第五章：向愛因斯坦挑戰
愛因斯坦的相對論一再被實驗證明是正確的，但其基本假設──等效原理仍然籠罩在一層神秘的色彩之中。在太空中檢驗這個原理，比地面精確一百萬倍，可更深入探測重力世界的秘密。
愛因斯坦的假設是對的嗎？
愛因斯坦在他的一般相對論中，做了一個理所當然的假設：所有的物質，不分輕重，和原子、核子的結構及其所含的總能量，與重力場的相互作用都是相等的，這假設稱為相對論的等效原理(Equivalence Principle)。愛氏對人類文明最偉大的貢獻，可能就是E=mc2，這個公式告訴我們質量與能量是一體的兩面，百分之百相結合。這個劃時代的發現使我們突破了牛頓力學對質量狹窄的看法，建立起廣義質量的概念。用這個新的觀念來看重力世界，物質的總質量可包括：由蘋果近百分之百的「靜止」質量、高速飛行下的基本粒子質量與能量的混合體、到光子百分之一百的純能量。在愛氏的重力場中，這些以不同質量——能量比例的混合體，都要遵守相對論。光子雖是純能量，但也是總質量的部分組成，所以也應受重力場管轄，遵守相對論。這是一個相當難以置信的概念。
愛氏理論第一個嚴格的考驗是星光受重力場影響的折曲作用，在一九一九年的日食實驗中，得到印證。在前後七、八十年中，愛氏理論無數次被證實，包括：成功地解釋了歷史上與牛頓力學相矛盾的水星太陽軌道旋轉(perihelion)的世紀大懸案；電磁波在重力場時間延遲效應和重力波輻射現象。這些結果使我們有理由相信愛氏的相對論基本上是正確的，間接也就接受了等效原理的正確性。
以目前的理解，宇宙間有四種力量：重力、電磁力、弱核子力和強核子力。人類對重力最熟悉。中國在春秋戰國時代，就發明磁性司南儀，但人類一直到十九世紀後，才真正理解電磁力量的存在。強、弱核子力不在人類日常生活的經驗裡，是二十世紀高能物理的產物。
愛氏窮畢生的精力，企圖將重力和電磁力歸納於一個偉大的「統一場論」的宏觀體系當中，但遺憾地無功身退。在他之後，聰明絕頂的物理學家繼續努力，僅取得初步成果，成功地結合了電磁力和弱核子力，祇勉強模糊地又結合了強核子力，而重力場到目前為止，仍然逍遙法外，拒絕歸隊。這個難題給重力物理界提供了一個百花齊放、百鳥爭鳴的活潑局面。
愛氏重力場以四度空間的張量重力(tensor force)結構為基礎，擁有質量與能量完全結合的特性。有的理論家認為，這可能不是一個重力場完整的藍圖。在「宇宙創世大霹靂」(Big Bang)時，可能有另一種與能量無關的第五種非向量的重力(scalar force)存在。在大霹靂時，這個力量的強度極可能與愛氏的張量重力相媲美，但這個力量在沒有能量及動量守恆定律的保護下，急速衰減，到目前為止，已不易測到。但如果這個力量是目前宇宙重力場的一部分，因為其與能量無關，不是愛氏張量重力的一部分，我們有理由相信等效原理也應對其無效。這是在太空中印證等效原理的主要動機之一。
其實我們的祖先在三百多年前已經察覺到質量和重力場間相互作用的神秘性。據說伽利略在十七世紀初，就從比薩斜塔把一輕一重的球拋下，歷史上關於這個實驗的紀錄模糊不清，但可以肯定的是，伽利略對這個問題產生疑問，並訴諸實驗。當時他還不知道宇宙是由四種或更多力量組成的，所以他認為祇要把輕重不同的球一丟，就可以解答這個問題。牛頓也加入這個行列，他用的是一個很長的鐘擺。中學物理課本上說：在理想條件下，鐘擺的周期與擺長有關，與鐘擺的質量無關。所以，假如等效原理成立，我們祇換鐘擺下的質量，那麼量出的周期都是一樣的。牛頓的結論是他沒量出什麼不同的結果。這個實驗的精確度取決於鐘擺材料的熱膨脹係數，祇能達到千分之一的精確度。
在十九世紀，出現了另一位偉大的實驗物理學家，俄特沃斯(Eotvos)是匈牙利人，以探礦為一生的研究志業。他發現，用高度靈敏的扭力平衡儀(torsion balance)，可以利用地心引力和地面離心力的平衡，把等效原理測到一億分之一的精確度。這個實驗的精確度受到重力梯度(gravity gradient，指重力場強度在空間分佈不均勻)的限制。在二十世紀六○年代，迪起和愛德伯格(Dicke/Adelberger)用同樣原理，但使用太陽重力場及地球在太陽軌道上的離心力把精確度推到了一萬億分之三。人類登月後，在月球上安置了雷射反射鏡，諾維特(Nordtvedt)利用月球和地球兩個密度不同的天體，在太陽重力場中自由落體實驗達到了一萬億分之一的精確度(一的後面加上十二個零)，等效原理還是繼續成立。到此我們幾乎可以很有信心地說，愛氏的等效原理假設不斷接受來自歷史上幾百年來對其證實和肯定。但隨著人類對宇宙新的認識及科技的突飛猛進，我們還是要不斷地問：愛氏的假設是對的嗎？
八○年代後，高能物理及統一場論的急遽發展，我們有理由相信等效原理的成立到目前為止是偶發事件。法國的悌伯•達莫(Thibault Damour)和法雅(Fayat)、蘇俄的鮑利亞可夫(Polyakov)、美國的維爾(Will)和諾維特以及台灣清華大學的倪維斗等理論物理學家及實驗物理學家，一再預測愛氏的等效原理可能在十萬億分之一(一的後面加十三個零)到十萬億億分之一(十的後面加二十一個零)之間產生誤差。在這個範圍內，前面所提到的第五種與能量無關的非向量重力可能出現。如果這個預測被證實，則人類對整個宇宙的何去何從，會有一個翻天覆地的重新認識。
