論科學普及:愛的理論

高錕教授是我非常敬重的科學家和教育家。他2004年證實患上阿茲海默症,忘記了幾乎所有人和事,包括他那改變世界、超越諾貝爾獎級別的光纖發明。他忘了自己是個學者、是許多人尊敬的老師、是許多人愛的親人和朋友。領諾貝爾獎時他不懂如何是好,瑞典國王親自走到他面前遞上獎座。

高錕唯一記得,那執子之手五十九載的髮妻黃美芸。她愛他,他也愛她,直到生命的終點。

我見過有人說,科學普及只應介紹科學理論,不應該介紹科學家,原因是(一)這會造成盲目崇拜權威;和(二)介紹科學家生平是剽竊歷史學家的研究成果。

科學普及會否造成盲目崇拜權威?如果介紹科學家就會造成盲崇權威,那豈非整個歷史本身都不該提了?難道歷史學是造成盲崇權威的禍首嗎?這當然荒謬。造成盲崇權威的,從來並非科普內容,而在於說書人的態度。至於介紹科學家生平是剽竊歷史學家的研究成果嗎?歷史學的慣例如何我不知道,但是我知道高錕不會說介紹光纖是剽竊他的研究成果。

費曼也是諾貝爾獎得主,然而他的一生傳奇無比,我相信絕大部份包括科學家在內的人熟悉費曼生平比他的量子電動力學理論更加多。我們沒有盲目崇拜費曼,因為他以身作則,教導我們(雖然我相信費曼不會認同他在教導我們)如何謙虛看待大自然、人和事物。說書的人欣賞他這一點,以謙遜的態度分享給大眾。談何盲崇權威?

介紹牛頓、介紹伽利略、介紹愛因斯坦、介紹費曼、介紹高錕、介紹許許多多的科學家,並非因為他們是科學權威。介紹他們生平,是因為我們欣賞他們所做的某些事情,同時亦以他們所做的某些事情為鑒,才能謀求進步。

費曼曾經說過:「物理非最重要,愛才是。」科學家希望理解世界,而世界最難理解的不是物理定律,是人心。透過科學普及,也許更加多的人會思考和研究這個問題;也許有朝一日我們能夠以科學解釋費曼這個斷言。數年前,病重的高錕被問及是否很愛太太?他說:「是,她很好的。」我相信,高錕就是這個愛的理論最深刻的證據。

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悼高錕教授

光纖之父、2009年諾貝爾物理學獎得主高錕教授於2018年9月23號與世長辭。

高教授於1966年發表以光訊號作遠距離通訊的研究,為現今高速網絡奠下基礎。今天,在一個城市之中要不使用到光纖技術帶來的便利,基本上是不可能的。

高教授的科學知識與智慧改變了人類的生活。他一生顯示出的學者典範,使這消息更加令人悲痛。

高教授雖發明光纖,卻從沒想過私有光纖技術。他說過:

「香港首富、全球首富,對我來說完全沒有意義。我無後悔、也無怨言,因為如果事事以金錢為重,一定不會有今日光纖的成果。」

當然,科學進步從不依賴個別科學家。即使愛因斯坦沒有提出相對論,今天科學進展大概依舊差距不遠,只是發現時空結構的人換了另外一個名字罷了;即使高教授沒有發明光纖,亦會另有別人。

然而,科學普及中提到科學家,並非提倡權威崇拜。如果我們只看見學者的研究而忽略了他的人格,才真正是目光短淺。

高教授的光纖縱能被取代,他的學者風範定能萬世流芳。我雖未曾於中大學習,作為同樣出身自香港的學者,亦為這位中大第三任校長感到自豪。

高教授,你發明光纖,光纖最終為我們帶來你離世的消息。希望人類能夠善用光纖技術,使世界變得美好些。

謝謝你,願您安息。


圖片來自nobelprize.org

用微中子在晚間觀察太陽

大家都肯定知道只有在日間才會看到太陽,因為「看到太陽」就是「日間」的定義。在晚間,太陽落到地平線以下(或者準確一點地說,是地球自轉把我們帶到背向太陽的方向),所以我們就看不見太陽了。儘管偉大的北韓已經登陸過太陽,還是讓我寫寫如何在晚間「看」太陽吧!

