第三部分「太空中真的是無重力嗎？萬有引力貫穿宇宙空間」
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理解了人類渺小不足以察覺地球自轉、並討論了證明地球自轉的直接實驗證據後，我們來討論一個稍為離題的問題：為何太空裡「好像沒有重力」呢？這概念大概是被科幻電影、小說等大眾文化所灌輸的吧！在這一節，我希望直接指出這是個錯得非常離譜的概念。
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首先，我們必須討論一下物理學裡的重力概念。關於「物件為何會往下掉落」這個問題，早於古希臘時期已經有過很多理論，其中最著名的莫過於前兩部分裡介紹的「對宇宙之間的物質作二分法」的例子：天上物質會環繞地球轉動、地上物質會向地球中心墜落。這個理論並沒有解釋為什麼宇宙裡會有兩種不同特性的物質，也沒有解釋到底是什麼力量驅使天上物質的圓周運動以及地上物質的下墜傾向。
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直至哥白尼（Nicolaus Copernicus）過世的1543年，他出版了《天體運行論》（On the Revolutions of the Heavenly Spheres）重新提倡日心說，即亞里斯塔克斯提出日心說的差不多1,800年後。不過，哥白尼的日心說其實並不比托勒密（Claudius Ptolemy）在公元2世紀出版的《至大論》（Almagest）裡描述的地心說更準確。
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事實上，兩者解釋天文數據的能力相當，複雜程度亦相差不遠。這是因為哥白尼的日心模型依然認為天體環繞太陽的軌道必然為正圓形，所以他仍必須使用一大堆複雜的、假想出來的數學規則，才能以與地心模型相同的準確程度去描述天體運行的觀測數據。
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即使到了17世紀初，科學界仍未普遍接受日心說。不過進步是有的。繼承第谷（Tycho Brahe）成為丹麥皇家天文學家的克卜勒（Johannes Kepler）發表了他的三大行星運動定律、發現行星軌道形狀是楕圓形。
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然而，克卜勒第一定律指出，太陽應該位於行星的楕圓形軌道的兩個焦點的其中之一，但這並不正確。事實上，行星並非環繞太陽運動，而是環繞整個太陽系的質心（centre of mass）運動。所以嚴格來說，地心說和日心說都不正確。而且克卜勒亦沒有到解釋行星環繞太陽運行背後的原因。
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「天上的物質vs.地上的物質」這二分法，最後被牛頓（Isaac Newton）所推翻。他提出的萬有引力定律（引力也可稱為重力），不單指出了所有物質之間都會相互吸引，更解釋了這種吸引力的來源就是物件的質量。因此，不論是地上的或天上的物質，所有擁有質量的東西都會互相吸引。
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把牛頓的萬有引力定律和運動定律結合，就會自然地得出克卜勒行星運動定律。因此，牛頓不單發現了重力的解釋，更一舉統一了宇宙間的物理學。「最基本的大自然定律應該是全宇宙適用的」更成為了現代科學研究的一個重要指標。
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跟據萬有引力定律，兩個物體之間的重力與兩者質量的乘積成正比，並與兩者質心之間的距離的平方成反比。換言之，質量越大，重力越強；相隔距離越遠，則重力越小。重要的是重力只會在無限遠時歸零。
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因此，在太空中，尤其是在距離地球很近的太空站或太空船軌道，地球施加在物體身上的重力根本不是零。再者，如果太空中沒有重力，那麼太陽如何吸引八大行星繞其運動？地球又怎能吸引月球環繞我們轉動？所以「太空中無重力」是對力學非常離譜的誤解。
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萬有引力（即重力）從地球、太陽、月球，以及所有天體表面貫穿宇宙空間，因此可說重力在宇宙中無處不在。可是回到最初的問題，為何太空人在太空船、太空站又會漂浮著，就好像沒有重力的樣子？
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牛頓在1687年出版了《自然哲學的數學原理》（Mathematical Principles of Natural Philosophy），裡面描述了一個思想實驗：想像有一個能夠以任何力度發射炮彈的炮台。如果力度很小，那麼炮彈會以拋物線在不遠處落在地面上。如果加強力度，炮彈就能夠飛得遠一些。因此把發射力度逐漸加強，炮彈就能飛得越來越遠才落在地面上。
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我們也知道地球表面是彎曲的，因此如果炮台發射炮彈的力度很強，那麼發射出去的炮彈就會飛越一段很長的距離才下降少許。然而，因為地球表面是彎曲的，炮彈下降同時地面亦會向下彎曲。所以，如果發射力度足夠大的話，炮彈的下降率就能夠「追上」地面下降率，結果就是炮彈永遠不會碰到地面（假設忽略空氣阻力），環繞地球一圈後從炮台後方擊中自己。
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[思想實驗（Gedankenexperiment）指只在腦海中進行的實驗，並不一定有在現實中進行過。當然，思想實驗並不是真的實驗，並不能夠用來作為科學理論的證據。不過很多物理學家都愛用思想實驗去幫助他們跟據已知物理定律想像未知的結果。有時候，透過改變思想實驗的參數而得出不同的想像結果，能使我們對物理概念有更深入的了解。]
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正在環繞地球運行的人造衛星、太空望遠鏡、國際太空站，以及地球的天然衛星月球，都是上述那顆炮彈。他們其實一直都在萬有引力的控制之下，不斷地「跌落」地球，只是由於速率非常快，所以就永遠跌不到落地面、只能環繞地球運行了。
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國際太空站連同裡面的太空人都正在以同一速率前進和「下跌」，因此就看似在太空站中「漂浮」起來了。順帶一提，飛機突然關掉引擎作自由落體，裡面的人也會看似「漂浮」起來，太空人就是這樣訓練如何在太空中「無重力」狀態下工作的。
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因此，太空中根本就不是「無重力（weightless）」。萬有引力貫穿整個宇宙空間，太空人會「漂浮」只不過是「無重力感（weightlessness）」罷了，是錯覺來的。有些電影會有剛飛出大氣層的太空船裡面的人突然漂浮起來的場景，但這完全是大錯特錯。
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德國物理學家夫琅和費（Joseph von Fraunhofer）在1814年使用棱鏡和望遠鏡觀察太陽光譜（注意：這是非常危險的實驗，會對眼睛造成永久損害！），發現太陽大氣的吸收光譜線。經過分析，部分譜線與在地球上找到的元素的光譜線吻合，直接證明天上的物質與地上的物質皆由同樣的元素構成。
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《像火箭科學家一樣思考》（文長）