重複伽利略的實驗
從六○年代初期，航太總署就開始一項計劃：對愛氏相對論另一個重要結論進行實驗印證。愛氏理論預測一個在旋轉重力場中，陀螺的慣性方向會發生轉動。舉個例子，在理想條件下，一個每分鐘旋轉八千周的陀螺在地球兩極軌道六百公里上空連續飛行一年，陀螺的慣性方向會發生約四十二個毫角秒(milliarc second，一個毫角秒約等於一根人的頭髮，在十英里外所張的弧度)的轉動。史坦佛大學的艾佛銳特(Everitt)用了三十年的時間，開發這個實驗所需的各種技術。基本上，這個實驗需要一個幾乎接近完美的實心陀螺球，在以太陽為中心的五光年內，祇有一顆中子星的圓度超過這球體。這個實心球陀螺要與所有的磁、電、溫度、壓力、震動等環境影響因素隔絕。這個陀螺可以說是人類有史以來最孤獨的個體。它唯一的使命是與地球產生的旋轉重力場相互作用。航太總署估計在這單一的實驗上，總投資近六億美元。這個實驗命名為 「重力場探測儀B號」(Gravity Probe B, GP-B)，預定在公元二○○○年飛行。
另一個重要的相對論太空實驗，就是對愛氏等效原理的印證。為什麼這個實驗也要到太空去做呢？前面提到諾維特已把等效原理的精確度推到一萬億分之一，如果想再更上一層樓，則需將實驗送上太空，並要在幾個方面下工夫： 一、改進重力梯度的誤差；二、增加重力場的強度；三、減低儀器的震動。
這幾種因素考慮下來，航太總署決定重新啟用伽利略的實驗方法，但用的是兩個不同比重的同軸圓柱體，在中央的是實心的，外面的是中空的，它們的質心重疊，於是重力梯度自然消失。
把這個裝置放到接近兩極太陽同步軌道六百公里上空，遠離地球陰影引起溫度變化的影響，沒有地球的震動干擾，並使用整個地球的引力，讓它們不停地在地球軌道墜落。這個安排相當於兩個不同質量的物體從一個兩千公里高的比薩斜塔，周而復始連續墜落三千多次。如果等效原理不對，則兩個同心圓柱體的質心，就會分開，並且每經過地球圓周一次，就會發生正弦周期性的訊號。這個實驗的精確度可達一百億億分之一(一後面加十八個零)，定名為 「衛星檢驗等效原理實驗」(STEP)。
為了紀念這個實驗的原始構想人伽利略，科學家在一九九三年的四月初在比薩舉行了為期三天的討論會，並特別要求比薩市政府開放比薩斜塔，以重複伽利略的實驗。比薩市政府特製了十七世紀的服裝來共襄盛舉。義大利人對這個實驗有一種激情的民族自豪感，這事件在當地造成很大的轟動。
我在航太總署管理這項實驗以來，人們常常問：什麼結果算是成功？什麼結果算是失敗？我想，在設計這個實驗時，這些都是重要考慮因素：實驗上天，儀器按照設計的規格運轉，但沒量出違背等效原理的信號，我們可以宣佈實驗是成功的。但我們可能要等到下一代的科技水平，才能更精確地檢驗等效原理的正確性。
如果我們量出違背等效原理的信號呢？這是一個比較棘手的問題，這個結果一定還要通過其他至少一個獨立實驗的證實，我們才能宣佈成功。但這類結果足以向等效原理投下可疑的問號，激起人類對這個問題鍥而不捨的挖掘。如果實驗結果虛無飄渺，若有似無呢？在這種情況下，我們可能對所使用的科學技術再做通盤深入的研討，如有可能，會擬定出再次飛行的計劃。最糟的結果是實驗科學衛星上天，儀器發生嚴重故障，諸種原因糾纏不清，則我們可能宣佈失敗，不再考慮重飛，等技術成熟了再說。
愛氏的相對論是人類劃時代的創舉，愛氏給了我們渺小的人類一個工具和希望，去理解整個宇宙的奧秘，但這也好像祇是在大戈壁沙漠中，有機會面對盛在杯子裡的水，去幻想太平洋驚心動魄的波濤一樣。但人類會停止想像嗎？我想是永遠不會的！
註：愛氏的等效原理常以不同的面目出現。最常用的等效原理要求所有物質，不分質量大小，在一個自由落體的座標軸世界中，都應遵守同樣的物理定律。
第六章：「衛星檢驗等效原理」實驗
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「衛星檢驗等效原理實驗」(STEP)在物理與化學實驗(Physics and Chemistry Experiment, PACE)評審後，「美國國家科研委員會」(National Research Council, NRC)又向航太總署推薦。當時估價，STEP需五億元經費，遠遠超出我們這個單位的撥款能力。在一九八九年夏天，我請哈佛天文台台長厄文•夏比羅(Irwin Shapiro)再次評審推薦，仍無結果。為了解決經費問題，我們單位決定與歐洲太空總署(European Space Agency, ESA)合作，以求出路。
強拉歐洲太空總署上馬