充斥宇宙的鬼魅

只不過,這並不只適用於可見光的光線。基本上,所有粒子以及所有頻率的光線,從無線電、微波、紅外線、可見光、紫外線、X光到伽瑪射線,都不能穿透地球的地殼。然而,宇宙之間有一種粒子例外,能夠穿透整個地球而絲毫不受影響,那就是微中子(neutrino)了。其他粒子以及光線都不能穿透地球的原因,在於它們會與地球物質碰撞或者被物質裡的電子吸收。例如,帶電粒子和光線都會進行電磁交互作用。而微中子卻不會與任何物質進行電磁交互作用(微中子不帶電),他們只會與電子之類所謂的輕子進行弱交互作用。這種弱交互作用十分罕見,但卻是主宰放射性核衰變的力量。因此,對於微中子來說,地球根本就如同透明一樣。事實上,微中子可以穿透一塊厚度達一光年的鉛板而不會與任何粒子碰撞!

太陽亦會產生微中子,而每秒鐘都有多達600,000,000,000,000顆來自太陽的微中子穿透我們的身體!不過,並不只有太陽才會產生微中子。理論上,宇宙間非常多物理過程都會產生這種鬼魅一般的粒子,例如在能量極高的恆星爆炸之中(例如超新星爆發或伽瑪射線暴);或者來自釋放出巨大能量的星系中心的超高質量黑洞;也有來自宇宙大爆炸所產生的微中子充斥於宇宙之間,只不過因為它們的能量太低,以現在人類的科技根本不可能探測得到;另外,人類所建造的核反應堆也會產生微中子。

守「水」待「ν」

我們會問:那麼天文學家是如何觀測到微中子的?既然連整個地球也阻擋不到它們,何況區區一支望遠鏡?關鍵就在於望遠鏡有多大,以及觀察的時間長短。雖然每顆微中子都非常難以捕捉,但有這麼多微中子的話,只要把微中子望遠鏡造得非常巨大,假以時日,總會有一兩顆微中子落入陷阱裡的。天文學家於是就建造了幾個非常巨大的微中子望遠鏡,採取守株待兔的策略。或者,應該叫做守「水」待「ν」(希臘字母ν是代表微中子的物理學符號)。為什麼呢?這個比喻跟探測微中子所使用的方法有關。一般來說,天文學家需要在地底深處建造一個非常巨大的水池,用以探測與水池中的水分子碰撞的微中子。

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冰立方南極微中子天文台結構圖,整個結構都位於南極冰層以下。留意圖中右下角與艾菲爾鐵塔尺寸比較。(Credit: IceCube Science Team – Francis Halzen, Department of Physics, University of Wisconsin)

其中一個比較著名的微中子望遠鏡位於南極冰層之下,稱為冰立方南極微中子天文台(IceCube South Pole Neutrino Observatory)。如果幸運地(對微中子來說或許是不幸? )一顆微中子與冰分子碰撞,就會產生電子和渺子(即前述的輕子)。因為光在介質之中速度會減慢,這些輕子在水或者冰之中的速度就會比光更快。當物質在介質之中的速度比在介質中傳播的波動速度更快,就會產生衝擊波(最常見的例子就是船隻在水面激盪起的V字型波浪)。當粒子跑得比光更快時所產生的衝擊波就叫做切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)。整個冰立方南極微中子天文台其實就是數千個分布於範圍超過一立方公里的光電倍增管,用來探測切倫科夫輻射。所以,倚靠探測這些切倫科夫輻射,天文學家就能進行反向計算,推測出微中子來自宇宙中哪個方向了。

很久以來,天文學家都只能確認一些來自太陽以及超新星1987A的微中子。這是因為微中子碰撞事件十分罕有,通常每次只有一顆微中子被觀察得到,所以微中子源的位置的誤差就非常大。往往在誤差範圍之中有非常多可能產生微中子的天體,因此很難查明哪一個天體才是真正的源頭。最近,冰立方南極微中子天文台終於證實其中一顆微中子來自於3,700,000,000光年以外的一個活躍星系核TXS0506+056。宇宙十分巨大,相對於TXS0506+056,我們與太陽甚至超新星1987A的距離簡直微不足道。這次探測意義重大,代表了微中子天文學正漸漸發展,能夠與傳統電磁輻射天文學一同探測宇宙中極其遙遠的天體。

找太陽嗎?看看你的腳下!

