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.)

新視野號探索冥王星

小時候,我們學習太陽系有九大行星,最裡面的是水星,地球排第三,最外面的是冥王星。在 2006 年,國際天文聯會在一人一票、沒有篩選的過程下,表決把冥王星從行星的地位移除,列入新定義的天體「矮行星」之一。

一直以來,我們對冥王星所知不多,只知道它很小,半徑只有大約 1,160 公里 (少於地球的 20%)、質量只有地球的 0.2%,需要大概 247 年才環繞太陽運行一圈。由於離開太陽很遠,它的平均表面溫度只有約攝氐零下 230 度。

縱使如此,其實冥王星並不孤單,因為其已知的衛星已有 5 個之多。不過,到今天為止,仍未有人造探測器到訪過冥王星。然而,NASA 的新視野號 (New Horizons) 將在一個月內抵達這顆曾經的行星,人類即將開始首次的近距離冥王星探索。

新視野號在 2006 年升空,利用地日系統的重力助推效應 (gravity assist) 以破紀錄的秒速 12.26 公里 (即用 1 秒多就能橫越香港島) 飛向外太陽系。新視野號探訪過小行星 132524 APL 和木星後,在 2007 年利用木星重力加速向冥王星的軌道前進。經過 9 年的太空飛行,新視野號預計會在 7 月 14 號經過最接近冥王星、離其表面約 12,470 公里高的位置。

為了抵達這個預定的位置,NASA 在本月 12 和 13 號發送了指令給新視野號,令其在 14 號進行了一次 45 秒長的軌跡調整。傳送回地球的資料顯示新視野號一切機能皆正常,控制中心現正分析其軌跡數據,可能會再次發送指令調整軌跡。

因為新視野號現在的位置離地球 47 億 4 千 7 百萬公里,連光線也要 4 個半小時才能到達,所以指示新視野號的指令必須經過精密計算、預早傳送,才能確保新視野號能在準確的時刻執行指令。 這個距離,如果用現時民航飛機的速率,大概要飛 167 年。

從地球發射探測器到這麼遠的距離,飛了差不多一個年代,最終能夠如期與這麼細小的冥王星相會,證明了科學為何如此重要:因為 it simply works!這個準確度,好比射十二碼時把龍門的大小縮至僅僅比足球的直徑闊 10 個氫原子左右。

新視野號配備「紅外線成像光譜儀」Ralph,能夠測量冥王星的顏色、溫度、成份;「紫外線成像光譜儀」Alice 能夠分析冥王星的成份和結構、並會嘗試找尋其衛星 Charon 的大氣;「射電科學實驗儀」REX 會分析冥王星大氣的成份和溫度;「長程偵察成像儀」LORRI 是一個望遠鏡式相機,在接近冥王星途中拍攝照片,有助分析新視野號的軌跡,也能夠提供高解像度的冥王星地質數據;「冥王星附近太陽風探測器」SWAP 會分析太陽風對冥王星的影響;「冥王星高能粒子光譜科學調查儀」PEPSSI 會測量逃離冥王星大氣的離子的成份和密度;而最特別的、由學生製造及操作的「學生塵埃計」 SDS 負責測量由地球到冥王星旅程中附在新視野號身上的宇宙塵埃量,有助了解太陽系的塵埃分佈。

新視野號除了是人類太空探索的一個里程碑外,也是太陽系行星科學的一個重要儀器。它所提供的數據不但有助天文學家了解太陽系外圍天體,也將是研究太陽系如何形成和演化的重要資料。

探索遙遠的太空,卻能夠解開關係地球起源的祕密。誰說科學不狂野、不浪漫?

延伸資料:

NASA 的新視野號主頁:http://www.nasa.gov/mission_pages/newhorizons/main/index.html

NASA 的新視野號紀錄片 (長達 58 分鐘,正啊喂):

*封片圖片來源:NASA

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) 能夠得知噴流的磁場特性和幾何結構。理論模型預測它們是低線性 (low linear) 和沒有圓形偏振 (circular polarization) 的。

這裡介紹的甚大望遠鏡 (ESO智利) 的測量結果顯示了首個有圓形偏振的伽瑪射線暴餘輝。利用馬克斯.普朗克地外物理研究所 (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, MPE) 的GROND儀器的光度測量,排除其他解釋後發現伽瑪射線暴噴流必定產生圓形偏振。這導致令人震驚的推論:餘輝所產生的電子分佈必須是非常各向異性的 (very anisotropic)、或噴流是空心的並包裹在螺旋磁場之內,兩者都與標準模型的一般假設相左。因此我們需要新的模型來解釋伽瑪射線暴餘輝。

重要發現

一個國際研究小組利用一個很少使用的觀測模式的數據得到了關於伽瑪射線暴性質一些新的、意想不到的結論。

這些結果發表於今天的「自然」雜誌 (Nature) 上,當中包括餘輝的輻射機制和最新的理論模型。

這是首次於伽瑪射線暴餘輝中發現所謂的圓形偏振 (見文章末延伸閱讀)。這些測量結果來自歐洲南方天文台 (ESO) 在智利的8.2米VLT 望遠鏡的FORS2儀器。馬克斯.普朗克協會的拉西拉2.2米望遠鏡 (ESO智利) 的GROND所同時測量的結果亦與此一解釋非常吻合。

文章合作作者Jochen Greiner說:「沒有任何伽瑪射線暴餘輝的理論能夠預測圓形偏振。這次測量到明顯的圓形偏振意味著我們對電子在衝擊波裡的加速和噴流的結構與磁場的認識必須大幅修改。」

甚麼是伽瑪射線暴?

伽瑪射線暴是宇宙中最強大的爆炸。通常在人造衛星上的科學實驗每天會偵測到一次這類以秒鐘計的伽瑪射線閃光。傳統認為這些閃光來自遙遠星系的大質量恆星 (約30至50倍太陽質量) 在其生命終結、塌縮變成黑洞的時候。它們塌縮時會產兩束方向相反的噴流並與周圍的星際物質碰撞──即所謂的餘輝碰撞──在一定程度上會於爆炸地點產生餘輝。餘輝在包括可見光內的所有波長上會持續好幾天。電子在衝擊波中會被加速至極高能量,這些電子會以接近光速飛行,在衝擊波的磁場內以同步輻射 (synchrotron radiation) 的方式產生餘輝。

加速過程的細節仍然是個謎。等效的實驗無法在地球上進行,也很難用電腦模擬去研究。因此,研究人員試圖測量來自餘輝的輻射的所有性質──關於偏振的研究亦越來越多。

我們有很多種電子加速和餘輝輻射機制的理論。所有這些模型都預測線性偏振而非圓形偏振。

「我們的合作是世界首個意識到這個困難測量的重要性、並系統地等待著特別合適的 (擁有明亮餘輝的) 伽瑪射線暴的研究,以盡可能低的極限去測量。」這項研究的主要作者、英國萊斯特大學的荷蘭天文學家Klaas Wiersema說。出乎意料之外,我們都測量到比預期更強的圓形偏振。

GROND的觀測結果支持這個理論

在解釋偏振數據之前,特別是在區分不同理論模型的時候,我們需要知道噴流的結構以及伽瑪射線暴周圍環境的資訊,這些訊息都會隨著輻射而來。當中兩個參數尤其重要:

一、在什麼時候能夠看到來自整個噴流的輻射?這可以從噴流物質的膨脹速度與噴流的延展角度的比值來確定。這個時間點的一個經典特徵是伽瑪射線暴的光變曲線的彎曲程度 (圖四),我們可以參考GROND進行的、直到伽瑪射線暴爆發後3.7×104秒之連續幾個晚上的觀測。

二、有多少塵埃位於我們和伽瑪射線暴的視線之間?這種測量通常很困難,但GROND就是為此而設的:以七個波段同時觀察餘輝就可以測量塵埃量並準確至百分之幾。塵埃會在光譜能量分佈 (spectral energy distribution) 中產生獨特的構造,塵埃量越多構造就越明顯 (見圖五)。

「縱使GROND已經運作七年,它獲得的數據仍是獨一無二的,可以為這些偏振性質提供決定性的解釋。如果沒有這些額外信息,這項工作是不可能完成的,因為我們有成打不同的解釋。」GROND的發明和建造者、加興 (Garching) MPE的Jochen Greiner說。

觀測結果何以解釋?

