月球小知識:紅月高掛

上兩回的月球小知識,我們討論過月食和月相的成因了。今次,我們就來看看在某些神話、流言裡面惡名昭彰的「血紅月亮」的成因吧! 紅色的月亮的出現大致可以分為以下三個情況: (1) 在月食的時候,太陽光應該被地球遮住了的 (參考《月球小知識:天狗食月》的圖解),可是我們卻可以看見整個染成血紅色的月亮! (2) 在太陽還未完全下山時,向東邊地平線看去可以看到剛升起的月球。如果我們細心留意,會發現越接近地平線的月亮顏色就越偏紅; (3) 在新月前後時期 (即初一前後數天),月球面向地球的一面應該是幾乎沒有太陽光照射到的 (參考《月球小知識:月有陰晴圓缺》的圖解)。可是,在夕陽或早晨太陽光仍未太強的時候,我們也可以看見偏紅色的月球! 其實,血紅月亮的出現並非什麼神祕的現象,與什麼厄運、惡兆一點關係也沒有。其原因原來是太陽光穿過地球大氣層時發生的折射 (refraction) 及散射 (scattering)! 大家都知道,當我們看進去水中,會低估了水深 (這就是為什麼看起來很淺水的地方也會有人遇溺,切記欺山莫欺水)。這是因為光線在穿過不同介質時會發生折射 (介質:水/空氣)。同樣地,太陽光在真空傳播,來到地球上我們的眼睛之前會穿過大氣層 (介質:真空/空氣),所以也會發生折射,如下圖: 所以在 (1) 的情況下,折射後的太陽光就可以照到正在發生月食的月球上,再反射到地球上。而光線在空氣裡的另一個特性,就是會發生散射。故名思義,散射就是說光線會被空氣向四方八面散射開去。越偏藍的光線就越容易被散射,所以在上圖中,穿過大氣層後仍能夠向著月球前進的光線就只剩下紅光。當這些少量剩下的紅光再經月面反射回到地球上時,我們就會看到一個很詭異的、暗血紅色的月亮了! 在 (2) 的情況,為什麼越接近地平線的月亮看起來會越偏紅呢?其實也是同樣道理:因為越接近地平線的光線所穿過的大氣層越厚,所以散射掉的藍光也越多、月亮也就越紅了。就如下圖所示,月球在 2 的位置比 1 的位置更接近地平線,因而 1 號光線也比 2 號光線更接近地平線,所以會穿過較厚的大氣 (即是 A 的距離比 B 長): 最後,在情況 (3),我們能夠看到月亮的原因,是因為地球把太陽光反射到月面上,然後再反射回到地球。這個情況有個特別的名稱,叫做地照 (earthshine)。由於光線在反覆反射的過程中會多次穿過地球大氣 (如下圖),所以也會發生比較強的散射現象,我們看到的地照月亮也就因而變成血紅色: 不過,由於地球的反照率 (albedo) 不高,所以地照月亮看起來很暗。其實不單止地球和月球之間會發生地照,其他行星與它們的衛星也會發生所謂的行星照 (planetshine)。NASA 的行星照教育網頁就有很多漂亮的圖片和詳細解釋。 順帶一提,達文西 (Leonardo da Vinci) 原來早在 16 世紀已經解釋了地照的成因!所以,只要多點動動腦筋、思考一下各種現象背後的科學原因,就會發現其實我們身邊的事物也很科幻、很有趣的呢! *本文封面圖片來自達文西的地照手繪圖解,嗚謝 Alan Chiu。

伽瑪射線暴121024A:令科學家困惑的圓形偏振 (GRB 121024A – zirkulare Polarisation verblüfft Forscher)