這是一本4月14號出版的新書，書裡用火箭的製造到發射各個階段遇到的困難，舉了許多成功與失敗的例子當作主軸，旁證博引的帶出許多思考的觀點。

﹝作者介紹﹞
瓦羅爾曾是一個火箭科學家，後來轉進法學在法院工作過，然後成了一名法學教授，而作者真正的興趣卻是政治，他出版的第一本書的主題是「專制國家能不能透過軍事政變變成民主國家」。

﹝馬斯克的”十倍思考“﹞
SpaceX使用“第一性原理“造火箭，為什麼能比NASA便宜十倍百倍？
1.零件使用外包不自己生產，太空總署因為是行業壟斷都自己做。
2.採購方法更靈活，甚至買二手。
3.和大市場對接。 NASA一台電腦報價要100萬美元， spaceX用街頭ATM的量產電腦，一台只要五千美元。
4.勁量重複使用火箭。
5.spacex不只用專門航太人才。
6.奧卡姆剃刀法則。

『從來如此，便對嗎？』凡是能用的魯迅這句話的地方，就是能用馬斯克的第一性原理的地方。

﹝登月思維﹞
書中拿美國登月計劃的例子，建議可以找一個看似不可能的大目標。公開宣佈，然後集中力量把這個目標做出來，把不可能變成可能。它的好處是：就算失敗了，也能得到一定的經驗：一但做成了，回報是不成比例的：競爭反而不激烈。它還能逼著所有人從“第一性原理”去思考問題。登月是個發散思維，需要人提供集中思維，驗證可能性。可行性認證一定要從最難的部分開始。

