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在八○年代初，航太總署徵選的十二項物理、化學實驗(Physics and Chemistry Experiments, PACE)中，基礎物理佔六項，以凝質、低溫和重力場物理為主。九二年，我從MIT回來後，徵選的研究題目中，雷射冷卻項目開始出現。綜合目前趨勢，基礎物理科學界認為在太空中進行凝質和低溫、雷射冷卻、重力場等物理實驗，能取得比地面高出一千至一百萬倍精度的數據。在第五章「向愛因斯坦挑戰」一文中，已略述重力場物理方面的代表實驗。九六年的諾貝爾獎頒給超流液氦三低溫物理，九七年是雷射冷卻物理，它們各有一段引人入勝的發展史。
三個低溫物理的「神器」
在西方的基督文化中，最神聖的器皿莫過於耶穌最後晚餐中使用過的各種餐具，這些餐具通稱為「神器」(holy grail)。如果把這個定義擴展一些，像「諾亞方舟」、所羅門王的「法櫃」以及傳說中纏裹耶穌復活前肉身的布匹……都可稱為「神器」。在物理研究中，一些劃時代的發現亦被借用形容為：找到了「神器」。
低溫物理公認的三個「神器」，都是在二十世紀發現的：第一個是一九一一年昂納斯(Onnes)發現的金屬「超導現象」，獲得一九一三年諾貝爾獎；第二個是三○年代卡匹薩(Kapitsa)發現的液態氦四的超流現象，於一九七八年獲得諾貝爾獎；第三個是一九七二年大衛•李、道格拉斯•奧雪拉夫(Douglas Osheroff)及羅拔•理察遜發現的液態氦三的超流現象，他們三人於一九九六年獲得諾貝爾獎。
過去近九十年，除了以上三項諾貝爾「神器」大獎外，還有十六位低溫科研學者獲得了諾貝爾獎。百分之二十多的物理諾貝爾獎集中於低溫物理領域，充分顯示出該科研項目之重要。
十七世紀末，物理學家已認識到「絕對零度」的存在。從最直覺的熱脹冷縮現象推論，應該有這麼一個溫度，使所有氣體的體積冷縮到「零」。用攝氏的尺度，當時估計絕對零度應在零下二百四十度左右(近代公認攝氏零下二百七十三點一五度為絕對零度，或用絕對溫度凱溫(Kelvin)為尺度，水的冰點為二百七十三點一五凱溫)。
但在十八世紀初，人類還祇能使用冬天儲存下來的冰塊，做為貴族階級在炎熱的夏天消暑之用。英國及新世界麻省生產的冰塊，一度曾由遠洋船隻運銷全球。隨著工業革命的進展，有些在室溫下的氣體，諸如乙炔、二氧化碳等，被成功地液化，產生低溫；但另一些氣體，諸如一氧化碳、空氣、氮、氧、氫等，被認為是「永久氣體」，尚無法液化。一八七七年，在一個非常意外的情況下，法國的凱利特(Louise Cailletet)把空氣液化成功。這些意外情況在實驗室裡偶有所見，凱利特是因為壓縮系統在高壓時突然漏氣，造成空氣急速膨脹，用掉了大量熱量，把剩下的百分之一、二的空氣，凝結成了露滴。同時，瑞士的皮科特(Raoul Pictet)也宣布液化空氣成功。
液化空氣成功後，緊接著在幾年內完成了氧與氮的液化。在一個大氣壓下，液態氧的溫度為九十凱溫，液態氮為七十七凱溫。但氫氣的液化溫度以當時的估計，約凱溫二十度左右。從氮到氫還要降溫五十多度，是一個巨大的科技鴻溝，要解決的難題是熱絕緣。
概括地說，熱以三種形式傳導。最直接的是通過物質傳熱，第二是對流傳導，第三是輻射。經過十多年的鑽研，在一八九八年，迪沃(Dewar)以現在家庭用的保暖瓶技術，解決了這個難題。保暖瓶有個密封的真空空間，把直接和對流傳導降到最低。另外用水銀鍍膜，把輻射傳導的通道封住。為了紀念這個偉大的發明，現在的保暖瓶也用迪沃為名。氫終於液化成功了，剩下最後一個氣體就是氦了。
迪沃在一八九八年的氫氣液化成功的新聞發布會中，同時也宣稱氦氣液化成功，但在複檢的過程中，發現錯誤，即刻撤回了這項聲明。
天文學家在一八六七年分析太陽光譜中，首次發現氦元素的存在，氦也就用了太陽的字首(Helio)命名。在當時，氦祇能由放射性元素的礦中萃取，非常珍貴。因為氦為惰性氣體之首，科學家曾一度放棄液化氦氣的希望，直到一九○七年昂納斯仔細研究凡德沃斯(van de Waals)的理論，認為其液化溫度可能在凱溫五到六度之間，於是又產生了高度的激情，再次全力衝刺，在一九○八年七月九日荷蘭時間傍晚七點半成功地液化了氦氣。在一個大氣壓下，液態氦的溫度為四點二凱溫，其比重約為水的七分之一。到此為止，才算正式打開了近代低溫物理的紀元。
在液化氦氣成功之後，昂納斯的研究方向轉為利用氦的超低溫條件觀測金屬的物理性質。一九一一年，他發現了金屬超導，也就是電流失去了電阻，永不變弱。兩年後，因為此項和其他方面的貢獻，他獲得第一個低溫物理的「神器」獎。但當時量子力學尚未問世，這現象一直沒有理論上的解釋，直到了五○年代末期，巴丁(Bardeen)、古柏(Cooper)和史瑞佛(Schrieffer)的超導理論，用量子力學的概念，才圓滿地解釋了這個神奇的現象。因為這個理論，這三位物理學家獲得一九七二年諾貝爾獎。
對液態氦本身的研究，一直到一九二二年，才有進一步的發展。在這一年裡，有位美國哈佛大學畢業的年輕物理學家，丹那(Dana)，在昂納斯的實驗室測出液態氦的潛熱及比熱係數，發現在二點二凱溫左右，液態氦有相變現象。但這個發現當時未受到重視，主要是因為這是一個量子物理現象，遠遠走在時代前端，加上丹那人微言輕，直到三○年代，一位年輕的蘇俄物理天才卡匹薩(Kapitsa)，發現在二點二凱溫以下，液態氦進入超流領域。但理論上的根據，一直要等到六○年代的藍道(Landau)微觀液態氦理論的出現，才獲得比較圓滿的解釋。藍道獲得一九六二年的諾貝爾獎，而卡匹薩卻歷經了被史達林整肅下放四十多年的悠悠歲月，到一九七八年，才獲諾貝爾獎的肯定。丹那在一九二三年後，轉入美國工業界服務，雖建立起 Union Carbide 的液態氣體世界供應網路，卻祇能扼腕嘆惜那過門不入的諾貝爾獎。
