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微重力下的挑戰!太空艙內除了上廁所以外,太空人還會遇到哪些生理問題?——《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》

三民書局_96
・2023/07/11 ・2898字 ・閱讀時間約 6 分鐘

人類探索神秘宇宙的步伐從未停下。目前,宇宙中有多個「太空站」,太空人會在太空站中進行實驗。但他們的生活狀況為何?和地球有何區別?

太空人的生活並不神祕,但以常人眼光來看,可能會覺得別有樂趣。畢竟在太空環境下,沒有地球重力,許多事情都變得「難以想像」。

擁擠的太空艙是太空人賴以維生的窩 任何資源都不容浪費

由於太空站的使命,是讓人類可以長期在那裡進行科學研究。太空站一旦進入宇宙,就不能再回到地球了,所以太空站中擁有所有生活起居需要的東西。人類送到太空的第一個太空站,是前蘇聯 1971 年的禮炮1號,在同年這個太空站被燒毀前,就已經足以承擔太空人生活 23 天的重任。

太空站的使命,是讓人類可以長期在那裡進行科學研究。圖/envatoelements

大家可以想像一下,太空中沒有重力,人類的排泄物可能會「亂飛」。這肯定是不能接受的,所以太空站中有一種設備,它會產生一些氣流,讓人類排出來的大小便朝一個固定方向流動抽除。這項設施,其實充當了地球重力的作用。整套設備在太空博物館中就有(在太空博物館中,你還可以瞭解許多失去重力後的生活方式)。

當然,太空人排出的大小便並不是直接「丟棄」到太空!像水資源,它在太空中十分寶貴,所以人們的尿液都會經過處理後再次飲用,糞便中的水分,也要經過處理完全提取出來,然後讓它變成一坨硬硬的東西,包裝好存放起來。至於糞便的後續處理,它可能應用於很多地方。比如糞便裡有細菌,就可能用於培養火星的土壤,或是帶回地球繼續做研究。

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氣壓是否不同?人還會不會排氣?

其實排氣放屁是人的生理功能,在太空站中,人的所有生理功能都不會變差。至於是否排氣,必須要看太空人吃了什麼東西,這跟自身腸胃功能有關,與太空的環境關聯不大。

太空人在太空中不是很「喜歡」吃東西,因為吃多就會上很多次廁所。但在太空中,上廁所的位置很小、很麻煩,所以大家吃的都很少。

一些太空站上會出現的食物。圖/維基百科

太空艙裡面的空氣如何?

最初,太空艙內、太空人的太空衣都是「純氧」的,最主要的原因是不想裝太多的氮氣,因為它太「重」了。

然而使用純氧的太空艙後,我們遇到了一個問題:大家都知道第一個到太空的太空人是加加林,但實際上他並非選定的第一人。之前,在做地面測試的時候太空艙突然著火,由於純氧易燃,當時的太空人直接在裡面發生了意外。

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而後美國也有 3 名太空人由於電線短路,被燒死在純氧的太空艙中。於是我們決定改善氣體結構,讓它的組成成分與地球一樣。所以,像和平號、國際太空站、太空梭、神舟和天宮號上的空氣,都和地球的大氣一樣。

不過,太空人有時候要到太空站外工作,這時他們出艙服內的氣體必須是純氧,這樣氣壓相對會比較小,可以讓他們胳膊和腿部的關節自由彎曲。所幸目前為止,太空人穿純氧出艙服出艙近 400 餘次,尚未發生意外傷亡事故。

太空人出艙執行任務。圖/維基百科

讓太空人在太空生活,沒有重力,身體生理機能處於高度失水狀態,吃喝拉撒也比較困難,我們當然要想辦法讓他們的呼吸儘量順暢啦!所以才為他們提供和地球一樣的家鄉氣體條件。

太空人會不會缺乏陽光?

