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▌「罩」不住的星際旅行
▌文╱帕克（Eugene N. Parker）
▌翻譯／郭兆林
▌提供／科學人雜誌
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在科幻小說中，太空旅客遇到的最嚴重威脅龐大可見：橫衝直撞的小行星、飢餓的外星生物、邪惡的帝國戰艦等。不過事實上，人類在太空中最恐怖的威脅是小得不得了的東西，即高速的基本粒子：宇宙射線。在長途飛行中，宇宙射線帶給太空人的輻射量嚴重到足以致癌。外太空探險旅行所面臨的其他挑戰，若給予工程師足夠的時間與金錢，都應該能解決，然而宇宙射線卻是個無法避免的危險，這問題往往牽涉到根本的取捨難題，或許會形成火星之旅的終極阻礙。
在實驗室裡，宇宙射線最初被當成小麻煩。宇宙射線的發現，源於物理學家注意到物體無法一直維持所帶電荷，於是推想一定有某些東西會讓空氣游離而導電，使電荷慢慢消逸。許多研究者將之歸咎於腳下的岩石土壤充斥輻射所致。奧地利物理學家海斯（Victor Hess）於1912年解決了這個問題：他搭乘氣球升高，證明飛得越高，驗電器流失電荷的速度便越快。由此可知造成空氣游離化的神秘物體來自太空，於是便出現「宇宙射線」之名。
1950年時，物理學家已經確定這個名詞實際上是誤用。宇宙射線不是射線，而是離子（絕大多數是質子，混合少數較重的原子核），以接近光速撞擊大氣頂層。絕大多數宇宙射線來自於太陽系之外，至今仍不知道為何它們速度能這麼快。一度視宇宙射線為麻煩的實驗家，改拿它們當觀察工具，我和同事在1950年代末期便利用宇宙射線的強度變化，推論出太陽風的存在。
保護地球上的人們免於宇宙射線摧殘的功臣，並非一般所認為的是地球磁場，而是厚厚的大氣層。一平方公分的地表上約有一公斤空氣，平均下來，當質子穿過約70公克的物質，便會撞上大氣中一個原子核（相當於約大氣層1/14的距離，在海拔20~25公里高左右），而其餘的底層大氣則負責吸收相撞後的碎片。衝擊會將原子核的一、兩個質子或中子撞掉，釋放一陣高能γ射線與π介子，γ射線會傳到大氣層更內部，製造出電子與其反物質正子。這兩種粒子碰上其反物質會互相湮滅，產生能量較低的γ射線，如此週期性地循環，直到γ射線太弱而無法製造粒子為止。
同時，π介子會快速衰變成緲子抵達地面。當緲子通過我們的身體時，會產生離子並打斷化學鍵，不過不足以造成顯著傷害。每年宇宙射線量約為0.03侖目（依海拔而定），相當於幾次胸部X光照。
在大氣層外，宇宙射線風暴很強烈，大約一秒就有一個質子或更重的原子核穿過指甲大小的面積，總共每秒約有5000個離子貫穿身體，每個離子都會留下打斷化學鍵的痕跡，並在體內啟動先前所述發生在大氣層內的一連串反應。在宇宙射線中，少數較重的核子會造成比質子更大的傷害，因為打斷化學鍵的能力與電荷平方成正比。例如，鐵原子核所造成的傷害是質子的676倍。在這樣的輻射下待上一個星期或一個月，或許不會有嚴重後果，但是長達數年的火星之旅可就不同了。根據美國航太總署（NASA）的估計，每年太空人體內約有1/3的DNA會被宇宙射線切斷。
太空旅行危機重重
目前對於高能輻射會對生物產生什麼影響的量化資料，只有來自在核能爆炸與實驗室意外中，不幸暴露於γ射線與高速粒子短暫而猛烈攻擊下的人們身上，其細胞受到損害，且罹癌率提高。造訪火星的旅客雖然是低劑量的暴露在輻射下，不過長期下來也會累積到差不多的輻射量。沒有人知道這兩種情況是否真的相當，但兩相比較卻令人擔憂，自然的生物修復機制不一定能彌補損害。
任職於美國俄克拉荷馬市聯邦航空總署民航醫學研究所的弗里德伯格（Wallace Friedberg）與同事，最近進行了相關研究。在2005年8月發表的一份報告中，他們估計赴火星的太空人一年將會接受超過80侖目的輻射量，而相較之下，美國法律限制核能電廠工人每年不得受超過5侖目的輻射劑量。據研究，每10名男性太空人中有一人最後死於癌症，每6名女性則有一人（因為她們更容易罹患乳癌）。甚者，重核子會造成白內障與腦部損害（這方面的數字仍然相當不確定）。
當然，遍佈太空的宇宙射線風暴並不是唯一的威脅，太陽也會釋放大量質子與重原子核，以接近光速噴出。這類攻擊有時一小時內會逾數百侖目，對沒有屏障的太空人來說是致死劑量，發生於1956年2月23日的劇烈太陽閃焰就是一個眾所皆知的例子。任何防堵宇宙射線的措施，都該考慮到這些太陽風暴。即使如此，明智的火星之旅，應該計畫在太陽磁場活動最不頻繁的時候進行。
為因應輻射威脅，NASA在2003年於阿拉巴馬州杭茨維爾的馬歇爾太空飛行中心，設立太空輻射防護計畫。第一個想法是用物質包圍保護太空人，如同大氣保護地球人類；第二個提案是以磁場偏折宇宙射線，就像地球磁場提供赤道地區與國際太空站保護一樣。最近的構想是讓太空船帶正電，以排斥帶正電的原子核。