ESA每三年一次以「機會通告」徵求「中型」(M系列)太空任務，經費以三億五千萬歐幣單位(Million Euros, MEURO)為限，約合四億美元。一九九一年的M-2徵求範圍包括了天文、太陽系探測和基礎物理三方面。評審結果，STEP在基礎物理的提案中拔了頭籌。M-2大會「公審」於一九九三年五月在巴黎召開，航太總署首席代表為當時副署長天文學家費斯克，我隨團出席。在會中，費斯克與我商議，他認為STEP與當時進行的重力探測儀B(GP-B)為同一研究員艾佛銳特，他沒有能力同時拿下兩個大型太空任務。這種說法似是而非，因為大部分的工作量皆由工業界的合同工負擔。他的立場我早已知曉，雖然心裡不同意，但俗語說得好：「他是老闆」！最後他向大會推薦了「天文」任務——「國際伽瑪射線觀測站」(International Gamma Ray Astronomical Laboratory, INTEGRAL)。STEP雖然落選，但在角逐中表現傑出，引起歐洲對STEP及基礎物理的興趣，ESA決定成立「基礎物理顧問小組」(Fundamental Physics Advisory Group, FPAG)，發動歐洲物理界繼續努力。
STEP主要問題是經費太高。九四年，我要求重力場論專家克立佛•威爾(Cliff Will)再次評審STEP，將所有第二級實驗如地球重力場測量、黑色物質探測、牛頓引力檢驗等「鈴和哨子」統統撤掉，把價格降到二億美元，重整旗鼓，在九六年再次角逐M-3的選拔。
在M-2之後，法國與義大利獨立發展出他們自己的「等效原理」實驗，精確度雖比美國低約三個數量級(1000倍)，但便宜很多。M-3評審結果，STEP在十六個基礎物理的提案中，又佔鰲頭。在英、德、法、瑞、義等國家代表強烈推薦下，ESA決定另開闢一個小「擂台」，專審美、法、義三項類似實驗，於九六年夏天，在巴黎再燃評審「戰火」。
我身為航太總署的首席代表，說明STEP的精確度無可比擬，是人類遲早要做的實驗，航太總署已投資一千三百萬在STEP的研發上，有決心上馬，但如果得不到歐洲的經費支援，航太總署祇得暫時把它束之高閣。兩天「擂台」打下來，ESA決定選STEP，並通過兩千五百萬美金的預算案。歐洲各國的國家實驗室也決定參與，承擔近兩千五百萬美金的經費。事後，ESA「基礎物理顧問小組」主席莫利斯•傑卡布(Maurice Jacob)對我說，我的強烈發言「將」了他們的「軍」，ESA覺得好像被航太總署「勒索」，不得不做出支援STEP的決議。
科學界聯合向航太總署申訴
M-3後，STEP在航太總署內部情況仍然未定。當時的副署長認為如果能將航太總署的費用壓到五千萬就有希望。在九六年中，我要求負責STEP的噴射推進實驗室再次簡化核心儀器。這好比買新車，剛開始雄心勃勃，所有的豪華設備都想要。到了談價錢的時候，發現銀行存款不夠，就忍痛先把CD、皮墊、天窗等拿掉。但錢還是不夠，於是再把自動排擋、空調、音響等除去，最後祇買得起剩下的發動機、方向盤、輪胎、車身架。這輛光禿禿的車唯一的功能，就是把你從甲地運到乙地。噴射推進實驗室兩次啟用了他們三十人的「X估價小組」，精打細算，提出這種設計的STEP造價一億美元的預算。如果美國與歐洲各攤一半，STEP前途有望。
自從柯林頓總統上任後，航太總署每年的經費都在縮減，「國際太空站」計劃像是架在航太總署脖子上的一把刀，對經費的需求有如「黑洞」，吸走航太總署所有的「游資」，新計劃競爭經費呈白熱化！
STEP在航太總署經費的困難，有內在因素。我們部門現任副署長管的是「有人太空科學計劃」。STEP是「無人太空科學計劃」項目，但管「無人太空科學計劃」的副署長一般皆為天文學家，不能把基礎物理列為優先考慮項目。航太總署內部在副署長層面上，有時壁壘分明，STEP經費問題，錯綜複雜，不是副署長「願意」或「能」解決的問題。面對科學團體對STEP的強烈推薦，副署長不能說「不」，也不能說「是」，形成「拖」的局面。
九六年春天，我開始考慮一個新的策略。策略的核心是組織一個「藍帶評審委員會」(Blue Ribbon Review Panel)，由著名的諾貝爾獎得主為主席，幾位有聲望的美國及歐洲的科學院士為委員，再做一次衝刺。如果還搞不成，這個案子就交回科學界手裡。美國是個自由的國家，科學界有權利到各種科學決策 「法庭」「申訴」，我至少可以做到將撥款的痛苦決定，從航太總署副署長的肩上挪掉。這是一步「險棋」，因為由別人做決定，經費可能又回到我們部門，形成「敬酒不吃吃罰酒」的結局，這好像把一隻猛虎趕到牆角，如果還制服不了牠，我們會被「反咬」。但「置於死地而後生」，背水一戰，我單位局長同意一試，但認為福禍難測！
九六年底，在我負責的航太總署「基礎物理研究通告」方案徵求裡，涵蓋了低溫及凝質物理、雷射冷卻物理及重力和相對論物理等項目。我們一共收到了連STEP在內的八十八件提案。
有次，我在去加州出差的飛機上，巧遇署長哥登(Daniel Goldin)。哥登是一位作風清廉、工作勤奮的行政長官，雖官拜「部長」，但堅持坐經濟艙位。我趁機向他報告剛發表的九六年諾貝爾物理獎得主之一大衛•李(David Lee)是航太總署的主要研究員，他和他的研究小組成員將會到總部來訪。他聽後非常高興，囑咐我，他們來總部時，領他們來見他。當時「藍帶評審委員會」尚未成形，但我爭取到一個再向署長匯報的機會。