圓形偏振可有多種成因,包括法拉第轉換 (Faraday conversion,即塵埃散射導致線性偏振變成圓形偏振)、或一直線上的塵埃粒子的多重散射。但所有這些其他解釋都需要比GROND所測定的多很多的塵埃量去解釋圓形偏振,因此都被排除了。其他產生圓形偏振的理論則暗示所有線性偏振都源自散射──從而亦被排除了,因為第一晚與第二晚所觀察到的偏振角度之間相差了九十度。因此,我們可以排除圓形偏振源自伽瑪射線暴噴流以外地點、即圓形偏振只會在伽瑪射線從發射源到地球之間產生的此一解釋。因此相反地,觀測到的圓形偏振一定源自伽瑪射線暴噴流本身。

圓形偏振的這種性質導致一個非常有趣的結論:既然不能在一個電子-正電子電漿中產生圓形偏振,伽瑪射線暴噴流之中必定存在質子-電子電漿。這是非常有趣的結論,因為最近的IceCube實驗並未觀察到來自伽瑪射線暴的中微子 (neutrino),所以對伽瑪射線暴噴流中存在中微子的懷疑已經漸漸變得強烈。

「在GRB 121024A中發現圓形偏振是新的希望,IceCube實驗在未來仍然可能觀察到期待已久的中微子。」Jochen Greiner說。

GRB 121024A的可見光餘輝的圓形偏振的起源是一個令人興奮的謎題。星際介質衝擊波內的偏振應該與混沌運動的電子的洛倫茲因子 (Lorentz factor) 成反比──假設相對於噴流膨脹方向的電子分佈是各向同性的 (isotropic)。因此,觀察到的強圓形偏振代表極小的電子洛倫茲因子,這與餘輝的標準模型完全不一致。這個結論獨立於磁場的影響範圍 (圖六),因為隨機分佈的磁場對線性和圓形偏振的影響應該相等。

由GROND的數據和對線性與圓形偏振的同時測量,根據目前所知只能有兩種可能的解釋:

一、電子的角擴散是各向異性的。這也與標準模型的通常假設相違背,但這已經因為伽瑪射線暴的其他未解性質而被提出過,卻從未發現任何觀測證據。

二、噴流是非同質的 (not homogeneous),但是空心的並包裹在螺旋磁場之內 (圖七),形狀像一個開瓶器,直徑越轉越闊。過去已經有人提出過中空噴流的可能性,但一直未有任何證據支持。

就目前所知,只有這兩個可能性能夠解釋觀測到的圓形偏振。每種情況都有其無可避免的推論,所以我們必須系統地檢驗各式各樣的觀測結果。因為這個測量,新一輪伽瑪射線暴餘輝標準模型的迭代經已展開,我們可以預期越來越豐富的變化。

「這一發現再次證明了小型望遠鏡對解釋來自大型望遠鏡如VLT, ESO的數據的重要性。」此研究的合作作者兼GROND團隊的成員、圖林根國家天文台 (Landessternwarte Thüringen) 的Sylvio Klose說。

圖片

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圖一:線性偏振在餘輝時間內 (約兩天) 的變化。上圖以百份比顯示偏振光的比例,下圖則顯示偏振角度。

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圖二:在GRB 121024A中測量到的圓形偏振 (左圖) 與 GRB 091018的沒有圓形偏振的結果 (右圖) 作比較。圓形偏振以所謂的Stokes V/I參數的百份比顯示。

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圖三:不同的伽瑪射線暴之中測量到的線性與圓形偏振。一些類星體 (quasar) 也在圖中以作比較。很高興見到GRB 121024A以其相對較高的圓形偏振度脫穎而出。

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圖四:七個不同波段的GRB 121024A餘輝的可見光/近紅外線 (來自GROND,中間圖) 和X光 (來自Swift人造衛星,上圖) 的光變曲線。可以見到在伽瑪射線暴加速後時間t = 10小時 (tbreak) 的時候亮度開始下降,這是平行噴流的明顯證據。

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圖五:爆發後三小時的GRB 121024A餘輝,由可見光/近紅外線 (來自GROND,藍色點) 到X光 (來自Swift人造衛星,紅色點) 的光譜能量分佈。GROND數據 (藍色點) 偏離直線的微小偏差代表塵埃的存在,因此由塵埃引起的偏振也被包含於圖中。虛線分別顯示塵埃消光模型 (dust extinction model,左邊) 以及氣體吸收模型 (gas absorption model,右邊)。

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圖六:伽瑪射線暴噴流的素描 (只顯示了兩支噴流之一),噴錐內完全充滿物質 (圖左)。圖中間和圖右顯示從右邊看會看到的噴流內部,其中的磁場結構有兩個可能性:或者磁場是有序的 (圖中間),或者它是混沌的 (圖右)。但在每種情況下,我們僅看到少量來自不同時刻的變化中的細小噴流結構 (黃色圓圈),而非噴流的巨觀結構 (紫色圓圈)。

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圖七:一個中空的伽瑪射線暴噴流的素描,以及一個包圍在外的螺旋磁場 (紅色和綠色線)。

附加資料

什麼是偏振光?

線性偏振光: 

除了時下越來越廣泛應用在電視技術之中,在業餘和專業攝影界偏振濾光片的好處早已眾所周知,而且來自例如水或玻璃的、令人困擾的反射也被成功地壓抑了。線性偏振濾光片具有特殊的光學玻璃或金屬箔,其方向對應於濾光片的晶體結構。其產物就是線性偏振光,即是僅在同一個方向振動的光波。

圓形偏振光:

圓形偏振光可以被想象為沿著非固定方向振動的光波,其振動平面沿波的傳播方向螺旋形地轉動,並且振幅恆等。

在我們星球上發生的例子:

在我們的天然環境中,當光波被非常小的顆粒以特定角度反射或散射時就會產生線性偏振光。例如藍色天空就是線性偏振光的結果。圓形偏振光是不常見的自然性質。不過它仍可能出現在以適當角度經過多重反射的光。此外,某些有機材料也能發射圓形偏振光。然而,圓形偏振光經常用於3D電影來創造有關於景深的幻覺:透過特殊的眼鏡能使每隻眼睛看到不同的畫面。

什麼是GROND?

GROND代表「伽瑪射線暴可見光近紅外線探測器」(Gamma-Ray Burst Optical Near-Infrared Detector)。這是一個與圖林根國家天文台 (Thüringer Landessternwarte Tautenburg) 合作、在馬克斯.普朗克地外物理研究所 (MPE) 製造的儀器。GROND使用光分器把光分開成七個波段,因此這是世上首個能同時拍攝從可見光到近紅外線、約400至2300納米波長的天文相機。您可以想像GROND為一個同時拍攝彩虹七色的相機。

在其技術規範之內 (視野、控制軟件、遙距操控),GROND被特別設計成專門用於追踪伽瑪射線暴變化的儀器。GROND一直追踪那些自2004年底NASA的Swift人造衛星在伽瑪射線頻譜就已經探測到的伽瑪射線暴餘輝。GROND會以可見光/近紅外線追踪那些Swift人造衛星在軌道上探測到的伽瑪射線暴餘輝。同時觀測七個波段的光變曲線就可以闡明當中物理過程的細節。

自2007年夏天以來GROND就一直在智利安第斯山脈的馬克斯.普朗克協會2.2米望遠鏡運作,至今其仍然高度可靠地運作著。GROND每年觀測大約五十到一百個伽瑪射線暴。GROND團隊至今仍在分析許多夜間觀測結果,而且會以電子通告方式公告於天文科學界。無論在星期日或公眾假期GROND都未曾停頓,並已成為世界上生產最多數據、最快速的伽瑪射線暴後續觀察儀器。

友情鏈接/網誌/網上新聞稿

(見原文網頁)

聯絡人

Jochen Greiner

馬克斯.普朗克地外物理研究所

81379加興

電話:089-30000-3847

電郵:jcg@mpe.mpg.de

Karla Varela

馬克斯.普朗克地外物理研究所

81379加興

電話:089-30000-3359

電郵:kvarela@mpe.mpg.de

Sylvio Klose

圖林根國家天文台

07778陶滕堡

電話:036427-863-53

電郵:klose@tls-tautenburg.de

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。

[有物理底的讀者會發現,上面所講的距離與時間並不遵守簡單的公式「距離 = 光速 x 時間」。這是因為宇宙膨脹,在計算距離和時間時需要用到廣義相對論的宇宙模型去修改]

我們的宇宙只有 135 億歲。如果把 135 億年濃縮到 100 年的話,透過研究伽瑪射線暴就可以知道宇宙只有 3 歲時的模樣,比其他所有觀察到的天體都要早、都要遠!

四、這是我的研究重點,就是伽瑪射線暴的伽瑪射線光譜特徵。我們發現差不多所有伽瑪射線暴的光譜,在幾百個 keV (千電子伏特,高能天體物理一個常用的能量單位) 有個峰值,如下圖所示:

fig1

(我忘記了加標籤:縱軸是 \nu F_\nu (energy / area / time),橫軸是能量或頻率。Both in log scale and arbitrary units. 下一幅圖都一樣。)

可是直到今天,天文學家仍未有定論:究竟是什麼過程製造出這個光譜的?換句話說,我們仍然未知道,究竟伽瑪射線暴是什麼東西?其中的物理過程是什麼?

