫苗數據,我們的資訊人員也遇到一些「不尋常」的問題。不過,無論他們做了什麼,肯定沒有過濾掉所有可能是善意、卻也造成困擾的方法。

我們的新策略其實就是在發表第一篇同儕審查論文之前,繼續埋頭苦幹。這個策略一直還滿順利,直到佩斯頓的洩密文刊出。他讓我們大吃一驚,但還好他的結論是正確的,不像 4 月時我們處理的假新聞。疫苗的表現確實如我們的預期。它讓免疫系統增強對新型冠狀病毒棘蛋白的防禦,並且沒有引起任何有問題的副作用。偶爾會有手臂痠痛,或是發燒的現象,這些副作用很容易用撲熱息痛(paracetamol)治療。

不過就像 4 月時的情況,希望我們做出評論的要求激增,突破新高。這讓我們首度感到相當為難。任何一絲訊息,即使是某人從其他管道洩漏出去的,都會讓我們受到質疑。當我們什麼都不說,會被批評不夠透明化,沒有盡到告知大眾的義務,但要是我們真的說了,批評者又會說我們是在做「新聞稿科學」。

——本文摘自《疫苗先鋒:新冠疫苗的科學戰》,2022 年 2 月,天下文化
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國際太空站與它的繼承者們——淺談近地軌道商業服務的歷史
EASY天文地科小站_96
・2022/02/17 ・3898字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 文/林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

2021 年底,美國政府宣布再次延長國際太空站(ISS)的服役年限,讓它繼續運作到 2030 年,續寫這座人類史上最大人造衛星的傳奇。與此同時,NASA 的「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)也正如火如荼地展開,旨在創造多元而蓬勃的近地軌道經濟圈。

舉世唯一的微重力實驗室:國際太空站

國際太空站絕對夠格問鼎當代最偉大的工程奇蹟之一。由美國、俄羅斯、日本、歐洲與加拿大共同打造,ISS 的質量約 450 公噸,大小相當於一座美式足球場,是歷史上最大最重的人造衛星,二十多年來以約 7.6 km/s 的高速,在 400 多公里高的近地軌道上繞行地球。太空站上常駐約 7 名左右的太空人,負責維護太空站的運作,並且在這獨一無二的微重力環境下,進行各式各樣的科學研究。

2021 年 12 月 9 日,從載人版天龍號太空船(Crew Dragon)拍攝的國際太空站。圖/NASA Johnson

這樣一個龐然大物,世界上沒有任何一款火箭有辦法一次就把它送上軌道。因此 ISS 的建造,是一次一個地把艙段發射到軌道上,然後讓它在茫茫太空中,精準地與之前發射的其他艙段對接,像拼樂高一樣,一步一步地把整個太空站組裝起來。從 1998 年到 2011 年,多國團隊一共花了 13 年的時間、31 次發射,才完成 ISS 的建造。

國際太空站從 1998 至 2011 的主要組裝過程縮時。整體而言 ISS 自 2011 之後並沒有太多大規模的改動,但仍有新增新的艙段(如 BEAM、Nauka、Prichal)、更換電池(如 HTV-6 帶上去的鋰離子電池)與太陽能板(如 iROSA)等設備。影/YouTube

然而,光是「建造」太空站是不夠的,為了維持太空站的運作,太空站上必須要有太空人常駐,因此每隔幾個月,多國團隊就得發射載人任務,把新一批太空人送上太空站,並讓前一批太空站上的太空人返回地球。同時,為確保這些太空人能在太空正常生活,它們還得更頻繁地發射無人貨運太空船,為太空人帶來食物、水、維修零件等資源。

截至 2021 年底,已發射了超過 66 批「遠征隊」(expeditions)輪班駐守 ISS,並且發射 144 趟無人貨運任務。每一趟任務背後,都要耗費數億美金的火箭發射成本,及數百噸的火箭推進劑。再加上太空人的訓練、基礎設施建造、早期的研究與試驗、多國間的協調合作……等等,這個計畫的規模之宏大可見一斑。

自由市場的力量:商業補給與運載服務

國際太空站的建造與運作是如此的昂貴,即使是全世界資源最豐富的太空機構:NASA,要長年維持它的運作也顯得力不從心。

其中一個重要的原因,在於 NASA 當年用於運補國際太空站的主力——太空梭(STS)。太空梭不僅操作危險,成本也非常昂貴。面對這種情況,NASA 想到:「也許我們可以從最簡單運送補給物資開始,培養一批民間太空公司,等它們的成長茁壯之後,就可以把這些「日常瑣事」外包出去給它們做。」

在自由市場的競爭壓力下,這些民間太空公司自然會拚命地找出效率最高的辦法達成目標。如此一來,NASA 省了錢,又培育了國內的航太科技實力,豈不是一舉兩得?