在太空站中,每 45 分鐘,就會經歷日出、日落,在地球上則是 12 小時。但太空人睡覺的時間還是正常的,比如你想加班,那就睡 4、5 個小時,不加班就睡 8 小時。

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有人會擔心,太空人在太空站中,是一個昏暗的環境,只有燈光。沒有太陽的照射,人體內會不會缺乏一些營養物質,從而影響身體健康?其實,我們需要陽光照射,是由於太陽光照射皮膚後,人體內會產生維他命 D,它可以幫助身體吸收食物中的鈣。

所以,在太空中,太空人都會帶著維他命 D 片,這個問題也就不存在了。當然,太陽光是一個讓太空人生活環境舒適的必備條件。好在太陽每 45 分鐘就升起、落下,問題不大。

太空人會基因突變?

說到這個問題,就不得不提及之前的一則新聞了:有報導稱太空人在太空待了 340 天,回到地球以後,發生基因突變,和他的同卵雙胞胎兄弟有了不同,為什麼會這樣呢?

實際上,這兩名太空人在 NASA 非常有名,史考特・凱利馬克・凱利是一對同卵雙胞胎兄弟,NASA 對他們進行了實驗。讓史考特到太空中去,而馬克留在地球,觀察他們的基因表現。據新聞報導,史考特在太空中發生了 5% 的基因功能變化。從事實來看,並非史考特的基因發生了突變,而是基因的「打開閉合方式」出現了變化。

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我們都知道,基因是有功能性的 DNA 片段,DNA 是一個雙股螺旋結構,它會不定時的打開、閉合,並在打開的過程中,在細胞核中複製單股信使 mRNA,而 mRNA 脫離細胞核進入細胞質後,開始指揮身體製造所需的蛋白質組織,如頭髮、指甲、腸壁、紅白血球和荷爾蒙等等。人類在地球的環境下生存,DNA就會有適應地球重力環境的打開、閉合方式。同樣,在太空中,它會適應太空無重力環境,產生一定程度的變化,史考特的變化也是因此而來。

貧血、肌肉流失、骨質疏鬆 無重力下的生理問題

其實在太空生活,還有許多要注意的事情。比如,生活久了,你每天要做 4 小時的衝擊運動,讓自己的骨骼受到衝擊力。在地球上,我們走路、跑步,膝蓋都會受到衝擊。但在太空中,不會有這樣的「衝擊」,因此,骨細胞會偷懶減產,人體就會主動降低骨骼的強度,等他回到地球的重力場,再進行走路、跑步等活動,就很有可能受傷!

太空人正在做衝擊運動。圖/維基百科

還有,在沒有重力場的情況下,人體只能容納在地面情況下 95% 的水分,其實是處於極度缺水的狀態。體液一減少,體內紅血球、白血球又開始偷懶,產量會相對減少,人就會貧血,對細菌的抵抗力也會降低。諸如此類,都是太空人可能遇到的問題。

太空實驗不易,人類太空科學的進步,必須要這些英雄們為我們做出貢獻。如此,太空科學才能一步步發展起來。

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最後,讓我們向太空人致敬!  

——本文摘自《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

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三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。

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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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一舉一動都要付天價!到太空站旅遊為什麼要這麼貴?——《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》
三民書局_96
・2023/07/12 ・1839字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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2019 年 6 月,NASA 宣佈將在 2020 年開放國際太空站「旅遊」,票價為 5,800 萬美元。這是一項商業化的舉動,讓大眾可以體驗在太空中的感覺。不過,太空站對遊客開放,會不會出現什麼問題?

遨遊太空對於普通人來說,應該是非常神奇的體驗。在我看來,國際太空站對民眾開放沒有什麼不好,這可以讓一些人瞭解太空,也可以從一定程度上減輕國際太空站的經費壓力。

大夥可能覺得 5,800 萬美元的票價,以及每日約 4 萬多美元的日常花費有些昂貴,不過即便是這樣,我想依舊會有大批人排著隊想要到太空去走一走。下面,我就跟大家聊聊有關國際太空站的事。

國際太空站很「貴」

國際太空站的「旅行」費用昂貴,這其實合乎情理。太空站是有一定壽命的,那裡距離地面 400 至 450 公里,會受到強烈紫外線的照射,並且,太空環境高度真空,帶電粒子橫飛,高速小隕石亂竄,都會對太空站造成傷害。但在太空最厲害的,還有一種地面不存在的氣體,那就是「原子氧」,它腐蝕性特強,對太空站壽命衝擊最大,防不勝防。

