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在外太空拍MV 與地球連線演唱會

劉珈均
・2015/03/18 ・2264字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

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知名英國歌手莎拉布萊曼(Sarah Brightman)預計今年九月要到國際太空站(International Space Station, ISS)作一趟短期太空旅行,並與地球連線合唱。這麼有趣的事情太空人當然也作過了!前年剛退休的加拿大太空人克里斯˙哈德菲爾德(Chris Hadfield)2013年出任務時,就曾「利用職務之便」在 ISS彈吉他拍MV、與地球上的樂團連線合唱。

他的MV翻唱大衛˙鮑伊(David Bowie)的經典歌曲〈太空奇遇〉(Space Oddity),至今點閱次數已超過兩千萬:

他也曾從 ISS與地球連線,與「裸體淑女樂團」(Barenaked Ladies)的艾德˙羅伯森(Ed Robertson)共同演出。這首〈I.S.S.(有人在唱歌嗎?)〉(I.S.S.(Is Somebody Singing?))是哈德菲爾德在地球上寫的歌,由羅伯森譜曲。歌詞描述太空之行,從外太空凝視地球的壯闊體驗:

彈吉他、唱卡拉OK 太空人的休閒生活

哈德菲爾德在著作《太空人的地球生活指南》中提到這段被兒子伊凡慫恿拍MV的經歷,伊凡改寫了一下原曲歌詞,哈德菲爾德則用麥克風與 iPad錄了三個版本的歌、拍下在 ISS各處漂浮的畫面,再交由地球的朋友加入伴奏與後製,加拿大太空總署的員工則四處跑腿取得授權。哈德菲爾德原先對伊凡這吸引大眾的點子半信半疑,影片上傳後不久,他睡前瞄了一眼 Youtube,想知道是否有人瀏覽,結果點擊人次足足將近一百萬,讓他大感震驚。

教育推廣也是太空人職責之一,平常太空人也會拍拍系列短片,記錄太空特有的日常生活細節,勾引「地球人」愛上太空。那場與地球連線的演唱會便是與音樂教育聯盟、加拿大廣播公司合作的「Music Monday」活動,這一年一度的音樂教育活動號召加拿大的孩童在五月第一個星期一唱同一首歌,活動會約個標準時間,孩子也可以帶著樂器到街道上──時間一到,整個國家就響起同樣的旋律,沉浸其中!

在太空唱歌是什麼感覺呢?其實太空梭、聯盟號太空船與 ISS裡頭,人的聽覺與嗅覺與在地面時無異(除了無重力狀態易導致鼻塞),艙內氣壓也保持在一個大氣壓的狀態,溫度維持舒適的25℃。太空站上的休閒選擇除了 DVD與書籍,也有樂器如鍵盤、烏克麗麗、吉他、一根澳洲原住民的管樂器。

哈德菲爾德分享太空彈吉他的經驗談,起初還不習慣沒有阻力的環境時,手勁會太大,指法出問題,過一陣子才抓到要領。「音樂聽起來就跟在地球上一樣。」除了太空站上有持續而吵雜的背景音:風扇與幫浦的噪音、太空船受太陽照射時,金屬膨脹的劈劈啪啪聲等(宇宙環境溫差相當劇烈,陽光直射地方溫度可達120℃,陽光照不到的陰暗處則降至負150℃)。哈德菲爾德寫道:「有時背景噪音太大,感覺像在公車後面彈奏。」最佳的彈奏地點是鋪了睡袋的睡覺隔間。

卡拉OK也是個不錯的休閒選擇,日本太空人若田光一(Koichi Wakata)就曾在ISS上唱單人卡拉OK,他在《宇宙飛行》中說,有時在休息日,他會在實驗艙內,一邊想著「一個人唱歌真是有些寂寞」,一邊唱著單人卡拉OK自娛。有時候,ISS剛好經過日本上空,若田光一便會凝望著夜景,揣想「或許大家正在哪裡唱著歌呢?」想著想著,又獨自唱起歌來。

太空站──地球連線

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國際太空站。photo credit: NASA via Wiki

國際太空站是個各國集資的實驗設施,自美國的太空梭全都退役後,現今要前往 ISS只能透過俄羅斯的「聯盟號」太空船。ISS運行於距離地面約400公里高的近地軌道上,每90分鐘繞地球一圈──亦即上頭的太空人一天可以看16次日出與日落。站上的太空人主要任務是利用特殊的微重力環境進行各種研究,目前太空站計畫的成員國有16國。