﹝隨時注意自己是不是陷入了思維的定勢﹞
斯坦福大學在“科技風險投資”課堂上，對學生提出了“五美元挑戰”。學生分成若干小組，老師給每組5美元的啟動金，在兩小時內，看哪一組可以賺到最多錢，賺回最多錢的小組，可以有三分鐘的時間給全班分享賺錢的過程。普通的思路，是拿這5美元去買點便宜的東西，比如檸檬汁之類的，在校園裡賣，可以賺一點差價，或是去買張彩票，這些方法的名次都很靠後。優秀的團隊是怎麼做的？他們意識到這“5美元”的啟動基金根本沒意義，是思考的障礙，他們沒有使用這５美元，有團隊的做法是，打電話給附近的高檔餐廳訂座，然後位置轉賣給後來想要插隊的人，一下子就賺了500美元。而第一名的團隊，則認為“兩小時”這個條件也沒意義，為什麼一定要工作兩小時呢？他們意識到這個項目裡最有價值的不是這兩小時，更不是5美元，而是最或在全班自我介紹的這三分鐘：他們把這三分鐘賣給了一家想來斯坦福招人的公司：你們願意花多少錢換取一個來這個班三分鐘講話的時間，他們賣出了650美元。

﹝解決問題的水平怎麼樣，很大程度上取決於你如何提出問題﹞
1957年蘇聯發射人造衛星，美國兩個物理學家利用人造衛星發出的嘟嘟聲，算出了衛星的速度跟軌道，他們會報上級時，主任的思路也很不一版，他問到既然能根據地面上聽到衛星信號來判斷衛星軌道，那我們反過來想，如果已知衛星軌道，你們能不能反推地面收聽者的位置？答案是可以。因為這三個人提出的問題，在蘇聯發射衛星區區三年後，美國就實現了用5顆衛星給自己的海外核潛艇定位，這正是我們今天使用的GPS前身。

﹝自己證偽自己﹞
1999年 火星氣候探測號。進入火星軌道的時候，墜毀了，原應是探測器的製造者用英制單位，而控制探測器的團隊用的是公制，這麼簡單的問題不應該發生。其實火箭例行的校正和調整都沒有少，在進入火星軌道之前，至少要進行四次軌道調整，就在進入火星軌道之前的兩個月，偵測人員的數據顯示，此時離預定地點偏離了70公里。但操控組認為這是觀測的誤差，操控組相信真實的偏差只有10公里。我們現在都知道這次任務已經失敗了，操控組犯了一個所有人都會犯的錯誤，他們在欺騙自己。費曼說“首要原則是你不要騙你自己，因為你自己是最容易騙自己的人“。

我們的”確認偏誤”和”逆火效應”，會讓我們本能地捍衛自己的觀點，這個 觀點會變成你的立場，你會在爭論中選邊站，然後這個站隊就成了你身份認同的一部分，如果別人攻擊這個觀點，你就會認為他是在攻擊你本人。因此科學家寫論文很少用”我相信”我認為“。而是用客觀中立的說法”假設“，不是站隊，我是發現了這麼一個假設，我們一起找正反兩面的證據。當這個假設不成立時，我也不當你是反對我，大家心平氣和的討論問題。

﹝場景要真實﹞
太空人需要接受非常極端的訓練，在遇到任何難題時才能面對，事實上太空人每次任務遇到的問題都非常棘手，需要有“安全邊界”與“冗余”。裝修醫院的重點應該是天花板，這要真的去醫院躺過才會知道，你平常有去考場踩果點嗎？你準備談判的時候有模擬過不容易回答的問題嗎？你自己認為通過是正常的，遇到意外都是運氣不好，而按照航太的標準，你都應該責備自己，你犯了準備不充分的錯誤。