我們所熟知的氧氣,由兩個氧原子組成,英文縮寫是 O₂。在離地球 200 至 700 公里範圍內,因紫外線的能量,硬把兩個氧原子拆開,就形成了只有一個原子的氧 O。這種原子氧的腐蝕性非常強,尤其對聚合材料和積體電路鍍銀膜的攻擊,不遺餘力,導致太空站大面積腐蝕剝落,所以,太空站的一些艙外材料,需要不斷的更換。

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圖35-1國際太空站。圖/把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民

那麼,維護的費用有多高?我大概計算了一下,每年至少要 50 億美元。大家再來對比一下,和一位旅客5,800 萬美元比起來,維護太空站的費用,才是「天價」吧!

當然,5,800 萬美元僅僅是上太空站的機票價,額外的雜費很多,包括「呼吸」的空氣費、「上廁所」的洗手費和「吃飯」的餐飲費等等。在太空站,一舉一動都要付費。比如,每天食宿費用 35,000 美元,上一次廁所的費用是 11,250 美金,WiFi 也要額外算⋯⋯,太空站這個五星級酒店,沒有免費熱情待客的規格。

什麼人都能去太空旅行嗎?

我們總說:錢不是萬能的,太空人都要經過嚴格的篩選。那麼,你是否有疑問:「去太空旅行的人,對身體體質有什麼要求嗎?」

這一點可能就和大家想的不太一樣了,其實,大多數正常人的體質都可以進行太空旅行。在國際太空站,你所感受到的不同,可能僅僅是失重。

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國際太空站的位置雖然在太空,但它仍在地球磁場的保護下,外太空來的射線、太陽風的高能粒子不會對其造成嚴重的傷害。所以,如果你可以適應並克服失重帶來的困擾,就可以考慮去太空「旅行」啦!

但是你也要「遵守遊戲規則」,畢竟,到了太空站可能會有一些約束,不能按照自己的意願隨意行動。

當然最重要的是,你要有足夠的資金!

「太空旅行」前景如何?

其實,我覺得太空旅行這種商業行為是有意義的。畢竟科研也要經費,目前,這筆經費皆由國際太空站參與國承擔,每年的支出有點沉重。如果太空站可以做旅遊生意賺錢,那將會有一定程度的緩解。

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這樣一來,既能讓一些對太空感興趣的群眾上去體驗,又可以通過太空旅遊的收入,補貼納稅人支付的太空科學研究,也算是兩全其美的事。

當然,我想這個商業行為,也許最好先以進行 5 年的時間為目標。雖然能支付 5,800 萬美元的人不少,但是 5 年下來,這件事是否可行,商業模式是否成熟,就是評判它能否繼續下去的標準。

此外,參與的人,可能也不僅限於到太空站「旅遊」,很多人想去月球,甚至到火星走一遭。雖然我不知道這樣的想法是否行得通,但是從理論上,到月球旅行是可以的,不過火星也許就不大可能。到愈遠的地方,發生危險的可能性也就愈大。只要發生一次「太空難」,「太空旅行」這個項目就可能叫停。

太空旅行,的確能讓參與人見聞上大幅的提升,但這類旅行者也肯定是富有者,不是一般打工賺錢的你和我,能負擔得起的!

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——本文摘自《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

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宇宙是唯一的嗎?從「超弦理論」的十度空間來思考宇宙之外的世界——《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》
三民書局_96
・2023/07/10 ・3586字 ・閱讀時間約 7 分鐘

你覺得,宇宙是唯一的嗎?又提到這個想起來就令人頭疼的問題了。每每思考「宇宙之外」、「時間流逝」,總是覺得這是思維所不能及的問題,然後停止思考。那麼,究竟科學家們是怎麼看待「宇宙是否唯一」的這一問題呢?