為了組織「藍帶評審委員會」，九七年二月，我到普林斯頓大學親訪執天文物理界牛耳的約瑟夫•泰勒教授(Joseph Taylor)。泰勒在一九七四年以發現「雙脈衝星」(binary pulsar)成名，後來又在對雙脈衝星的觀測中，間接推斷重力波的存在，獲得一九九三年的諾貝爾獎。我們在普大校園附近的餐館，就美國太空物理實驗發展的現況談了兩個小時。他答應出任「藍帶評審委員會」主席，並向我推薦幾位美國及歐洲的科學院士為委員。
為了超強化「藍帶評審委員會」的力量，委員中需要有一個「世界級」的低溫實驗物理專家，我的第一個人選是和大衛•李教授一起因發現超流液氦三(superfluid helium 3)而在九六年獲諾貝爾獎的康乃爾大學教務長羅拔•理查遜教授(Robert Richardson)。他熱心科學界的公眾服務(public service)，很可能答應。我先請他的多年同事、美國科學院院士約翰•悅匹(John Reppy)說項兩次不果。他實在太忙。我不得不冒昧親自打電話懇邀，徵得他的同意，向泰勒建議任命他為委員，泰勒欣然接受我的推薦。至此，「藍帶評審委員會」組織大體告成。
「藍帶評審委員會」在九七年六月來總部開會，當天署長哥登要到國會做證，就派了航太總署首席工程師及我部門的副署長到會致歡迎詞，感謝「藍帶評審委員會」對公眾服務的熱誠。
STEP經由「藍帶評審委員會」評選結果，得了「滿分」。通常得「滿分」的飛行計劃，我們一向都是批准的。但這次還是因為副署長經費無著落，我部門局長「被迫」向主要研究員艾佛銳特發出「無法進行」的通知，完成把「老虎」趕到「牆角」的作業。有了這份官方正式文件，科學界以泰勒教授為首，要求與署長哥登會談，提出「申訴」。
在與泰勒教授會面的前一天，署長聆聽了我們單位有關STEP計劃的匯報。我們部門副署長主持這個會議，我部門局長自願幫忙，為我操作電腦投影儀，由我把STEP科學內涵、計劃評審歷史、與歐洲合作現況、任務設計、估價的演變、航太總署經費上的困難等，做了提綱挈領的報告。我非常驚奇署長對事件迅速認識的「穿透力」。他認為STEP應屬「無人太空科學計劃」副署長項目，歸他管理、撥款，並對「無人太空科學計劃」不重視「基礎物理」科研，表示不滿。我當時的感覺這可能是把STEP送上「不歸路」的第一步。像所羅門王審判「嬰兒案」一樣，STEP是我們的小孩，如果因為我們部門強留，令STEP遭到「分嬰」死亡的厄運，我寧願割愛。
通常署長對外會議不是像我這樣「辦事」階級的科學家能參與的，但這次幸運地被我們部門副署長盯捎上。泰勒教授邀請了「等效原理」權威理論家、法國科學院「通訊」院士悌伯•達莫代表歐洲，與他一起出席，連署長五人，外加機要秘書一名做筆錄，開始了STEP的「廬山」會議。
達莫解釋了STEP深層的物理意義，泰勒以實驗天文物理學家的立場強調STEP在人類追求理解自然定律中所佔的重要地位，哥登說他是完全被說服了，航太總署要進行STEP，要強化基礎物理項目，並要求泰勒教授協助。他表示STEP目前經費偏低，要做大幅度調整，他將打電話給ESA署長，向他建議同時增加歐洲方面的經費。他要縮短STEP任務周期為兩年，航太總署總投資不超過五千萬。
在送客人到電梯的兩分鐘時間裡，署長要我與STEP研究員艾佛銳特聯絡，證實他幾個建議的「可行性」，第二天上午十時前回他的話。
在現實的政治大環境中，署長的指示要副署長執行。航太總署近幾年人事變遷頻繁，我在總部工作十一年，經歷了五個局長、五個副署長。「無人太空科學計劃」副署長新舊任交接，曠日費時，到時又可能是一番不同的局面。STEP目前祇能算是在打「劫」做「眼」中掙扎過活。
九八年七月，我與我們部門副署長到日本開會，趁便與日本和台灣的科技負責人討論STEP計劃。我見到日本的宇宙開發委員會委員長長柄喜一郎(Kiichiro Nagara)，並到台灣特別拜訪了國科會主委黃鎮台博士，向他匯報STEP計劃。
我在總部的「颱風眼」裡推動STEP計劃，有時我的意見與我部門的局長和副署長相左，如履薄冰，現在還是在一步步、慢慢地摸索著，向前走。
第七章：太空實驗室
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我在總部工作了一段時間後，漸漸體會出推動航太總署運轉的幾股巨大力量。
航太總署在一九六三年阿波羅登月計劃敲定後，就積極發展登月後的太空策略，其核心是太空站。要懂航太總署，就要認識太空站。
在發展太空站的過程中，航太總署得先發展運輸工具——太空梭。太空梭造價昂貴，不能祇供太空站組裝之用，還得有其他用途。
為了取得廣大的科學團體、白宮、國會及其他政府部門的支持，在太空梭發展過程中，航太總署又同時發展了「太空實驗室」和「哈伯太空望遠鏡」，做為太空站組裝前的顧客。
把所有的賭注放在太空梭上