作者:Prof. Jochen Greiner, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany 譯者:Hoi-Fung David Yu (余海峯), Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany 德文原文來自:http://www.mpe.mpg.de/~jcg/GROND/grb121024A_PR.html 以下皆為譯文,所有內容已經作者批准使用。(封面圖片來源:National Science Foundation) 文章內容來源: Circular polarization in the optical afterglow of GRB 121024A, Klaas Wiersema et al. 2014, Nature, 509, 7499 (「自然」雜誌第509卷7499號,2014年5月8日發行) http://dx.doi.org/10.1038/nature13237 (電子版於2014年4月30日出版) 摘要 根據目前的標準模型,伽瑪射線暴 (Gamma-Ray Burst, GRB) 源自大質量恆星在其生命終結、塌縮成黑洞時所產生的兩個方向相反的噴流 (jet)。當這些噴流撞擊周圍的星際物質時就會產生餘輝 (afterglow)。測量餘輝的偏振 (polarization)…… Continue reading 伽瑪射線暴121024A:令科學家困惑的圓形偏振 (GRB 121024A – zirkulare Polarisation verblüfft Forscher)

科研解碼:淺談伽瑪射線暴

一直有朋友問我可否寫我自己的研究題目。趁著剛寫好一篇論文,現在往布拉格開會的巴士上,就嘗試簡單的寫一寫。 我做的研究題目是伽瑪射線暴 (gamma-ray burst)。什麼是伽瑪射線暴?簡單地說,就是一種會突然放出伽瑪射線的天體,因為其爆發時間很短,一般從零點幾秒到幾百秒不等 (也有一些長達幾十分鐘的),所以叫做伽瑪射線「暴」。 宇宙中存在非常多種會在各種波段「發光」的天體。有些會放出射電電波 (即收音機頻率的非常低能量的電波),也有主要在紅外、可見光、X 光波段等較高能量發光的天體。例如我們的太陽,就是一種主要在可見光波段發光的天體,所以地球上的生物才會對可見光最敏感。我的專長是高能量天體物理學之中,再比較高能量的伽瑪射線天體物理學,專門研究能量比 X 光更高的伽瑪射線源。 天文學家在 1967 年首次探測到伽瑪射線暴 [1]。當時正值美蘇軍備競賽,美國發射了很多探測伽瑪射線的人造衛星,看看蘇聯有沒有進行核試。結果,其中一個人造衛星探測到不明的伽瑪射線爆發現象,令美國政府以為是蘇聯的核試。可是經過再三定位後,卻發現這些伽瑪射線來源方向不是蘇聯、也不是從地球上任何一個地方而來,而是從外太空而來! 其實,地球無時無刻都正受到各種極高能量的宇宙射線「攻擊」,其中有 X 光、伽瑪射線、各種高能量粒子等等。不過,由於地球有大氣層和磁場保護,這些幅射是不能到達地面的。亦因此,地球才得以孕育出生命。所以,只有在大氣層外的人造衛星,才能探測到這些來自遙遠天體的高能量幅射。 從發現第一個伽瑪射線暴源以來,天文學家已經研究了這種天文現象將近 50 年了。可是,伽瑪射線暴仍然是天文學其中一個最神祕的未解之謎。我們對於伽瑪射線暴的了解,到今時今日依然不多: 一、我們觀察到它們來源的方向是「各向同性的」 (isotropic, 即不是來自宇宙特定某個方向) [2,3,4]。 二、我們發現它們的爆發時間長度,大致可以分為兩個類別:長伽瑪射線暴 (兩秒以上) 和短伽瑪射線暴 (兩秒以下) [3]。 三、透過觀察它們的可見光「餘輝」(afterglow, 在上世紀 90 年代首次發現 [5,6] 伽瑪射線暴在放出伽瑪射線後也會放出可見光),天文學家就可以量度它們的宇宙紅移。紅移數值越高,表示該天體離地球越遠,也代表它們是在越久遠的時候爆發的,因為伽瑪射線需要更多的時間走過更長的距離才能到達地球。我們發現,伽瑪射線暴距離我們非常非常遠,從約 1 億 4 千萬光年 (紅移 = 0.01) 到 3 千 5 百億光年 (紅移 = 10) 都有,即大約爆發於 1.5 億年前到 133 億年前。…… Continue reading 科研解碼:淺談伽瑪射線暴