這個問題,是科學界仍在探索的問題之一,和複雜的「超弦理論」有關。我想,我們可以在宏觀層面上和大家說一說,讓大家對超弦理論有一個基本的認知。當然,也有的物理學家就直接了當地說,宇宙大霹靂時有太多的能量,僅創造出我們單一的宇宙,這股能量是絕對用不完的。於是,在我們的宇宙外,應該還要有幾乎數不完的宇宙;大霹靂和暴脹之聲此起彼落,不絕於耳。所以,宇宙太多了,我們的宇宙絕對不是唯一的。

持這種觀點,沒有人能說得過你,可以算你贏了這場辯論。但是即便你贏了,從理論上看來,還是有許多令人不滿意又充滿懸念的地方解釋得不清楚。所以呢,今天我們厲害一點,從人類發明出來、另外一個比較嚴謹的理論思維,來討論一下「我們的宇宙是否是唯一存在的宇宙」這個大問題。

我們一再強調,人類目前科學的兩大理論——量子力學相對論,都不是宇宙的終極理論;因為它們在宇宙大尺度轉接到核子小尺度的過渡中,無法嚴絲合縫地達到無間隙連接的境界。但自然界並不需要理會人類不完美版的理論,它一定是僅由一種理論來控制的。

目前,人類在宏大和高速的部分以相對論來解釋,細微的地方則用量子力學來解釋;兩者各行其道,生死不相往來,這就是現狀。

量子力學和相對論至今仍然各自解釋著不同尺度的物理現象,仍然無法統合在一起。圖/AdobeStock

愛因斯坦從 1930 年左右開始研究,嘗試著想把兩種理論合併到一起,但直至他過世,都沒有成功。量子力學和相對論,現在仍然各樹其幟,了無瓜葛。

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目前,我們瞭解的力有四種:引力、電磁力、原子核裡的弱力、夸克之間的強力。除了引力外,其餘三種力都已經合併起來,並且有多位物理學家因此獲得了諾貝爾獎;唯獨引力,不好處理。早在 1960 年,科學家就提出:一定要有新的理論。

科學家的「另闢蹊徑」

科學家們指出,新的理論不能再用粒子的概念了。因為質子、電子、光子這些都是粒子的概念,這樣的思維已經提出好一陣子了,但卻不能解決把四種力合起來的問題。

聰明的科學家就想,如果把宇宙最基礎的普朗克長度(10-35公尺)視為一條會震動的「」,並用它作為構建宇宙萬物的最基本單位——即我們說的「弦理論」——就可以把引力放進來了,因為弦的震動可以很好地解釋引力。

弦理論示意圖。物質放大呈現不同階段,終結於「弦階段」: ①物質 ②分子結構(原子) ③原子(質子、中子、電子) ④電子 ⑤夸克 ⑥弦。圖/維基百科

於是,弦理論就開始蓬勃發展。但沒過多久,弦理論也碰到了「鐵板」,即弦是如何形成質子、中子、夸克的?這些物質又是如何凝聚、如何變動,才能形成現今含有很多黑洞的宇宙?弦理論並不能解決這些問題,這就很尷尬了。因為目前的量子力學、相對論,至少可以解釋宇宙的形成。

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弦不夠,那就超弦

弦不夠,科學家們就提出了「超弦理論」。這裡面的「超」,意思為「超對稱」,因為我們身處的世界本應是對稱的,而此理論就是希望能夠回答在我們理論世界中,目前無法解釋的問題。鼻子和肚臍眼在身體中央線上、耳朵和眼睛左右各一、左右手鏡像對應、物質中晶體有規律的結構、角動量的守恆等等,都是因自然界對稱而產生的物理現象。至於超對稱更厲害了,要求費米子 (fermions)玻色子 (bosons)需要一對一、成雙成對出現,成為宇宙中更深層的對稱現象,企圖回答出目前人類無法解決的物理問題,並且尋找人類尚不知道的物理世界。

我們的世界有很多普遍對稱的規則擺在那兒。但規矩的存在,就是為違反規則準備的,就像交通法規是放在那兒,當人違規時才會用上的一樣。如果我們的宇宙是完美的宇宙,那就是超對稱的宇宙。不過,事實上宇宙自大霹靂那天,就已經不完美了。

宇宙大霹靂之初,出現了許多物質與反物質,它們本應是一樣多的;但反物質幾乎全部消失,僅剩餘了一部分物質,約是原來總量的十億分之一,這就是我們現在的物質世界。假如這個對稱沒有被破壞掉,那麼現在的宇宙就全部都是能量了,也就沒有我們現在的物質世界。

