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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。

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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。

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太空站──地球連線

International_Space_Station_after_undocking_of_STS-132
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。

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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

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  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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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

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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。

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。

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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在外太空好睡嗎? 無重力下,身體會有什麼變化?
PanSci_96
・2023/03/27 ・2850字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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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?

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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」。

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「接觸」的刺激很可能是人在太空保健的要素。圖/Envato Elements

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

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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

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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。

在宇宙會睡不好。圖/Envato Elements

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。

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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。

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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。

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人類一上到宇宙,就會出現一連串的「太空症狀」。圖/Envato Elements

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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PanSci_96
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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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