如何令科學家相信 UFO

這篇文章的方法不單止適用於 UFO (不明飛行物體),還適用於所有偽科學,例如:智慧設計/創造論 (intelligent design/creationism)、靈異事件、另類療法 (alternative medicine)、和所有 New Age 理論之類等等。 很簡單,真的很簡單。當我們要別人相信我們,當然要拿出證據。只要拿出有力證據,我敢說,世界上所有科學家會即時相信。 首先,很多這類聲稱的理據都是「我不知道這個現象是什麼!這是我們從未見過的,所以一定是 UFO!」真是天才,剛說完「我不知道這個現象是什麼」卻又可以得出結論「所以一定是 UFO」。知道「我不知道這個現象是什麼」的結論是什麼嗎?是沒有結論!是我們應該謹慎查證這個現象的成因,而不是立即說「我不知道,所以一定是某東西」! 第二,我們要注意,說「我真的親眼看見了!」並不算證據。為什麼?我雖然講不出什麼大道理,但我用小例子去解釋:如果我對你說我今天野生捕獲了發哥,但只是說「我真的親眼看見了!」你會信嗎?也許你會信,但大家也知道「傾計冇相冇計傾」。捕獲一個人人皆知真實存在的發哥也如此,現在你說你看見了不知道是否存在的 UFO,一張相也沒有,你話你去咗坐銀河鐵路 999 見埋千年女王食埋個 tea 再坐時光機返嚟仲趕得切睇尋晚場歐聯都得㗎啦! 支持這類聲稱的人,也會說網絡上已經很多照片,只是科學家不去理會!(被害妄想症?) 為什麼科學家不關注這些所謂「證據」?這是因為他們拍的東西都是科學家已經觀察了很很很很很久的東西!例如金星、木星、雲朵、或是大廈、山頂上供飛機導航的燈塔等等,難道我日日夜夜都看著這些東西工作,又要跟你說嗎?兄台,你知道你拍的這顆在天空中會發光、會移動的不是 UFO,是金星嗎?(不要笑,印度軍隊兩年前真的以為金星和木星是中國的間諜飛機) 朋友,你又知道你這張拍的是一朵被夕陽照亮了的雲嗎?因為在雲層的高度,太陽比在地面上看較遲下山。也曾有很多人把科學家使用的天文或氣象氣球誤認為 UFO。 Extraordinary claim demands extraordinary evidence. 就算是交通意外這種天天發生的小事,也不是憑一張模糊不清、要召喚梁議員「張相唔好再大啲」就可以了事吧! 然後他們或者會說「你如何證明這相拍的不是 UFO?」OMG, 這跟我說我是上帝,再說「你如何證明我不是上帝?」邏輯有何分別?舉證責任一定是在提出聲稱的那方。 那麼,究竟科學家要看到怎樣的證據才算數?不要把科學家的要求想像得好像離開日常生活很遠似的,其實科學家用的科學方法,都只是正常不過的要求: 一,不止少數幾人看見:如果 UFO 降落在鬧市中心,我第一個舉腳相信。如果我是外星人,飛了幾萬光年、幾經辛苦來到地球,並有能力避開地球上空所有國家的監視衛星,但卻想給人類一個信息之類什麼的,我為什麼要偷偷摸摸、很不小心的只是給這些連業餘天文知識也沒有的人看見?我一定降落在市中心,或者發一個電郵給 Stephen Hawking,然後叫不信有 UFO 的地球人幫我的太空船洗廁所! 二,可以重複的觀察:如果 UFO 因為某些原因,不想降落 (別說 UFO 需要什麼特別跑道才能降落,人類都能夠把無人探險車降落到火星上了,回去你的星球找個降落技術好一點的人再回來地球!),那至少也請 UFO 的發現者提供坐標、時間等資料給科學家去驗證吧。如果世界各地的科學家都真的可以憑這些資料剔除所有已知天體的可能性、再證明這是近地物體、然後再知道這並非政府的秘密軍事飛機,我保證這 UFO 的發現者一定名垂千古。什麼?這麼多程序很煩?歡迎來到現實世界。 就是這樣簡單。我已說過,不單止 UFO 這個議題,包括上面提到的所有偽科學,如果能夠通過「不止少數幾人看見」和「可以重複的觀察」,我 100%…… Continue reading 如何令科學家相信 UFO