說到這裏,還未解釋如何能夠在晚間觀察太陽呢。大家有沒有想過,為什麼這些微中子望遠鏡要在地底建造呢?其實並非只有微中子,來自大氣層上方的宇宙射線裏面的各種粒子亦會產生切倫科夫輻射,因此放在地底的原因就是要隔絕這些雜訊。且慢,別誤會,我們想要隔絕的雜訊並非來自頭頂上方,而是想要隔絕來自腳下地球另一邊的雜訊!如果電腦分析顯示一個信號來自南極大氣層上方,那麼不管這個訊號是否來自微中子,都一律會被當成雜訊,因為要把來自這個方向的粒子分類是極其困難的。因此,建造於南極的微中子天文台,只有來自腳下的北半球上方的訊號,才是天文學家們分析的對象,所以我們就可以利用微中子望遠鏡來於晚間觀察太陽了。

微中子望遠鏡可是比超人的透視眼厲害不知道多少倍的啊!

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冰立方南極微中子天文台地面上的資料分析站,也是天文學家的居所。地下的顏色顯示許多光電倍增管探測到一顆來自TXS0506+056的微中子所放出的切倫科夫輻射。這顆能量約為290兆電子伏特的微中子在2017年9月22號穿過地球,碰巧撞上南極冰層裡面其中一個冰分子。(Credit: IceCube South Pole Neutrino Observatory)

封面圖片:畫家筆下一顆微中子與冰分子碰撞,產生藍色的切倫科夫輻射。(Credit: IceCube South Pole Neutrino Observatory)

延伸閱讀:

IceCube South Pole Neutrino Observatory

立場報導《南極地底探測儀 錄得 37 億光年黑洞微中子訊號

玻璃中的天文物理:約瑟.馮.夫琅和費(Joseph von Fraunhofer)

宇宙間一切物質,包括天上都星辰和地球上的生命,都是由同樣的原子所構成。原子的數量非常、非常多,我們每呼吸一口氣,就有比可見宇宙裡所有恆星的數量更多的原子進入我們的身體。原子有不同種類,構成地球上一切生命的主要原子是碳、氧、氫、氮等等,而構成恆星的也差不多都是這幾種原子,只不過各種原子數量的比例跟人體不大相同而已。

牛頓使我們知道,宇宙間一切都遵守相同的物理定律。可是,同時代的人卻不知道天上的恆星是否也由同樣的物質所構成。不,在二十世紀以前,原子亦並未被證實存在。天文學剛與迷信占星分道揚鑣,利用星光研究天體的運行秩序,而物理學則剛被伽利略和牛頓等人發明,利用物理定律研究地球上的現象。那麼,天上的現象呢?

牛頓死後60年,約瑟.馮.夫琅和費在巴伐利亞慕尼黑附近的斯特勞賓(Straubing)出生。由於父母雙亡,他在11歲時就要到慕尼黑的一間玻璃工廠工作。工廠的老闆非常刻薄,更不准他上學,而他只能住在老闆家中。不幸地,或者應該說幸運地,這房子在夫琅和費14歲時的一個晚上倒塌了,夫琅和費被困於瓦礫之中。當時的巴伐利亞候選帝馬克西米利安一世(Maximilian I)帶領營教,把夫琅和費教了出來。

馬克西米利安買書給夫琅和費,並派人協助他的一切所需。馬克西米利安的介入使工廠老闆不得不讓夫琅和費上學。後來,夫琅和費成為了出色的光學物理學家,他製造的玻璃鏡片品質在當年使巴伐利亞領先全世界,已經成為巴伐利亞國王的馬克西米利安一世繼續支持夫琅和費的研究,更把他的玻璃鏡片製造技術列為國家機密。