進入量子世紀
一九二六年，物理進入了量子的世紀。人類對物理現象擺脫了直覺的解釋，開始用粒子的概念檢驗原子及核子的微觀現象，加上鮑立(Pauli)的「排斥原理」(Exclusive Principle)圓滿地解釋了核子及原子的結構，對超導及超流現象提供了堅實的理論基礎。
以量子力學的觀點來看，液氦四的原子有兩個質子、兩個中子及外圍的兩個電子，每個核子及電子有二分之一個角動量(angular momentum)，所有六個粒子角動量的總和，應為整數，而最低能量的穩定狀態應為零。換言之，液態氦在絕對溫度二點二度以下，是一個巨大的角動量為零的宏觀量子液體。鮑立的「排斥原理」允許角動量為零的所有物理單位在同一個量子狀態(quantum state)。這種量子液體的內部混亂狀態因而不復存在，而由這種混亂狀態引起的摩擦力也就消失了。如果這種液體開始流動，它就永不停止，產生了宏觀上的超流現象(superfluidity)。這種量子液體對外界物體不產生阻力，能通過所有細小的毛細管，能覆蓋所有與其接觸的自由表面。其熱傳導係數為無窮大，所有液體一進入超流領域，沸騰現象就停止了。還有許多其他特異的現象，在此就不一一敘述了。
金屬材料中的超導現象，也可以循著這條線索解釋。在固態金屬的結構中，有自由電子的存在。每個自由電子擁有二分之一的角動量，兩個一正一負自由電子角動量的結合，可以形成角動量為零的量子單位，為最低能量狀態，稱為古柏偶(Cooper pair)。鮑立「排斥原理」允許這些「古柏偶」形成同一量子狀態的宏觀個體，其內部混亂現象消失了，形成超導。當昂納斯觀察到這種現象後，據說他曾經維持一股自由電流流動達七年之久，都沒有衰減的現象發生。
在超導理論中，也預測超流液氦三的存在。氦三原子是由兩個質子、一個中子和外圍兩個電子組成，共五個二分之一的角動量，是奇數，最低能量狀態為二分之一角動量。以金屬超導的「古柏偶」概念，每兩個氦三原子也應形成類似「古柏偶」的「原子偶」量子單位，形成零或整數的角動量狀態，達到超流。這是一個很令人信服及迷人的理論。所以從六○年代起，所有的低溫物理實驗室都開始狂熱地追求這個「神器」，但最大的未知數是不知道在什麼溫度下，這些原子才能形成「原子偶」。絕對溫度十分之一度？百分之一度？千分之一度？或是無限接近絕對零度，而遠遠超出了人類能力所及的極限？低溫物理學家努力了近十年，公認這「神器」可能永遠找不到，紛紛放棄。祇有康乃爾大學的大衛•李和他領導的研究小組，還是鍥而不捨地追求。
李對追尋超流液氦三有一份熱情的執著，從六○年代起，他就單槍匹馬設計發展專為做這項實驗的儀器。他和同事羅拔•理查遜合作，加上研究生道格拉斯•奧雪拉夫，辛苦地向絕對零度節節推進。在一九七二年，他們的儀器已達到了千分之一凱溫。在一次例行的加壓測量中，研究生奧雪拉夫發現在千分之二凱溫處，數據發生了輕微的不連續變化，經過三個月日夜不停的複驗，終於肯定了液氦三的超流現象的出現。結果公布後，全世界的低溫物理實驗室把整個精力投入，紛紛獨立證實超流的存在。芬蘭的實驗室並把一根振動弦放入液氦三中，量出在千分之二凱溫以下液氦三的阻力減低了一千多倍，直接證實了液氦三的超流性。
從量子學的觀點來看，氦三的量子物理性質不同於液氦四及超導電子偶。主要的原因是氦三的角動量為奇數，「原子偶」的角動量可能為零或一，其物理內涵的豐富性，遠遠超過了液氦四及超導的角動量為零的系統。實驗證實液體和固體氦三果然有極為豐富的角動量結構。超流液氦三的發現使人類終於擁有了量子物理的實驗寶庫。
在一九九六年宣佈給李、理查遜和奧雪拉夫諾貝爾物理獎的新聞資料中，特別指出超流液氦三的一項使用價值。現在對宇宙形成的理論是以「創世大霹靂」為起點。在大霹靂發生後一秒鐘內，發生急劇的降溫，新生的宇宙物質以「弦」(string)向外擴展，這些「弦」就形成了我們現在看到的宇宙。但這個理論是無法從目前宇宙觀測中獲得證實，主要是這些「弦」在幾百億年以前，就煙消雲散，消失無蹤。天文學家發現，因為超流液氦三處於極低溫，以一粒中子射入的能量，就可以使其局部急劇加溫，然後急劇冷卻，是模擬大霹靂後「弦」形成的絕佳實驗室。實驗結果觀測到「弦」理論預測到的漩渦數目，這也是超流液氦三一項錦上添花的意外收穫。
超導及超流狀況形成的溫度，一般稱為「臨界溫度」。例如對液氦四而言，約為二點二凱溫。超流液氦四以及其他一些臨界相變液體有一個特性：就是在接近臨界溫度時，組成液體的原子間會發生「臨界顫動」(critical fluctuation)。越接近臨界溫度，顫動的幅度越大，涵蓋的距離越遠，用比熱係數來表示，其數值也就越大。從一九二二年丹那的比熱測量開始，每代的低溫物理學家都不停地向臨界溫度逼近，比熱的數值也越量越大。一直到七○年底，已接近距臨界溫度百萬分之一凱溫。為了解釋這個現象，威爾遜(Wilson)發展出一套「重新正規化群論」(renormalization group)，成功地解釋了臨界現象，而獲得一九八二年的諾貝爾獎。按照威爾遜理論，在臨界溫度附近的比熱、壓縮、熱傳導等係數應以一定的規律接近臨界溫度。
