加來道雄《離開太陽系》:若這套理論屬實,你只消照照鏡子就可見到火星人

加來道雄《離開太陽系》:若這套理論屬實,你只消照照鏡子就可見到火星人
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我們想讓你知道的是

科幻小說中的「定居火星」看似浪漫,實際上卻十分令人挫折。要想成功立足火星,策略之一是就地利用資源——例如「冰」。

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文:加來道雄(Michio Kaku)

火星:地球的後花園

我想,待人類開始探索火星、在火星築城造鎮之際,將可視為人類史上最偉大的時期之一:立足天外天,自由打造屬於人類的新世界。

——美國航太工程師羅伯特.祖布倫(Robert Zubrin)

二○一五年上映的電影《火星任務》(The Martian)中,麥特.戴蒙飾演的太空人遭遇空前絕後的挑戰:在冰凍、孤絕、沒有空氣的星球獨自求生。他意外遭隊友拋下,手邊的補給只夠維持數日。他必須鼓起勇氣、運用一切知識技能,撐到救援小組回來接他為止。

這部電影相當寫實,讓社會大眾一睹移民火星可能遭遇的難題:譬如猛烈駭人的沙塵暴——細如滑石粉的紅色微塵席捲整個星球,差點掀翻太空船。而火星的大氣層幾乎全由二氧化碳組成,大氣壓又僅有地球的百分之一,以致太空人若不慎暴露在火星稀薄的空氣中,不出幾分鐘就會窒息、血液也開始沸騰。為了製造足夠的氧氣供自己呼吸,麥特.戴蒙必須在加壓太空站裡製造化學反應。

此外,由於食物亦快速消耗、所剩無幾,他必須設法弄個人造菜園。為了施肥,他甚至得用上自己的排泄物。

就這麼一點一點地,《火星任務》太空人痛苦且乏味地執行在火星建立生態系統的所有必要步驟,設法養活自己。這部電影也讓我們具體描繪新世代的形象。其實人類的「火星情節」還有一段時間不算短、且趣味橫生的歷史,一切要回溯至十九世紀。

一八七七年,義大利天文學家喬凡尼.斯基亞帕雷利(Giovanni Schiaparelli)注意到火星表面奇怪的線狀紋路,似乎是自然形成的,他便稱其為「canali」(義文「水道」之意)。然而,後人在把義大利文翻譯成英文時,落了字尾「i」,誤植為「canal」(英文「運河」之意),詞義相去十萬八千里——自然形成的「水道」變成人工開鑿的「運河」。一個簡單的翻譯錯誤演變成排山倒海的臆測與期待,最後衍生出「火星人」神話。

爾後,個性古怪且荷包滿滿的天文學家帕希瓦.羅威爾(Percival Lowell)著手建構理論,認為火星正邁向死亡,絕望的火星人遂開鑿運河、企圖引入極區冰帽的水,灌溉宛若焦土的田野。羅威爾將畢生奉獻給這套猜想,傾盡可觀的個人財富,於亞利桑那沙漠的弗拉格斯塔夫(Flagstaff)造了一座當時相當先進的天文台。(不過他始終未能證實火星上有運河。多年後,火星探測器將揭露那些「運河」不過是視覺錯覺罷了。話說回來,羅威爾天文台在其他領域頗有建樹,譬如發現冥王星、以及率先指出宇宙可能正在膨脹。)

一八九七年,威爾斯(H.G. Wells)寫了《世界大戰》(The War of the Worlds)這部科幻小說。小說中的火星人意圖消滅人類、將地球「火星化」,想把地球的氣候變得跟火星一模一樣。這部小說開創一種新的文學體裁——或可稱為「火星入侵類型小說」(Mars Attacks)——原本僅限於專業天文學家圈內的閒扯空談,突然成為攸關人類生存的天下大事。

一九三八年萬聖節前一天,奧森.威爾斯(Orson Welles)摘錄《世界大戰》小說片段、改編成一系列誇張又逼真的廣播短劇,即時的現場表演彷彿地球當真遭到火星人惡意入侵,於是有些民眾開始恐慌,認真收聽火星人入侵的「最新消息」——地球武力如何遭致命光束一舉殲滅,火星人的巨型「三腳飛行器」集結紐約市,驚恐的聽眾以訛傳訛,謠言迅速傳遍全美。後來這場混亂終於告一段落,各大主流媒體也誓言不再播放這種極度逼真的惡作劇。這條禁令直到今日仍奉行不諱。