天文學家希望用物理學當中基本的幅射過程去解釋觀察到的現象。例如我們的太陽發射的可見光,就是所謂的黑體幅射 (blackbody radiation)。在物理學中,黑體幅射是「熱的」(thermal),意思即是該物體的幅射表面處於熱平衡狀態;再簡單一點說,就是太陽的表面溫度是均衡的。

有熱的幅射過程,當然也會有一些「非熱的」(non-thermal) 幅射過程。例如一顆光子可以被帶電粒子 (例如電子) 散射,這叫做康普頓幅射 (Compton radiation);一顆電子也可以在磁場之中旋轉,並以幅射的方式流失能量,我們叫做同步幅射 (synchrotron radiation);也可以是正反物質互相碰撞湮滅時把質量全部變成能量釋放出去 (即 E = mc^2)。

在 20 紀 80 年代,一些天文學家提出了所謂的「火球」模型 [7,8,9,10,11,12,13] (“fireball” model)。由於伽瑪射線暴的時間很短,而且同一個源只會爆發一次,所以天文界普遍認為它們是高密度、高質量恆星死亡爆炸變成黑洞引起的。當恆星爆炸變成了黑洞後,強大的引力就會將爆炸時拋出去的物質吸回來。這些物質會環繞黑洞旋轉,以極高速和極高溫落入黑洞。而根據角動量守恆定律,在這個旋轉的物質盤的兩極就會形成兩道方向相反的噴流,把一部分物質 (包含電子和各種粒子) 以非常接近光速發射出去。這些一團團被噴射出去的物質,就是所謂的「火球」了。

可以想像,每個火球的速度都不同。當速度較快的火球撞上前面速度比較慢的火球時,就會在物質團裡產生衝擊波。其中一個主流解釋伽瑪射線暴光譜的理論就是說,衝撃波會使火球中的電子加速,這些得到能量的電子在火球的磁場中旋轉,把這些動能轉變成同步幅射。換句話說,主流解釋是伽瑪射線暴的光譜是同步幅射產生的。

我的上一篇論文中 [14],主要探討這種同步幅射的可行性。我們發現,同步幅射的確可以解釋一些伽瑪射線暴的光譜,可是需要在一些特別條件下才可以:(1) 有時候需要一個額外的黑體幅射;(2) 有時候需要一個衰變的磁場 (這是合理的猜測);(3) 某些來自完全不同物理過程的物理參數需要經過精密微調。

其實在千禧年左右,很多人 [15,16,17,18] 已經發現,無論是同步幅射還是黑體幅射,都不能簡單地描述伽瑪射線暴的光譜,因為同步幅射的光譜太闊、黑體幅射的卻又太窄,如下圖:

fig2

在我即將發表的論文中,我們證明絕大部分的伽瑪射線暴光譜都不能夠以同步幅射解釋。換句話說,即使在火球之中同步幅射是存在的,它不會是唯一一種幅射過程。我們發現,在這情況下,同步幅射大約佔光譜峰值能量的 30% 至 70%。

除了同步幅射和簡單的黑體幅射,也有很多人嘗試用其他幅射過程去解釋伽瑪射線暴的光譜,例如用相對論性幾何原理修改過的黑體幅射、反康普頓散射、強子碰撞幅射等等。可是這些理論涉及的數學都比較複雜,現階段只能以電腦模擬的結果去與觀測結果間接比較。

我在我的科普文章中不斷強調,科學是一門「找錯誤」的專業。透過找出錯誤,我們才得以改進知識,這也是人類文明進步的主因。我的研究題目是一個好例子,經過幾十年的研究,本來以為同步幅射能夠解釋伽瑪射線暴光譜,但新的天文望遠鏡的觀測結果卻不斷推翻科學家長久以來的解釋。

可是,這並不等於我們一無所知。相反地,我們知道了如何更加謹慎地去解釋大自然的各種現象、如何去發問更精確的問題、如果去得到更精確的解答。我見過有些人,他們認為科學是自大和驕傲的。相反地,在科學之中,我看到的是客觀和謙虛。因為在科學中,我們必須承認無知的價值。勇於面對無知、勇於發問,才是增長知識和智慧的方法。

延伸閱讀:

無知的價值》- 余海峯

論人、論學問》- 余海峯

引用文獻:

[1] Klebesadel, R. W., Strong, I. B., & Olson, R. A. 1973, ApJ, 182, L85

[2] Briggs, M. S., Paciesas, W. S., Pendleton, G. N., et al. 1996, ApJ, 459, 40

[3] Hakkila, J., Meegan, C. A., Pendleton, G. N., et al. 1994, ApJ, 422, 659

[4] Tegmark, M., Hartmann, D. H., Briggs, M. S., & Meegan, C. A. 1996, ApJ, 468, 214

[5] Metzger, M. R., Djorgovski, S. G., Kulkarni, S. R., et al. 1997, Nature, 387, 878

[6] Waxman, E. 1997, ApJ, 489, L33

[7] Goodman, J. 1986, ApJ, 308, L47

[8] Meszaros, P., Laguna, P., & Rees, M. J. 1993, ApJ, 415, 181

[9] Meszaros, P. & Rees, M. J. 1993, ApJ, 418, L59

[10] Rees, M. J. & Meszaros, P. 1992, MNRAS, 258, 41P

[11] Rees, M. J. & Meszaros, P. 1994, ApJ, 430, L93

[12] Tavani, M. 1996, ApJ, 466, 768

[13] Piran, T. 1999, Phys. Rep., 314, 575

[14] Yu, H.-F., Greiner, J., van Eerten, H., et al. 2015, A&A, 573, A81

[15] Katz, J. I. 1994, ApJ, 432, L107

[16] Preece, R. D., Briggs, M. S., Mallozzi, R. S., et al. 1998, ApJ, 506, L23

[17] Preece, R. D., Briggs, M. S., Giblin, T. W., et al. 2002, ApJ, 581, 1248

[18] Tavani, M. 1995, Ap&SS, 231, 181

封面圖片來源:NASA

恆星的死亡筆記

每當我們仰望天際,除了高樓大廈和比 IFC 更高的樓價外 (例如把 1000 萬港幣全部換成 10 蚊銀,疊起來有 7 座 IFC 那麼高),我們看到天空。 天空中、雲層外,人類只古以來,每天都會看到一個發光的球體。這個球體每天環繞地球轉一個圈,照亮我們的大地,為地球上所有的生命提供能量。

這個發光的球體,就是太陽。

自我們在森林中生活的祖先以來,這個太陽日復一復、年復一年,從未間斷地照耀著。我們很自然會好奇:「太陽是否永恆不變?」

太陽是一顆星。星的英文 star,中文正式名稱叫「恆星」。用上永恆的恆,因為恆星的壽命與人類或其他所有動植物比起來,就如永恆一樣的長。可是,就連宇宙的壽命也不是無限永恆的,恆星也有其壽終正寢的一天。

我們的太陽現在大約有 50 億歲,天文學家估計它仍可繼續發光另一個 50 億年。為什麼太陽的壽命可以有 100 億年那麼長呢?而其他恆星的壽命又會否不同?

nasa-pleiades-star-cluster在晴朗的夜空,我們可以看到很多星星。這些星星其實就是別的太陽。如果我們細心看,可以觀察到不同的星星有不同的顏色。我們的太陽當然是橙色的了,而有一些星星是藍色的,另外一些看上去則比太陽更偏紅。

為什麼恆星會有不同的顏色?顏色與溫度有直接關係:藍光的能量比紅光高,所以如果大家有入過廚房,就會發現越熱的火越偏藍色。同樣,恆星的顏色也代表了他們的表面溫度 (注意只是「表面」的溫度,因為我們只能看到恆星的表面發出來的光)。所以當我們看到一顆藍色的星星,就可以知道這是一顆比太陽溫度高的恆星;相反,當我們看到一顆比太陽更偏紅的星星,就知道它比太陽溫度低了。

說到這裡,究竟我們的太陽有多熱?其實太陽的表面溫度並沒有你想像的那麼熱,只有約 6000 度。在恆星的家族之中,太陽是一顆中等偏低質量的恆星。而一些藍色的星星,其表面溫度可達幾萬度,這些恆星的質量比太陽的高很多 (大約 10 – 100 倍),天文學家叫它們做「巨星」或「超巨星」。而比太陽輕的恆星,就是那些偏紅的星星,表面溫度只有大約幾千度,質量可低至約 0.08 倍太陽質量,天文學家叫它們做「矮星」。

但究竟溫度與恆星的壽命有什麼關係啊?天文學家又是如何知道恆星的壽命有多長?地球的壽命比太陽短 (這是當然的,因為太陽比地球早形成),生存在地球上的我們當然不可能有足夠長的壽命去觀察太陽的一生。天文學家不能與星星鬥長命,但我們發現到一個事實:原來恆星在其一生的不同時間,外觀都是不同的,就像人類會經歷生老病死一般。所以,計算恆星的壽命、恆星如何演化等等,就有如做人口普查!