但臨界溫度對壓力極為敏感，平均每八毫米的液四氦厚度可造成液柱上下兩位置的臨界溫度相差到百萬分之一凱溫，使地面實驗發生了極大的誤差，無法再向臨界溫度接近。為了更精確驗證威爾遜理論，這個由液柱自身壓力產生的誤差，必須挪掉。在地球軌道的微重力下，可以達到這個目的。在八○年代初，航太總署估計，在太空進行超流液氦四的比熱係數實驗可以測量到距臨界溫度僅十億分之一凱溫，比地面測量增加一千倍的精確度。
這個超流液氦四比熱實驗是八四年選出的十二個PACE項目之一。經過八年的儀器發展，耗資三千七百萬，於一九九二年完成太空實驗，成功地接近到距臨界溫度十億分之三凱溫，驗證了威爾遜理論的正確性，是目前這類實驗的最高準繩。航太總署緊接著在一九九七年十月，在太空做超流液氦四的二度空間比熱實驗，進一步完成靜態威爾遜理論驗證，並積極籌畫在二○○一年飛行一項利用低溫科技檢驗愛因斯坦相對論中旋轉重力場對「時空坐標軸的拖曳作用」。另一項應用低溫科技驗證愛因斯坦等效原理假設(STEP)的實驗，也可能於二○○○年上馬，西元二○○三年飛行。
雷射冷卻原子技術
有人常問起許多「神器」的發現，為什麼要經過幾十年的印證，才能肯定它的價值？我想最主要的原因是「神器」的鑑定要通過豐富的科學內涵。一九九六年的物理諾貝爾獎是頒給一九七二年的超流液氦三發現。在二十四年當中，液氦三的超流和有關的科學研究為人類發掘出無窮的量子力學寶藏，於是我們現在能完全肯定，這的確是一個「神器」級的偉大貢獻。
在八○年代，又有一項雷射冷卻(laser cooling)原子技術興起。在一九九五年九月，物理學家終於成功地發掘出另一個「神器」級的寶藏，就是用雷射冷卻手段，把許多中性原子凝結成一個單一量子狀態的「波玆愛因斯坦凝質」(Bose-Einstein condensation, BEC)，大大擴張了傳統的低溫物理領域。這又是個迷人的故事。
過去一百年來，人類成功地開發了原子物理及原子化學的科學研究領域。我們發明的周期表，曾準確預測了那些尚未發現的元素之存在；我們創造了量子力學來解釋原子簡單而又美麗的結構；我們深深地探測到了原子的核心。原子有求必應地把其內涵呈現出來，但原子是非常含蓄的，無所不在的熱力神保護著它，使其永不停止地以每小時上千公里的超音速飛行著。它祇給人類驚鴻一瞥的機會，透露出來的訊息也都蒙上了一層朦朧的薄紗。人類夢想說服它放慢其羚羊般的腳步，以看清它的廬山真面目、傾聽它從深處發出沒有干擾的清晰的聲音。
一九九七年諾貝爾物理獎頒給了三位成功地使原子飛行大大減速的科研工作者。他們是朱棣文(Chu)、威廉•費利普斯(William Phillips)及可恆特奴吉(Cohen-Tannouji)。
相對而言，一粒中性原子是輕而小的。在室溫下(約絕對溫度三百凱溫)，它飛行的速度，可達每小時四千公里。即使把它的溫度降低一百倍至三凱溫，它的速度也在每小時四百公里左右。我們與原子的交談溝通，都得在這個高速度下進行。從我們日常生活的經驗中可以瞭解，速度帶來了頻率的改變。像一輛鳴著汽笛的火車朝你開來時，聲音尖銳，離你遠去時，聲音轉低，但坐在火車上的乘客感覺汽笛聲平穩不變，這就是中學課本上所說的都卜勒效應(Doppler effect)。我們從原子所得的訊息都參雜著都卜勒效應產生的誤差。
如何降低原子的速度呢？傳統的方法是用各種冷凍劑，如液態氮、氫、氦等，對都卜勒誤差的降低的確有用，但仍不夠。從八○年代初，雷射冷卻原子的理論與技術開始有系統地發展，突破了幾層巨大的障礙，獲得無比豐碩的成果，把人類原子物理的科研領域向絕對零度無限制地推進。
如何用雷射光來冷卻原子呢？從概念上來講是很簡單的。譬如，我們要使一顆高速飛行的子彈停下，最容易的方法是讓一顆同樣的子彈迎面撞上去。兩顆子彈雖然停下了，但由碰撞產生的大量熱量會使子彈變形、粉碎。以量子力學的觀念來看雷射光，它是由一個接一個的「光子」組成，光子與原子相撞也能達到「剎車」的目的，但原子和一顆子彈有極大的不同。原子有複雜的內部能量結構。通常原子都是在最低的能量層上，我們如把光子的頻率調低到恰好能使它在通過都卜勒效應修正後，把原子能量提升到第一個高能量層時，原子受到迎面飛來的光子撞擊後，光子則被原子吸收。與此同時，光子的動量就把原子的速度相對降低，達到剎車的目的。原子吸收光子後，在百萬分之幾秒內，就把這個多餘的能量由另一個光子從別的方向釋放出去。
以鈉原子為例，通常需要三萬個迎面而來的光子碰撞，才能把原子的速度由超音速降到每秒幾十公分的速度，這相當於一個原子後面有十萬個地球的重力場把它拉住的力量。而由三萬個不同方向釋放出去的動量，雖能使原子產生相等的後坐速度，但其總平均值對單一的原子近於零，總的結果是這顆原子就被剎住了。朱棣文是第一個做成中性原子實驗的人，他又設計了一個有六道光束交成的「光糖蜜」，不論原子上下、左右、前後運動，都能把它減速。因他用的光子頻率剛好平衡了由都卜勒效應引起的誤差，能準確地被原子吸收，這種技術就被稱為「都卜勒冷卻」。用這種方法冷卻的原子，理論上能達到萬分之一凱溫。他又發明了一個高效率的「磁光陷阱」來捕捉冷卻後的原子，以便進行精密的測量。他是這個科研領域的大師。