內文整理自：得到－萬維鋼菁英日課

#藍聖傑BLUE #得到 #萬維鋼 #好書不推嗎 #謝謝願意讀到這邊的朋友

你知道嗎？【太空的邊界是哪？】
#本日冷知識1537
　
上上週我們講了三位蘇聯太空人不幸在太空罹難的故事。該事故迫使工程師從失敗中學習，並持續改進系統。使後繼者：來自各國的數百名太空人有安全可靠的方式定期往返國際太空站。
　
但說來奇怪，大多數太空人所到的「太空」，也只是在海拔約 400 公里的國際太空站「而已」，400 公里差不多是把台灣豎起來那麼高。相較於地球這顆直徑 12742 公里的巨球，國際太空站像一隻緊貼著地球臉皮飛的小蚊子。
　
定義上，太空的邊界是在海拔100 公里的地方，那條想像的界線叫「卡門線」（Kármán line）——太空人其實離家不遠。#當我張開翅膀試圖往夢裡闖
　
卡門線出自西奧多．馮．卡門先生（Theodore von Kármán, 1881–1963）出生於匈牙利的航空動力學工程師，身為猶太裔的卡門隨後移民美國，在加州參與成立「噴射推進實驗室」，也就是大名鼎鼎的 JPL，現隸屬於 NASA 的超酷組織（火星歸他們家管轄）。
　
* 德文名字有馮 (von) 不見得代表是貴族。馮卡門的 von 只是指出他來自卡門村。von ≒ from。
　
卡門本身是超音速飛行、飛機翼型、流體動力學，尤其是紊流方面的泰斗。簡而言之他是造飛機專家，怎麼會管到太空去了呢？
　
故事要說到底，就得從......牛頓說起！讓我們倒帶，回到西元 1665 年，英國鬧大瘟疫，青年牛頓實行了保持社交距離的防疫措施，就宅在家，看著蘋果掉落忽然就想通了萬有引力原理。天才小神童是想通了啥？原來他是頓悟惹：月亮和蘋果是完全一樣的，在向著地心做自由落體！之所以蘋果會著地，但月亮永遠不會掉下來的差別在於，月亮的橫向（公轉）速度非常非常非常非常之快。
　
什麼跟什麼，有聽沒有懂 XD 是，牛頓的頓悟超抽象的。幸好多年後，牛頓決定出本科普書解釋他驚天地泣鬼神的萬有引力理論（月亮與蘋果一體適用，故名萬有），想出惹另一個天才比喻，或是說更具體的思想實驗：
　
▆ 牛頓的砲彈（Newton's cannonball）...... 出自《原理》第 6 頁。
　
我們一般人沒吃過砲彈也看過大砲走路 (x) 知道砲彈是怎麼一回事 (o)。從砲管飛出的砲彈，會開始受地球重力影響而往下掉，呈拋物線軌跡飛行直到著地。
　
牛頓請讀者想像在高山山頂有一具性能極佳的大砲，能用任意的高速射出砲彈。由日常經驗我們知道顯然是射速越快射程越遠。而當砲彈超快、極快、有夠快時，會發生有趣的情況：地球是圓的（人類自古希臘甚至更早就知道了），隨著砲彈橫著飛，地球的曲率開始起作用，使地面好像在加速向下遠離砲彈——高中物理課本會教你證明這個貌似存在的加速度的大小是 v^2 / R，其中 v 是速度，R 是曲率半徑，詳解略。
　
牛頓大神指出，當砲彈速度 v=√(gR) 大約是每秒八公里 (!) 時情況變得大有蹊蹺，儘管砲彈一直在自由落體，但地表也一直在遠離著它，這兩個加速度的量值相同方向相反，使得砲彈只要維持著該速度就永遠不會著地。
　
在物理上有兩種方式描述這現象——Ａ、重力恰好提供物體繞地心圓周運動的向心力，或Ｂ、重力恰與離心力抵銷。兩者敘述彼此等價，只是觀點不同。
　
我們只要記得重點是國際太空站、月亮、人造衛星、喬治克隆尼和珊卓布拉克......全都像牛頓的砲彈一樣，憑藉著橫向的超高速度而能「一直自由落體，但永遠不會落地」，換言之就是：上軌道（in orbit）啦。