雖然從宇宙大霹靂的 0 時起,這個完美對稱就被破壞了約十億分之一,但宇宙的本質仍是想擁有超對稱完美的特性,所以我們現在就忽略宇宙那麼一丁點的缺陷,仍然用超對稱震動的弦,將宇宙描述出來。

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愛因斯坦的相對論描述了四度空間,即三度空間加時間。但是在四度空間,我們沒辦法建造出這麼一個「弦」,以滿足物理在自洽條件下,形容現在的宇宙。經過科學家的研究,如果用超弦製造現在的宇宙,需要九個空間加上一個時間,共十度空間才能夠滿足物理從頭到尾自洽條件。

十度空間,其中六個我們看不見

在這裡,我們就必須要提到一位為超弦理論做出巨大貢獻的華裔數學家——丘成桐。他在 1978 年提出:用目前的四度空間,再加上六個高度壓縮的空間,即變成了十度空間,便可以使用在超弦理論上,解決所有的物理問題。這個理論所創造出來的六度空間,就被稱為「卡拉比―丘流形」。

圖 21-1 卡拉比―丘流形。 圖/《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民

卡拉比―丘流形,形容的是除去我們四度空間以外的另外6個空間。由於宇宙的能量非常大,卡拉比―丘流形的長度單位是用普朗克長度為基礎單位。

我們可以想像一下,這個高度壓縮的卡拉比―丘流形,可以有很複雜的幾何結構,比如說,它可以擁有很多的洞。至於它能擁有多少洞,超弦物理學家看法不一,10 個不算少,1,000 個不算多。為了在這篇小文章討論方便著想,我們就算它有 500 個洞吧。現在把能由震動產生大小不等的能量的超弦引進來,假設它震動能量有 10 個量子層次,則這個超弦在每個流形的洞中,就能以 10 種不同的能量出現。如果總共有 500 個洞,則這個流形的總能量就有 10×10×10×⋯⋯,即 10 乘以 500 次的變化。換言之,這個有 500 個洞的流形,總共可能有 10500 種不同能量的內涵,也就等於有這麼多不同流形幾何結構的變化。

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這些不同的幾何結構,即便各有不同的超弦震動能量內涵,但結構本身沒有道理不是穩定的。就像一座形狀複雜的山體,雖然因局部坑洞使得地勢變化的高度不同,造成各處局部勢能相異,但因為有局部坑洞的結構,滾石也有可能在半山腰就因為局部勢能穩定而被攔住,不再往下滾。所以,一個巨大的山體,可以有很多穩定的勢能位置;我們也可以說,它有很多不同勢能的幾何結構。

宇宙之外還有很多宇宙

回到有 500 個洞的卡拉比―丘流形,也就是說,它可以有 10500 的穩定結構。並且,我們可以將構建超弦理論所需要的所有東西放進去,包括引力場、電磁力、強核力、弱核力等等。其實,在滿足把量子理論和相對論嚴絲合縫、自洽無礙地結合在一起後,它竟然拉扯出了一個附帶的產品,即這個流形可以有龐大數目的不同幾何結構。也就是說,超弦理論也創造出了各種不同能量的宇宙。所以,以超弦理論角度看來,在我們的宇宙之外,應該還有很多宇宙,如 10500 那麼多,數目可能幾近無窮。所以,平行宇宙和多重宇宙的概念,就應運而生。

那麼,我們把所有理論放到超弦理論中,不是就可以了?並沒這麼簡單。因為要檢驗超弦理論所需要的能量太高了,已經高到可能永遠無法以人類科技文明所能產生的能量來驗證它的正確性。

科學家在地球上建立的「大型強子對撞機」,能夠創造短暫的巨大能量,但離檢驗超弦理論所需的能量,至少低了上億億倍。

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超弦理論可能永遠超出人類能力能夠去驗證的範圍,所以我們仍需要繼續尋找在我們認知的範圍內,能夠解釋宇宙大霹靂及目前所有現象的單一理論。但依目前的理解,擁有不同結構和能量的宇宙數目應該有很多。所以說,我們生存其間的宇宙,也不是唯一的。

——本文摘自《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

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三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。