費利普斯的實驗室謹慎地重複了朱棣文的實驗，並把地球微弱的磁場消除，其溫度竟然降低至大約十萬分之一凱溫，低於朱棣文的實驗溫度六倍之多。這個實驗重複多次，證明其正確性。法國的特奴吉從理論上解釋了這個現象。簡單說，雷射光子束能產生光極化。當鈉原子通過這種極化電磁場時，產生了「紀曼效應」(Zeeman Effect)，將原子內部能量層分裂，使光子在「都卜勒冷卻」基礎上，能繼續不斷地被鈉原子能量層吸收。這種現象就像希臘神話中薛西弗斯(Sisyphus)永不停止地把岩石往山上推，到山頂後，岩石滾落，再以其神力周而復始，直至地老天荒。於是都卜勒冷卻的理論極限被推翻了，這種技術就被命名為「薛西弗斯冷卻」(Sisyphus Cooling)。
經過這兩道大幅度冷卻步驟後，原子已降到每秒幾公分的程度，又面臨一個自然的極限。如原子此時即使僅吸收一個光子，其放出的單一光子產生的後坐力足以使其速度停滯不降，這個極限就被稱為「後坐」極限。要克服這個極限，我們一定要使已經冷卻的原子失去吸收光子的能力，形成「黑色狀態」(dark state)。特奴吉發明了一種「擇速密合群體捕捉」(velocity selective coherent population trapping, VSCPT)技術，使超冷的原子不再吸收光子，而熱的原子還可繼續吸收光子冷卻，衝破最後一道自然巨大的防線。自此為止，光子對原子剎車的能力衝破了所有理論上的極限，原子的溫度可以向絕對零度無限逼近，目前已接近千萬分之一凱溫。
我們終於成功地把原子鎖進了酷寒之地。原子祇能以每秒幾公分的速度緩慢地移動，都卜勒的護身符失效了，我們可以精確地探測它的核心秘密。朱棣文對我說，從理論上預測，周期表上一半的元素可形成「波玆愛因斯坦凝質」。更重要的，這種技術打開了超低溫原子物理的領域，對原子和量子物理未來的發展，肯定會做出巨大的貢獻。
人類文明的進展與測量時間的技術息息相關。當哥倫布在浩瀚無際的海洋向西航行時，他用北極星的高度測知緯度，但對經度的測量祇能依靠粗糙的漏斗鐘。十八世紀，英國經度委員會為了徹底解決對航海經度的測量，以當時天文數字的兩萬英鎊獎賞第一個造出將船的東西位置定在三十海浬內的時鐘設計。一七六二年，木匠約翰•哈里森(John Harrison)的機械鐘經過一百五十六天的海上試測，僅誤差五十四秒而榮獲獎賞。英國的海上霸權得到蓬勃發展。二十世紀後，進入電磁波時代，雷達、全球定位衛星仍然依賴精確的時間定位。一九六七年，人類接受了銫原子鐘的秒標準，規定銫原子基本光波的 9,192,631,770次振動為一秒鐘，其精確度已超過約翰•哈里森的機械鐘十億倍。通過雷射冷卻，我們更上一層樓，把都卜勒誤差減低一千倍，這種原子鐘每十億年才有一秒鐘的誤差。
目前原子鐘的精確度對地球附近行星系的探測，勉強夠用。但如果人類決定對太陽系以外的星球進行探測，原子鐘的精確度則還要大幅度提高，才能航行到幾光年以外的星球。
一般而言，微弱的訊號可以用增長觀測時間的技巧來減低噪音、增強訊號。在地面進行雷射冷卻，原子的速度大量減低時，地心引力的作用，導致原子自由落體，使原子被冷卻的時間，僅達千分之幾秒，觀測時間也短，訊號較弱，造成實驗的誤差較大。在太空無重力下做相同實驗，能使冷卻時間長達數千秒之久，觀測時間長，可改進地面原子鐘的精確度好幾個數量級(一個數量級為十倍)。這種精確的原子鐘對深太空探測船的導航有極大的幫助。還有，在失重下，對原子的電子電偶(electronic dipole moment, EDM)測量的精確度能改進上百倍。雖然目前離測到電子電偶的存在還差近十個數量級(1後面加10個零)，但如果電子電偶的存在有一天能測到，物理上最基本的時間對稱概念(time reversal symmetry)將被推翻，那麼人類的物理又要起個革命性的變化。這些在太空能被長時間觀測的冷(慢)原子也可用來研究另外一些基本的物理現象，如測量重力場紅位移和重力場的等效原理等。從下世紀起，雷射冷卻的物理研究將是太空基礎物理實驗的主要課題之一。
經過物理學家在二十世紀不懈的努力，終於把量子力學和重力場相對論實驗帶入了成熟的豐收季節。許多基礎物理實驗可以有效地利用太空優越的條件，取得比地面精確度高出一千至一百萬倍的數據。我個人的觀點是，航太總署是唯一擁有在天上做這類科學實驗能力的政府機構，如果航太總署不積極開發這片沃土，就是沒為人類盡到責任！
第十五章：開發基礎物理
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航太總署過去三十多年的策略主流是興建太空站「工程」任務，各項「科學」計劃是發展太空站整體戰術之一，佔附屬地位。航太總署科學任務分天文觀察、太陽系和地球探測、基礎物理、生命和微重力科學研究。其中，基礎物理計劃的經費最少，根基也最弱。
回顧近幾百年人類科學文明發展的歷史：牛頓的古典力學打開了十九世紀工業革命的序幕。在一九二六年，薛丁格(Erwin Schroedinger)和海森柏格 (Werner Heisenberg)把科學帶進了量子物理的世界。二十世紀後期的半導體、雷射、電腦、網路通訊、核磁共振醫學掃瞄應用、遺傳工程等科技起飛，都是量子力學的賜與。在人類進入二十一世紀的初期，電腦的儲存量還會以每兩年增加一倍的速度發展。以基因為基礎的生命遺傳工程，對超級快速電腦的需求祇會與日俱增，在幾十年內電腦的記憶單位就會達到分子或原子的體積，海森柏格的「不確定原理」(Uncertainty Principle)現象將會大規模出現，這是對電腦科技繼續發展巨大的阻礙。量子物理是突破這個瓶頸的金鑰匙。二十一世紀是一個多彩多姿的量子物理的世紀。過去二十多年，低溫和雷射冷卻技術的發展，把人類帶進了量子物理的殿堂，我們現在已能隨心所欲「設計」量子物理實驗工具，挖掘無限的科學知識寶藏。