許多人都染上這股火星恐慌或狂熱症。當時還很年輕的卡爾.薩根完全被跟火星有關的小說給迷住了,比如約翰.卡特(John Carter)的火星系列。一九一二年,以《泰山》系列聞名的艾德加.萊斯.巴勒斯(Edgar Rice Burroughs)開始嘗試科幻小說,寫了一則「南北戰爭時期美國大兵被傳送到火星」的故事。由於火星重力比地球弱,巴勒斯於是將「約翰.卡特」設定成超人——輕輕一蹬就能蹦很遠,並力抗外星族類「塔克斯人」(Tharks)、拯救美麗的迪雅公主(Dejah Thoris)。文化史學家認為,約翰.卡特的超能力定義形塑了《超人》的故事基礎。在一九三八年出版、超人首度登場的《動作漫畫》(Action Comics)中,作者即將這份超能力歸因於重力——地球的重力比超人母星「氪星」(Krypton)微弱許多。

火星生活

科幻小說中的「定居火星」看似浪漫,實際上卻十分令人挫折。要想成功立足火星,策略之一是就地利用資源——例如「冰」。由於整個火星凍得硬梆梆,你大概必須、也只能拚命往下挖,挖到好幾公尺深才可能碰到永凍土層,然後才能把冰塊挖出來融化、純化,做為飲用水或提取氧氣(呼吸用)和氫氣(暖氣及火箭燃料用)。為了抵禦輻射和沙塵暴,殖民地居民說不定還得開山鑿岩,興建地下避難所。(火星大氣過於稀薄,磁場也很弱,因此來自太空的輻射線無法像在地球一樣被吸收或折射,所以真的是個大問題。)又或者,我們可以利用火山附近的巨大熔岩通道——如同先前討論的月球可行方案——建立首座火星基地。鑑於火星上火山多多,這類通道照理說也該相當充足才是。

火星的「一天」跟地球的一天長度差不多,火星軸相對於太陽的傾斜幅度也和地軸傾斜幅度相近。但火星居民得設法習慣這裡的重力(僅地球的百分之四十),而且就像在月球一樣,他們得進行大量激烈運動,避免肌肉骨骼萎縮退化。此外,火星居民也必須面對嚴寒氣候,無時無刻都得想辦法不能讓自己凍死。火星上的氣溫鮮少高於冰點,太陽下山後,氣溫可能驟降至攝氏零下一百二十七度左右,因此若發生停電或任何供電問題,都將威脅生命安全。

就算我們能在二○三○年順利執行首次載人火星任務,但因前述各項阻礙,所以或許會遲至二○五○年或之後才有可能匯集充足的儀器和必需品,在火星建立永久外星據點。

火星上的運動消遣

「藉運動防止肌肉萎縮」,這一點在火星至關重要,因此太空人勢必得進行大量劇烈運動。不過他們或許會開心地發現,自己竟然擁有超人的超能力。

不過這也就是說,火星上的運動場地得重新設計了。火星的重力只有地球的三分之一強,任誰在火星上擲球,都能扔出比在地球上遠三倍的距離。因此棒球場大小、其壘包位置甚至足球場尺寸都必須放大才行。

此外,由於火星的大氣壓力只有地球的百分之一,棒球、足球的空氣動力學也將大為不同,其中影響最大的就是「控球精準度」。在地球,一等一的運動員苦磨多年、練就一身精準控球的玄妙功夫,因此獲得百萬美元合約,而這項技能與操控球的「旋轉方式」有關。

球在空中移動時,所經之處皆引發氣流擾動,這些小氣旋(渦流)會微微改變球的移動方向、並減緩其速度。(以棒球為例,棒球縫線促使渦流產生、進而決定球的旋轉方式。高爾夫球借助於球面的小凹窩,美式足球則取決於球片接合方式。)