試想像:我們是外星人,坐飛船來到地球。我們看到一種叫「人類」的動物,牠們有很多不同「形態」:有些看上去很壯碩、有些滿頭白髮、有些體型細小、有些卻很高大。我們如何知道牠們究竟是如一個物種在其生命週期的不同階段,還是根本是不同的物種呢?

如果我們把地球上不同地方的「人類」做統計,例如把每 100 萬人分開來,看看他們的身高、外觀等等參數的分布。地球上有大約 70 億人,所以我們可以做 700 次這樣的統計。結果我們會發現,這 700 次裡面的大部分,都包含著上述不同的「形態」,而且不同「形態」之間的比例有不同地方會有差別。這就告訴了我們一個非常明顯的事實:極有可能「人類」是同一個物種,而不同「形態」之間的不同比例代表了該區域的人口老化程度!

其實,天文學家就好像這些外星統計學者。天文學家就是透過觀察不同恆星的集合,看看他們的光度和溫度之間的關係。事實上,很多恆星都不像我們的太陽這麼孤單,很多恆星都是屬於雙星、三星、甚至多星系統之中。一個介乎幾個至幾十萬個恆星的多星系統,我們叫叫「星團」。很多很多個星團聚集在一起,就形成了宇宙間一個一個星系了。

650137main_pia15416b-43_full如果我們觀察這些星團、星系,數數看他們每一個裡面的恆星成員,看看它們的光度和溫度,就會發現不同的星團、星系會有不同的比例,就好像人口普查的結果。所以,天文學家就知道恆星會演化了。

當我們知道恆星會演化,下一步就是要知道它們如何演化。天體物理學家使用我們已知的物理定律,建構出各種不同的恆星模型。在愛因斯坦的時代,人類還不清楚究竟太陽是如何發光的,他們不明白為何太陽能夠持續並非常穩定地釋放出這麼巨大的能量!

那時候,物理學家還未知道有核能這種能源。有一些科學家說太陽的能量來自化學能、另一些則說太陽能源是因為向太陽落下的隕石所釋放出來的重力勢能…… 可是全部這些能量都不足以維持 50 億年:只需要簡單地計算一下,莫說是地球生命起源的大概 40 億年前了,單靠化學能、重力勢能,太陽就連發光幾千年也成問題!

最後,當然是由於人類終於發現了核能,同時結合量子力學和愛因斯坦的 E = mc^2,科學界才對恆星的能量來源有了定案:恆星之所以能夠持續釋放出這麼巨大的能量,是因為恆星上的原子核結合在一起的過程會釋出非常多的能量 (叫做核聚變反應),這些能量變成光、熱,形成一種向外的壓力,與恆星本身的重力抵消,所以恆星可以穩定地照耀億萬年之久。

情況就好像一個熱氣球。一個熱氣球就是依靠裡面的熱能使氣體膨脹,形成向外的壓力,與氣球向內的張力抵消,使之能夠保持球狀。這不是甚麼神奇的物理理論,只是小學也會學到的熱脹冷縮!

利用一些很簡單的假設,天體物理學家能夠計算出在特定的條件下,一顆恆星會如何演化。換句話說,即是我們能夠把恆星的一生案件重組,而無須親眼看見它們經歷誕生、演化、死亡!

我們發現,恆星可以根據它們的質量來區分。為方便我們的討論,略去一些細節,恆星大概可簡單分為:

  1. 極低質量恆星
  2. 低質量恆星
  3. 高質量恆星

極低質量恆星

極低質量恆星介乎 10 至 80 倍木星質量之間,即大約只有 3 千至 2 萬 4 千個地球那麼重。它們不會像我們的太陽放出這麼耀眼的光芒,而只是放出非常暗淡的紅外光,緩慢地變成棕矮星,在寒冷、黑暗無邊的宇宙中孤寂地用盡燃料。

這種星星的一生,相對低質量和高質量恆星而言,可說是毫無趣味。不過,它們的壽命非常非常非常長,可以比宇宙的年齡更長!所以,天文學家認為現在的宇宙中根本還未有任何極低質量恆星變成了棕矮星。

我們的直覺會以為,越重的恆星,等於它的核燃料越多,理應壽命越長。可是,這就好像一輛重型貨櫃車,雖然它的油箱比小型私家車大很多,但是因為它消耗燃料的速率快很多,所以更快耗盡燃料。恆星也是一樣,因為核聚變的速率以指數上升,所以只要是稍重一點點的恆星,其壽命已經比稍輕一點點的恆星短非常之多!

所以這些極低質量恆星的壽命長得這樣不可思議,就是因為它們中心的核聚變反應速率非常之低。亦因為如此,它們都是很小、很冷的恆星,其核心溫度只有不足 30 萬度,只能夠把少量的氫變成氦。

低質量恆星

PIA03149低質量恆星介乎 0.8 至 8 倍太陽質量,即大約有 26 萬至 260 萬個地球那麼重。我們的太陽就是其中一員。這類低質量恆星的壽命大概為 100 億年左右。當它們接近生命終點時,會開不斷膨脹、脈動,把自己的外殼一層又一層的拋向黑暗的太空深處,最後變成白矮星,被豔麗的「行星狀星雲」包裹著而慢慢地死去。

由於低質量恆星不夠重,其中心溫度只有大約 100 萬度,進行的只有所謂的質子-質子連鎖反應和碳氮氧循環連鎖反應。它們把氫變成氦的之餘,也能夠合成碳、氮、氧等等比較重的元素。

以我們的太陽為例。太陽現正處於一種天文學家稱為「主序星」的狀態,可以理解為恆星的壯年期。主序星能夠穩定地釋放能量,其大小、光度、溫度等等參數都非常穩定。質子-質子連鎖反應和碳循環連鎖反應所產生的向外的壓力,與其自身重力互相平衡,核心每秒鐘大約把 6 千億公斤的氫變成氦,即相當於大概每秒鐘輸出 9 萬 2 千億黃色炸藥爆炸時的能量!

幾十億年後,當太陽核心的氫 (即質子) 耗盡以後,核心裡的核反應就會停止。由於核心停止產生能量,變成所謂的量子簡併狀態,溫度大約為 1 億度。在量子簡併狀態下的物質,就由壓力比較低的簡併壓力 (degenerate pressure) 代替理想氣體壓力 (ideal gas pressure),所以就會收縮。這個狀態叫做後主序星。

由於核心收縮了,恆星的外殼也會收縮。可是,這樣一來反而令本來沒有核反應的中間殼層也能夠開始核反應。結果就是由於恆星內部收縮,令到核心溫度不跌反升,昇高了的溫度令核反應加速,加速的核反應又令溫度越升越高…… 這樣的一個循環,最終溫度會上昇到能夠令中心的氦簡併核心突然變回理想氣體狀態,發生「氦閃」,即是氦會以非常猛烈的方式進行核聚變反應!這個核反應叫做三氦核連鎖反應,比質子-質子連鎖反應和碳氮氧循環連鎖反應的效率高非常非常之多。

[質子-質子連鎖反應效率正比於溫度的 4 次方、碳氮氧循環連鎖反應效率正比於溫度的 16 次方、三氦核連鎖反應效率正比於溫度的 40 次方!]