我在「挑戰者號」爆炸後，太空梭停飛期間到了航太總署總部。偌大的美國，竟然上不了太空。在八九年上任的署長理查•楚利(Richard Truly)為太空人出身，主要任務是「復航」。當時航太總署的組織祇有一位科學副署長天文學家藍•費斯克集「有人」和「無人」太空科學計劃於一身，主要任務是把「哈伯太空望遠鏡」送上天。
在「挑戰者號」事件前，ESA通過「補償協議」，壟斷了「太空實驗室」的使用，引起美國科學界強烈的抗議。國會要求航太總署太空梭復航後，要飛行「美國微重力實驗室」(United States Microgravity Laboratory, USML系列)任務四次和「美國微重力載重」(United States Microgravity Payload, USMP系列)任務四次，也交費斯克負責。我最初被任命為這兩個任務系列總部的「任務科學家」(Mission Scientist)，在完成大部分組織工作後，航太總署送我到麻省理工學院(MIT)的司龍管理學院(Sloan School of Management)進修「科技管理」碩士學位，為期一年，我就將這項任務轉交給我的小上司克勞奇。我從MIT回來後，繼續完成了「美國微重力實驗室」二號(USML-2)的任務，我將在本書另文詳述。「美國微重力實驗室」三號更名為「微重力科學實驗室」一號(The First Microgravity Science Laboratory, MSL-1)，重新邀請國際夥伴參與，為「國際太空站」科學合作舖路。
讓我先談談「太空實驗室」。
在一九六三年「登月後太空策略計劃」初稿中討論的，完全是太空站的構想，這是航太總署的「第一愛」，其核心的想法是利用阿波羅時期發展出來的擁有巨大推力的土星火箭(Saturn V)，把太空站所需的建築材料運上太空軌道組裝，太空站的功能包括繼續探月及建立月球基地，進行火星、金星的探測，天文、太陽、大氣、地球等物理的研究，外加在微重力下進行材料及生命科學的發展，這個概念是合乎科學邏輯的：在阿波羅計劃成功的基礎上，更上一層樓。
但在這段期間，美國深陷在越戰的煉獄之中。一九六九年阿姆斯壯登月的壯舉雖然給美國和人類帶來了一時的和平及希望，但這種亢奮的感覺十分短暫。美國已經沒有心思和經濟能力，再一次舉全國之力重新向外太空出發。面臨這些大環境的巨大壓力，航太總署無法直接開動太空站計劃，祇得分兩個步驟：先造運輸工具，等時機成熟後再回來談太空站。
這後備計劃的核心概念是給美國納稅人一個化整為零、按碼買布的選擇。土星火箭不是一次使用性(expendable)的嗎？您認為重覆使用性的太空梭 (Space Shuttle)如何？它可以像客貨兩用的卡車一樣，把人員和物資往返運輸到地球軌道上。如果每兩個星期能開一航班，按照當時的估計，這門「生意」可以「自給自足」，不再需要繼續用納稅人的錢了。另外，在往返的過程中，可以做各種類式的科學及科技實驗，又因為上下容易，實驗數據可以在短期內取得，加速太空科技的發展，爭取到科學團體的支持。所以除開不能像土星火箭具有的超級重量及體積的運輸能力外，太空梭幾乎可以滿足大部分的要求。
為了生存，航太總署當時最大的妥協是把所有的賭注下在太空梭上，然後利用爭取到的時間，在未來繼續發展太空站計劃，也就是走一步，看一步。這個決定最大的犧牲品是關閉了所有一次性使用的火箭生產線。在挑戰者號爆炸以後，航太總署得付出巨大的代價：在三十二個月之內，美國無法送人上太空，但這也顯示了當時航太總署背水一戰的決心。
太空梭是新科技，需要研究發展，尤其是重返大氣層的絕熱材料和裝置、太空梭推進系統、重覆使用部件設計策略以及太空梭的整體使用方案等。在一九七○年初，這些問題大致都解決了。絕熱材料是一種碳複合物質，以熱損(ablation)降溫方式來對抗重返大氣的摩擦熱，類似雙子星(Gemini)及阿波羅計劃中太空艙材料，但設計上的要求要高出許多。為安全考慮，推進器用的是液體燃料(發動後，運轉不正常，可熄火)，加上固體燃料火箭輔助推進器 (點燃後，無法熄火)。太空梭發射程序是先發動液體燃料推進器，如運轉不正常，可熄火修理。運轉正常，再點燃固體燃料火箭。如固體燃料火箭運轉不正常，太空人得緊急逃生。在這個設計上，太空梭祇達到百分之七十五的重覆使用目標，因為液體燃料箱每次都被大氣燒毀。太空梭本身及兩個固體燃料火箭則是可重覆使用的。
美歐合作
太空梭整體計劃最重要的要求是降低成本。為了達到這個目的，第一個目標是爭取到西歐諸國的合作投資。當時歐洲的太空工業正在起步，極需向美國學習，而且歐洲三強英、德、法，也沒有太空人計劃，所以與美國的合作構想，得到了歐洲熱烈的迴響和支持。但因為太空梭體系的繁雜及龐大，美國決定獨立發展太空梭體系。歐洲負責發展太空梭的載重設備，也就是太空實驗室，其主要目的是從事科學實驗，建立起太空站「運輸」任務以外的顧客基礎。