好奇心和誠實:理查.費曼 (Richard P. Feynman)

費曼是我最尊敬的科學家,今天 5 月 11 號是他的生日,我一定要寫寫介紹他。可以說,如果不是看了關於費曼的書,我也不會對物理學有這麼大的興趣,可能我也不會在此寫科學。我這篇文章,一如我以往的風格,只會與大家分享費曼的一些小故事,希望感染到各位從而自己去多看看這位科學家的事蹟和貢獻。 費曼小時候就很喜歡動手做小科學實驗,例如那些電路實驗、拆收音機之類。相比起他們,其實我有一點慚愧,我本人從來沒有做過這些事情,我的科學興趣也不是從小就有的。不過,我想說的,反而是他的父母。根據費曼回憶,他的父母雖然不是什麼教授老師,但他覺得是因為他的父母的教導他才會成為一個科學家的。 有一次,費曼在家中房間中做他的電路實驗。他媽媽和朋友們在客廳中,聽到費曼做實驗傳來的聲音 (可能是爆炸?小朋友不要學……),就問費曼媽媽這樣給費曼做實驗好嗎?不怕他破壞了屋嗎?費曼媽媽的回答大概就是說,她認為這樣是值得的。 費曼回憶,在那個時候的美國,很多家庭都會在暑假期間一起去某個地點度假,而男人們就會在週中往城裡去繼續工作,只會在週末時到度假地點陪伴家人。所以,在週中的時候,很多時就只有小朋友們自己出去玩。有一次,費曼和其他小朋友們一起到林裡去,他們看到很多不同種類的鳥。費曼說,那時候小朋友們都會互相比較誰懂得的鳥類名稱最多,看看誰的爸爸教他們知識最多。 當費曼被問到鳥類的名稱時,他說他不知道。那些小朋友就會說,難道你的爸爸什麼也沒有教你嗎?可是,費曼心裡知道他自己的爸爸教他的東西,比所有這些人的爸爸教的都多。費曼說,有一次他的爸爸帶他到林中散步,看到一隻鳥。他爸爸說:「理查,你知道這鳥的名稱嗎?我可以告訴你這鳥在不同語言中的名稱,但其實除了發音外,對於那隻鳥你其實什麼也不知道。我們不如來細心看看這隻鳥類的生活習性,例如牠的身體外形、特徵、吃什麼等等。」 有一次,費曼問他爸爸,為什麼把一個球放在玩具貨車上,如果把玩具貨車往前拉,球反而會向後滾。他爸爸說:「如果你細心看,那球沒有向後滾,而是停在原處。」費曼回去再做一次,這次他伏在地上,從側面細心看著,果真看見球是停在原處,只是因為玩具貨車向前走而造成球向後滾的錯覺。他爸爸繼續說:「人們叫這個現象做『慣性』,可是沒有人明白為什麼。」費曼覺得他的爸爸雖然只是一個裁縫,但他教會了費曼真正獲得知識的方法:去觀察大自然、並承認自己知識的不足。 費曼說,他的父母對他的影響很大,使他日後有個習慣,就是從不會去記住一個理論的名字。他笑說,其實知道名字也很重要,因為那是和其他人溝通的方式。 費曼有個妹妹叫 Joan。Joan 回憶說,他們小時候,有一天晚上,費曼叫她起床,說要帶她去看一樣很特別的東西。他們走到小山坡上,她和費曼抬頭看著夜空,閃耀著美麗的極光。費曼對她說,這叫做極光,可是沒有人知道極光是怎麼形成的。Joan 就說她長大後也要做一位科學家,研究極光的祕密。 後來,費曼成名後,有一位記者問他知道極光的成因嗎?費曼回答:「我不知道極光的成因。我很有興趣去研究極光的成因,可是我不可以。因為我與我妹妹有個約定,我可以研究世界上所有現象,除了極光,要留給她。」Joan 長大後真的成為了一位天體物理學家,花了一生時間去研究她與她哥哥所珍愛的極光。 費曼很擅長用日常例子去解釋科學概念。例如,我的生日和費曼的一樣是在五月,好像很巧合似的。但其實,平均每 12 個科學家就會有 1 個的生日與費曼的一樣在五月,沒有任何神奇、特別之處。費曼有一次在講課的時候,用以下的說話簡單解釋了人的心理上的對「巧合」的錯誤的感覺: “You know, the most amazing thing happened to me tonight… I saw a car with the license plate ARW 357. Can you imagine? Of all the millions of license plates in the…… Continue reading 好奇心和誠實:理查.費曼 (Richard P. Feynman)

