要怎麼阻止太空梭爆炸？為什麼彈性體喜歡溫暖？

想像一下，你是一名站在十字路口的警察，有一輛車停下來向你問路，司機問該右轉還左轉？你知道那個地方，也知道正確的路是右轉，因為左邊有個懸崖，要是左轉車子會掉下去，司機就會沒命，所以你當然是跟司機說右轉。你甚至可能拿出手機調出地圖，告訴司機要是左轉會出事。對方看起來很生氣，還辱罵你，然後就起步左轉了，而你只能眼睜睜看著車子掉入懸崖。

羅傑．寶華佐利（Roger Boisjoly）是一名工程師，但不是警察的他卻經歷了非常類似的事件，永遠改變了他的人生。故事始於1985 年寶華佐利受雇主要求查驗的一對橡膠圈，當時他任職於替美國太空總署（NASA）製造固體燃料火箭等的摩頓泰爾克公司（Morton Thiokol, Inc.）。

這些火箭也稱為助推器，裡面是充滿不同物質的混合物（包括過氯酸銨﹝Ammonium Perchlorate﹞、鋁和氧化鐵），替NASA 將要發射到外太空的太空梭提供主要動力。當燃料耗盡時，助推器會從太空梭上脫離，太空梭繼續飛行，而做為助推器的火箭筒會墜入海中，之後被回收檢查。

寶華佐利曾經前往美國佛羅里達州進行這類調查。現在，他拿著太空梭「發現號」（Discovery）助推器上的橡膠圈，如他後來向英國《衛報》（The Guardian）所述的那樣，「幾乎心臟病發。」因為橡膠圈不再是明亮的蜂蜜色，也不再富有彈性，而是暗沉變色，布滿傷痕，彷彿是被咬斷一樣。

經驗豐富的工程師很清楚問題在哪：橡膠圈做為密封環本來應該要阻隔的熱氣體一直作用在這個地方。寶華佐利對於「發現號」沒有墜毀感到很驚訝，因為橡膠圈已經被衝擊的這麼嚴重。

現在你可能會問：「太空梭又不是玻璃密封罐，它需要橡膠環做什麼？」其實太空梭與玻璃密封罐有一定相似之處，兩者都需要密封環來確保各部位的零件緊密連接。

我們以德國知名玻璃密封罐品牌Weck的產品來解釋，這款密封罐需要用金屬扣夾來將玻璃蓋固定在玻璃罐上，密封前得先替玻璃蓋套一個寬扁的橡膠圈，然後再蓋到玻璃罐上，如果沒有先套上這個做為密封環的橡膠圈，那麼會因為

蓋子和瓶子都很硬，導致兩者無法密合而晃動。

火箭助推器也是這樣。它是由四個部件組成，製造商會預先兩兩組裝好，然後NASA 的工程技術人員會在現場將預先組裝好的兩個部件連接起來，並固定在一起。連接這些部件的是密封圈，即使部件有稍微變形，密封圈也能確保部件

之間沒有出現間隙。這些密封圈看起來像個O，環繞著整個火箭，它們也因為這樣被稱為O 形環。兩個火箭部件之間是用兩個重疊的O 形環密封固定的，但是在「發現號」上，情況卻不是這樣。

寶華佐利立刻向NASA 報告他的發現，當然也通知了自己任職的摩頓泰爾克公司，然後他開始尋找造成橡膠圈損壞的原因。有沒有可能橡膠圈是扭曲狀的？這不太可能，在產品檢測時，橡膠圈被扭曲後就會馬上回復原狀。

原因可能是什麼呢？寶華佐利和同事進行了一個相當簡單的實驗。他們把一個橡膠圈放在兩個金屬板之間，然後輕輕擠壓再放開，觀察橡膠圈與兩個金屬板是否保持接觸。

只要溫度暖和（工程師在攝氏37.7 度﹝華氏100 度﹞的溫度下進行實驗），橡膠圈毫不費力就可以回復與金屬板接觸的狀態。但是橡膠圈所處的環境愈冷，回彈的速度就會愈慢。在攝氏23.8 度﹝華氏75 度﹞的環境下，橡膠圈要花2.4秒才能觸及金屬板。