同時，歐洲與美國取得協議，成立了歐洲太空署，由法國研製阿里安系統火箭，英國負責衛星通訊系統，德國的ERNO公司負責太空實驗室的研製。這項合同遍及西歐十三會員國。所以，西歐通過太空梭計劃中的太空實驗室的實際經驗，才帶動七○年代後期的太空工業的起飛。整個計劃原來的估價為四億美元，但在一九八一年中旬，太空實驗室交貨時，造價已近十億美元。太空實驗室包括兩大部分：第一部分為壓力艙。壓力艙分長、短兩艙。長艙七公尺，短艙五公尺，太空人可以在裡面工作。第二部分為貨艙中的貨盤，供室外實驗裝置用。另外零件有由前艙到實驗室的通道以及控制貨盤上科學儀器的電子小屋。長、短壓力艙與貨盤可以用不同的方式搭配，以達到各種任務不同的需求。比較起來，有些土星火箭可以一次帶上去的結構，用太空實驗室祇能散裝上去，這是太空梭最大的弱點。以計劃中的太空站組裝來說，太空梭就必須飛行三十七次，才能運送完畢。在這十多年的美歐合作中，美國與西歐的太空關係，亦由初期的相互信賴演變成生意買賣，這其中的甜酸苦辣，實在不是三言兩語可以道盡的。
在一九七三年，美國與西歐簽定「太空實驗室使用理解備忘錄」，詳細釐訂了雙方的權利與義務。最重要的規定是美國不能自製太空實驗室和與之有關的任何零件。如有額外需要，祇能向西歐購買(後來美國又買了長、短壓力實驗艙各一)。雙方合作項目不包括金錢轉移，承諾各付各的「補償協議」。美國答應前兩次飛行，歐洲可以用一半的艙位及資源，另外可以同時上載重專家(payload specialist)各一名。美國掌握太空實驗室的行政管理及改裝權力。歐洲以後可以購買使用權或通過協商，用合作方式使用。在過去十年內，除開第一、二號太空實驗室外，美國又給西歐兩次免費飛行：國際微重力實驗室一號(一九九一)及二號(一九九四)。唯一的條件是歐洲(或日本)上的儀器，美國科學家有一半使用的權利。另外，前西德花了每次一億五千萬美元的代價，飛行了德國一號及二號太空實驗室。東西德合併後，他們財源枯竭，也就無法再飛行德國三號及四號了。日本也花了八千九百萬美元，購買了日本太空實驗室百分之五十的使用權。美國為了獎勵日本參與目前國際太空站計劃，又讓日本前後上了五個載重專家，算是相當優厚的條件了。給某個國家載重專家名額，常常是美國總統出訪時的外交禮物。五位日本載重專家就是雷根給出去的，他又為了感謝加拿大參與百分之四的太空站計劃，也給了他們一個名額。
太空實驗室的組成
我從MIT回來後，在總部重新負責管理兩個太空實驗室的科學任務。第一個為一九九五年十月飛行的美國微重力實驗室二號(USML-2)，第二個是一九九七年四月飛行的微重力科學實驗室一號(MSL-1)。 MSL-1因為二號發電機故障，四天不到就緊急返航。三個月後重飛，成功地完成了任務。
以我個人的經驗，太空實驗室的組成與一般地面實驗室在概念上沒有多大的差別。第一要先決定科研題目，題目是經由徵求研究計劃及通過同行評審的手段達成的。我們每兩年大規模徵求研究計劃一次，遴選四百項左右，每年在研究經費上花了四千萬美元左右。飛行的研究計劃就由這四百項中，仔細再挑選出來。通常一個計劃被選上飛行，我們撥款短則四年，長則七、八年，視每個項目的特性，每年每項由十萬至五十萬美金的研究經費不等。如果選出的項目沒有可用的飛行儀器，我們還要研製儀器，這個費用就非常龐大。小的實驗一、兩百萬美金或可完成，較為繁雜的實驗動輒三、四千萬，甚至上億美金，沒有親身參與的人，常會疑惑為什麼會這麼貴？最重要的原因之一就是所有的儀器，都必須符合太空人生存及操作的安全條件。比如說，任何需要加熱氣化、液化的長單晶材料，必須要用三層獨立容器包住，才能通過安全檢查。另外抗震、電磁、噪音方面的絕緣問題等，也都必須符合嚴格的安全規定，才能過關。
在實驗項目決定後，就要召開研究員工作小組(Investigator Working Group, IWG)會議。一個任務，可能要開七、八次IWG會議。IWG最重要的責任是鑑定和推薦載重專家。IWG投票決定初步人選，然後由航太總署的科學和飛行兩位副署長批准。過去十年來，這種選拔過程尚稱和平，但偶爾也會引起如選戰般的驚濤駭浪。助選人無所不用其極，加上國會議員的關說，情形可以弄得十分複雜。選出上天的科學家要接受一年的儀器操作訓練以及至少三個月的飛行訓練。所有的研究員則要通過太空實驗室特別儀器的模擬操作訓練以及與太空實驗室的通訊訓練，尤其關於與太空通訊方面，要求的紀律相當嚴格。
另一項比較特別的是新聞媒體訓練。以前有些研究員自認為是大學教授，整天在講台上教書，應付記者應該是不成問題的。但經常在記者問一些刁鑽問題時，面對全國電視網而不知所措，啞口無言。所以從USML-2開始，媒體訓練是強迫性的。
所有的科學儀器通常在飛行前十二個月到六個月內，運到甘迺迪中心組裝。組裝分四個大步驟，需要上百人日夜努力。有些特殊或無法久存的材料，諸如活的動植物樣品或蛋白質等，可以在最後幾小時上機，太空梭落地後，幾小時內離機，但這些都要通過事先特殊及嚴密的安排，萬一因天氣或機件上的故障，無法預測降落地點，地面研究員隊伍則要分頭在好幾個相距幾千哩的緊急降落場地同時接應，略微出些差錯，則會造成實驗成果上的嚴重損失。