大衛˙鮑伊的〈太空奇遇〉或艾爾頓強(Elton John)的〈火箭人〉(Rocket Man)描繪太空人出任務的情景,歌詞皆透著一股孤寂感,太空人孤懸漂浮於安靜、漆黑、無邊無際之處,看盡日夜晨昏,望著幾十億人類的家鄉,但自己離親愛的人如此近,又如此遙遠。

不過,哈德菲爾德在書裡說,其實太空人沒那麼寂寞啦,他們能收發電子郵件、隨時掌握時事,「一點也沒有與世隔絕的感覺。」ISS與地球有許多通訊方式,例如無線電發報器、VHF無線對講機和網際網路。長期駐站的太空人一週會安排一次與家人視訊時間,任務控制中心也總是有人在,一通電話就能與親友聯絡(地球與太空電話通話大約有兩秒時間落差)。透過衛星中轉,筆電也能與休士頓的伺服器連線上網,只是速度很慢,下載影片是對耐性的一大考驗。

一般人也能進太空嗎?

太空人的出身背景多為海軍或空軍飛行員,而民間出身的太空人大多來自醫科等自然科學領域的研究人員。一些民間企業正籌畫著太空旅遊事業,美國的「太空探險公司」(Space Adventures)是目前唯一提供私人太空旅遊行程的公司,目前他們已經送了7位太空旅行者搭「聯盟號」到 ISS短期停留(其中查理斯˙西蒙尼(Charles Simonyi)太空旅行了兩次),莎拉布萊曼正是他們的下一位客戶。

要上太空,須事先在莫斯科旁邊的星城(Star City)受訓,這裡也是俄國選拔與培訓太空人的地方。太空旅客的訓練課程包括駕駛聯盟號太空船、太空漫步訓練等等。想上太空可以從現在開始準備,例如訓練體力、學學俄文,以及儲蓄!

或許在不久的未來,低成本的民營太空旅行變得普及,任何人都可以進出太空。一如若田光一在《宇宙飛行》一書的尾聲提到的,若各種背景的人都能進太空,我們的視野與感受會豐富許多,或許我們看待問題時也不再以國家利益出發,而是用「地球人」的視角,並發展出一套宇宙文化與價值觀。

後記:莎拉布萊曼後來於五月宣布,因「家庭因素」,決定取消此行,暫緩前往ISS的計畫。

參考資料

  1. Chris Hadfield,陳榮彬譯,《太空人的地球生活指南》,台北:大塊文化,2014。
  2. 若田光一,何本華譯,《宇宙飛行》,新北市:夏日出版,2015。
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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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想變年輕?就靠時空旅行!——《高手相對論》
遠流出版_96
・2022/04/29 ・2673字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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孿生子弔詭

這難道不是一個讓人活得年輕的方法嗎?的確是,而且後面講到廣義相對論的時候還會介紹另一個讓時間變慢的機制。科幻作品經常使用這種素材,比如電影《星際效應》(Interstellar)裡,太空人去黑洞附近執行任務,回來的時候還挺年輕的,可是自己的女兒卻已經很老了。

正所謂「山中方七日,世上已千年」。我想提醒你的是,這裡說的時間變慢只是不同座標系對比的結果。對於參加星際旅行的你來說,你實實在在活過的時間還是正常的壽命。在相對性原理之下,你根本感覺不到自己多出來什麼時間,如果你在地面上一輩子能讀一萬本書,在太空船上過這一輩子也只能讀一萬本書;你在山中過的這七天,也是一日三餐,共吃二十一頓飯。

在相對性原理之下,你根本感覺不到自己多出來什麼時間。圖/envato elements

但是你的確比地面上的人老得慢。說到這裡,有個著名的問題,叫「孿生子弔詭」。

假設你有一個雙胞胎妹妹,在你們二十歲這一年,你乘坐接近光速的太空船前往遠方執行任務,你的妹妹留在地球上。在你妹妹眼中看來,你這一走就是五十年,你回來的時候她已經七十歲了。可是因為相對論效應,你在太空船座標系下體會到的這段旅程只有三十年,你回來的時候才五十歲。

你離開的時候,兩人一樣大,回來的時候妹妹比你老了二十年。這個事實是沒問題,但人們會有一個疑問。相對於你的妹妹,你在太空船上是高速運動,所以會有時間變慢的效應,所以你比你妹妹年輕。可是反過來說,相對於你,你妹妹在地球上難道不也是在高速運動嗎?為什麼不是她比你年輕呢?