就使用橡膠圈的目的來說，這個時間長到令人難以置信，實在太久了。橡膠圈只要1/5 秒沒有接觸到金屬板，就會出現大問題。最後，工程師們在攝氏10 度﹝華氏50 度﹞的環境下進行測試。寶華佐利回憶道：「10 分鐘之後我們停止測試。」

他和同事發現了問題所在：「發現號」起飛時，戶外溫度為攝氏11.6 度。橡膠圈會因為溫度低而變硬。第一個橡膠圈被擠壓後沒有回彈，灼熱的燃燒氣體流穿過它，這就是航太界所謂的「漏氣」（blowby）。幸運的是，第二層的橡膠圈阻止了氣體流出，避免了一場災難的發生。

為什麼夏季輪胎會在霜中變硬？

你可以在家中輕鬆複製前述工程師進行的實驗，將一般橡皮筋套在直尺兩端，然後放進冰箱。你從冰箱取出後，從尺上拆下的橡皮筋需要很久才會縮回原本的大小，因為橡皮筋是彈性體（elastomer）。

彈性體是一種特別具有彈性的塑膠，跟所有塑膠一樣，都是由糾結在一起的分子鏈組成，可以將其想像成一個裝滿煮熟的義大利麵的盤子（在我們另一本著作《物理學就是當它爆炸的時候》﹝Physik ist, wenn’s knallt﹞中，對此有詳

盡的描述，包含你可以自己動手做哪些實驗）。

不過彈性體與義大利麵條不同的地方在於，前者的分子鏈有許多點會相互連接，這是故意的，因為橡膠被拉緊後，這是回復原本形狀的唯一方法。為了達成這個目的，例如天然橡膠會與硫混合，在長鏈分子之間形成連接橋梁。

所以橡膠變形後，會回彈成原本的樣子，目的達成。但如果彈性體變形後，想回復成原本的狀態，分子鏈必須要是柔韌的，而這種韌性取決於溫度。當天氣非常寒冷時，彈性體中的長鏈分子會比較沒有韌性，需要較長的時間才能回復

原狀。

彈性體的另一個特性使這個問題加劇。當彈性體變形時（也就是被兩個火箭助推器部件擠壓在中間時），它們會向環境釋放熱量；但當它們被再度放鬆時，必須要從環境中吸收熱量。如果環境很冷，無法提供足夠的熱量供彈性體使用，它們就會大大減緩放鬆的速度，甚至是停止放鬆。

根據彈性體的組成成分，溫度變化對其影響也有所不同。例如，汽車所用的夏季輪胎在酷寒的氣溫下會變硬，而且可能抓地力會不再足夠。但是製作冬季輪胎的橡膠成分與夏季輪胎所用的不同，所以冬季輪胎即使在較低的氣溫下，依然保有韌性。

塑膠為了能應用在太空之旅上，必須特別能做到兩件事：承受大量的熱量和快速伸展。因為橡膠圈是被用在固體燃料火箭的兩個部件之間，用來確保沒有任何間隙，以免炙熱的燃燒氣體逸出，所以橡膠圈和火箭部件之間必須始終保持緊密接觸。基於以上原因，火箭橡膠環所用的塑料是氟橡膠（Fluorine Rubber, FKM），由含有氟的長碳鏈組成。氟會形成非常穩定的化合物，所以具有熱穩定的特性。但這種彈性體不是為了低溫所設計，在低溫的狀況下，它們很快就會失去彈性。

我們可能會以為現在已經知道危險、已經避免危險，裝配這些橡膠環的太空梭只要在更高的溫度下發射就好了，這點在佛羅里達州根本不是問題。寶華佐利通知了公司的主管，並且認為這件事已經解決。但是NASA 已經在計畫下個任務：6 個月後，將要發射另一架太空梭「挑戰者號」（Challenger），前往太空部署一顆通訊衛星。那個時間點落在1 月，並不是最溫暖的月分。

寶華佐利想阻止這次的發射任務，但同樣也有人想強制執行這個任務。寶華佐利注意到，在他第一次示警後，幾乎沒有任何事情發生。如果你去網路上查找他後來在多所大學舉辦的講座，會發現事件發生很久後，對他的影響仍然非常大。寶華佐利是個高大、健壯的男人，善於計算且擁有大量數據。這位工程師一生都在根據事實做出決定，也因此承擔了責任。

