零距離科學:人類火箭準備好前往「下一個地球」了嗎?

零距離科學:人類火箭準備好前往「下一個地球」了嗎?
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我們想讓你知道的是

前往距離以光年起跳的旅程,即使人類在未來能長命過幾百歲,這個任務也注定要跨越好幾代人。

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文:馬學綸(香港中文大學微生物學系博士)
圖:香港電台

你正在上科學課,午後的課堂總是特別催眠,老師突然提出了一個經問題︰「如果你要去一個荒島生活,只可以帶三件物品,你會帶甚麼?」同學們開始「回魂」,七嘴八舌地提出各種諸如手機、罐頭、樽裝水之類的,你早就知道行不通的物品。接著,你舉手向老師問了一個你認為是關鍵的問題︰「老師,那個荒島有多遠?我們又要留多久?」老師拍了幾下手,微笑著說︰「正中盲點了,華生。」

「各位同學,如果我們這次遊程要去太陽系以外,至少距離我們幾光年的恆星,尋找一個可以讓人類生活的行星,落地生根,我們要帶甚麼?」

目前人類用於探索太空的火箭,無論是載人的,還是攜帶探測器離開地球的,都使用液態燃料,稱為液態燃料火箭(chemical fuel rocket)。以阿波羅11號(Apollo 11)任務中使用的土星5號(Saturn V)為例,用了三天就把太空人送進預先計算好的月球軌道。以月地平均距離約38萬公里來說,每天能「飛馳」圍繞地球赤道超過三十圈的距離。可是,若要去至少數光年以外的恆星,以一光年為三億公里來說,就成了毛蟲在「蠕動」了。

另一方面,液態燃料的效能太低,如果要乘坐液態燃燒火箭,前往距離地球最近的恆星,位於4.3光年以外的半人馬座比鄰星,需要的液態燃料的質量比整個宇宙的已知質量加起來還要多,所以,液態燃燒火箭還是留在太陽系內用吧。

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一名科學家正在協助男孩以虛擬實景(VR)體驗火星漫步,讓現今的科學家的熱情,一代一代地傳承下去。

回到最初的問題,我們究竟要去多遠?答案是,由最近地球的恆星開始,有可能有類似地球的行星的,逐顆逐顆找,直到找到新家園。雖然科學家已發現一系列圍繞遠方恆星的外行星(exoplanets),當中更有不少是質量近似地球,可能在宜居帶(habitable zone)裡。不過,一日不作近距離觀察,一日都不會知道是否真的能住人,也不會知道有甚麼物資能就地開採。液態燃料火箭投降了,科學家還有另外三個火箭推進器(propulsion)題案:等離子體(plasma)核聚變(fusion)反物質(anti-matter)

可是,這三個題案不是涉及現在還沒有的技術,就是踏進了發展還是很初步的領域。以等離子體推進器為例,雖然科學家已經能控制把原子離子化的過程,但作為星際級航行的推動力,還需要有能力把離子穩定地、長時間地,以高速噴出以產生推進力。至於核聚變,即我們的太陽內部把氫原子融合成氦原子的連鎖反應,能在太陽核心產生1500萬度高溫,但至今科學家仍未掌握控制這種能量的技術,一旦失控將變成破壞力可與原子彈比擬的氫彈。

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科學家正在研發新一代的等離子體推進器,只需數十至數百公斤的燃料,就能飛越以光年計的距離,效能比傳統的液態燃料推進器高很多。
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科學家在50年代已開始嘗試研發核聚變反應爐,嘗試控制點燃太陽的物理現象,但要在地球上模擬太陽核心的環境,以現時的科技來說仍相當困難。

再來就是反物質,其實本質上也不是那麼神秘,在大氣層頂部的粒子受到高能量宇宙射線的撞擊,就會產生反物質,而物質與反物質互相抵消所產生的能量,根據愛因斯坦的質能互換方程式(E=mc²),是現代物理學框架下,最有效的產生能量方式。可是,以現在的科技水平,要人工生產反物質,需要大型強子對撞機(Large Hadron Collider)級數的機器,而且產量極少。盡管如此,我們也不必太悲觀,試想想,大部份上一代的人也未想像過我們今日有的科技,也沒想過能用「小黑盒」來看文章吧。

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以現有的科技製造暗物質,需要以歐洲核子研究組織(CERN)研發的大型強子對撞機(Large Hadron Collider),把粒子加速至接近光速再互相撞擊,但反物質的產量只到毫克水平,遠遠不夠用來推動太空船。

前往距離以光年起跳的旅程,即使人類在未來能長命過幾百歲,這個任務也注定要跨越好幾代人。現在努力著的科學家們,自己將不可能踏上下一個人類落地生根的行星,要到不知道多少代人後,才會有人仰望一個不一樣的星空,想起為人類走出這重要的一大步的先輩們。

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美國太空總署噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)總工程師 Gentry Lee,已經參與探索太陽系其他行星的機器人任務50年,現已75歲的他,還是每天興奮地期待著新發現。

節目簡介:

《零距離科學》集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播出播映,本集「太空任務:推進」於7月26日播出。港台網站tv.rthk.hk及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫:www.rthk.hk/tv/dtt31/programme/sciencewithyou

(文章標題為編輯所擬,原標題「零距離科學──太空任務:推進 跨越世代的薪火」)

責任編輯:歐嘉俊
核稿編輯:鄭家榆

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