由於核心和外層殼層輸出能量的速率不同,所以到了這個階段的恆星就會開始不斷膨脹、收縮、膨脹、收縮,天文學家稱之為 AGB 恆星。AGB 恆星的這種脈動,會把其自身的殼層一層一層好像洋蔥般向外太空拋出,大約每年可以拋走 10 萬分之一個太陽質量。恆星從主序星到 AGB 恆星的過程中會不斷變大,最後變成了 AGB 恆星的太陽會變得比地球軌道更大,所以無論到時地球上還有沒有生命存在也好 (例如因為太陽變得太大太熱,使地球離開了所謂的「適居帶」,可以參考我的另一篇科普文章《從外星生命淺談天文》),地球也必定「玩完」了。

最後,當連氦也燒完了,太陽就會變成一顆與地球差不多大小的、處於簡併狀態的星體,叫做白矮星。而其外圍,就會被先前所拋出的殼層形成的「行星狀星雲」(注意行星狀星雲的命名只是歷史原因,與行星一點關係也沒有) 包圍,失去光芒。

高質量恆星

高質量恆星的死亡方式非常華麗。它們的壽命雖然只有幾百萬至幾千萬年,但它們會變成所謂的「超新星」,以超新星爆炸的形式結束其短暫的一生 (沒錯,對於天文學家而言,幾千萬年是非常「短暫」的時間……)。

Screen Shot 2015-04-17 at 14.33.59高質量恆星泛指質量比太陽重約 10 倍或以上的恆星。它們由於太重、核心溫度太高,所以在燒完氫時不會發生氦閃,而會順利地燃燒氦。這個過程能夠一直進行下去,由氫的核反應開始,慢慢點燃氦、碳、氖、氧、矽…… 等等的重元素的核反應,直到鐵。最終就會變成一個洋蔥一樣的恆星,最外面殼層進行氫的核反應、最裡面的核心則是鐵的簡併狀態。

因為鐵是所有元素之中最穩定的,所以無論恆星如何重、核心溫度如何高,也不可能合成比鐵更加重的元素。因為要是想把鐵核強行熔合起來,就不會放出能量,反而需要從外部注入能量。所以大家可能會問:「那麼地球上、我們身體裡的一切比鐵更重的元素,究竟是從哪裡來的?」

答案就是超新星爆炸!一顆高質量恆星死亡的時候,其收縮速率非常非常之快,快到接近光速,所以在內部不同殼層之間的物質就會非常猛烈地碰撞,產生非常強烈的衝擊波,把整個恆星炸得粉碎!這個過程就是所謂的超新星爆炸了。超新星爆炸的時候,會產生極其巨大的能量,一個超新星爆炸所釋放出的能量,比一整個星系裡幾百億顆恆星放出的能量更多!

由於這麼恐怖的巨量能量,先前所合成的一切元素就會被光子打得粉碎,全部打回原形變成氫 (即質子),天文學家叫這過程做光分解。光分解完結後,這些質子的能量依然非常非常的高,以致在極短的時間內又會重新合成氦、碳、氖、氧、矽、鐵,和其他一些比鐵更重的元素。新星爆炸後,在超新星的殘骸中,可能會留下一顆中子星或者一個黑洞。而超新星爆炸所拋出的物質,就會成為下一代恆星與行星的物質。所以,天文學家卡爾.薩根 (Carl Sagan, 1934 – 1996) 的名句:「我們都是星塵」並不是比喻,而是事實。

我們都是星的兒女。我們不單止與其他人緊密連繫、與地球上所有動植物擁有共同祖先,我們與天上的星星、整個宇宙,都是密不可分的。卡爾.薩根說過:「我們是宇宙認識自己的過程。」

“We are a way for the cosmos to know itself.”

誰說科學不浪漫?

最後,希望與大家分享這一段卡爾.薩根在《宇宙:個人遊記》(Cosmos: A Personal Voyage) 裡的片段。

上面提到的各個專有名詞,例如行星狀星雲、白矮星、中子星、黑洞等等,我都未有這這篇文章裡詳細解釋,留待以後慢慢跟各位讀者討論。寫完恆星的死亡筆記,下一次我們就來討論恆星是如何誕生的吧!

* 本文封面圖片為指環星雲 (Ring Nebula),是低質量恆星死亡後遺留下來的行星狀星雲,中間的白色光點就是已經死亡的恆星變成的白矮星。Image Credit: NASA, ESA

從外星生命淺談天文

講到行星科學、生命演化的時候,常會聽到這一句話:「地球是生命的搖籃。」很多年來,天文學家都努力尋找類似地球的行星,希望找到外星生命的證據。

我們可以用什麼方法找尋外星生命呢?

Pioneer10-plaque_tilt最直接的方法,當然是飛過去看看吧。人類的人造衛星已經探訪過包括冥王星在內的所有太陽系裡的行星了,其中旅行者一號和二號更在飛出太陽系的旅程中。不過,就算是不需帶備供人類使用的維持生命的物資和裝置,這些無人探測器也得花上好幾年的時間才能飛越太陽系的行星軌道,更不用說去探訪外太陽系的行星了。

在這些探索當中,最為人熟悉的應該是火星無人探索車好奇號吧。好奇號上配備了多個科學儀器,用以探測火星的土壤裡有沒有生命。而最簡單的方法,就是看看泥土之中有沒有某些由生命製造出來的有機化合物。不過至今結果都是:還未發現火星上有生命存在。

不過,有些科學家覺得,我們可能一直問錯問題。為什麼呢?首先,為什麼我們認為生命必然會製造出好奇號的儀器找尋的那幾種化合物?當然,這是經過科學家嚴謹考慮過的,因為好奇號能夠帶上火星的儀器有限,不可能把所有可能的化合物都一一尋找。而且,人類的數據當中,只有一個星球上的生命形態可以作為參考:地球。所以,好奇號的結果,其實並非「火星沒有生命存在」,而是「火星沒有會產生某幾種類化合物的生命存在」。

已經有越來越多人估計,外星生命的形態很有可能與我們地球上熟悉的形態非常不同。當然,其實我們對地球上的生命形態也不是很熟悉的:平均每天都有新品種被發現,其中大部分都是一些我們會稱之為「奇形怪狀」的深海生物。

就算是地球上的生命形式,牠們所使用的生存方法也可以非常不同、非常極端。例如人類,我們吸取氧氣,吃富含營養的食物,透過呼吸作用把食物中的能量抽取出來,以糖的形式儲存在身體之中。而我們熟悉的植物其實已經是使用非常不同的形式來提取能量:它們能夠以光合作用,直接把陽光從光能變成化學能,吸取二氧化碳來把養份變成澱粉 (讀 DSE 生物學的同學,以上的東西你應該要比我更清楚!)。而另外一些更極端的微生物,連海底火山口的高溫也能抵抗,牠們能以火山口的高熱作為能源。

地球上的生命形式雖然非常豐富、千奇百怪、應有盡有,但地球上所有生命都是用同一種方法繁殖:遺傳因子 DNA。至現時,從未發現一種生物的細胞內沒有 DNA。所以,你也可以說,地球上的生命形式其實也很單調。可是,人類連自己的行星上的生命都並不是那樣熟悉,我們對外星生命的推測也應該不會準確到哪裡去吧。

不過事實上又是不是這樣呢?

這樣就要靠另一個尋外星生命的方法,就是用強大的天文望遠鏡去找尋其他環繞太陽系的行星。我們稱這些行星為外太陽系行星。

首先你會問:「如何看得到外太陽系行星?」問得好,其實以現時的科技,我們是直接「看」不到這些行星的。最接近我們的太陽系的一個恆星系統 (即另一個太陽系) 叫做半人馬座 α,距離地球大約 4.2 光年。

光年是距離的單位,意思是光在 1 年內能夠到達的距離。光在 1 秒鐘內已經可以環繞地球跑 7 個半圈 (大約 30 萬公里)、1 秒鐘可以從地球到達月球、大陽光在 8 分鐘內可以到達地球 (所以我們看見的太陽其實是 8 分鐘前的太陽!)、在 4 小時內到達海王星的軌道 (所以如果你坐太空船飛出去,與地球上的人通訊時的延誤會越來越大,這可不是因為 lag 機,而是因為通訊電波也只能以光速傳播)。

hubble_in_orbit1光已經這樣快了,可仍然要跑 4.2 年才能到達最接近的另一個太陽系!事實上,半人馬座 α 並非只有一顆星,而是三顆!只是因為 4.2 光年的距離太遠,看上來三顆星就重疊在一起,要用高倍率的天文望遠鏡才能夠把它們分辨開來。可想而知,要看恆星已經這樣難了,何況不會發光的行星?而且,天文學家仍然未能夠「看」到恆星,用現時最強的哈勃太空望遠鏡看半人馬座 α,也只能看到三個光點,不能夠像看我們的太陽一樣,看到一個球體。

所以我們其實是「看」不到這些外太陽系行星的。天文學家其實是利用幾種不同的方法,間接的「看」這些行星。簡單來說,可以想像:為什麼看不到這些行星?當然是因為它們的恆星太光了,而行星只能靠反射恆星的光作為光源,所以被其恆星的光芒淹蓋。所以首先我們會看恆星來推斷有沒有行星系統存在。比起恆星,行星的質量雖小,但它們的引力也會對恆星造成一些非常細微的影響。天文學家如果看到恆星軌道有週期性的擾動,就知道一定是有一些「看不見」的行星在附近了。所以至少可以得知該行星的公轉週期之類的資訊。