人類的生命和大筆金錢都投注在太空任務上，現在臨近「挑戰者號」發射的時間點，卻沒有人對寶華佐利提出的數據有所反應！他簡直不敢相信。

最後，他在1985 年7 月下旬，寫了一份備忘錄給公司經理，預言這會是「一場災難」。他寫道：「這是我發自內心且非常真實的恐懼，如果我們不立刻採取行動，就會有失去這架太空梭的風險，不僅會有災難發生，還會有人因此喪命。」

終於有些行動運轉起來了，先是成立了一個工作小組，就算成員只有5 名工程師。根據寶華佐利的說法，管理階層並未提供任何支持。當然後續的調查結果也沒有改變：在低溫下，橡膠環的確會因為太硬而失去彈性。

「挑戰者號」原定於1986 年1 月27 日發射，那天位於佛羅里達州的甘迺迪太空中心（Kennedy Space Center）發布的溫度是0 度以下。0 度以下！ NASA 從來沒有在這麼酷寒的天氣下發射過火箭。寶華佐利和他的工程師同事們知道自己手上的數據，他們知道接下來會發生什麼事：發射臺上會發生巨大爆炸。

如果因為火箭中出現極高的壓力或是不可預見的振動，導致部件之間出小間隙，那麼擠壓在兩個緊密相間部件之中的橡膠環，不管在任何情況下，都要能保有彈性。但在低於0 度的溫度下，彈性體不再是彈性體，而且無法封填間隙。因為低溫，導致其失去回彈所需的能量。還有另一個問題，塑料的分子鏈通常只有在夠暖和的情況下，才能變形。只有這樣它們才能來回移動一點點，而非停留在本來凍結的位置。

如果你將塑料冷卻，最終會到達玻璃化的溫度，在這個溫度下，塑料不再是液體或具有韌性，而是像玻璃一樣堅硬易碎。高於這個溫度，塑料至少是軟的，低於這個溫度則不是，這就是為什麼玻璃化溫度也稱為軟化溫度。

我們曾經以一根橡膠管重現這個現象，先用液態氮將其冷卻到攝氏-196 度，再用槌子敲打，橡膠管隨即破成無數碎塊。一般人家裡可能沒有液態氮，但我們幸運地發現一個大家都可以做的類似實驗，只要你有一袋吐司就行了。

我們是一家六口，一袋吐司沒多久就吃完了，所以總是會多買一點冷凍起來。吐司買來時已經用塑膠袋裝著，我們也懶得拆裝到耐凍的袋子裡，便直接放進冷凍庫。這麼做對吐司沒什麼影響，但塑膠袋就不是這樣了。當溫度降至零下時，塑膠袋會破掉，你可以輕輕鬆鬆就弄破它。

我們家的冷凍櫃放在洗衣間，當你一手將裝滿衣物的洗衣籃穩穩夾在腰側時，另一手可以從冷凍庫抓出整袋吐司。要是你只抓到塑膠袋的前半部，大概前三、四片吐司的位置，那麼後面會整個往下掉，然後你就會聽到吐司落地的聲音。

如果我們看過德國知名烘焙公司「黃金吐司」（Golden Toast）官網上的警告，就應該知道會發生這種事。那個頁面上有著令人食指大動的吐司照片，在這些剛解凍的吐司照片下，寫著：「冷凍保存前，請改用可冷凍的包裝袋或保鮮膜進行分裝，因為我們的包裝袋在冷凍後會失去彈性，可能會破裂。請確認產品已用可冷凍的保鮮膜緊緊包裹住，或是裝進標有『可冷凍』的適用耐凍袋。」沒注意到警語，是你運氣不好。

會這樣是因為「黃金吐司」的包裝袋材質是「聚丙烯」（Polypropylene, PP），而耐凍袋材質則是「聚乙烯」（Polyethylene, PE），雖然兩者皆由長鏈分子組成，但在聚丙烯中，這些長鏈分子總是非常有序地排列形成小區域，也就是結晶。這也就導致物質的流動性受到嚴重限制，玻璃化溫度介於攝氏0 ∼ 10 度，冷凍的溫度就更低了，所以在你一手穩定洗衣籃，一手抓取那袋冷凍過的吐司時，悲劇才會發生。

