研究顯示太空旅行可能導致腦部病變

1894 年，美國物理學家邁克生（Albert Abraham Michelson）作為芝加哥大學物理系的創立者，在為學校的瑞爾森物理實驗室（Ryerson Physical Laboratory）落成典禮致詞時，表示：「雖然無法斷言說，未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆，但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明，這段話聽起來固然錯得離譜，但在當時，從 17、18 到 19 世紀，在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下，物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學，對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了，事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論，量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究，關於物體發出的光。

萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念：所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射，包括了你、我、你正使用的螢幕，以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢？其中一個主要原因是，物體都是由原子、分子組成，所以內部充滿了帶電粒子，例如電子。這些帶電粒子隨著溫度，時時刻刻不停地擾動著，在過程中，就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外，物體發出的電磁波輻射，還可能有其他來源，我們就暫時省略不提。無論如何，從小到大我們都學過的，熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種，其中的輻射，就是我們現在在談的，物體以電磁波形式發出的能量。

那麼，這些輻射能量有什麼樣的特徵呢？為了搞清楚這件事，我們必須先找個適當的範本來研究。

理想上最好的選擇是，這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線，只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話，我們去測量它發出的電磁波，就不會受到反射的電磁波干擾，而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體，稱為黑體；畢竟，黑色物體之所以是黑的，就是因為它能夠吸收外在環境光線，且不太會反射。而在我們日常生活中，最接近理想的黑體，就是一點也不黑、還超亮的太陽！這是因為我們很大程度可以肯定，太陽發出來的光，幾乎都是源於它自身，而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後，從洞口發出的電磁波，也會近似於黑體輻射，因為所有入射洞口的光都會進入空腔，而不被反射。煉鐵用的鼓風爐，就類似這樣子的結構。

到目前為止，一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是，在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初，科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據，但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射，卻遇到困難。正是由此開始，古典物理學出現了破口。

黑體輻射

由黑體發出的輻射，以現在理論所知，長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率，橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下，黑體輻射只跟黑體的溫度有關，而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例，我們可以看到，隨著黑體的溫度越高，輻射出來的能量功率也越大；同時，輻射功率最高的波段，也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線，物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式，分成了兩派：

一派是 1896 年，由德國物理學家維因（Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien），由熱力學出發推導出的黑體輻射公式，另一派，在 1900 與 1905 年，英國物理學家瑞立（John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh）和金斯（James Jeans），則是藉由電磁學概念，也推導出了他們的黑體輻射公式，稱為瑞立－金斯定律。

你看，若是同時擺上這兩個推導公式，會發現他們都各自對了一半？

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立－金斯定律只對低頻率波段比較精確，更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大，等等，無限大？――這顯然不合理，因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

就這樣，在 1894 年邁克生才說，物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了，結果沒幾年，古典物理學築起的輝煌成就，被黑體輻射遮掩了部分光芒，而且沒人知道，這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候，那個男人出現了——德國物理學家普朗克（Max Planck）。

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式，比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早，史稱普朗克定律（Planck’s law）。普朗克假想，在黑體中，存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元，並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν，和電磁輻射的頻率 ν 成正比，比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之，黑體輻射出來的能量，以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的，也就是能量被「量子化」了。

根據以上假設，再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈，普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式，同時包含了維因近似和瑞立－金斯定律的優點，不管在低頻率還是高頻率的波段，都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜，可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象，他認為，他假設的能量量子化，只是數學上用來推導的手段，而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何，普朗克成功解決了黑體輻射的難題，並得到符合觀測的方程式。直到現在，我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此，在現實生活中，有許多的應用，都由此而來。

正因為不同溫度的物體，會發出不同特徵的電磁波，反過來想，藉由測量物體發出的電磁波，我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間，我們可以看到某些場合會放置螢幕，上面呈現類似這樣子的畫面。