然後,就是如果好運,行星公轉的軌道平面剛好在與地球的視線上,那麼當行星繞到恆星前面時,一部分的光就會被行星遮住了。所以除了公轉週期,天文學家也可以計算出該行星的大小和質量等資訊。

除此以外,試想像:如果該行星有大氣層,當行星剛好繞到恆星前面,行星的邊緣剛剛接觸恆星的邊緣時,恆星的光就會穿過行星的大氣層才飛到地球。當光線穿過大氣層時,就會與大氣層裡的份子互動,會被散射、吸收等等。與未有穿過大氣層的光比較,就可以知道大氣層的化學成份及其比例了!原理就是中學化學學到的光譜學,天文學家從這些光的光譜中的發射線和吸收線辨認出各式各樣的化學份子。

天文學家對外星生命的遺傳因子、提取能量的方法等等,老老實實,都只能「靠估」。不過,當我們知道一個星球的參數,例如大小、質量、化學成份 (好運才有……)、公轉週期等等,其實已經可以作出很多合理的推測了。

根據開普勒行星運動定律,知道行星公轉週期加上恆星的質量 (可以由其他方法計算出來,我會在以後其他文章中講解) 就等於知道行星的軌道資訊比如半徑和離心率等。如果你給天文學家這些數據,還是可以對該行星會否有生命、生命生存的形式之類,有個大概的合理推測。

首先,就是行星是否位於所謂的「適居帶」。當然, 適居與否也只是人類以我們的主觀經驗去推斷,不過應該都是一個很合理的猜測:就是看看行星距離恆星是否剛剛好可以令水以液態存在。為什麼要液態水呢?水是一種頗為穩定的化學物質,它可以在生物體內擔當溶劑、潤滑、恆溫等等的作用。當然,就像前面提到,外星生命不一定使用液態水去做上述的功能 (而且也可能不需要這些功能),但以存在液態水的前提去尋找外星生命,能夠提供一定保證。所以,適居帶的大小和行星軌道就很重要了:離恆星太近,水就會蒸發掉;太遠,水就會結成冰。

其次,就是行星的軌道離心率。離心率越接近 0 (例如地球),其軌道就越接近正圓形 (正圓形是剛好等於 0)。圓形軌道有什麼好處?就是行星與恆星的距離穩定,一旦在適居帶內就不會離開,所以在一年內不會太熱也不會太冷。這樣對生命的持續演化很有幫助。試想像,如果一個行星在其公轉一週時,有時候與恆星距離很近、有時候則很遠 (即是高離心率),行星上的生命也會對如此極端的氣候感到無所適從吧。

然後,就是行星的大小與質量。行星太小,其重力就會很弱,無法留住厚實的大氣層。大氣層是非常重要的,因為不管外星生命需要大氣裡的什麼成份來生存也好,沒有大氣層就不能抵擋恆星風吹來的高速粒子和高能量幅射。地球擁有頗厚的大氣和磁場,幫助地上的生命阻擋了絕大部分這些危害生命的太陽風和宇宙射線,例如紫外線和帶電粒子等。要是沒有大氣層 (和其中非常重要的臭氧層) 和磁場照顧你們,地球上的生命,早完蛋了。

但是,太重的行星也不行。因為太重的行星,其核心就不會像地球的那麼活躍,所以磁場就會很弱;而且重力太強也會令大氣層變得太厚,陽光無法穿透,地上和海裡的生命就難以吸收能源。當然,牠們也可以從其他途徑取得能量,例如地熱。所以,科學家會推測,在這些大型行星上,如果有生命存在,很可能是在地底深處。

我們還有很多合理的想像空間。該行星如果太大,變成好像我們太陽系裡的木星、土星等的氣態行星,就可能沒有陸地,更不用說海洋了。不過,如果其表面重力、溫度等等條件適中的話,就有可能產生出微生物、甚至好像水母般的生命,牠們浮在半空之中,在其雲層之間尋找食物。有可能嗎?為何不可?也有可能由於行星比地球重,雖然有陸地,但其重力比地球強,所以上面的生命都比較笨重,因為需要較強的體質去支撐身體重量?當然,「笨重」都只是地球科學家的主觀感覺而已。

近年有研究指出,比地球大少許的行星,如果其環繞的恆星比我們的太陽暗一點點,可能更有利於生命的存續和演化。他們認為,一來這樣的恆星比我們的太陽壽命長很多 (是的,越輕越暗的恆星反而更長壽,這一點我會在以後的文章討論),生命就有更多時間慢慢演化。我們的太陽現在約 50 億歲了,天文學家計算它應該仍有足夠核燃料,繼續發光另一個 50 億年。而一顆比太陽輕少許的恆星,壽命更可達幾百億年之久!

二來,由於這樣的行星比地球大少許,其上面就可能不會像地球一樣,形成一個巨大的海洋。更可能的是,上面會是一整個大陸,在陸地上會有很多巨型的湖、河川、溪谷等等的地形。一些生物學家已經指出,這樣的地形更有利於生物多樣化。而生物多樣化的其中一個優點,就是很多生物之間互相依賴更多,食物鏈也就更穩定,較少機會出現像地球上的「一種生物滅絕引起的滅絕連鎖反應」。換句話說,即是該行星上的生物系統不會像地球的那麼脆弱。而種種這些優點,就更有利智慧生命的發展了。

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長久以來,很多人都希望找到外星生命。可能,我們在宇宙之中雖小如微塵,但我們的心靈卻嚮往無垠的宇宙,渴望找到其他文明,一起分擔我們的孤單。

說到這裡,天文學家其實早已計算過,在宇宙中有可能存在多少外星文明。這是一條非常簡單的公式,叫做德雷克公式 (Drake equation)。簡單地說,就是計算行星會發展出生命的機率、生命能夠順利演化的機率、能夠成功演化出智慧生命的機率等等,再把這些機率乘以宇宙之中的行星數量,就是智慧文明的數量了。當然,沒有人知道上述每一個數字的真正數值。不同的人,使用不同的方法去估計這些數字,代入公式後得出的數目都有所不同。但,就算你用非常非常保守的數字去計算,也不難得出「我們並不孤單」的結論。

上面的片段,是我非常尊敬的天文學家卡爾.薩根 (Carl Sagan, 1934 – 1996),在他的電視紀錄片《宇宙:個人遊記》(Cosmos: A Personal Voyage) 之中,關於人類尋找外星生命的一段說話。內容理性、又不失感情,我很喜歡,所以與各位分享。

我還有非常多的天文學可以和讀者分享。下一次,我們就來嘗試看看,一顆恆星的一生究竟是如何演化、而太陽的演化又是如何影響著地球上的生命。

延伸閱讀:

科普:行星.生命.演化

分道揚鑣的天文學和占星術數

在香港,每當提起「天文」,有時會有人把天文學跟占星術數混淆。

香港流行所謂風水算命、外國也流行星座占卜,其所謂理論之中亦包含一點點統計成分,有些更會所謂的「冷讀術」看起來就像讀心術一樣,其實是捉摸受訪者心理的一種心理技巧。夜空中的星斗,真的會影響我們的一生嗎?

事實上,許多文明的神話故事都來自對於星空的幻想:天上的星星聚在一起,組成各種不同的圖案,加上人類豐富的想像力,古人們虛構出一個個浪漫的神話故事。而我們在香港,經常接觸到「紫微斗數」、「時辰八字」等字眼,其由來始於古代華夏文化的天文學。現代天文學變成一門嚴謹的科學,就和占星術數分道揚鑣了。

人類是好奇的動物。數百萬年前,人類的靈長類先祖在原野樹林間露宿。漫漫長夜,當他們仰望天際,發現無數會閃爍的光點,心中可有問道:「夜裡,我們睡在林間。沒甚麼好做,只有看著星空,看著這些無數在日間看不見的小光點,我們叫它們做星星。星星究竟是甚麼?」

當然,那時候未還有文字,語言亦仍未發展出來,他們不太可能表達出複雜、抽象的概念。但是想必在他們當中,會有一些曾不自覺地、潛意識地問及類似問題。自有史記載以來,人類一直渴望了解斗轉星移的原因和意義,天文學可謂現代科學的起源,星空可能是人類最早探索的地方。另一方面,我們不單只對大自然感到好奇,我們也對自己感到好奇:我們希望了解自己生命的過去、現在、未來。畢竟這比星星更貼近日常生活。而我們唯一不確定的就是未來,因此我們對預知自己的「命運」有很大的渴求。