地獄般的戰鬥

與寶華佐利的擔憂相比，吐司落地這種後果當然根本微不足道。「挑戰者號」的橡膠圈會在發射塔上失去作用，熾熱的燃燒氣體會逸出，裝載液態燃料的燃料箱會爆炸。寶華佐利和同事再次警告不要於這麼寒冷的天氣中發射太空梭，或者，他也正如自己後來向記者說的那樣：「我拚命阻止這種情況發生。」

「挑戰號」發射升空前一天，摩頓泰爾克公司和NASA雙方的工程師及主管進行了一場匆忙的電話會議（只有通電話，那時是1986 年，還無法進行視訊），NASA 要求進行實際演練，但因為時間太過緊迫，寶華佐利只能出示手寫的數據，但他相信已經有足夠的證據可以阻止這場發射計畫。他一開始故意沒提溫度細節，只說擔心現在的氣溫並不暖和。畢竟「發現號」發射升空時，攝氏11.6 度的氣溫就已經太低了，更何況現在是冬天。「這種材料冰凍後會跟石頭一樣硬。」

在日常生活中，我們更熟悉的是讓塑料過熱的問題，例如熨燙衣服。許多衣服的材質是合成纖維，主要是聚酯（polyester）或聚醯胺（polyamide）纖維，它們柔軟、不易變形，而且速乾，所以特別適合用來製作運動服。

聚酯纖維也相對能耐高溫（熔點為攝氏235 ∼ 260 度），不過如果你穿著聚酯纖維製成的運動褲在健身房跌倒滑過地板，褲子可能會因為摩擦生熱而燒破洞。聚醯胺纖維則是一種熱敏感纖維，即使以攝氏60 度洗滌也會出問題。

但對「挑戰者號」來說，問題是低溫。「挑戰者號」發射前一天的電話會議持續了6 小時，工程師們相互爭論、提出證據，並回答問題。就寶華佐利看來，摩頓泰爾克公司的專案主管似乎被說服了，「挑戰者號」的升空計畫會叫停。

但隨後氣氛出現改變，NASA 的某位專案主管說：「你的說法讓我很震驚！」另一人緊接著說：「那我們什麼時候可以發射？明年4 月嗎？」

摩頓泰爾克公司的主管要求暫停會議，希望在沒有NASA 人員與會的狀況下，內部單獨進行5 分鐘的會談。寶華佐利回憶道：「按下電話上的靜音鍵後，公司一名主管低聲對其他人說：『現在我們必須做出管理決策』。」據寶華佐利說，主管們花了半小時編篡出一份證明可以發射太空梭的要點清單，其中最重要的論點是：工程師提出的數據沒有意義。

那是沒有工程師在場的情況下討論出來的結論。寶華佐利還記得，自己那時不知道為什麼站起來走到經理前面，把「發現者號」損壞的橡膠圈照片扔到主管桌上：「我根本是在對她大吼，喊著溫度愈低愈漏氣！」但這樣還是沒用。隨後，引用摩頓泰爾克公司副總裁的話：「放下你工程師的堅持，用管理者的角度處理事情。」

公司不想得罪NASA 這個重要客戶，NASA 也不想延後發射時間。「發現者號」的發射時間之前就已經因為天氣不好、另一個任務和技術問題延遲了幾次，大家擔心再次延期會給人不好的印象，因此NASA 欣然接受摩頓泰爾克公司的保證。當主管宣布他們的新決定時，沒人表示質疑。電話會議在幾分鐘內結束。渴望戰勝事實。

隔天，也就是1986 年1 月28 日，7 名男女登上「挑戰者號」，坐定後繫好安全帶，這天雖然陽光普照，但只有攝氏2 度，冰柱掛在發射塔的鷹架上。

太空人之一克里斯塔．麥考利芙（Christa McAuliffe）是一位老師， 她參與NASA「太空教師」（Teacher in Space）計畫的甄選，並從1.1 萬人中脫穎而出，之後將在太空中，替電視機前的觀眾上2 堂課。她是首位被NASA 送上太空的一般民眾，美國人為她激動喝采！當「挑戰者號」準備發射時，大約有17% 的美國人在觀看這場電視直播。