1814年,夫琅和費把棱鏡放在望遠鏡前面觀察太陽(這是相當危險的,讀者千萬不要模仿),這就是世上第一台光譜儀。白色光線穿過棱鏡分成彩色光譜,是牛頓當年的發現。夫琅和費更進一步,他透過光譜儀觀看太陽光譜,發現裡面有很多黑色的線。換句話說,太陽光譜並不是連續的,而是有著許多「空隙」。太陽光譜中的這些黑線,被稱為夫琅和費線。

夫琅和費亦發現,在火焰發出來的光之中也可以看見黑線。他繼續研究,發現其他恆星的光譜裡亦含有黑線,但黑線的位置各不相同。因此,他認為黑線並非地球大氣的影響,而是來自恆星本身。天上的物質,原來與地球上的物質一樣。

夫琅和費是首個發現和研究恆星光譜的人。今天,研究恆星光譜並應用物理定律去解釋天體構造的學科,就是天體物理學。夫琅和費結合天文與物理,創造了天體物理學這門新學問。可是,夫琅和費並不能解釋這些黑線的成因,要一直到19世紀中期,科學家才發現黑線是原子的吸收光譜。原子中的電子會吸收特定頻率的光線,由於不同原子的電子結構都不同,所以如果各恆星中蘊含的元素有所分別,它們的吸收光譜也就彼此相異了。

夫琅和費因早年在玻璃工廠惡劣環境下工作而導致重金屬中毒,於1826年病逝,年僅39歲。如果夫琅和費沒有在玻璃工廠工作,會不會有更多發現?或許,那樣他就不會得到馬克西米利安的協助,利用玻璃鏡片發現天文和物理的關聯?

封面圖片:夫琅和費展示他的光譜儀。(Richard Wimmer “Essays in Astronomy”)

科學家的自我介紹

有時我會自問,究竟我應自稱天文學家、物理學家、天體物理學家,還是科學家呢?這困難選擇多出現於社交活動認識新朋友、互相自我介紹的時候。我漸漸發現,如果你想把對話延長一點,就要自稱科學家,因為很大機會對方會追問「做哪個科學範疇?」(這比較少見)或是「那你會修汽車引擎囉?」(我連汽車都沒有好不好)等等;如果我自稱天體物理學家,就有極高機率出現溫度急降的情況,絕對是話題終結之選。而如我選天文學家或物理學家,出現以上情況的機率就五五滲半。

其實天文是人類最早的科學。很久很久以前,即是人類還未有WiFi、住在洞穴裡的時候,呆望星空就是少數幾種睡前娛樂。比較有好奇心的人(即是比較閑的人)就會想「到底這些光點是什麼?」「為什麼不會掉下來?」再引伸(只有真的非常閑的人才會想)「為什麼地上的東西都向下掉?」天空就是人類認識宇宙的唯一途徑,而人類漸漸發現天體運動有跡可尋。掌握天象運行規律的人可以掌握農作物收成時間等有利資訊,因而掌握更多利益和權力。天文學就是在這種對「掌握未來資訊」的慾望之中發展出來的。排除占星等人為想像之外,天文學是最早作出具實用性的預言的科學。只不過,當時的天文學家只知道某天象「會」發生,而不知「為何」發生。就像費曼說「古巴比倫人能準確計算日食何時出現,卻沒去問它為什麼出現」。

現代科學之父伽利略用望遠鏡觀測星空,而且嘗試解釋他的觀察。他進行有系統的科學實驗,嘗試驗證各種理論,例如物體下跌速率與質量無關。克卜勒發現了行星的運行定律。牛頓則把伽利略的實驗結果和克卜勒的觀測數據(實際上是克卜勒利用第谷的數據計算出的結論)結合昇華,他發現掌管地上的和天上的物理定律都一樣,發現萬有引力以平方反比遞減就能解釋所有地上物體運動以及天體運行的軌跡。哈雷更能夠利用牛頓重力定律預測彗星重臨時間及方位。人類從此開始利用實驗去有系統地找出各種自然定律,不用只是望天打掛,也能發現宇宙的真理。

天體物理學則是把這個過程再次重複:把以實驗驗證了的天上的數據,再應用在其他天體現象之上。最近發現的重力波可說是其中表表者,我們應用廣義相對論於重力波訊號之上,就能夠得知發出重力波的究竟是黑洞還是中子星、它們的結合軌道和質量等等。因此,天體物理學在某程度上都算是應用科學,只不過應用結果與地球上的生活都無關就是了。這樣想來,或許下次我也可以嘗試自我介紹說是「天體工程師」?