足球員拋球,讓球在空中以螺旋路徑快速轉動。旋轉能減少球面渦流,使其更精準地畫過空中、盡可能不受干擾地移動更長的距離。另就是,快速旋轉的足球猶如小陀螺,能穩定保持同一方向,讓球體循正確路徑移動、隊友也更容易接到球。

應用相同的氣流原理,諸多棒球神話也可能證實為真。歷代皆有棒球投手宣稱能投出「蝴蝶球」(knuckleballs)及「曲球」(curveballs),控制球的移動軌跡,這似乎有違反常識之虞。

然而,縮時影像紀錄卻顯示這個說法正確無誤。若能盡量降低棒球離手後的旋轉次數(如蝴蝶球),就能將氣流擾動提升至最大程度,使棒球不規則移動。棒球快速旋轉時,因球體一側的氣壓大於另一側(這個作用稱為「白努利原理」[Bernoulli’s principle]),整顆球會朝某個方向偏移。

總地說來,對於來自地球的世界級運動員而言,火星的低大氣壓可能使他們失去控球能力,但說不定也因此培養出另一批新世代火星運動員。在地球精通的運動項目,搬到火星就不一定拿手了。

如果一一認出奧運競賽項目,各位肯定會發現,每一項運動都必須考量火星微弱的重力和氣壓,重新調整規則,無一例外。事實上,全新的「火星奧運」有可能因此誕生,搞不好還會列入「極速運動」這類不符合地球物理條件、甚至也還不存在的新項目。

火星的物理條件也可能使某些運動變得更具藝術性、姿態更優雅。就拿花式滑冰來說,在地球上,選手躍起後僅能在空中旋轉四圈,從來沒有人能做到「五周跳」(quintuple jump)。這是因為選手躍起的高度取決於「重力強度」和「起跳速度」。在火星,因為重力減弱、氣壓降低的關係,花式滑冰選手一定能跳個三倍高,盡情展現令人屏息的跳躍與旋轉功夫。體操運動員在地球之所以能一躍空中、做出驚人旋轉,理由是他們的肌肉強度大於身體重量。來到火星,身體重量減輕,肌肉力量更是遠遠超出體重,應能演出不曾有人見識過的空中旋轉。

火星旅遊

待太空人掌握在火星生存、攸關生死的基本生活要領之後,就可以開始享受紅星令人賞心悅目的絕美獎賞。

由於火星重力微弱、大氣稀薄且沒有液態水,因此火星的高山比地球山脈更加雄偉壯麗。火星的奧林帕斯山(Olympus Mons)是太陽系已知最大火山:它比埃佛勒斯峰高二點五倍,且幅員極廣,若擺在北美洲,約可從美國紐約延伸至加拿大蒙特婁。火星重力場微弱,意味著登山大背包不會再是沉重負擔,而且登山者還能展現強大耐力,就像在月球上的太空人一樣。

另外還有三座較小的火山、排成一直線,緊鄰奧林帕斯山。這些小型火山與其所在位置,顯示火星在遠古時代曾經有過板塊運動。我們用夏威夷群島類比說明:地球的太平洋底下有座狀態穩定的岩漿池,岩漿產生的壓力會週期性地向上推擠、使岩漿穿出地殼,在夏威夷島鏈上造出新島嶼。不過,火星的板塊運動似乎在很久以前就結束了:火星核心冷卻就是最明確的證據。

火星上最大的峽谷「水手號峽谷」(Mariner Valley)應該也是太陽系最大的峽谷,如果把峽谷搬到北美,大概可以從紐約一路橫跨至洛杉磯。曾一睹美國大峽谷且讚嘆不已的健行愛好者們,若見到這座浩瀚的地外峽谷,肯定目瞪口呆、驚嘆連連。不過水手號峽谷和大峽谷不同,並非因河流切穿所致。最新理論指出,這個寬度超過四千八百公里的峽谷類似美洲的聖安地列斯斷層(San Andreas Fault),正好位於兩塊板塊交界處。