很多時間,人類對自然和自身的好奇心反映在各種文明的神話裡。面對經驗不能解釋的自然現象時,我們傾向以一些比我們能力更高的「存在」去解釋,這些超越人類能力的存在一般被稱為神、神仙或精靈等等。我們傾向以這些「存在」對世界的干預來解釋各種憑人類經驗未能解釋的現象,人類可以說是害怕無知的動物:我們不知道閃電是甚麼,就說這是神的憤怒;我們不知道滂沱大雨從何而來,就說這是神的哀傷;為甚麼會有火山爆發、大地震、洪水等災難?這是神對人類的懲罰。

我們當中有些人認為這些「存在」是神祕的、無常的、莫測的,是人類所不能了解的。可是,當中也有些人希望得知住這些「存在」的計劃。神的計劃當然寫在天上。因此我們就開始觀察星星、月亮、太陽、行星等天體的運行規律。而天體的運行規律並不簡單。所以人類很早就開始記載天體軌跡。當累積了一定程度的數據後,人類開始嘗試以各式各樣的模型和理論去解釋宇宙如何運行。

我們的祖先們發現了太陽的週日運動造成了日與夜;月亮盈虧週期與女性生理週期相近;潮汐也與月亮的運行有關;太陽的週年運行跟四季更迭、作物收成等關係密切。這一切使人類感覺大自然與自身有著深刻的關聯。我們希望與天體相連結,這使我們感覺不孤單。因此,人類漸漸認為天上的星星也與地球上的生死有關,我們把自己放了在宇宙的中心。我們認為宇宙是為人類而存在的,認為斗轉星移是人類活動的反映。這是何等驕傲、又何等自卑的想法!

天文學家卡爾.薩根 (Carl Sagan) 在他著名的科普 Cosmos 中,曾就占星術數對人類文明的影響有過這樣的討論:

“We today recognize the antiquity of astrology in words disaster, which is Greek for ‘bad star,’ influenza, Italian for (astral) ‘influence’; mazeltov, Hebrew — and, ultimately, Babylonian — for ‘good constellation,’ or the Yiddish word shlamazel, applied to someone plagues by relentless ill-fortune, which again traces to the Babylonian astronomical lexicon. According to Pliny, there were Romans considered sideratio, ‘planet-struck.’ Planets were widely thought to be a direct cause of death. Or consider consider: it means ‘with the planets,’ evidently a prerequisite for serious reflection.”

可見在西方、中東等地的文明對天體的崇拜是普遍的。在中國亦有不少例子,如「天子」就是一例。「替天行道」、「日月可鑒」等成語都顯示中國人相信天體與天空存在明辨是非的智慧。然而,卡爾.薩根用雙生子來說明占星術數的不合理:

“Astrology can be tested by the lives of twins. There are many cases in which one twin is killed in childhood, in a riding accident, say, or struck by lightning, while the other lives to a prosperous old age. Each was born in precisely the same place and within minute of the other. Exactly the same planets were rising at their births. If astrology were valid, how could two such twins have such profoundly different fates?”

我聽過有些人會用相對論裡的雙生子悖論來辯護,但當我嘗試與他們溝通的時候,我發現其實他們根本不理解相對論講的是甚麼。不懂相對論原本沒有問題,問題是我們不應該利用一個自己不理解的概念去為其他概念辯護。

事實上,不是科學專業出身的人可能很難分辨天文科學和占星術數。但重要的是我們應該要有批判思考的習慣,避免盲目相信一些未加舉證的見解,包括我這稿文章,我也希望讀者要自己細心思考。最後有一點我想提到的,是卡爾.薩根指出了古代占星家與現代占星家的異同:

“… Ptolemy [古希臘天文及占星學家] believed not only that behavior patterns were influenced by the planets and the stars but also that questions of stature, complexion, national character and even congenital physical abnormalities were determined by the stars… But modern astrologers have forgotten about the precession of the equinoxes, which Ptolemy understood. They ignore atmospheric refraction, about which Ptolemy wrote. They pay almost no attention to all the moons and planets, asteroids and comets, quasars and pulsars, exploding galaxies, symbiotic stars, cataclysmic variables and X-ray sources that have been discovered since Ptolemy’s time.”

他指出現代越來越多占星家只會找出對自己有利的資料,而對其他大部分不利自己學說的資料卻選擇性失明。卡爾.薩根在書中繼續說:

“Astronomy is a science — the study of the universe as it is. Astrology is a pseudoscience — a claim, in the absence of good evidence, that the other planets affect our everyday lives. In Ptolemy’s time the distinction between astronomy and astrology was not clear. Today it is.”

天文學是嚴謹的科學,而占星術數是偽科學,兩者原本同出一轍,在人類理性之中,分道揚鑣。

*本文封面圖片為 17 世紀荷蘭製圖師 Frederik de Wit 所畫的星圖。

古希臘的科學 (四) 最美麗的實驗

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阿里斯塔克斯:哥白尼的先驅

若問:「誰是日心說 (heliocentrism的始祖?」我想這人就是阿里斯塔克斯 (Aristarchus,公元前310-230年 )。阿里斯塔克斯生於薩摩斯,他得以名留青史的原因,就是因為他是提出日心說的第一人,可惜他的論文現已佚失。

阿里斯塔克斯認為太陽與恆星固定不動,而地球以圓形的軌道繞太陽運行,太陽位則於軌道的圓心,而且固定的恆星離太陽與地球極為遙遠。他也曾經測量過月球的大小。根據他的計算,他認為月球周長是地球周長的三分之一。而根據埃拉托色尼 (Eratosthenes,詳見下文 ) 計算的地球周長為42,000公里,所以他認為月球周長約為14,000公里。現代以人造衛星測量所得的數值為10,916公里。

阿里斯塔克斯率先以數學方法合理地測量宇宙。他知道當月球為半月時,地球、月球和太陽就會形成一個直角三角形。只要他能測量「日-地-月」這個角度,他就能夠測量地月和地日的相對距離和這三者的相對大小。他的計算結果是地日距離為地月距離的 20 倍 ( 正確比值為 400 倍 ),而太陽比地球大六倍 ( 正確比值為 109 倍 )。他的誤差源於他未能準確地測量「日-地-月」這個角度。

若人類能夠早些拋下地心說的偏見,認真對待阿里斯塔克斯的日心說,我想,我們就不致於走了近兩千年的冤枉路了。

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埃拉托色尼:最美麗的實驗

若然舉辦一個「最美麗的實驗」選舉,以顯示出人類如何善用智慧,我一定投埃拉托色尼[1] (Eratosthenes,公元前276-194年 ) 的「測量地球周長」一票。

埃拉托色尼生於北非的昔蘭尼 (Cyrene),在雅典接受教育。他與阿里士多德一樣精通各種學問,包括文學、數學及地理等等。可是因為他在這些領域未有取得任何頂尖地位,人們便挖苦他,戲稱他為「β」,即希臘文第二個字母,取笑他只是「第二好」的。不過,他依然因為才華洋溢而被聘任為埃及王子的教師,後來更被指派出任著名的亞歷山大圖書館 (Library of Alexandria,詳見下文 ) 的館長。

在他的著作《測量地球》(Measurement of the World) 中,就記載了他測量地球大小的方法,可惜這部著作經已佚失。以下的埃拉托色尼測量地球周長的方法是由其他人對他的評論得知的。地球周長即是地球表面大圓 (great circle) 的圓周。

埃拉托色尼知道在一年的某些時刻,在某地的因太陽照射所投下的影子會不見了,他認為這是因為在當時的太陽正正位於當地的天頂 (zenith)。因此,他只要知道在此時刻的另外一個城市的距離,再量度此城市的一根垂直桿子的影子長度,就能夠以簡單的幾何方法計算出地球的周長。他如此作了,得到結果約為 25 萬「斯塔德」(stadium),約為 25000 英里。與現代人造衛星測量所得的數值 24900 英里相比,誤差只有0.4 %!