航太總署不重視基礎物理
然而，航太總署卻不重視基礎物理。其中原因很多，最主要的恐怕就是它太深奧，無法像太陽系探測項目中機器人登陸火星和「哈伯」取得的天文照片一樣，得到在電視機前平民百姓的喜愛、支持。要改變這個大眾形象，需要恆心、耐力和持久的努力。
我對基礎物理有濃厚的興趣。從MIT回來後，就開始有系統地為航太總署開發「基礎物理」園地，前後已發出四次有關徵求基礎物理研究計劃通告，取得一些初步的成果。在開發「基礎物理」的過程中，雖然我的觀點與署長哥登接近，但常與我的頂頭上司副署長和局長們相左，主要原因是新項目需要新經費，新錢不來，舊錢抽不出，形成膠著狀態，需要強大科學團體的支援，才有希望打破僵局。
我現在談談航太總署開發基礎物理的經過。
基礎物理從八○年初以物理、化學實驗(Physics and Chemistry Experiments, PACE)成為航太總署科研項目。八八年，在「美國國家科研委員會」(NRC)十年一次的報告中，推薦航太總署進行凝質、低溫和重力場「時空座標拖曳」(frame dragging, GP-B)和「等效原理」(equivalence principle, EP)檢驗實驗。當時我們部門已展開「超流液四氦比熱實驗」(Lambda Point Experiment, LPE)飛行儀器研發工作，GP-B在國會的催促下，即將撥款，STEP無著落。我要求哈佛天文台台長厄文•夏比羅評審推薦不果後，我們把STEP送往歐洲，借助國際力量，以求未來生機。GP-B由另一個局長部門管理，其餘的基礎物理研究，我們部門劃歸一個「準繩實驗」(Benchmark Experiments)項目，交由噴射推進實驗室管理。
噴射推進實驗室在七○年代參與超導核磁共振開發工作，有一批低溫物理專業人員。七八年，我到噴射推進實驗室時，丹•艾拉曼(Dan Elleman)為這項科研小組長，「超流液四氦比熱實驗」(LPE)在噴射推進實驗室上馬後，由他主管。在研發LPE過程中，噴射推進實驗室組織了一個「低溫科學領導小組」(Low Temperature Science Steering Group, LTSSG)，充當噴射推進實驗室中心科學副主任查理士•依拉其(Charles Elachi)低溫顧問團體。八九年，我正式以公務員身分在總部上班時，LTSSG組長為美國科學院院士約翰•悅匹，我是這個小組的總部聯絡人。
艾拉曼後得病，手術完，堅持上班。病情復發後，醫師診斷祇有三個月期限。我當時和史茂代局長商量，建議總部頒給他一個「傑出科學成就獎章」，這是航太總署給予科學家最高榮譽，一般審核過程為一年。噴射推進實驗室科學副主任依拉其同意，但不能用噴射推進實驗室既定名額。我在總部要求以「名額外」急件處理，兩個月後，噴射推進實驗室中心主任愛得華•史東(Edward Stone)特別為他組織了一個緊急頒獎儀式，對他而言是一個意外的驚喜。一個星期後，我接到他道別謝函，兩個星期後，他就去世了。
有系統徵集基礎物理項目
從MIT進修回來後，我開始有系統徵集基礎物理科研項目，九三年請威廉•費利普斯(William Phillips，九七年諾貝爾獎得主)任主席，評審有關雷射冷卻方面新科研項目，選了電子電偶(EDM)等實驗，開始邁出傳統低溫物理領域，得到以約翰•悅匹為委員之一的「美國國家科研委員會」大力支持。
九三年，俄勒崗大學召開的第二十屆國際低溫物理每三年一次的大會上，我邀請美國科學院院士剛特•愛勒斯(Guenter Ahlers)出任我部門副署長顧問委員會委員，他欣然答應。這是基礎物理學家第一次參與航太總署關鍵的諮詢會議。愛勒斯在德國長大，為人剛毅，是難得的科學領袖人才。
航太總署顧問委員會系統以各局長部門的「學科工作小組」(Discipline Working Group, DWG)四位組長組織成的局長顧問委員會(Microgravity Research Advisory Subcommittee, MRAS)為基礎，大部分成員為副署長顧問委員會(Life and Microgravity Sciences and Applications Advisory Committee, LMSAAC)委員。LMSAAC有兩位共同主席，分別負責微重力和生命科學項目，他們是署長顧問會議(NAC)當然委員。
我們部門在八○年代起，認可四門學科，分別是：生物科技、燃燒、流體、材料。基礎物理歸納於工程流體，是「次學科」。各學科DWG向航太總署重要建議、推薦事項，經由MRAS、LMSAAC和NAC，供航太總署最高決策小組參考、討論，同意後執行。
愛勒斯得以參與MRAS和LMSAAC，是我開發基礎物理的早期突破。
九四年間，我們部門已開始研發太空站飛行儀器，總部經費吃緊。在一個寒冷的一月某日下午，行伍出身、土木工程師專業、精於管理的我部門局長，把我叫到他的辦公室，關起門，通知我，他決定取消基礎物理「次學科」，以「節省」下來的每年二千萬美元經費，支援其他學科攻關。我當時的感覺是秀才遇到兵，有理說不清。美國是一個在必要時，可伸張個人意志的社會，我發動數位著名科學家向航太總署高層決策人抗議，兩個星期後，我們部門的副署長否決了他的決定。這個事件後，我抓住每個機會，對他進行基礎物理教育。在他九八年底的退休歡送會上，我提起這段往事，他很有風度地接受我送的一瓶XO再見禮。