2004年8月，NASA在密西根大學安娜堡分校召開兩天的會議進行評估，結論並不樂觀：宇宙射線問題的解決之道並不明確，甚至到底有沒有解決之道都還是個問題。
好重的防護措施！
要相當於地球大氣層所提供的保護，需要每平方公分一公斤重的屏蔽物質，不過500公克（相當於海拔5500公尺處的大氣）對太空人已經足適。低於500公克就不夠了，因為屏蔽物質將無法吸收碎片。
若屏蔽物質是水，必須要有五公尺深，圍繞小艙房的球狀水槽會重達500噸，而更大、更舒適的活動區勢必需要更重的水槽，這遠超過太空梭的最高載重量30噸。水是常見的提議方案，因為反正太空人都需要用，而且水富含氫。用比氫更重的素材做屏蔽物比較沒效率，因為原子核內多餘的質子與中子會彼此阻擋，限制和宇宙射線發生交互作用的能力。為了增加氫含量，工程師可以利用乙烯（C2H4），其好處在於它可聚合成聚乙烯，形成固體後便不需要容器盛裝。即便如此，所需質量至少是400噸，依然不可行。使用純氫會比較輕，但需要高壓容器。
那麼考慮運用磁場屏蔽的可行性。磁場會將帶電粒子朝運動方向直角方向偏折，根據磁力線的排列，可將粒子送往任何方向，甚至是迫使它一直繞圈。若帶電粒子能量不是太大，在接近地球低緯度地區的磁場時會被送回太空。太空船也可攜帶有相同作用的磁鐵。
不過，另一個大問題是宇宙射線質子的巨大動能。要提供太空人足夠的保護，意謂著要推開密密麻麻、能量達20億電子伏特（粒子物理學的能量標準單位）的宇宙射線質子。要在幾公尺的距離內讓這些質子停住，屏蔽物質必須具備20特士拉的磁場，約是地球赤道地區磁場的60萬倍。這種磁場強大到需要由超導電線建造電磁鐵，就像在粒子加速器中所使用的一般。麻省理工學院由丁肇中領導的小組，提出了一套重僅九噸的系統，在屏蔽物質上邁進一大步，但是仍然太重了，難以奢望能一路帶到火星表面再回來。
磁力方案還有許多細節值得憂心。磁場在磁極附近沒有顯著的屏蔽效果，因為在此射入的粒子與磁場平行，而非穿越磁場。這就是為何地球的磁場除了能保護赤道附近的住民外，在其他地方幾無所用。為了讓太空人保持相當於赤道區的狀況，太空船的活動區必須做成甜甜圈狀。太空人必須忍受20特士拉的磁場，而且沒有人知道會造成何種生理反應。已故芝加哥大學實驗物理學家馬歇爾（John Marshall）多年前曾對我說，當他將頭塞進一個舊粒子加速器的磁鐵間時，頭部的任何動作都會讓眼睛出現小閃光，嘴巴出現酸味，可能是口水發生電解所致，而這磁鐵僅有0.5特士拉的磁場。
由於強烈磁場可能影響身體的化學反應，研究人員必須以實驗測試20特士拉磁場的安全性。如果結果顯示強磁場有害人體，工程師可能就得利用相反方向的磁場來抵消船艙內的磁場。這額外的磁鐵顯然會讓系統變得複雜很多，也更加笨重。
有些研究者提議使用範圍比幾公尺大上許多的較廣磁場。這個磁場可用電漿推出，就像太陽風的離子氣體可以將太陽磁場帶到很遠的地方一樣。提議者聲稱這種「膨脹」的磁場不必太強，一特士拉或甚至更小可能就足夠了。可惜的是，這個方案未考慮到電漿是出名的不穩定。過去50年來，為了想從核融合製造出能量，實驗家用盡努力也無法以磁場困住電漿，電漿擺脫任何束縛的能力高超無比。即使電漿能夠被控制住，膨脹的磁場只會減弱屏障而非增強，磁力線將會往外推，散佈成更廣的範圍，結果射入質子只須穿過更少的磁力線。防護罩的強度變弱，就像是地球中緯區與極區一樣。
（本文原載於科學人2006年4月號）
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▌車諾比核災20週年
▌文／科科報編輯小組
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1986年4月26日凌晨，位在烏克蘭（當時為前蘇聯國家）的車諾比核電廠發生爆炸，造成大量放射性物質外洩。儘管當局封鎖住了爆炸消息，卻封鎖不住輻射外洩。兩天後歐洲各國開始清查不明輻射污染，才揭發了這場有史以來最嚴重的核災。
事隔20年，車諾比的陰影仍然無法揮去。據法新社報導，英國科學家針對車諾比的研究指出，車諾比事件所造成的長期影響還會造成六萬六千人因癌症而死亡。綠色和平組織的報告則認為，因車諾比事件死亡人數將高達十萬人。俄國研究則指出有三分之二的倖存者仍遭受心理疾病所苦。
根據世界衛生組織統計，20年來因為當年意外而死亡的人數為四千人，但這個數字遭到反核團體駁斥。當年核災所造成的千億美元損失也讓當地尚未從經濟蕭條中復元，甚至引發爆炸的四號反應爐裂縫至今仍未修補，輻射外洩仍在持續中。
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