一堂珍貴的太空課程 來自台灣的NASA太空任務專家 李傑信

口述/李傑信 採訪整理、攝影/詹樹樹 圖片提供/李傑信、NASA(美國國家太空總署)

每個人都想知道自己從哪裡來,以及為什麼來,這樣的大哉問,恰是哲學和科學都亟欲理解的終極答案。在這樣廣闊的世界,即使人類已經窮盡精力去挖掘,但原來我們所知的也不過是整個世界的5%,另外那95%,是所謂的暗物質和暗能量,我們能看到的就是冰山的一角,卻看不到整個冰山的樣子。李傑信,是NASA 太空任務專家,要為我們上一堂珍貴的太空課程,也許這堂課程不能解答人類的大哉問,但絕對是一個探索未知的美好旅程。


李傑信

國立台灣大學物理系畢業,美國麻省理工學院科技管理碩士、洛杉磯加州大學物理博士。現於美國航空暨太空總署(NASA)總部,擔任太空任務科學家和資深技術顧問,管理太空基礎物理科學飛行實驗任務。

曾發表90 餘篇科學及科技管理論文,擁有9 項美國專利,並熱心投身科普教育,著有多本中文科普書籍。

 
關於太空任務實驗室我的專業是在太空做實驗。太空的環境跟地球不一樣,主

要是重力場的問題。在地面上,蠟燭的火焰是往上走,呈錐型狀。但在太空點起蠟燭,火焰是球形,它的對流不再是從下到上。如果在太空有個氣泡在水裡面,它不會浮到表面,而會停止在水的中間,這是因為在太空中沒有重力,浮力也就跟著消失了。

地球上所有液體都有溫差,就會產生流動。甚至眼前這個杯子裡的熱茶,如果你急著喝,就吹口氣,要上面蒸發快些,它的溫度就低了些。水溫一低,水的密

度增加,就開始下沉,順勢也就把杯底溫高的水擠上來,杯中的水於是就會產生對流。如果在液體流動的狀態下,很快冷卻,把它凍成冰塊,冰塊中水的結晶安排,一定會有缺陷。

你想把一個材料做得很好,就得讓結晶前的材料不要動,慢慢把它凝固起來,這個結晶體才會完美。在太空中沒有重力,因溫差引起的對流現象不復存在,結晶前的液體材料不再流動。尤其是跟藥物有關係的蛋白質晶體,更為關鍵。地面的蛋白質結晶沒有在太空中製作來得完美,所以我們在太空可以生長一些更精確的蛋白質晶體。

在太空中,也可以做近代重要的原子鐘實驗。原子鐘是以原子內部自然震動的次數來決定時間的標準「秒」。每個原子內部的震動都像一個哨子一樣,頻率是每一秒鐘好幾十億次。但在地面上的原子,因重力關係,都是以自由落體的速度運動。

運動中的哨子吹出來的聲音就不純,就像救護車一樣,它拉響警笛朝你開來的時候,聲音既高又尖,但離你遠去的時候,聲調就轉低變弱。雖然救護車發出的頻率不變,但你聽到的就是不一樣。地面上所有原子發出來的頻率都有雜訊,這就影響原子鐘的精確性。因為沒有重力,我們在太空可以把原子運動速度減慢,使它的速度幾近於零,發出的頻率就會比地面準確上千倍。

在太空做實驗,可能得到許多問題的解答。例如在同一個重力場,密度大和密度小的東西一起往下掉,它們的速度是一樣的嗎?這是伽利略在十七世紀初就開始做的實驗。在地面做這類實驗,自由落體狀況只能持續幾秒鐘。在地球軌道上,自由落體狀況可持續數年。愛因斯坦假設它們以等速自由墜落,稱其為「等效原理」,是他相對論的最基本支柱,也是宇宙中最神秘的現象之一。在太空中做這類的實驗,可探入到物理最深奧的領域。

在太空可以進行一些生物培植,所以我們也開始嘗試種一些植物,在箱子裡有人工日光燈等各種光源,加進營養液,譬如馬鈴薯、青菜,所以現在太空人也可以在太空站吃到新鮮栽種的蔬菜了。

在沒有重力的狀態下,魚或較小動物能不能繼續延續生命?現在也在研究,人類到了太空可以繁衍後代嗎? NASA 曾經送過一對夫妻到太空站,但沒有任何結果公佈出來。

 

沒有重力的太空

即使在太空順利受孕了,但生出來又是另一回事,因為這孩子在太空一出生就不在重力場中,而地球上的我們,身上所有一切都與重力有關係,無論是脊椎骨肌肉和血壓的強度,都是以重力為主軸所發展出來的生理結構。我們可以說,如果沒有重力,整個生理系統可能有不知如何發展成長的混淆,甚至可能導致到崩盤的程度嗎?

一般太空人最常見的毛病是骨質鬆弛、太空貧血等,因為在沒有重力的太空,不需要那麼強壯的肌肉和骨骼;而在地球上,即使每天都不運動,肌肉和骨骼仍然要對抗看不見的重力。

所以許多在太空站上生活超過六個月以上的太空人,回到地球後,根本無法站立,都要用擔架抬下來,因為肌肉和骨骼都萎縮了,即使他每天都強迫自己做「撞擊」類的運動。

還有一個是太空失水,在地面上,人體體液的分佈,兩條大腿就像水袋一樣。但到太空之後,水變得平均分布,向上半身移動,心臟的負荷就更重了。

所以一到天上,就必須趕快排掉好幾公升的水。除了嚴重失水外,血液也會變少,心臟的功能比在地面上少百分之五到七。太空人回到地面,身上所有的水份突然跑到腿部。上半身,包括腦部,便會嚴重失水,造成休克,因此必須在回到地面前,趕快將水份補充回來。

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