我發出九四年基礎物理研究計劃徵集通告前，召開了一次基礎物理學家大會，討論基礎物理發展趨勢。我邀請朱棣文(九七年諾貝爾獎得主)到會，對雷射冷卻太空實驗的重要性和可行性做了一個詳盡的分析報告。約翰•悅匹為航太總署主持了九四年評審，大衛•李(九六年諾貝爾獎得主)為委員之一，評選出數個雷射冷卻實驗，繼續開拓這片肥沃的科研領域。
訪問莫斯科
為了加強基礎物理國際合作，我在九四年底訪問莫斯科，由瓦丁•鮑里查也夫(Vadim Polezhaev)接待。俄羅斯科研體制以科學院為主體，蘇聯解體後，經費來源枯竭，我參觀他們的低溫工程研究所，學生在工廠上課、實習，沒有液態氮，更不要提液態氦了。因交不起電費，走廊黑暗。在署長哥登為太空站打出「羅宋牌」後，我們部門當時資助近兩百位俄國科研人員，每名每年經費五千美元。但科研人員告訢我，他們祇收到八百，四千二耗在中間人身上。我也參觀了他們引以為傲的「紅旗」級卡匹薩研究所(Kapitsa Institute)。大門外街口豎立著第一位宇航員加加林的巨大銅像。所長亞歷山大•安銳也夫(Alexander Andreev)是院士並任科學院副院長，他帶領我參觀了他在世界領先的量子晶體研究室和卡匹薩紀念走廊。
卡匹薩因不服從史達林命令他領導蘇聯發展原子彈計劃而遭流放，七八年得諾貝爾獎，是世界景仰的偉大科學家。離開時，所長以午餐款待，乾三杯伏特加。四個月後，我請他和另外兩位科學家出席了噴射推進實驗室在加州主辦的九五年基礎物理年會。這次訪問中，我仔細務色到一位活動能力強、有上層關係的基礎物理學家黎歐涅地•馬詔夫—德格林(Leonid Mezhov-Deglin)。我問他為何用複姓，他說他父親馬詔夫被史達林殘殺，他幾個兄弟姐妹從母姓德格林，他一直堅持把父姓帶上、長大，史達林沒再找他麻煩。他和我合作，組織俄羅斯太空基礎物理科研活動。九九年，第二十二屆國際低溫物理會議(LT-22)將在芬蘭赫爾辛基(Helsinki)召開，他在莫斯科以北五十公里處的琴諾格洛夫加(Chernogolovka)組織了一個LT-22會前的衛星會議，航太總署出一半經費，屆時許多美國基礎物理工作者都會參加。
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成立基礎物理學科
九四年評選後，基礎物理粗具規模，STEP在歐洲優異的表現，增強了這門「次學科」的能見度，我的感覺是基礎物理已經上了「雷達幕」，要求在我們部門成立第五「學科」的條件逐漸成熟。
九六年，約翰•悅匹的LTSSG組長任期已滿，我向噴射推進實驗室推薦愛勒斯接任，承蒙接納。
我邀請愛勒斯和LTSSG小組成員，在九六年八月到總部向局長羅姆提出成立基礎物理「學科」的要求，我的總部同事紛表反對，認為大家日子過得好好的，為什麼要像魁北克(Quebec)搞「獨立」。我部門局長決定暫擱一年，容後再議。
兩個月後，與我們關係密切的康乃爾大學大衛•李的低溫物理研究小組以七二年發現的超流液三氦獲得了九六年的諾貝爾獎。大衛•李在九六年向我們提出研究計劃，成為我部門第一位諾貝爾獎級的研究員。
為了九六年基礎物理研究計劃評審，我特別組織了一個「藍帶評審委員會」，請到執天文物理界牛耳的約瑟夫•泰勒(九三年諾貝爾獎得主)為主席，羅伯•理遜(九六年諾貝爾獎得主)等為委員，專審重力場相對論提案，為STEP再尋生機。藍帶評審委員會深受航太總署最高決策人的重視(詳見第六章「衛星檢驗等效原理」一文)。
九七年二月我拜訪在康乃爾大學的大衛•李。他的夫人戴妠(Dana)是泰裔，燒了一桌泰國菜招待我，約翰•悅匹做陪。李告訴我，他的人生哲學是不論做任何事，都要以熾烈的(passionate)感情追求。在六○年代，當所有低溫物理實驗室對尋得超流液三氦「神器」絕望時，祇剩下他的實驗小組還是鍥而不捨，孤軍奮鬥，終於摘下桂冠。他得獎後，打電話告訴我，他要寄一份接受諾貝爾獎的演講稿給我，兩個星期後寄到，娓娓道出他發現超流液三氦艱苦的奮鬥過程，其中包括《物理評論通訊》(Physical Review Letter, PRL)起初拒收他們論文，懷疑這「神器」被發現的可能性。此外，李也是一位敏銳的投資者，以股票致富，是少有不需靠薪水過活的教授。他的辦公室桌上堆有三尺厚的科學文章，秘書催他整理時，他答應得到諾貝爾獎後馬上辦，現在依然如此。
九七年九月，愛勒斯和LTSSG小組成員再次向我部門局長提出成立基礎物理「學科」的要求，終獲准。在微重力「基礎物理學科」組織好「學科工作小組」(DWG)後，正式成立，愛勒斯任組長，組員中包括道格拉斯•奧雪拉夫( 九六年諾貝爾獎得主)，由我直接管理，向局長負責。
九七年十月十二日清晨，在喬治華盛頓公園路開車上班的路上，聽廣播得知美國物理學家威廉•費利普斯和朱棣文以發展「雷射冷卻技術」獲九七年諾貝爾獎。我用車上電話即刻向我部門局長報告。費利普斯是我部門一星期前成立的「基礎物理學科」的主要研究員。我也提醒我部門局長，他在九四年基礎物理大會上與朱棣文握手見面的往事。
我在九八年初，到史丹佛大學拜訪，參觀了朱棣文的實驗室，並以雷射冷卻太空儀器的研發問題，再次向他求教。
泰勒「藍帶評審委員會」對STEP的推薦，還是因為經費問題，沒有產生預期效果。泰勒要求與署長哥登面談，提出申訴。哥登在會談中，提出加強航太總署基礎物理科研的意願。會議在下午四時二十分結束，比預計多二十分鐘。當晚八時，哥登在「無人太空計劃」科學顧問委員會中，提起這個會議內容，第二天清晨就傳遍了航太總署。
