星空

天上的星星,自人類演化以來,一直縈繞人類心中。夜空之中,一閃一閃發光的星星,伴隨人類入眠,彷彿每晚都在安慰世上萬物的心靈。

世界各地神話故事,無一不與天上的繁星有關。看看現代地球各國國旗,不難發現許多都與天上的物體有關:星星、太陽、月亮、甚至地球本身。

天文,是人類其中一個最古老的學問。從古代流傳下來的神話、到人類文明發展必不可少的預測季節更迭、到現代前沿科學發展、甚至是各種科幻想像,天文觀測、天象知識都佔有極其重要的位置。

天文學在現代科學中,也可算是一特殊領域。科學理論強調可證偽而非可證實,而證明方法就是做實驗。可是天文學並沒實驗可做,因為天文學家的實驗室在天上、在星空中、甚至在幾百億光年外的黑洞旁。我們沒有真實的實驗可做,只可以在電腦中進行模擬,輸入已知的物理定律,在電腦裡創造出一個現實世界的近似。

科學理論必須通過大自然的考驗,科學家做實驗觀察自然、搜集證據,數據經過分析並與理論比較。天文學的數據來自觀察天空,可以說是守株待兔。人類的肉眼看得不夠遠、不夠暗,望遠鏡就成為了天文學的唯一實驗儀器。望遠鏡之於天文學,就像粒子加速器之於粒子物理學。

人類的肉眼看得見的光譜,或稱電磁波譜,其實非常有限。不過,在十七世紀以前,全世界幾千年的天文觀測,其實都是全靠肉眼。

伽利略 (Galileo Galilei) 之前的科學家,用肉眼觀察天象,已經可以發現很多關於宇宙的祕密。例如,地球是個球體,可以由月食時月球上的影子看出。當然,這要假設月食成因是地球遮住了太陽光。也發現有一些會動的、比起其他星體光很多的天體,叫做行星。由於地球和行星的公轉速率不同,在地球上看行星會逆行。比較一年四季同一時刻的天空變化,人類發現歲差,即是地球原來會好像陀螺一樣,自轉軸會慢慢轉動。還有計算出地球大小、月球大小,利用視差法,進一步連行星的距離也能計算出來。[1]

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[我與朋友使用香港大學物理系 16 吋反射望遠鏡所拍的木星,右邊的兩個小光點是木星的兩顆衛星 Europa 和 Io。]

望遠鏡不是伽利略發明的。伽利略得到望遠鏡後,最早的用途是在軍事上,先看到敵軍的就有優勢了。天文學、物理學、以至所有現代科學,都可說來自伽利略把望遠鏡指向夜空的那一刻。他透過望遠鏡,發現了月球上的山脈、太陽上的黑子、木星旁的衛星、土星像耳朵一樣的模糊的土星環等等,把天上的世界都納入人類科學研究可及的範圍。人類所認知的宇宙,突然大了好幾十、幾百倍不止。

伽利略不滿足於得到其他人的望遠鏡,更自己打磨鏡片,製造出便宜的型號使望遠鏡能夠慢慢普及於世。現代的「伽利略望遠鏡」就是非常便宜而且效率高的型號,主要用在科學教育普及工作中。伽利略也發現,無論他如何改良望遠鏡,除了水、金、火、木、土星稱為行星的天體外,其他所有星星看起來永遠都只是一個光點。因此,伽利略得出恆星離開地球的距離遠遠超過行星的距離這一結論,證明太陽系只佔宇宙非常小的範圍。這一結論可謂現代宇宙學的開端。

伽利略的朋友克卜勒 (Johannes Kepler) 利用千多年的天文觀測數據,證明地球和行星環繞太陽公轉的同時,也發現這些行星軌道並非正圓形,而是橢圓形的。伽利略離世的那年,牛頓 (Isaac Newton) 出世。牛頓結合他發現的力學定律和萬有引力定律,推導出克卜勒的行星運動定律,證明地球上的物理與天上的物理都是一樣的。他更發明了反射式望遠鏡、發現了白光是由彩虹色混合而成、發明微積分等等。突然在一個世紀內,科學發展速度以指數上升,人類終於走出西方中世紀黑暗時代。