於是,2006 年,NASA 啟動了「商業軌道運輸服務」(COTS)計畫,讓民間太空公司在 NASA 專業人員的幫助之下,自行設計一套火箭與太空船參與競爭。

每達到一個 NASA 設定的里程碑,就可以拿到相當可觀的資助,進行下一階段的開發,由此一步一步地完成整套系統的開發。經過激烈的競爭,最終由老牌太空公司「軌道科學」(Orbital Science)與當時的新創太空公司 SpaceX 奪下勝利,取得「商業補給服務」(CRS)合約。時至今日,雙方的「天鵝座」(Cygnus)與「天龍號」(Dragon)系列貨運太空船,仍是補給國際太空站的主力。

SpaceX 的 Cargo Dragon 2 太空船(左)與 NG 的 Cygnus 太空船(右)是如今 ISS 補給任務的兩大主力。嚴格來說,這兩艘太空船和其搭配的火箭已經改良多次,與 2008 年奪得 CRS 合約時的設計早已大不相同。Orbital Science 在 2015 年與 Alliant Techsystems 合併為 Orbital ATK,又在 2018 年被諾斯洛普.格魯曼(NG)買下。科技產品與市場環境的高速變化,有時候實在是讓筆者很難一句話把事情講清楚。圖/NASANASA

有了 CRS 的成功經驗,NASA 決定打鐵趁熱,在 2011 年啟動「商業載人服務」(CCP),讓商業太空公司負責難度更高的載人太空飛行任務。

經過多年競爭,這次脫穎而出奪得合約的是 SpaceX 與波音兩家公司。然而,命途多舛的波音「CST-100 星際航線」(Starliner)太空船頻頻發生問題,至今(2022 年 2 月)仍未成功執行任務。另一邊,SpaceX 的「載人版天龍號太空船 Crew Dragon」太空船則相對順利得多,不僅已經 4 度成功把太空人送上 ISS,更將 Crew Dragon 用於太空旅遊,在「靈感 4 號」(Inspiration 4)任務中讓 4 位民間太空人體會了 3 天的軌道飛行,並且未來還會執行更多類似任務。讓我們看到這些為政府機構打造的太空船,其實有著巨大的商業潛力。

朝陽下,裝載於獵鷹九號火箭頂端等待發射的 Crew Dragon。圖/SpaceX
比起太空梭等上個世紀設計的太空船,Crew Dragon 的控制面板採用大面積的觸控螢幕,整體設計簡約而現代。圖/SpaceX

商業近地軌道太空站:打造蓬勃的近地軌道經濟圈

時光飛逝,歲月如梭,國際太空站轉眼間已經服役超過 20 年。整體而言,太空站的狀態還算良好,但是大大小小的故障仍時有耳聞。因此,即使美國政府宣布讓 ISS 持續服役到 2030 年,尋找國際太空站的接班人仍是刻不容緩。

對此,NASA 故技重施,啟動了「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)計畫。這次不只運貨、載人,而是要讓商業太空公司自行設計、建造與運營商業太空站。經過第一階段的評選,目前有 3 組團隊獲選,它們分別是:

  1. Orbital Reef,此為藍色起源(Blue Origin)與內華達太空公司(Sierra Space)、波音、Redwire Space、Genesis Engineering Solutions 等多家公司組成的聯合團隊所提出的方案。它擁有大直徑的艙段、大直徑的對接口,能夠支持 6 名太空人的生活,無論是技術或是商業規劃上都相當有野心。
  1. Starlab,此為 Nanoracks、Voyager Space 和洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)組成的聯合團隊提出的方案,特色是使用了一個巨大的充氣式艙段,讓整座太空站只需發射一次就能進入軌道,不需要多次發射再對接。
  1. 第三個是諾斯洛普.格魯曼提出的太空站計畫,不過它目前還沒有一個閃亮的名字。相較於上述 2 項方案,諾斯洛普的計畫就顯得相當中規中矩。它們使用了大量現成的技術以降低開發風險,避免計畫延宕,但就顯得缺乏亮點,商業計畫也相對不被 NASA 看好。

最後,當廠商們的技術發展成熟(預計是在 2025 年以後),NASA 就會從指導者變成客戶,付錢購買廠商們的服務。除了角逐 CLD 計畫的 3 個團隊之外,還有另一組人馬——Axiom Space,也是商業太空站大賽的選手之一。比起剛剛起步的 CLD 三家,Axiom Space 不僅已經拿到 NASA 的合約,而且太空站怎麼建造也都已經有了相當完整的規劃。若進展順利,應該會成為第一個成功入軌的商業太空站。

Axiom Space 的太空站建造動畫。多個艙段將首先被安裝在 ISS 上,直到最後整個太空站建成之後,再脫離成為獨立的商業太空站。影/Axiom Space

蓬勃發展的近地軌道經濟圈

國際太空站是 21 世紀初人類的太空技術結晶,是世界各國耗時 13 年、斥資上千億美金完成的偉大工程。然而時過境遷,這座龐然大物逐漸顯露疲態。值得慶幸的是,得益於 15 年來商業太空領域的高速發展,民間太空公司已經一步步掌握火箭、貨運、載人太空船,乃至於太空站的開發與運營技術,讓太空不再是政府機關的專利,也讓 ISS 不怕後繼無人。

隨著資源與人力的不斷投入,一個生機勃勃的近地軌道經濟圈,也許並沒有我們想像的那麼遙遠!

參考資料與延伸閱讀

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