月球的電離層之謎

如果整個地球都由質子構成，而整個月球都由電子構成，那會怎樣？
——諾亞．威廉斯（Noah Williams）

質子地球，電子月球

這可能是我寫過最具破壞性的假設情境。

你可能會想像電子月球繞著質子地球運行，有點像是巨大的氫原子。某方面來說，這還有點道理；畢竟，電子繞著質子運行，而衛星繞著行星運行。事實上，原子的行星模型曾流行一時（不過，拿來解釋原子竟然不太管用）。

如果你把兩個電子放在一起，它們會想要分開。電子帶負電，而來自電荷的排斥力比將它們拉在一起的重力強了大約 20 個數量級。

如果你把 10⁵² 個電子放在一起（構成月球），它們會劇烈的互相排斥，以致每個電子會被大到不可思議的能量推開。

事實證明，對諾亞假設的「質子地球和電子月球」情境來說，行星模型更是大錯特錯。月球不會繞著地球運行，因為它們根本沒有機會影響彼此；使兩者各自分別炸開的力量，會遠大於兩者之間的任何吸引力。

如果暫時忽略廣義相對論（等一下會回來談），我們可以算出，來自這些電子相互排斥的能量，足以使它們向外加速到接近光速。將粒子加速到那樣的速率並不少見；桌上型粒子加速器（例如映像管螢幕）可以將電子加速到光速的相當比例。

但是，諾亞月球的電子所攜帶的能量，會遠遠大於普通加速器中的電子所攜帶的能量。它們的能量會超過普朗克能量的數量級，普朗克能量本身則是比最大的加速器中，所能達到的能量又大了很多數量級。換句話說，諾亞的問題遠遠超出普通物理學的程度，帶我們進入到量子重力與弦理論之類的高等理論領域。

所以我聯繫了尼爾斯．波耳研究所（Niels Bohr Institute）的弦理論科學家基勒博士（Dr. Cindy Keeler），請教她關於諾亞的假設情境。

基勒博士同意，我們不應該信賴任何涉及「在每個電子中放這麼多能量」的計算，因為這遠遠超出加速器測試的能力範圍。「我不相信粒子能量超過普朗克尺度的任何事情，」她說。「我們實際觀測到的最大能量存在於宇宙射線中；我認為比大型強子對撞機大了差不多 10⁶，但還是離普朗克能量很遠。身為弦理論科學家，我很想說會發生什麼關於弦理論的事情——但說老實話，我們也不知道。」

幸好，故事還沒結束。還記得我們先前決定忽略廣義相對論嗎？嗯，這是「帶入廣義相對論反而使問題更容易解決」的罕見情況之一。

在這種情境下，存在巨大的位能——使所有這些電子遠離彼此的能量。這樣的能量會扭曲空間和時間，和質量一樣。結果證明，電子月球中的能量大約等於整個可見宇宙的質量與能量總和。

相當於整個宇宙的質能集中在（相對較小的）月球的空間裡，會使時空強烈扭曲，甚至會比那 10⁵² 個電子的排斥力還要強。

基勒博士斷言：「沒錯，黑洞。」但這可不是普通的黑洞，而是帶有大量電荷的黑洞。為此，你需要一組不同的方程式——不是標準的史瓦西（Schwarzschild）方程式，而是萊斯納—諾德斯特洛姆（Reissner-Nordström）方程式。

萊斯納—諾德斯特洛姆方程式比較了向外的電荷作用力和向內的重力之間的平衡。如果來自電荷的向外推力夠大，黑洞周圍的事件視界可能會完全消失。那樣會留下密度無限大的物體，光可以從中逸出——這就是所謂的裸奇點（naked singularity）。

一旦有了裸奇點，物理學就會開始分崩離析。

量子力學和廣義相對論給出荒謬的答案，甚至是不同的荒謬答案。有人認為，物理定律根本不容許出現這種情況。正如基勒博士所言，「沒有人喜歡裸奇點。」

以電子月球的例子來說，來自所有這些電子互相排斥的能量會非常大，以致重力會獲勝，而奇點會形成正常的黑洞。至少，某方面來說是「正常的」；它會是和可觀測宇宙一樣大的黑洞。這個黑洞會導致宇宙塌縮嗎？很難說。答案取決於暗能量是怎麼回事，沒有人知道暗能量是怎麼回事。

但就目前而言，至少附近的星系是安全的。由於黑洞的重力影響只能以光速向外擴展，因此我們周圍的大部分宇宙仍會天下太平，對我們荒謬的電子實驗毫不知情。

——本文摘自《如果這樣，會怎樣？2：千奇百怪的問題　嚴肅精確的回答》，2023 年 3 月，天下文化出版，未經同意請勿轉載。

說到當今的登月計畫，除了美國阿提米斯外，中國也有載人登陸月球，並且已經進行過多次無人探測任務。甚至打算建立長期駐人基地，而這個計畫就是——「嫦娥工程」。

近期關於嫦娥工程的新消息：中國宣佈發現了月球上的全新礦物，並將它命名為「嫦娥石」。

中國目前的太空實力究竟如何？嫦娥工程到底在做些什麼？比起五十多年前的美國阿波羅計畫，中國的登月計畫又有什麼不同之處？

中國的太空科技實力

中國的太空實力雖然不是最頂尖，但無疑名列前茅，由於起步相對美俄晚了一些，同時在太空相關領域的透明度又比較低，再加上政治等因素，讓中國的太空發展相關消息蒙了一層面紗，鮮少出現在世人眼前。

回到 1950 年代，美蘇太空競賽如火如荼地進行著，追逐著許多人類從未完成過的壯舉。1957 年 10 月，蘇聯史波尼克一號衛星發射成功，引起全球的高度關注；中共政權看見蘇聯成功的同時，也萌生了自己發射人造衛星的想法……。