不過,最頂級的旅遊景點大概要屬紅星的兩座巨大冰帽了,其特色是由兩種類型的冰組成,成分也和地球的冰不一樣。第一種成分是「結冰的水」,這部分冰帽是火星的固定地貌,幾乎全年維持不變。另一種成分是乾冰,也就是固態的二氧化碳,會隨季節變化而擴大或縮小。夏季時分,乾冰蒸發消失,只留下冰塊組成的冰帽,使得極區冰帽在一年之間會呈現消長變化。

相較於地球表面特徵的持續變動,在過去數十億年間,火星的基本地貌幾乎毫無變化。也因為如此,我們在地球上找不到任何能與火星對應的地貌——包括上千個許久許久前遺留下來的巨型隕石坑。地球也曾有過這種規模的隕石坑,但大多遭水流侵蝕抹去。此外,因為板塊運動的關係,地球地貌數億年就會循環一次,古老的隕石坑全部轉生為新地形了。可是瞧瞧火星,那彷彿是一片遭時光凍結的大地。

事實上,就許多方面來說,我們對火星地貌的了解更甚於地球表面。地表約四分之三被海洋覆蓋,而火星沒有海洋。咱們派去繞著火星轉的各路探測器始終能一方一寸仔細拍下火星表面的照片,提供火星地貌的種種細節:結合冰、雪、塵埃與沙丘,火星創造出各式各樣地球未曾見識的新型地質地貌。橫越如此新奇的火星大地,無疑會是所有健行愛好者的夢想。

不過,從觀光景點的角度來看,火星那猶如惡魔肆虐的塵捲風(dust devils)可能會是明顯致命傷。塵捲風在火星頗為常見,幾乎日日橫掃沙漠地帶,高度甚至可能超越埃佛勒斯峰,令地球上僅揚起數百公尺風沙的同門兄弟相形見絀。此外還有規模巨如行星的猛烈沙塵暴,猶如一席沙毯,裹住整顆火星且數週不散。不過多虧火星的低氣壓,這類風暴鮮少造成傷害:時速上百公里的「強風」感覺跟時速五、六公里的微風差不多。風起時或許惱人,總是將一堆細沙粒吹進太空衣、儀器或交通工具,導致運轉不順或故障,但絕對不會吹翻大樓和建築物。

火星空氣稀薄,所以飛機可能需要更大的機翼才能在火星天際翱翔。飛行器若是以太陽能為動力,則需要極大的機體表面裝設太陽能板,但可能因造價過於昂貴而無法應用於旅遊產業。是以在火星可能看不到「飛越大峽谷」這種景象。話說回來,若能克服低溫和低大氣壓問題,汽球和飛艇或許會是比較有發展潛力的運輸工具。比起軌道太空船,搭乘汽球或飛艇讓遊客能以更近的距離探索火星地貌,而且同樣能遊覽廣大區域。將來有一天,成群結隊的汽球或飛船說不定會成為火星地質奇觀上空的常態景象。

火星,伊甸園

為確保人類在紅星永不缺席,我們必須找出方法,在這片不適合居住的大地上創造伊甸園。羅伯特.祖布倫是航太工程師,除了任職於Martin Marietta 與Lockheed Martin兩家公司、也是「火星社會」(Mars Society)的創辦人,多年來一直熱衷倡導紅星殖民計畫,目標是說服社會大眾慷慨解囊、挹注載人火星任務。過去他一度知音難覓、孤掌難鳴,但現在,不論政府或私人企業紛紛向他取經、尋求建議。

我曾在不同場合訪問過祖布倫博士好幾次,每一次都看見他展現熱情、旺盛的精力,以及對這項使命的全心奉獻。我問他是怎麼迷上太空的,他告訴我,這一切都是小時候讀了科幻小說才開始的。早在一九五二年,他就看過馮布勞恩解說十艘太空船如何在地球軌道集結、執行運送七十名太空組員至火星的太空任務,他亦為之神往不已。

我問博士,他如何將投注於科幻小說的熱情化為探索火星的終生職志?「其實是因為史普尼克。」他說。「在大人的世界裡,史普尼克的成功令人恐懼。可是對我來說那實在太刺激太開心了。」一九五七年,世界首度成功發射人造衛星的壯舉擄獲了他的心,因為這代表他讀過的小說極可能成真。祖布倫堅信,科幻小說總有一天會成為科學事實。