月球小知識:天狗食月

在上一篇關於月球的文章《月球小知識:月有陰晴圓缺》中,我們討論過月相的成因並不是因為地球的影子了。 另一個關於月球的現象「月食」的成因,才是因為月球運行到了地球後面,被地球遮擋了太陽光。現在,再問大家一條問題:月食有哪幾種呢? 月全食?正確!月偏食?也對!月環食?喔,要小心了,日食才會有「環食」現象,而月食是沒有的。不過,月食也有另一種特別的食法,叫做半影月食。 為什麼月食沒有環食,卻有半影食呢?假如地球投影在月球上的影子不夠月球本身大,就有可能出現環食。但事實上,因為地球的影子比月球大,所以不會有環食現象。下圖我嘗試不按比例地描繪出太陽光照向地球時,是如何被地球遮擋的: (注意,我沒有畫比本影小的月球。而且實際上這情況是 3D 的,即大家應該想像把下圖把地球和太陽連線,然後在腦海中旋轉 360 度。) 上圖中的「本影」就是完全沒有太陽光照射到的地方。而這個本影的大小比月球大很多,所以如果月球完全進入本影,就只會發生月全食,不會出現月環食。而寫著「半影」的地方就是地球只遮住了一部分太陽光的地方,如果月球剛好經過本影和半影之間,就會發生月偏食。如果月球完全進入半影地帶,就會發生半影月食。 下面所畫的三個情況中,在 (1) 位置的月球完全進入本影,所以就會發生月全食;在 (2) 位置的月球,部分進入本影、部分進入半影,所以就會是月偏食;在 (3) 位置的月球完全進入半影,發生的就是半影月食了)。 上面的三幅圖都是從第三身角度看月食,我再嘗試在下圖畫出在地球上會看見的情況: 還記得在《月球小知識:月有陰晴圓缺》提到,地球與月球的公轉軌道平面有大約 5 度相差嗎?就是因為這個原因,如果月球經過的軌跡不是上圖所畫的任何一種,而是完全在半影之外的話,就不會發生月食了,而我們就只會看見正常的月相。 最後,送給大家兩張我自己拍攝的月食影片,一張是這文章的封面圖片,是我在 2009 年拍攝的半影月食;另外一張則是我在 2011 年拍攝的月全食,兩張都是在香港拍攝的: 大家知道為什麼在月食的時候,我們也能夠看到整個月亮,而不是好像日食那樣真的被天狗「食」了一部分?大家知道為什麼在上面的月全食和半影月食中,月球都變成了橙紅色?其實在新月時,我們也可以看見很暗、很紅的月亮,大家又知道為什麼嗎?下一次,我們就來討論一下,紅月亮出現的原因吧!