一開始寶華佐利是缺席的，他選擇不看這場發射。他依然可以肯定，「挑戰者號」還沒離開發射塔就會因為橡膠圈硬化而直接爆炸。但他有個很要好的同事的女兒沒看過太空梭發射升空，當他們問寶華佐利是否會在現場時，他說會。

開始倒數計時，「挑戰者號」在觀眾的歡呼中升空。寶華佐利低聲對朋友說：「我們剛剛開了一槍。」他們看著時鐘讀秒，等待著接下來的災難，但一秒接一秒過去，什麼事都沒發生。當太空梭發射一分鐘後，寶華佐利感激地說：「我

們成功了！」

又過了13 秒，事情發生了。在「挑戰者號」發射升空73 秒、升至距離地面15 公里的高空上時，寶華佐利和同事們好像看到一枚火箭助推器與太空梭分離了。他的第一個念頭是：「太早了，應該要發生在120 秒後才對。」

然後，電視螢幕上出現了一團火球。在濃煙和火光中，一枚火箭助推器直墜地面。事發第一時間，根本看不到太空梭。播報者的驚恐在錄下的影音中表露無遺，地面上的NASA 工作人員也嚇到了。控制室打來電話：「太空梭爆炸了。」

但事實並非如此，反而是寶華佐利擔心的事發生了。太空梭發射幾秒後，其中一個火箭推助器的橡膠圈失去作用，導致側面出現裂縫，熾熱的燃燒氣體就是從這個地方逸出。不過，這個裂縫一開始顯然有再次密合（可能是熱熔渣的功勞），否則「挑戰者號」根本離不開發射塔。

遺憾的是，熱熔渣未能阻止太空人的不幸，可能是在飛行時被一陣強風吹鬆了。熾熱的氣體逸出，並衝擊到火箭助推器與裝滿液態氫的外燃料箱之間的連結處，導致液態氧和液態氫溢出並立刻炸開，使這起事故看起來像爆炸。後來的調查顯示，雖然還參雜了其他因素，但這是事故主因。

太空人所在的太空艙沒有爆炸，但太空人也對其失去控制，太空艙的電源故障了，之後隨即大力撞擊海面沉入海底，直到三個月後才被找到，7 名太空人都在裡面。

事件發生後，寶華佐利過了幾週糟糕的日子。他被任命為調查小組的一員，但不認為應該揭露致災的真正原因。寶華佐利後來在他的講座上說，當美國雷根總統（Ronald Reagan）的「總統委員會」質詢摩頓泰爾克公司的工程師時，工程師們被指示要簡短地回答問題。寶華佐利選擇不遵照這個指令，他不是簡短地回答「是」或「不是」，而是向委員會提交自己手頭上的文件，包括他警告這會是一場災難的備忘錄。

要怎麼阻止太空梭爆炸？為什麼彈性體喜歡溫暖？

想像一下，你是一名站在十字路口的警察，有一輛車停下來向你問路，司機問該右轉還左轉？你知道那個地方，也知道正確的路是右轉，因為左邊有個懸崖，要是左轉車子會掉下去，司機就會沒命，所以你當然是跟司機說右轉。你甚至可能拿出手機調出地圖，告訴司機要是左轉會出事。對方看起來很生氣，還辱罵你，然後就起步左轉了，而你只能眼睜睜看著車子掉入懸崖。

羅傑．寶華佐利（Roger Boisjoly）是一名工程師，但不是警察的他卻經歷了非常類似的事件，永遠改變了他的人生。故事始於1985 年寶華...

引言 要怎麼撲滅烤鮭魚引發的火焰

CHAPTER 1【風阻】自行車道上的超人
為何我們總是逆風而行，要如何克服呢？
空氣比你感覺的還重
空氣讓我們前後腹背受敵
終於順風了！
該死的側風
☉專欄
給聰明的屁股──側風有時候來自前面！
逆風和側風要如何加起來變相對風？
現在風對我們施加哪種力量？
我現在想踩下踏板有多費力？

CHAPTER 2【溫度】在外太空烤麵包
要怎麼阻止太空梭爆炸？為什麼彈性體喜歡溫暖？
為什麼夏季輪胎會在霜中變硬？
地獄般的戰鬥
他是英雄或叛徒

CHAPTER 3【電磁波】喂？喂？你還有在聽嗎？
為何去除訊號死角這麼難？
我們的個人無線電天線桿
波的超能力
一對熱耳朵
☉專欄
給聰明人──五個5G的有趣事實