祖布倫屬於「看著美國從零開始、逐步成為地球上最活躍的太空強權」的一代。後來,越戰和政治內鬥逐漸消耗人民對政府的期待,於是月球漫步漸漸成為遙遠、無足輕重的夢想。預算刪減,計畫取消,儘管民意傾向反對太空計畫,祖布倫仍堅持信念,認定火星應該是美國太空計畫時間表的下一座里程碑。一九八九年,老布希總統宣布要在二○二○年登上火星,這項宣誓曾短暫激起民眾的熱情與想像力——但只維持不到一年。因為研究顯示,這項計畫的經費估計高達四千五百億美元。美國人嚇呆了。火星任務再次束之高閣。

祖布倫遊走民間多年,鼓吹他的遠大抱負並尋求支持。在明白社會大眾無意支持任何超出預算的政府計畫之後,祖布倫提出幾項創新但實際的火星殖民方式。在此之前,大多數人從未認真思考過「投資未來太空計畫」這個問題。

祖布倫於一九九○年提出「直擊火星」計畫(Mars Direct),並且將任務拆成兩部分,用以節省成本。首先是派出暫名為「返航火箭」(Earth Return Vehicle)的無人飛行器,飛抵火星。返航火箭僅載有少量氫氣(八噸),這些氫氣將與火星大氣無限供應的二氧化碳結合,經化學反應產生近一百一十二噸的甲烷和氧氣,提供足夠的燃料,讓火箭可繼續接下來的返航之旅。燃料製成後,地球上的太空人立刻搭乘另一艘飛行器「火星小屋」(Mars Habitat Unit)出發,但僅載有足夠飛抵火星的單程燃料。太空人降落火星、完成科學實驗,離開「火星小屋」並轉進第一段任務的「返航火箭」,利用新合成的燃料,駕駛火箭返回地球。

部分批評者聽聞,祖布倫竟主張只給太空人前往火箭的單程票,彷彿期待他們死在紅星上,因此對此相當震驚。祖布倫為此細心說明,表示回程燃料可以直接在火星製造。不過他會再加上一句:「人生猶如單程票。把這張票用在前往火星、建立人類文明並使其開枝散葉,也是一種使用方式。」他相信,五百年後的歷史學家可能不會記得廿一世紀所有無足輕重的戰爭與衝突,但肯定會為了人類在火星創建新世界而記上一筆,振臂歡呼。

從那時候起,NASA便納入「直擊火星」的策略觀點,改變火星計畫的基本原則,優先考量成本、效率和就地取材。祖布倫的火星社會公司也當真造了一座火星基地原型。他們選擇在美國猶他州建立「火星沙漠研究站」(Mars Desert Research Station, MDRS),理由是當地環境最適合模擬紅星的自然條件:低溫、沙漠化、荒瘠、沒有動植物。MDRS的核心是一棟兩層樓高的圓筒狀建築,可供七名組員居住使用。另外還有一座觀星天文台。MDRS公開徵選願意進駐研究站二至三週的志願者。這些人接受訓練,像真正的太空人一樣肩負某些職責與義務——譬如進行科學實驗、維修檢修、觀察記錄等等。該機構想盡可能創造貼近真實的火星體驗,並藉此實地測試,當人類和相對陌生的同伴長時間處在與世隔絕的火星時,心理層面會發生哪些變化。自二○○一年MDRS啟用以來,總計有一千多人通過試驗計畫。

改造火星

祖布倫根據MDRS和其他幾項計畫的經驗,認為「火星殖民計畫」應能按照可預測的時間表循序執行。在他看來,殖民計畫的首要任務是建立一座可容納二十至五十名太空人的火星基地。有些人可能只待幾個月,有些人可能待上一輩子,把基地當成永遠的家。要是適應一段時間後,他們的自我角色認定也會從「太空人」漸漸轉變成「移民」或「殖民者」。