然後的幾百年間,由於微積分的發明,使人類科技飛躍進步。不過天文學研究直到十九世紀,依然處於不斷建造更大更強的光學望遠鏡的循環當中,有待突破。

赫歇爾 (William Hershel) 發現了土星和天王星的衛星、編製了著名的赫歇爾星雲表、發現物理雙星系統、描繪出銀河系的形態、發現太陽系也會環繞銀河系公轉等等,是近代天文學的巨擘。他在 1800 年發現了紅外光,從此觀測天文學不再限於可見光光學。他在觀測太陽溫度時,發現溫度計在紅光以外的波段仍不斷升溫,得出比紅光波長更長的紅外線存在這一結論。紅外線天文學在這一刻誕生了。幾年前剛完成任務的其中一個紅外線太空望遠鏡,就以赫歇爾的名字命名。

赫茲 (Heinrich Hertz) 在十九世紀末證明電磁波的存在,把物理學和天文學再次結合起來。[2] 馬克士威 (James Maxwell) 的電磁學方程式推導出電磁波以光速行走、愛因斯坦 (Albert Einstein) 以光量子假說解釋光電效應和發現相對論等等 [3,4],把物理學和天文學帶入了前所未有的境地。突然,傳統物理學對世界的認知被量子力學和相對論革新了,證明光和電磁波的關係也代表人類可利用的天文觀測波譜在幾十年間大幅增加了幾十個數量級。

1932 年,央斯基 (Karl Jansky) 觀測到來自銀河系中心的無線電電波,無線電天文學於焉誕生。彭齊亞斯 (Arno Penzias) 和威爾遜 (Robert Wilson) 在 1964 年發現了著名的宇宙微波背景幅射,是宇宙大爆炸理論的重要證據。今天,央斯基的名字成為了無線電天文學的通量密度 (flux density) 基本單位,彭齊亞斯與威爾遜也在 1978 年得到了少有頒給天文學研究的諾貝爾獎。

另一方面,在 1895 年,倫琴 (Wilhelm Röntgen) 發現了比紫外線波長更短的幅射,我們稱為倫琴射線,亦即 X 光。比 X 光波長更短的伽瑪射線,亦即我的研究專業,也於上世紀中期開始發展。今天在地球上,天文學家建造了觀測不同波長的巨型天文望遠鏡、在宇宙中亦有非常多繞地或繞日運行的太空望遠鏡,它們的觀測波段覆蓋整個電磁波譜。

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現代人類的眼睛,通過望遠鏡,看到了前人未所見、甚至未能想像的影像、得知超越一切人類想像力的、狂野的宇宙物理定律,這些都全靠理性與科學的力量。

然而,只靠光線,亦即電磁波,天文學家和宇宙學家也遇到了觀測上的樽頸。例如在宇宙誕生的頭 38 萬年 (即宇宙微波背景幅射的來源),由於當時宇宙溫度仍然很高,電子和原子核還未結合成原子,光線被散射,所以我們不可能用電磁波看到比 38 萬歲更年輕的宇宙。另一方面,光線經過高質量天體時會被扭曲 [5],而且銀河系中的塵埃也會把光線散射。

物理學又再一次幫助天文學。在粒子物理學的幫助下,我們已經建造出能夠探測並定位微中子天文源的微中子望遠鏡。由於微中子幾乎不會與其他物質互動,所以觀測微中子就有望能夠探測遙遠的銀河系內部而不被其質量或塵埃所影響。[6] 另外,雖然天文學家和物理學家仍然未直接探測到重力波的存在,但是一旦科技進步到能夠證實並發展重力波天文學,我們就能夠看穿宇宙微波背景幅射,直接觀察宇宙早期、甚至是宇宙誕生的那一刻。

仰望星空,使我們感受到人類的渺小。但我同時亦驚訝,透過理性和科學,人類竟然能夠了解這個浩瀚的宇宙。正如卡爾.薩根 (Carl Sagan) 所說:「宇宙亦在我們體內,我們都是星塵。我們就是宇宙認識它自己的途徑。」

對我來說,星空不但是了解我們與大自然之間的聯繫,也拉近了人與人之間的關係。我永遠不會忘記,與她一起看星空的那種感覺。我們,都活在同一星空下。

七夕快樂。

延伸閱讀:

[1]《古希臘的科學 (四) 最美麗的實驗》- 余海峯

[2]《光的祕密》- 余海峯

[3]《你也能懂相對論》- 余海峯

[4]《淺談相對論 [一]:狹義相對論 (Layman Introduction to Relativity I : Special Relativity)》- COSMO – 一名80後物理學博士生的blog

[5]《光之系列三:你,只係宇宙微不足道嘅一粒塵!》- 議事之峰

[6]《微中子夢遊仙境》- 余海峯

封片圖片:M16, Eagle Nebula, Pillars of Creation

來源:NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/J. Hester, P. Scowen (Arizona State U.)

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

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