事實上，這些儀器測量的，是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光，也是室溫物體所發出的電磁輻射中，功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線，就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然，一來我們都不是完美的黑體，二來環境因素也可能產生干擾，所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究，我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中，有彩虹背景的部分，代表可見光的範圍，當黑體的溫度越高，發出的電磁輻射，在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候，會在包裝上看到色溫標示，就是由此而來。所以，如果你想要溫暖一點的光線，就要購買色溫較低，約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上，在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半，正值第二次工業革命，當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說，當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言，煉鋼要靠工匠用肉眼，從鋼鐵的顏色來判斷溫度，但若能更精確地判斷溫度，無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家，在黑體輻射的研究上，曾做出許多貢獻，這一方面固然可能是學術的求知慾使然，但另一方面，也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之，普朗克藉由引進能量量子化的概念，成功用數學式描述了黑體輻射；這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意，但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法，並做出意味深長的詮釋，那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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・凱利和馬克・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。

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！

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。

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。

2022 年底到 2023 年全年的宇宙，很熱鬧！

先是維珍銀河（Virgin Galactic）2022 年開賣太空旅行票，預計 2023 年第二季成行；貝佐斯的藍色起源 （Blue Origin）則在 2022 年完成了第 6 趟商業載人發射；至於馬斯克的 SpaceX，把富豪送上太空站已經見怪不怪了。

不過，宇宙對土生土長的地球人可是充滿未知風險的，人類對一件攸關性命的事仍然充滿疑問：人上了宇宙，身體會發生什麼變化？而我們又要怎麼應對呢？

人類在太空會發生的事，線蟲知道！

平民宇宙飛行成真之前，有意競逐太空的各國政府和企業都要先搞清楚一個關鍵問題：太空對地球人的身體有什麼影響？短期停留和長程旅行個半年一年，又有什麼樣的差別？

解密的鑰匙在一個小小的生物身上：線蟲。

2022 年 11 月，15 萬隻秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）大軍上了太空。線蟲的長度大約 0.1 公分，從孵化到成蟲只要 3 天左右，全身上下只有大約 1000 個細胞，每個細胞都能被追溯發育過程；又有簡單的神經網，而且許多基因和人類有相似性，為一種非常常見的實驗動物。

日本東北大學研究團隊把一批體內神經元用螢光蛋白標記好的線蟲送上國際太空站，交給太空站的日籍宇航員進行試驗，紀錄牠們由孵化到發育成成蟲的過程，目的是追蹤宇宙的微重力環境對線蟲會造成什麼影響。

他們發現線蟲的肌肉蛋白質和粒線體內代謝酵素減少、體長縮短、運動能力變差，並且多巴胺的分泌量也下降，不過背後的原因還不清楚。多巴胺是一種神經間傳遞訊號的化學物質，和調節身體動作、學習、情緒等有關。人類如果缺乏多巴胺會出現肢體動作障礙，最明顯的疾病就是帕金森氏症。

他們也在部分線蟲的培養皿裡加進許多塑膠小顆粒，讓塑膠粒時時碰觸到這些線蟲，結果發現，有碰觸的線蟲和沒有碰觸的相比，多巴胺減退比較少，運動能力也比較好。東北大學團隊提出的看法是：「除了運動外，『接觸』的刺激很可能是人在太空長保健康的要素」。

如果假設被證實的話，接下來就有機會特別設計出一套能刺激肌肉的接觸療法，例如按摩或指壓，上太空的人就不必每天耗一大段時間運動了。

不過，線蟲到人類離得很遠，要等到成果恐怕還需要花不少時間。

一上宇宙，身體馬上知道！

自從第一個太空人上宇宙以來，斷斷續續有小規模試驗記錄太空人的身體變化，從中可以歸納出許多「太空症狀」，我們舉出前 5 種最有感的改變當作例子：

一、水分跑到上半身，變成滿月臉

一到了宇宙，少了重力把身體的血液往下拉，加上腿部本來有許多塊肌肉，只要一站起來或走動，就會像幫浦一樣把血液往上推擠，避免積存在下半身；於是不少太空人上太空頭幾天就發生上半身水腫，最明顯的是兩腿變細像鳥腿，還擁有一張又紅又脹的圓臉。