剛開始,大部分的補給物資仍得從地球送來。一旦進入第二階段、火星移民人口提升至數千人規模之後,他們就有能力開發並利用當地資源了。火星砂土之所以呈紅色,原因是含有氧化鐵(鐵鏽),故火星移民可鍛鐵煉鋼,用於工程建設。至於電力則來自大型太陽能集電場匯儲的太陽能,而火星大氣中的二氧化碳可用於栽種植物。於是火星移居地逐漸轉向自給自足,適合居住。

接下來這一步是整個計畫中最困難的一步。總有一天,火星移民勢必得摸索「徐徐加熱大氣層」的方法,讓紅星三十億年來首次有液態水流動。有水才有農業,進而築城造鎮,該計畫亦自此進入第三階段,讓新文明蓬勃發展、遍布整個星球。

粗略估算一下,改造火星的成本極度高昂,目前我們完全負擔不起,而且這個程序大概要好幾個世紀才能完成。不過,地質證據顯示,火星表面曾一度出現過相當豐沛的液態水,刻鑿河床、畫切河岸,甚至還有過浩瀚如美國的古老海洋,著實令我們極感興趣、心懷希望。數十億年前,火星比地球早一步開始冷卻。在地球還只是一團熔融岩漿的時候,火星已出現所謂「熱帶氣候」。結合「氣候溫和」與「大量液態水」這兩點,令某些科學家一度推測DNA源自火星。在他們描繪的版本中,火星曾遭巨大隕石撞擊、導致大量碎片噴散至太空,其中有些落向地球,火星DNA也因此萌芽。若這套理論屬實,要想一睹火星人風采,各位只消照照鏡子就行了。

祖布倫指出,改造火星並非全新或特別奇怪的過程。說到底,DNA亦仍持續不斷地改造地球。生命一直在重塑地球生態系、深入各個層面,從大氣組成、地形地貌以至海洋生態皆不脫這個範疇。所以,待人類將來準備著手改造火星之際,只要照著執行大自然寫好的腳本就可以了。

相關書摘 ►加來道雄《離開太陽系》:當人類終於能永生不朽,接下來會發生什麼事?

書籍介紹

本文摘錄自《離開太陽系:移民火星、超人類誕生到星際旅行,探索物理學家眼中的未來世界》,時報出版

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作者:加來道雄(Michio Kaku)
譯者:黎湛平

繼紐約時報暢銷書《2100科技大未來》後
弦論奠基人、當代物理學大師 加來道雄
預言改造火星、星際旅行、長生不朽與後地球時代的終極命運

21世紀地球的下一步是什麼?當鋼鐵人馬斯克揭露其醞釀已久的太空旅遊計畫、波音公司總裁米倫伯格表示太空發射系統已臻成熟,全球產業鏈移轉、科技股應聲上漲,新一波太空科技競賽宣告正式開打,年輕世代可望於有生之年在火星上踏出重要的一步。

但民眾更好奇的是,投入數兆美元的科學研究,究竟要將人類帶往何方?
未來的人類是否可能移民太空站、火星,最後離開太陽系?尋找比地球更宜家家居的行星?

先進國家的科學家早在列舉移居星球的名單,任一星球只要水源日照充足、溫度適中,而且重力和地球相仿,移居外星將不再是夢想。同時太空產業也提出自己的選項:人類不只能移居外星,也能發展月球生物圈、星際旅遊以及小行星挖礦。甚至過往危險又耗費巨大的火箭,如今都有解決方案:移民者可搭乘太空電梯,從地面前往停在大氣層外的大型星艦,再也不用承受火箭發射之苦;又或者搭乘「彗星高速公路」,不耗費過多太空梭能量,就此永遠離開太陽系。

科學即國力,加來道雄深受美蘇太空競賽、科幻小說大師艾西莫夫,以及經典科幻影集《星艦迷航》啟蒙,投身物理研究,並奠基了實踐當代科技的超弦論。他也指出,核子火箭、反物質引擎、光帆、奈米探測太空船和新型星艦動力等先進構想已被提出;同時當代科技如3D列印、量子電腦、人工智慧、機器人、生物科技、基因治療等技術也日益進步。影視作品中的移民外星將不再是夢想,而是下個世紀的趨勢,新一代的太空研究熱潮將捲土重來。

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Photo Credit: 時報出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:丁肇九

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