我們部門副署長帶我參與會談，他接受了署長繼續撥款、延續STEP計劃的要求，但不贊成成立航太總署階層的基礎物理部門。當時「無人太空計劃」科學副署長即將離任，對署長在STEP及基礎物理上的大部分意向表示不能接受。
基礎物理學科目前的缺陷是沒有自由飛行體計劃，無法進行像STEP需要在兩極軌道上的精密實驗，我們副署長管「有人太空計劃」，自由飛行體屬 「無人太空計劃」。在理想條件下，STEP應由「無人太空計劃」管理。「無人太空計劃」主流是天文，不重視基礎物理，更何況STEP和基礎物理不是他們的嬰兒，實在沒有精力管。兩邊都不管，但署長要做！
我不要基礎物理被別人分家。從一開始就與科學團體合作，通過研究方案徵集通告，鑑定科學市場需求，不求助政治力量，從正面光明磊落地開發航太總署「基礎物理」計劃，直到今天。
公務員依法不得向國會遊說，但科學家和科學團體不受這個規定限制。前些日子，我接到一頁電傳，是加州兩位聯邦國會參議員、三位眾議員聯名寫給署長哥登的信，感謝他近年對STEP的支持，並鼓勵他再接再厲！
我想，如果我站在副署長的立場，可能也會做出同樣的決定，不能像目前在這個位置的我，可以忘情地追求熱愛的事業，不需顧慮許多官場上的忌諱。但當然有時要付出一定的「政治」代價，來換取對人類有益的「科學」計劃的進展。對代價的掌握，並不是件容易的事，祇有摸著自己良心上的準則來做決定。
基礎物理太深奧、沒有短期的實用價值。但在過去五年裡，我們已開始發展去太陽系以外的超精確導航原子鐘、建議以低溫計磁儀遙測其他行星的含礦成分、以「巨大磁變」(giant magnetostriction)技術(以電磁場來控制、調整稀土元素製成的合金棒長度)微調「下一代太空望遠鏡」(Next Generation Space Telescope, NGST)鏡面曲度，為二十一世紀太空探測做出貢獻。
二十一世紀是尋找像地球一樣的「藍色星球」的世紀，也是尋找「外太空生命」，甚或「外太空文明世界」的世紀！
第十六章：二十一世紀太空發展策略
對太空的嚮往是一種深植在人類基因中的原始呼喚。人類文明的發展與太空息息相關。我們的祖先曾傾心關注燦爛的蒼穹，寫過無數詩篇。古代中國把王朝的興衰和帝王的政績與天象密切聯繫在一起；歐洲曾倚仗優越的天文、航海知識拓展海域，創造出西方的工業文明；伽利略的望遠鏡開啟了人類朦朧的視覺，使我們認清自身的渺小；二十世紀中葉以後，人類一飛衝天，登上了月球；各式望遠鏡也遠離大氣層的干擾，把人類的視野延伸到宇宙的邊緣；人類的飛行器著陸在我們鄰近的星球，尋找地球生命的伴侶；而載著人類文明的太空船也已飛離太陽系，向無限的宇宙飄去；九○年代，我們又發現一系列太陽系以外的行星，奠定了尋找藍色星球的技術基礎。
亙古未有的新契機
二十世紀末期，幸運的人類正面臨一個亙古未有的契機，把世界文明推向另一個高峰。但是，這「原始呼喚」的高貴情操始終需要落實在具體的行動上，才能體現。
當蘇聯的衛星史潑尼克和宇航員加加林上天以後，強大的政治力量推動了一場空前的美蘇太空競賽。美國精心設計了阿波羅登月計劃，以傾國之力，一決科技勝負。這場波濤壯瀾的角逐，把人類的原始呼喚推到了頂峰。當阿波羅十一登上月球的剎那，世界竟然喜極而泣。在那數秒鐘內，人類忘記了分歧、冷戰、仇恨，盡情共享那千載難逢的自豪和成就。
然而，獲勝的美國，卻在越戰的煉獄中負債累累。在巨大的經濟壓力下，無奈地終止太空競賽的巨大投資。
阿波羅計劃帶動了世界第二次工業革命。材料、電子、電腦等工業，全球衛星通訊技術等都得到了質與量的提昇，這些成果顯然給人類帶來了極大的福祉。於是，有識之士擬定了阿波羅以後的太空發展策略，這就是一般所稱的「邏輯的下一步」。其核心構想是以阿波羅計劃中，發展出推力巨大的土星火箭，把許多材料運往地球軌道，組裝巨大的太空站。利用太空站繼續推動各項太空發展計劃。第一個藍圖是一個直徑五百英尺的旋轉環。人工重力場可以保證太空人長期在太空工作的健康。這個計劃由於造價太貴，一出爐就遭到扼殺，於是又利用土星火箭的軀殼，以極低的成本，組裝了一個「天空實驗室」，匆匆登場，但終因其能力太差，草草結束。「邏輯的下一步」也因而遲遲無法邁出。「邏輯的下一步」之所以不邏輯，主要是阿波羅計劃結束後，失去了巨大的政治力量來繼續支援太空策略發展。太空決策人不得不陷入沈思，另謀良策，把太空策略的發展定位在人類經濟行為的供求關係上。自此，太空策略由絢爛歸於平淡，面對現實，謀求穩定發展。
於是，一個符合國際「市場經濟」需要的策略就應運而生了，其核心構想是用一個能反覆使用的太空梭來組裝太空站。太空梭的貨艙及實驗室由西歐建造，投產後，可以通過商業行為，自給自足。而太空站也由許多國家共同投資使用，減少納稅人的負擔。本來計劃太空梭和太空站兩項工程同時上馬，但因成本過於昂貴，祇得先後進行。
為了確保太空站計劃的實施，美國不惜背水一戰，停止一次性火箭的生產，集中財力，與西歐合作，先行完成了太空梭工程。太空站計劃則隨後跟上，設計方案幾經大刀闊斧修改。東歐解體後，又力邀俄羅斯入夥，增強了太空站的政治力量，得以度過重重險關，取得了太空站計劃繼續生存發展的權利。
在發展太空站計劃的過程中，因價值的認同，曾引發過數次大規模論戰，但到目前為止，仍無共識。由於太空站計劃是為了延續阿波羅後龐大的營運系統而設計的，其並不純正的動機，如司馬昭之心，路人皆知。故而數次瀕臨流產的邊緣，但終因已懷胎八月，封殺己遲，於是產生了諸多後遺症。這是太空站計劃最大的弱點。