CHAPTER 4【振動】橋要垮了？真無聊！
為什麼振動可能會產生巨大的影響？
旋轉跳躍的洗衣機
唱歌的濾茶器
濾茶器的聲音出自何處？
伴隨漩渦的音樂

CHAPTER 5【重力】不要把沙發扔出窗外
為何我們躲不開重力，卻可以借助它來調出一杯好喝的雞尾酒
小孩就算跌倒也不會多嚴重
整罐巧克力醬不會掉得更快
餐桌邊的引力
達爾文獎和重力
為什麼食物會飄在國際太空站裡？
重力雞尾酒
逃離重力

CHAPTER 6【光與熱】兒童房的溫室效應
為什麼窗戶可以讓光線透進來，卻不能讓熱氣散出去，這樣會對地球造成什麼危害呢？
義大利麵醬災難
溫室地球：氣體取代玻璃

CHAPTER 7【透鏡效應】車子被摩天大樓燒掉了
為何取凸透鏡效應很危險，卻能幫助我們畫出完美眼線

CHAPTER 8【偏振光】藍天下的懶蜜蜂
偏振光帶給我們美麗的效應，只是滑雪時得小心一點
掌握偏振光
打掃地板也有助於出現偏振光
偏光濾光片讓天空更藍
書房裡的光遊戲
為什麼手機螢幕會變亮或變暗？
這裡的一切是那麼多彩
比變成懶惰的蜜蜂還要好

CHAPTER 9【電】電得唉唉叫
為什麼我們碰門把會被電到，但被閃電打到的機率卻比乳牛還要低
電擊也是有用處的
殘酷的直流電與交流電戰爭
總是還有更糟糕的，例如閃電
閃電是從哪來的？

CHAPTER 10【聲音】指甲刮黑板的聲音
我們要怎麼利用固有頻率放大手機音量？怎麼有些聲音會那麼討人厭？
我寧願跳出窗外
花瓶裡的Podcast
果凍和鉛筆
為什麼帳蓬裡的聲音會那麼大？
不要用紙板來當做揚聲器
空杯子的聲音
Podcast可行，音樂不行

CHAPTER 11【濕度】眼鏡起霧和看不清的鏡子
我們要怎麼控制空氣濕度，以便看得更清楚
什麼是讓人不舒服的空氣？
冰漠冷凍庫
適度通風
壞空氣的發明者
加熱眼鏡和其他小訣竅

CHAPTER 12【擴散作用】安息吧！手機
為什麼iPhone會因擴散作用壞掉，但同樣的作用卻會帶給我們脆口的胡蘿蔔
為什麼只有新型號的iPhone壞掉？
水進不去手機，但氦氣可以
擴散的樂趣
利用滲透作來煮食
起皺的手指和腳趾
船隻因為滲透作用而沉沒

CHAPTER 13【輻射】那光芒真美！
我們經常暴露在放射性輻射下，甚至吃遭到放射性汙染的食物， 這樣很危險嗎？
感謝宇宙射線
是危險，但是……
自製放射性
輻射對我們有什麼影響？

CHAPTER 14【空蝕現象】會開槍蝦子和沉沒的船隻
空蝕現象如何擾亂海洋並在廚房派上用場
世上聲音最大的動物
終於是世界上最快的船艦了
利用空蝕作用烹飪更方便：讓物理替你工作
移除瓶底的實驗

謝詞

引言 要怎麼撲滅烤鮭魚引發的火焰

CHAPTER 1【風阻】自行車道上的超人
為何我們總是逆風而行，要如何克服呢？
空氣比你感覺的還重
空氣讓我們前後腹背受敵
終於順風了！
該死的側風
☉專欄
給聰明的屁股──側風有時候來自前面！
逆風和側風要如何加起來變相對風？
現在風對我們施加哪種力量？
我現在想踩下踏板有多費力？

CHAPTER 2【溫度】在外太空烤麵包
要怎麼阻止太空梭爆炸？為什麼彈性體喜歡溫暖？
為什麼夏季輪胎會在霜中變硬？
地獄般的戰鬥
他是英雄或叛徒

CHAPTER 3【電磁波...