總部要求所有在太空做的實驗，要在一年內把結果發表在有評審制度的科學刊物上，否則對研究經費的延續會造成不良的影響。
太空梭計劃本是航太總署臨時性的後備計劃，雖然通過太空實驗室的實踐，使我們目前對太空站的理解，比七○年代深刻又實際許多，因此太空梭計劃的技術性目標可望達到，但操作經費方面比原來估計的高出三十倍之多。七○年代的估計，是每次發射總費用約一千萬美元，而實際上的費用，經過通貨膨脹指數調整，則已將近四億美金，嚴重影響了航太總署的信譽，再加上挑戰者號爆炸以及哈伯望遠鏡的失敗(目前已修復)，更使航太總署信譽一落千丈，國會亦遲遲不肯撥款給太空站計劃。
九○年代初，國會封殺了「超導超級碰撞儀」(Superconducting SuperCollider, SSC)，使太空站頓時名列「稀有動物」前矛，隨時有「絕滅」的可能。九二年上任的新署長哥登臨危授命，決定打「羅宋」牌，說服白宮、國會收買俄羅斯的太空科技工業，要求俄國的核子導彈不瞄向美國、不向第三世界輸出導彈及核子武器。然後與俄羅斯合作，大刀闊斧地重新設計太空站，組裝上馬。這個策略提高了太空站的政治地位，釜底抽薪地解決了太空站的經費問題。(我將在本書「太空站」一文中詳述這一部分。)
至於「哈伯太空望遠鏡計劃」本是「無人太空科學計劃」的主體，可以說是人類有史以來最複雜且昂貴的「大科學」(big science)項目之一。在漫長四十多年的發展歷史中，經歷了無數次的設計更改，最後在強大的政治壓力下，不得不向太空梭歸隊，和「太空實驗室」一樣，成為其兩個主要顧客之一，以換取生長成熟的契機，這又是一個驚心動魄的故事。
第八章：哈伯太空望遠鏡
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自亙古以來，人類即仰望著滿天閃爍的繁星，懷想無窮的天際。在地面上，儘管我們安置了巨大的天文望遠鏡，想把人類的視野無限伸展出去。但那永遠游動的大氣層像是蒙在鏡頭上的薄紗，使我們的視線朦朧，無法看清宇宙廬山真面目。
天文學家的夢想是脫離大氣層，看到宇宙盡頭。在人類尚無能力進入太空的歲月裡，這的確祇是個夢想。一位三十三歲耶魯大學天文系教授萊曼•史派哲(Lyman Spitzer)在一九四六年開始了他勇敢的「夢之旅」。我想當時他怎麼也不敢相信，在近半個世紀後，他的夢竟然通過「哈伯太空望遠鏡」而完全實現了。
想見「上帝的手」
人類進入太空文明後，第一個偉大的科學計劃就是要看創造宇宙的「上帝的手」。宇宙「大霹靂」後一百多億年的今天，「上帝的手」已遠在一百億光年(註：光行走一年的距離為一光年)以外。據五○年代時的計算，要看到宇宙盡頭，人類得把一個直徑三公尺的可見光望遠鏡(Optical Telescope)放到地球軌道上，才有希望。
從一開始，這項計劃就屬於「大科學」的範疇。「大科學」計劃須傾國之力才能完成，不僅天文科學界要緊密團結，工業界、白宮、國會、新聞媒體等也得群起支援，才有實現的可能。「史潑尼克」上天後，美、蘇太空競賽開始，艾森豪總統為了增強美國國際太空聲望，批准急速上馬。
為了搶先上天的優勢，航太總署首先設計了「地球軌道天文觀測站」(Orbiting Astronomical Observatories, OAO)系列，史派哲為主要研究員，以直徑不超過八十公分的可見光反射聚光鏡為主體，把許多沒有經過太空苛刻環境檢驗過的技術用上，在一九六六年四月八日，將OAO一號送入地球軌道。兩天後，電池故障把史派哲的第一個「夢的實現」炸成碎片，沒取得任何科學數據，招來媒體一陣羞辱諷刺。
航太總署痛定思痛，重新整理技術隊伍，再次出發，於一九六八年十二月，送上了OAO二號。OAO二號工作了四年半，取得了大量寶貴的數據，打開了人類天文觀測的新紀元。OAO三號再次爆炸，OAO四號於一九七二年八月上天，工作了九年，完成了太空望遠鏡的學習過程，也奠定了哈伯望遠鏡三公尺反射鏡的技術基礎。
從「八十公分」跳到「三公尺」
從八十公分到三公尺是一個巨大的科技鴻溝。是「走」還是「跳」？循序漸進慢慢「走」誠然保險，但學費太貴，曠日費時，執行起來不實際，最後定下的策略是「跳」，直攻三公尺直徑，並命名為「大太空望遠鏡」(Large Space Telescope, LST)。
上天科學儀器的發展通常要經過三個階段：第一步製造工程設計發展用的模擬試樣(Engineering Model)，第二步製造飛行原件(Prototype Model)，第三步完成飛行儀器(Flight Model)製造。飛行原件與上天儀器完全相同，但留在地上，萬一飛行儀器發生故障，可用來模擬故障情況，進行修理，在經費充足條件下，是一項最合邏輯的安排。
但為了省錢，三公尺望遠鏡的核心構想是集中財力，繞過工程設計模擬試樣，祇造一個飛行原件，當飛行儀器使用。這是一個鋌而走險、孤注一擲的策略。因為繞小路、取捷徑，沒有通過工程設計發展用的模擬試樣檢驗，很多毛病無法挖掘出來，在天上發生故障的可能性大增。為了解決這個迫切的問題，就擬定了在地球軌道修理的要求。