　
回到卡門，#男人不過是一種消遣的東西有什麼了不起......咳咳，錯頻惹，是我們的航空飛行／空氣動力學專家卡門先生。當年他在認真推敲的問題其實是：
　
▆ 「一個國家的領空該往上算到多高？」
　
身為飛行機專家，他知道飛機能維持飛行是靠機翼維持足夠的升力（Lift）以抵抗重力。飛機的升力和幾個因素有關：速度的平方，空氣的密度，還有機翼的面積。蠻直觀的，可以想像機翼是藉由把空氣向下推擠讓自己獲得反作用力向上升。
　
但不幸的是高空的大氣密度越來越稀薄（具體上是指數衰減—— 90% 空氣分子都聚集在離地表 20 公里內），為了提供足夠升力，飛機的巡航速度就需要越來越快，越來越快，直到某個海拔高度，速度值（呈指數增長）已高到金離譜，和牛頓的砲彈的 √(gR) 速度相差無幾。與其說那還是架飛機，不如說是自帶推進器的火箭。
　
總而言之，卡門線的初衷就是：「已不算是開飛機那樣靠空氣提供的升力飛行，而是像開外掛 (x) 火箭 (o) 是靠離心力遠離地表」的海拔高度。如果飛機算空軍，火箭算太空軍，卡門線就順理成章的代表太空的邊緣。
　
當年卡門得到的值差不多是海拔 62 英哩，100 公里的一個概略數字。但他的計算面臨到各式問題：地球的大氣密度其實隨著緯度、季節、溫度、甚至太陽黑子的活躍程度的影響而起起伏伏，不完全符合他簡化版計算中的條件。
　
因此隨著知識與技術的進步，有人大膽異議說「很可惜，卡門先生算錯了」並提出新的分界提案。例如，美國空軍傳統認定的太空邊界是 50 英哩 = 80 公里的高度。曾經有數種實驗性的「太空飛機」（混合傳統空氣動力學和火箭推進的飛機）突破那個高度，包括有名的Ｘ系列火箭飛機——「登月第一人」尼爾．阿姆斯壯便曾經做過 X-15 火箭飛機的試飛員，達到過太空的邊緣。而突破 80 公里的空軍飛行員一樣會獲得太空人的稱號。
　
大概是醬。科宅這番長篇大論，只希望大家記得一件 Take home message：上太空不只是往上爬一百公里那麼簡單而已。若只單單上拋一百公里，地球引力會立刻讓你像蘋果一樣落回地面。
　
上太空真正的重點是往橫向加速，只有飆超快，達到水平方向約每秒鐘八公里的東西（參考：國際太空站 = 7.66 km/s。哈伯望遠鏡 = 7.59 km/s）才會維持「牛頓的砲彈」的狀態，待在低地軌道上。
　
反之亦然，太空人要回到地面，也不是咕咚一聲往下跳就行。他們需要劇烈的減速，主要是利用大氣層的摩擦生熱，把太空和地表的每小時兩萬六千公里的速度差異給磨掉......速度的平方差和動能成正比，這份奢侈的速度需求也是上太空代價辣麼高昂的原因之一喔。
　
插圖：俄國航太總署的聯盟號（Soyuz）發射太空人和物資到國際太空站的示意圖，你看，關鍵是火箭橫向的推進，就像牛頓老大說的那樣。

離子風推進器沒有扇葉更沒有螺槳
那它，到底是怎麼樣在半空中前進的呢?

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AI可以如何擴展人類視野與能力
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#科技 #科幻 #科學

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