在二十世紀，人類的物質文明、教育水準和自由民主的觀念獲得空前發展。在此基礎上，二十一世紀的「原始呼喚」更上一層樓：我們要探索宇宙更多的奧秘、要找尋外太空的生命、要找尋藍色的星球、我們還要把人送到比月亮更遠的行星。
揭開宇宙更多的奧秘，要使用各類獨立於太空站外的科學衛星；尋找外太空生命，則要依賴無人探測儀做近距離測量或直接取樣進行分析；尋找藍色的星球，則需要在地球軌道上安置巨大的望遠鏡；送人上火星，則需解決在長期失重狀況下，太空人骨質疏鬆的問題以及在遠離地球的太空環境裡各種強烈輻射線對人體的傷害。祇能在太空軌道上打轉的太空站，並沒有脫離地球磁場對人體的保護，除了對骨質疏鬆和太空生命科學有一定貢獻外，太空站的功能無法滿足全面需求。
人類做了巨大投資的太空站，在二十一世紀初葉，仍得負擔起太空旗艦的重任。其先天不足之處，則需依靠強有力的輔助船隻護航。太空站除了進行太空人長期失重下的生理研究外，主要任務之一則是以高科技回饋人類社會，如地球觀測和微重力實驗等，為聰明、自由、富足的世界公民造福，這也是極為重要的公關工作。
二十一世紀人類的夢
人類的視野已伸展到宇宙的邊緣。永不回頭的宇宙將何去何從？ 我們的宇宙外面還有宇宙嗎？二十一世紀我們會送上更多的望遠鏡，從伽瑪射線到無線電波，對宇宙進行全面掃瞄，抽絲剝繭揭開宇宙無窮的奧秘；我們要深深探入恐怖而又迷人的黑洞；神遊愛因斯坦彎曲的四度空間；在巨大的重力場透鏡下，尋找黑色物質和反重力場的源頭；看星雲的生與死。
二十一世紀初期，人類渴望登陸火星。太空人在七個多月漫長的旅程中，沒有重力場的保護，骨質會大量流失，以至無法在火星上活動，所以在旅途中必須維護骨骼的健康。目前最有效的治療方法，或許是每天至少做一小時以上對骨骼有衝擊力的運動，但對強烈宇宙射線給予人體造成的傷害，目前尚無對策。
當然，我們可以選用年紀較大、不須再生育的太空人去完成這個任務，但這並非良策。一般認為太空船需要用一層材料隔絕輻射，最適當的物質之一可能是水。水又有其他多種用途，它可飲用，還可用豐富的太陽能把它分解成氫和氧，做為火箭燃料或供呼吸，一舉數得。當然水可以從地球帶上去，但成本太高，如能在月球或火星上找到水源，就會大大增加登陸火星的可能性。另外，有水的地方就可能有生命，尋找水源也符合人類尋找外太空生命的渴望，為一箭雙鵰之舉。
現已發現月球的兩極有水冰(water ice)存在。據估計，其儲量可供兩千人正常使用一百年，足以擔當去火星中途加油站的角色。
生命需要大量的水，用以進行化學作用。尋找外太空生命，首要任務是尋找水源。除了在月球的兩極外，在火星的兩極和木星的衛星歐羅巴(Europa)上都發現了水冰。伽利略號送回的歐羅巴照片顯示，其表面水冰下極可能是水海洋(water ocean)。這是二十一世紀初，尋找外太空生命的一個重點。此外，在南極發現可能含有火星細菌的化石，也增強了在火星上曾有生命的可能性。至於高等生物，恐怕祇有到太陽系以外去找了。
據現有的科學知識，高等生物的存在和演進，必需依賴大量的水和氧氣。而擁有水和氧氣的星球，跟地球一樣，遠遠望去是藍色的。尋找藍色的星球是二十一世紀人類的夢。
僅我們一個小小的銀河系，就有三千億個恆星。從概率來說，一定有和我們相似的太陽、行星存在。在距地球一百光年的距離內，我們已經發現了多個行星系。與我們太陽系的行星系統比較，異多於同，這很令人費解。從九○年代起，我們已掌握了尋找遙遠行星系的基本技術，但到目前為止，證據都是間接的，還無法直接看到行星。
行星都是圍繞著一顆明亮的恆星，像是一個飛行在幾百萬千瓦探照燈旁的小甲蟲。據估計，要直接看到行星，則需在地球軌道安置一個超高倍望遠鏡，其直徑要比「哈伯」大上數十倍。二十一世紀初的「起源」(Origin)計劃就是為了解決直接觀測距地球一百光年內的行星，所做的巨大投資。使用這個望遠鏡，可以對行星進行光譜分析，決定其大氣中氧的含量以及有無水和其他有機分子的存在。一旦發現了藍色的星球，就會送出地球文明的電磁波，熱情地廣播孤獨人類的存在，並等待回音。至於登門造訪，很可能是一個永遠難圓的夢。以目前人類的科技水準，太空船的速度太慢，即使在離地球最近的四光年的恆星旁邊找到了朋友，也要飛行八萬年，並在太空船上繁殖三千代，才能見面。即使我們永遠無法見到與世隔絕的新朋友，就心理上而言，人類再也不會有宇宙單人行的淒楚感覺了。
回顧人類的太空發展史，如亙古以來，一切其他的人類行為一樣，最強大的原動力毫無疑問是來自政治的需要。
近百年來，人類社會的結構發生天翻地覆的變化。個體擁有了高度的知識和自由，控制了社會財富，也主宰了使用財富的權力。以送人上火星為例，其費用可能高出阿波羅計劃數倍，超出任何一個國家單獨負擔的能力，國際合作勢在必行。發展二十一世紀太空策略，也涵蓋了國際政治大氣候。各種準備工作都得為增強政治力量而努力，與其他所有昂貴的科學研究活動競爭。
最近月球上水冰的發現，將給各國有心的政治家提供一個強有力的論點，以說服選民支持火星計劃。像所有人類偉大的事業一樣，二十一世紀太空策略的實現，其路途是艱難的，但人類永遠不會停止那原始的呼喚。
我們將為二十一世紀渺小而又偉大的人類感到驕傲！ | |
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