二、暈太空艙

搭乘太空艙也會發生類似的「動暈症（motion sickness）」症狀。眼睛告訴我們在移動，位在耳朵深處負責身體平衡感和空間感的前庭系統卻難以判斷上下左右，兩者衝突會讓人感到頭暈、噁心、嘔吐。

三、睡不著，睡不好

在宇宙會失眠的原因還不完全明朗，推測和生理時鐘的晝夜節律被打亂有關，與大腦的水分分布改變有關；還有其他因素，如：說狹窄空間的壓迫感、身在危險環境的緊張感，可能也會導致睡眠變差。

四、眼睛容易出問題

太空人的眼球變形、視神經發炎，視線變模糊，有些人甚至無法完全康復，目前的假說是眼睛受到腦部組織液的壓迫，把眼球和視神經「壓壞」了。舉個實例，美國太空人菲利普斯（John Phillips）先前在國際太空站待了半年，視力從 1.0 降到 0.2。

再加上宇宙裡無時無刻有輻射線穿透太空艙的防護壁，也連帶會損傷眼睛，例如提高水晶體變成白色混濁的機率，也就是俗稱的白內障。

五、肌肉和骨質流失，這可能是最嚴重的太空健康問題

在地表因為有重力，不論提、拉、扛、站都需要使勁，一旦到了太空，你的身體會判斷肌肉沒有必要強而有力，肌肉合成量因此變少；骨頭也不必堅固到撐起全身，不用那麼努力生成骨骼組織，鈣質也就流失了。

因此進入太空的人，最明顯的症狀就是肌肉變鬆垮、手腳沒力，最明顯的就是下半身肌肉萎縮。骨質以每個月 1％ 到 1.6％ 的速率流失，1 個月的損耗量就超過地球的 1 年；也因為骨鈣大量從尿裡流失，容易得腎結石。

其他的太空症狀，還包括免疫系統變弱、造血功能可能變差、肺部容積下降等，也都是需要面對的問題。

如何克服這些人體變化

直到目前，其實都還沒有很好的辦法。

最常見的做法是要求太空人每天花大量時間運動，例如踏上跑步機每天快跑、用阻力訓練機進行重量訓練、踩固定式腳踏車鍛鍊心肺功能，保持肌肉、骨骼和心血管的強度。不過這只是治標，不能治本，只能減慢肌肉骨骼的流失速度，而且在太空中的運動成效差，舉例來說，在跑步機上 2 小時，大約只等於在地表跑 20 分鐘的效果。

好消息是，一些應用的研究已經開跑，把人在太空發生的退化和衰弱現象，類比到肌少症、帕金森氏症、多發性硬化症等肌肉或神經退化性疾病，觀察小動物在太空中從分子層面到生理層面的變化，想找出地球上病人生病的原因和解方；例如：接觸療法有機會用來刺激帕金森氏症患者的大腦分泌更多多巴胺，改善手腳顫抖、走路小碎步的症狀。

另外，也有新創企業把大腦神經細胞和微膠細胞（microglia）裝在培養箱帶上太空站，微膠細胞是一種能在腦內環境發揮免疫功能的細胞，科學家懷疑它因為某些不明原因暴走，損傷到腦神經細胞，是導致神經退化性疾病的原因之一。在微重力環境下，的確可以誘發培養箱裡的微膠細胞出現異常行為，抽絲剝繭找出是哪些基因和蛋白質失控，或許就可以解開腦部病變的謎團。

整體來說，太空醫學發展的速度比起太空飛行技術進步慢了非常多，這是在未來平民太空時代勢必要彌補的落差。

不過，現在也有一些大學開始設立太空醫學課程，例如倫敦國王學院今年 9 月要開課的航空太空醫學（Aerospace medicine）碩士班，這現象一方面顯示出市場有迫切的需求，一方面也透露出「宇宙民主化」可能真的不遠了。

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