時間來到美蘇太空競賽打得最火熱的 1960 年代，中國的太空科技發展也沒有寂靜，由於中共對於軍事科技的需求，又受益於留美學者歸國和蘇聯的技術援助，飛彈及火箭技術逐漸發展成熟；美國阿波羅十一號載人登月成功隔年，中國發射了第一顆人造衛星「東方紅一號」，成為繼蘇、美、法、日後，第五個成功自主發射人造衛星的國家。

值得一提的是，「東方紅一號」由於是運行在幾乎沒有空氣阻力的中地球軌道，至今它仍持續繞著地球轉！

近二十年中國的太空發展也有了許多新進展，2003 年神州五號升空，太空人楊利偉搭著神州太空船繞地球 14 圈後安全返回，完成中國史上首次載人太空任務；在此之後，透過長征系列火箭及神舟太空船，持續執行了好幾次載人太空任務。而在 2022 年底，中國完成太空站「天宮」的建造，亦是目前世上僅有的兩座現役太空站之一。

嫦娥工程

「嫦娥工程」於 2004 年正式啟動，預期的工程方向大致分為：前期的無人探測器探月、中期執行載人登月任務，長期則以建設月球基地並讓基地常駐太空人為目標；目前正陸續進行前期的無人探測任務，中期載人任務則還在準備階段。

美國和蘇聯早在五十幾年前就在進行月球探測任務了，阿波羅十一更在 1969 年成功載人登月，中國現在才在進行探月任務，有什麼亮點是值得我們關注的呢？

和當年美蘇太空競賽時期探月任務相似的是，這一系列任務都是一個國家從無到有探測月球，同時將目標放在未來的載人登月的準備上。然而時間相差 50 年，如今電腦、通訊等各方面技術進展，因此嫦娥工程能用更少的任務次數和更精簡的預算，完成任務目標。

例如前期的無人探測器探測，技術難度由簡單到困難大致可以分為：飛掠、硬著陸、繞行、軟著陸，最困難的則是軟著陸後，採樣返回地球；而為嫦娥工程打頭陣的嫦娥一、二號兩項任務，都是一次就成功進入月球軌道環繞月球，到嫦娥三號就已經軟著陸月球，並讓玉兔號月球車在月球上行駛，還拍下了嫦娥三號在月球表面的照片。

不過，中國嫦娥工程的獨特之處，從接下來的任務才開始。

翻開過去登月任務的歷史紀錄就會發現，由於受到地球潮汐力影響，月球永遠都是以同一面面對地球（該現象被稱為「潮汐鎖定」），因此所有的登月任務，不論是無人探測器，或是阿波羅計畫中的每一次登陸，都是在月球面向地球的這一面進行。

那該怎麼解決這個難題的呢？中國在月球後方的「地月第二拉格朗日點」，設立了一座名為「鵲橋」的通訊中繼衛星；如此一來，鵲橋衛星就可以一直駐留在月球背面運行，維持地球與月球背面不間斷的通訊。

2018 年鵲橋衛星成功抵達預定軌道，從此讓月球的背面不再是無法觸及的通訊死角，同年年底嫦娥四號成功著陸月球背面，玉兔二號也開始在月球背面行駛，在人類的探月歷史上，達成一項全新的成就。

嫦娥工程最近一次的任務是在 2020 年，嫦娥五號完成了月球表面樣本採樣，並帶回了將近兩公斤的月球岩石；這是自 1970 年代後，終於再次有月球表面的樣本被送回地球。就在不久前，中國科學家從這批樣本中發現了目前只在月球上被發現、全新的礦物種類，並且命名為「嫦娥石」。

中國載人登月真的會實行嗎？未來的展望如何？

根據目前（2023）已知的規劃，嫦娥工程預計將發射嫦娥六號、七號、八號三顆無人探測器。

嫦娥六號原本是嫦娥五號的備份探測器，因此整體設計與任務流程應與嫦娥五號大同小異；但與嫦娥五號不一樣的是，嫦娥六號將飛到月球背面進行採樣。若成功，這將會是人類史上第一次獲得來自月球背面的月岩樣本！

嫦娥七號則將聚焦在探月計畫中各國的必爭之地——月球南極。本次任務進行兩次發射，第一次預計於 2024 年進行，將發射「鵲橋二號」中繼通訊衛星前往月球軌道；與前輩鵲橋號一樣，目的是為了確保未來多個任務與地球之間能夠隨時保持通訊。第二次任務則在 2026 年，將一次發射軌道器（Orbiter）、登陸艇（Lander）、探測車（Rover）與飛躍器（Hopper）在月球南極的永夜隕石坑（Permanently shadowed crater），尋找對未來月球開發至關重要的水冰。

最後，嫦娥八號的初步規劃與嫦娥七號類似，都是由四個部分組成；但比起嫦娥七號的「探測」，嫦娥八號有個更重要的任務，那就是為中國的「國際月球科研站 ILRS」打下基礎。這輪世界各國探月競賽不只是要上去插旗子而已，而是要建立永久基地，永續利用月球資源。

在無人探測之外，中國對載人登月的準備也在如火如荼進行中。雖然具體細節仍不明朗，但是中國多年來一直有在研究比長征五號更大、更強、能夠進行承擔登月任務的新火箭。

比如前陣子在中國載人航天工程三十年成就展上，就展出了下一代載人火箭長征十號，以及其搭配的載人太空船與登陸艇的模型。根據目前的規劃，長征十號將於 2027 年首飛，能將 27 公噸的酬載送往月球。

經過二十年的努力，中國的探月計畫順利地走過了無人繞月、登月以及採樣返回的過程，交出相當亮眼的成績，未來更有多個任務正蓄勢待發……。

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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？

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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