封面圖片:Phd Comics – Academia: ruining parties since ancient times

科學家的惡夢

我有時會突然記起昨晚夢中的情境,可能腦袋正在清理這些沒有用的垃圾記憶時剛巧被我發現了。

昨晚我在其中一個夢裡夢到我正在寫一篇研究論文。這篇研究論文是真正存在的,是我正在寫的幾篇論文的其中一篇,而且我是第一作者,因此我要負起論文正確性的最大責任。然而,我的另一個合作者⋯⋯我只能說,她並沒有發現自己的專長不在科研。我在夢中看見她把一些寫得很糟糕的段落放進我的論文之中,害我怕得要拼命的修改。我也不知道為什麼我在夢中感到如此害怕,總之我在夢中就是怕得要命。然後突然我就開始了另一個夢了。

論文可說是科學家的CV或résumé。論文一旦被期刊刊登,就是「我做過這件事」的一個不能抹煞的證據。而且,科學家的發現並沒有知識產權,任何人也可以試著自己動手重複一遍去檢驗。費曼說過:「大自然是不能被欺騙的」就是這個意思。因此,作為一個(誠實的?)科學家最恐怖的惡夢,就是自己的論文中有錯誤,而這個錯誤的成因是自己不夠嚴謹所致,並非因為資訊不足而做成的。

理論上,絕大多數被後來的人修正過、改良過的科學研究都是「錯誤的」,例如牛頓力學,但我們不會說這是牛頓的錯,因為他在當年已盡力把所有當時已知的資訊考慮進去了。所以,科學論文中的錯誤,如果是源於資訊不足,那是正常的,這並不羞恥,反而正正象徵了科學是個自我修正的過程,是科學精神的彰顯。可是,如果問題源於自己不夠嚴謹而有所錯漏,就難辭其咎了。

這個惡夢或許反映出我作為科學家,擔心自己不夠嚴謹,或可能是我近來太投入做研究和寫論文(余博講物理直播和科普文章也減少了,抱歉)。這也只是一篇逸事,不過由於惡夢的內容也很有趣,所以想把它記下罷了。

哈雷的終極科學武器

你有看過哈雷彗星嗎?我還未有機會一睹這著名彗星的風采。哈雷彗星上一次到訪內太陽系是在1986年,我出生之前一年。哈雷彗星每76年就會經過內太陽系,下一次在地球上看到它的機會將會在2061年中。

科學家找到能夠解釋自然現象的定律。利用這些定律,人類除了能理解宇宙如何運作,更可以創造出新的事物,推進我們的文明。當我們需要解決問題時,科學往往是最有效的辦法。究竟是什麼因素把科學和盲目猜想區分開來?畢竟,能夠描述現象的並不只有科學,而且創造新事物亦非科學的專利。

艾蒙.哈雷(Edmund Halley)使用牛頓新發現的萬有引力定律計算出許多彗星的軌道。他於1705年發現一顆曾於1682年出現的彗星與出現於1607年及1531年的是同一顆,週期為76年。因此,哈雷在歷史上首次使用科學的終極武器:預言。

哈雷預言這顆彗星將於1758年重臨。哈雷作出的並不是一般在報章上讀到的占星運勢、模棱兩可的偽科學瞎猜預言。他給出了精確的彗星重臨日期、時間、方位以及彗星的軌跡,任何人都可以在1758年觀察並實實在在、客觀地利用數字精準驗證哈雷的預言。果然,哈雷彗星在1758年12月25日被天文學家於哈雷預言的方位發現,只可惜哈雷早已在1742年與世長辭。

一個好的科學理論,應該不單能夠描述已知的自然現象,更可以用來預測從未被觀察過的現象,指導科學家進行實驗或者觀察。這就是科學可靠的原因。