這個問題的答案是你和你妹妹所在的座標系並不是等價的。你妹妹一直待在地球上,可以近似為一個等速直線運動的座標系。而你離開地球必須首先加速到接近光速,到達目的地要減速、掉頭、再加速,回到地球還要再減速,你經歷的並不是等速直線運動。你在加減速的過程中得使用力量,你會有「貼背感」,而你的妹妹沒有。

相對於從地球出發又折返的星際旅行,一直待在地球上比較像是等速直線運動。圖/envato elements

考慮到這些,精確計算你在每個階段相對於你妹妹是什麼年齡就比較麻煩了,這裡先不講,在本書番外篇會專門進行一點技術性的討論。

確定的是,這個效應是真實的,你真的比你妹妹年輕了二十歲。孿生子的效應已經有實驗證實。

驗證這個效應不需要真的進行星際旅行,你只需要一種精度非常高的原子鐘。先將兩個原子鐘對時,然後將一個放在地面不動,把另一個帶上一般的民航機的國際航班飛一圈。飛回來後,再把這兩個原子鐘放在一起,就會發現它們的時間有一個極其微小的差異——這個差異是實實在在地存在的。參加了飛行的那個原子鐘,現在確實比留在地面的那個「年輕」一點。

如此說來,那些經常在天上飛的飛行員和空服員都比一般同齡人要年輕一點!但是他們參與飛行的速度不夠快,一輩子也差不了一秒。而如果你能把自己的速度提高到接近光速,那麼你的一天是地面上人的一年,甚至一千年,在理論上都是可能的。你就等於穿越到了未來。

一輩子也比別人年輕不了一秒的飛行員們(?)圖/envato elements

時空是相對的

與時間膨脹相對應的一個效應是「長度收縮」。

還是以太空人為例。同樣一段距離,我們在地面看他應該飛二十五年才能到,在他自己看來,飛十五年就到了。而且請注意,不管是哪一方看來,太空船相對於這段距離的飛行速度是一樣的。

這就意味著,太空人看到的這段距離,比我們看到的要短。

如同時間,長度也是個相對的概念。一個物體的長度在相對於它靜止的座標系中是最大的,如果你和它有一個相對的運動,你會覺得它比靜止的時候短一些。這就是長度收縮。

當我們和某物體有相對運動時,它的長度看起來會短一點。圖/envato elements

我還記得小時候看過一個日本動畫片,裡面用極其誇張的手法描寫了這個現象:幾個孩子騎自行車,其他人感覺他們都變瘦了。

其實嚴格地說,有人透過計算,得出三維物體的長度收縮效應是你「觀察」到的,而不是你「看」到的。考慮到物體各個部分的光到達你眼睛的距離不一樣,你的眼睛實際看到的感覺,只是這個物體旋轉了一個角度而已,在視覺上不會覺得它變短了;但是如果你考慮到光速是有限的,物體不同部分的光線到達你的眼睛有個時間差,你根據這個時間差做一番計算,即會得到長度收縮的結果。

時間膨脹和長度收縮這兩個效應告訴我們:空間的長短也好,時間的快慢也好,都與座標系有關,不同座標系中的觀測者所看到的時間和空間是不一樣的。時空並不是一個客觀不變的、一視同仁的大舞臺,每個座標系都有自己的時空數字。當不同的座標系要想交流,得先做「座標變換」,把對方的時空數字轉換成自己的。

想跟不同的座標系交流,記得先調整時空數字。圖/envato elements

但是,在每個等速直線運動的座標系內部,你所用的物理公式,都是一模一樣的。

如果永遠不聯繫,你在太空船的生活和我在地面的生活就沒有任何差別。可是一旦要聯繫,我們的數字則會非常不一樣。而這些不一樣,又恰恰是因為光速在所有座標系下都一樣。

相對論是如此讓人不好接受,卻又是如此簡單。

相對性原理是一個信念,但物理學家從來都沒有把相對論當作「信仰」——科學的精神是實驗結果說了算。物理學家始終對相對論保持開放的態度。二○一一年,物理學家一度以為微中子的速度能超過光速,但是後來發現那是一個烏龍,是實驗設備有問題。

現在,我們只能說愛因斯坦完全正確。

遠流出版_96
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遠流出版公司成立於1975年,致力於台灣本土文化的紮根與出版的工作,向以專業的編輯團隊及嚴謹的製作態度著稱,曾獲日本出版之《台灣百科》評為「台灣最具影響力的民營出版社」。遠流以「建立沒有圍牆的學校」、滿足廣大讀者「一生的讀書計畫」自期,積極引進西方新知,開發作家資源,提供全方位、多元化的閱讀生活,矢志將遠流經營成一個「理想與勇氣的實踐之地」。

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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

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  • 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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