當時航太總署已登月成功，太空梭計劃正開始初期的「市場調查」工作。太空梭是能重覆使用的運輸工具，上下方便、快捷、經濟、實惠，又有太空人「機外活動」(Extra Vehicular Activity, EVA，太空人穿上太空衣到艙外工作)能力，維修軌道上飛行中的科學儀器不成問題。如果LST使用太空梭進行必要的天上維修，許多昂貴的地面檢測可以省去(之後，航太總署為這個想法付出慘痛的代價)。一九六九年，合同工格郎曼公司(Grumman)對LST的估價是使用太空梭四億六千五百萬，不使用則為六億三千八百萬，價格上有一億七千三百萬的差距。不論這個估價是否有殺價搶標的嫌疑，從政治的角度考慮，航太總署正需要像LST這樣有強大科學團體為後盾的大客戶，兩下一拍即合，LST於是成為太空梭初期「市場推銷」的主要顧客。
從一九六九到一九七七的八年間，LST計劃在科學、工業、政治團體的監督下，設計藍圖數次更改，主鏡直徑也由三公尺降到二點四公尺，國會在一九七八年終於批准了LST不得超過四億七千五百萬的經費。同時航太總署為了塑造價格低廉的大眾形象，把「大」(Large,L)字從LST去掉，僅稱為太空望遠鏡(Space Telescope, ST)，一直到一九八三年才正式命名為哈伯太空望遠鏡。〔Hubble Space Telescope, HST，以下簡稱「哈伯」。天文學家哈伯(Edwin Hubble)在二○年代以發現光譜「紅位移」確定宇宙膨脹現象而成名。〕
「哈伯」得了散光眼
航太總署合同工常以低價得標，在面臨無法克服的技術問題後，再回頭與航太總署重新議價。大半情形是孕婦已懷胎八月，航太總署祇得頂著國會的砲火，咬緊牙根，追加預算。從七八到八三年的五年中，幾個重大技術障礙，使「哈伯」的預算暴漲到十一億七千五百萬，發射日期定在一九八六年十月二十七日。
「挑戰者號」在八六年一月二十八日爆炸。在太空梭停飛的三十二個月中，航太總署還要維持龐大的「哈伯」科技隊伍。我記得副署長費斯克在顧問諮詢會議上，常吐苦水，抱怨每個月一千萬的開銷養著無所事事的合同工。到一九九○年四月二十四日「哈伯」發射時，總費用已達十六億。
「哈伯」進入軌道試測後，發現主要鏡面無法聚光，是一個「散光眼」。哈伯太空望遠鏡任務是在我們部門副署長費斯克的考核成績單上，他這次得了個「丙下」，新聞媒體冷嘲熱諷，認為是「鐵達尼號」後最不幸的事件，國會成立專案小組調查。航太總署本想以「哈伯」爭回「挑戰者號」後的恥辱，這下子雪上加霜，墜入另一個更深的煉獄。
「哈伯」的散光眼是一個出人意料的症狀。整個磨鏡片的過程是檢查又檢查的自動控制程序，規格以高精密的雷射光為基準。當時，有許多「間諜衛星」的鏡片都是以同樣技術製成。唯一的差別是國防部有錢，付得起地面測試費用；航太總署已決定把地面測試費用降到最低，所有測試在天上做，這是「哈伯」設計哲學：有問題在天上修，當然，這是指除開主鏡片以外的問題。
主鏡片的誤差為百萬分之二公尺，為一根頭髮四十分之一的厚度，最簡單的地面測試都能把這個問題抓出來。這是整個哈伯計劃最大的悲劇，也掠奪了成千辛勤工作大半輩子的工程人員應得的榮耀。
為了校正「哈伯」的散光眼，航太總署設計了史無前例的太空修理任務，核心技術是為「哈伯」在聚光點前戴上一個銅板大小的「隱形眼鏡」。在一九九三年十二月二日，「努力者號」(Endeavor)昇空，進行了為期十一天的「哈伯」修復任務。
在眾多航太總署艱鉅的任務中，這是唯一的一次，我為總部的決心震撼了，也是唯一一次，我聽到從強森太空中心傳來的謠言，太空人這次甚或不惜犧牲性命，也要把「哈伯」修好！當「哈伯」視覺校正復明後，我為那些太空人朋友流下了感激和驕傲的熱淚！
不算太空梭每次四億元的發射、操作費用，修復後的「哈伯」總費用已達二十一億元。所以修「哈伯」耗資五億，比七八年國會批准的整個「哈伯」總預算的數字還高！
在「哈伯」修復任務中，做出鉅大貢獻的女太空人凱娣•索登(Kathryn Thornton)後來又在我負責管理的「美國微重力實驗室二號」任太空實驗室司令，表現優越。
哈伯太空望遠鏡計劃是以能「看到上帝的手」推銷給國會。現在「哈伯」已經看到了天的盡頭，整個宇宙成為人類的實驗室。「哈伯」目前最大的成就可能就是確定了宇宙永遠膨脹的命運：上帝以鬼斧神功引發了「創世大霹靂」後，把宇宙送上了不歸路！
下一步，我們還想看到什麼呢？我想，可能是一顆在太陽系外像地球一樣有生命的藍色星球。追尋藍色星球的夢，是「下一代太空望遠鏡」(Next Generation Space Telescope, NGST) 的任務，其規模又不知要大出「哈伯」多少倍！
「哈伯」和「太空實驗室」已經完成了它們做為太空梭前期顧客的歷史任務。除了還有最後二次「哈伯」維修任務外，太空梭已緊鑼密鼓展開了艱難的太空站組裝任務。「國際太空站」是航太總署未來十五年的命脈，下面讓我來談談太空站的來龍去脈。 | |
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