埃拉托色尼的實驗不但簡單、準確,而且意義深遠。他相信世界是可以被人類所理解的,而他這個實驗充分展示了這一信念。作出最美麗的實驗的人,埃拉托色尼當之無愧。

—— 待續 ——

[1] 本文中一部分關於埃拉托色尼的故事資料,取材自《如何幫地球量體重:史上最美的科學實驗》(The Prism and the Pendulum) 中譯本,克里斯 (Robert P. Crease) 著,貓頭鷹出版,2007年,ISBN 978-986-7001-28-3。

*本文的封面圖片為拉斐爾 (Raffaello Sanzio) 在1509年所畫的作品《雅典學院》(The School of Athens)。畫裡正中間的兩個人,左邊的是柏拉圖 (Plato),右邊的是阿里士多德。柏拉圖手指向天,認為智慧來自理想形式的世界;阿里士多德手指向地,認為知識應來自觀察及經驗。兩師徒對世界的看法各異,但他們互相尊重。在畫中還畫有畢達哥拉斯、亞歷山大、色諾芬、海芭夏、蘇格拉底 (Socrates)、赫拉克利特、第歐根尼、亞基米德、托勒密和拉斐爾自己等等。

古希臘的科學 (一) 科學的起源

接下來一連六篇《科普》文章之中,我將介紹古希臘的科學。

當時未有「科學」這個概念,研究自然定律的學者被統稱為哲學家。哲學就是研究並追求知識的學問,因此現在的研究學位,無論主修甚麼科目,都一概稱為哲學碩士 (M.Phil.) 及哲學博士 (Ph.D.)。

====== 這幾篇文章為筆者於星匯點 2009 年 8 月號會訊所撰之文章,並多次編成講座 ======

天文學,是人類史上一門最古老的科學。人類對世界的無垠想像,都由觀察自然事物開始。而繁星滿佈的夜空就是人類發揮想像力、創造力的地方。

「我們的世界是甚麼模樣的?又是由甚麼東西構成的?」一直是縈繞人類心靈的最深刻的問題。在古老的希臘國度裡,許多先驅為我們奠下了科學的基礎,面對種種令人困惑、驚訝的自然現象,他們選擇以理性、邏輯去探索原因,而非訴諸鬼神。就這樣,通過對大自然的觀察,人類對大自然有了逐漸深入的了解,也因而產生出更為深奧的問題。科學在古希臘就有如原行星盤一樣,各種思想互相碰撞、粉碎、結合,創造出新的點子。相對於現代的人可以在維基百科輕鬆獲得應有盡有的資料,古時候的人只能憑藉無盡的好奇心與想像力「坐井觀天」,竟也能發展出一些比起現代科學有過之而無不及的概念,實在令人驚嘆不已。

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泰利斯:一切都由一個問題開始

泰利斯[1] (Thales,西元前642-547年 ) 居於希臘的一個殖民地米利都 (Miletus),是人類有記載以來第一個發問:「世界是由甚麼構成的?」的人。他認為要理解自然,應該純粹根據與別人討論、觀察和邏輯推理,完全以自然詞彙回答自然的基本問題,而不訴諸神祗。他提出了「萬物皆源自於水」這一理論,雖然沒有證據支持,但此舉開創了人類嘗試以簡單原理去解釋世間複雜多變的先河,為後世所仿傚至今。

在今天我們對泰利斯所知不多,他選擇水作為萬物之源的原因已不得而知,據阿里士多德推測泰利斯可能是由生物學的角度思考萬物的起源,因為明顯所有生物都需要水維持生命。泰利斯也是提出歷史上第一個嚴謹的物理宇宙模型的人。他認為地球是一個平盤,浮在水面上,日月星辰晝夜更替都是因為風吹過天空所致。

世紀日食剛剛過去,現代的天文學家已能夠非常準確地預測日食發生的時間和地點。原來,第一個準確預測日食的人,就是泰利斯。該次日食發生於第四十九至五十次奧林匹克運動會期間 ( 約西元前585-577年間 ),長期陷入戰爭的呂底亞人和米底亞人都因為泰利斯的預言而停止戰事。不過,歷史學家亦懷疑這個故事的真實性,終究在泰利斯的年代人類還未擁有足夠的天文知識及數學能力去預測日食。

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阿那克西曼德:建立世界的秩序

「世界是如何產生的?」相對於泰利斯希望得知構成世界的原料,阿那克西曼德 (Anaximander,約西元前610-546年 ) 則著手研究世界形成的機制。阿那克西曼德生於米利都,是泰利斯的學生。後世對他所知甚少,傳說日晷 (sundial) 與世界地圖都是他發明的。他可能曾到斯巴達人的地方向他們展示這兩項發明,也可能曾於黑海附近的阿波羅尼亞 (Apollonia) 建立了一個米利都的殖民地,亦有說他擅長於表演戲劇。

「萬物誕生之源亦為其終結之因,在相遇時,它們為先後對彼此之不公,互相賠償贖罪。」這是唯一一個後世論述阿那克西曼德的句子。阿那克西曼德提出的最革命性的思想,叫做「無限定」(apeiron)。無限定這個概念在兩千五百多年前出現簡直是不可思義。無限定的意思是,雖然無限定本身是實體,是世界一切事物的來源,但在時間或空間中卻沒有起點和終結。阿那克西曼德認為,地球及宇宙大小有限、存在時間亦有限,而且只是無限個宇宙的期中一個。後來於公元1600年,布魯諾 (Giordano Bruno,1548年-1600年2月17日 ) 因為提倡同一思想而被羅馬教廷以「異端邪說」罪名定罪,燒死於火刑柱上。

「無限定」最前衛的意義在於,它令阿那克西曼德拋棄了「上下」的主觀感覺。「地球究竟由甚麼東西支撐」這一疑問在古時一直困擾著無數哲學家、思想家。阿那克西曼德認為宇宙是由無限定而來,自混沌之中生出了天地萬物,因此地球是浮在空氣中的,根本不需要任何支撐!這是何等客觀的觀點,阿那克西曼德的思想完全超越了他的老師泰利斯,超越了所有與他同時代的人。

雖然阿那克西曼德認為地球像個硬幣,兩面都有人居住,而且直徑比它們之間的距離大三倍,但他提出的「無限定」概念,除了與中國老子道家思想不謀而合之外,亦正正是現代宇宙學的基本假設之一:在地球上發生的過程也必定會在宇宙各地發生。

—— 待續 ——

[1] 本文中一部分的人物故事資料,取材自《他們創造了科學》(Science First, From the Creation of Science to the Science of Creation) 中譯本,羅伯.阿德勒 (Robert E. Adler) 著,究竟出版,2006年,ISBN 986-137-063-3。

*本文的封面圖片為拉斐爾 (Raffaello Sanzio) 在1509年所畫的作品《雅典學院》(The School of Athens)。畫裡正中間的兩個人,左邊的是柏拉圖 (Plato),右邊的是阿里士多德。柏拉圖手指向天,認為智慧來自理想形式的世界;阿里士多德手指向地,認為知識應來自觀察及經驗。兩師徒對世界的看法各異,但他們互相尊重。在畫中還畫有畢達哥拉斯、亞歷山大、色諾芬、海芭夏、蘇格拉底 (Socrates)、赫拉克利特、第歐根尼、亞基米德、托勒密和拉斐爾自己等等。

我們都是星塵:卡爾.薩根 (Carl Sagan)

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卡爾.薩根 (Carl Sagan, 1934 – 1996) 是著名的天文學家,同時亦是一位出色的教育家,終生致力向社會推廣科學。儘管大家可能從未聽過他的名字,但其實大部分人都會聽過他所說的名句:「我們都是星塵。」(“We are all star stuff.”) 其實他就是當年一部著名天文科學電影《超時空接觸》(Contact) 原著小說的作者。

卡爾.薩根是芝加哥大學天文物理學博士,曾為康乃爾大學天文學與太空科學鄧肯講座教授,並主持行星研究實驗室。他最重要的科學成就包括金星溫室效應、火星沙塵暴、土衛六有機物質研究等等。他也深入探討過核子戰爭會對環境造成的長期影響以及地球生命起源等等一些在科學和社會中都有重要意義的課題。他參與過多項無人行星探測任務,包括水手號、維京人號、旅行者號和伽俐略號等太空計劃。他亦是最早投入外星智慧生物搜尋工作的研究先驅。

卡爾.薩根一生致力於科學普及和教育工作,著有三十多部作品,曾獲頒普立茲獎。其代表作就是第一代《宇宙:個人遊記》(Cosmos: A Personal Voyage) 系列一共十三集電視紀錄片。第二代《宇宙時空之旅》(Cosmos: A Spacetime Odyssey) 於 2014 年播放,由 Neil deGrasse Tyson 主持,他於節目中講述當年卡爾.薩根如何鼓勵他成為科學家,令人感動。

《宇宙:個人遊記》被編成《宇宙.宇宙》(Cosmos) 一書,筆者也就是這樣認識卡爾.薩根這一個科學教育家。書中從星系、星雲、恆星和太陽系等大尺度的結構開始,以探討生命起源、進化的可能性貫通全書;他沒有把概念和資料強行塞給讀者,而是希望讀者由科學角度自行思考生命的起源與意義,思考人類自身的存在意義;在生物學以至社會大眾的角度探索人類及地球上其他生物如何看待地球這個宇宙中唯一的家;以至於與外星文明溝通時所會遇到的問題;也討論了科學與宗教、道德、核戰等等與我們切身相關的問題,可謂一本不可多得的科普讀物。他示範了如何從理性角度去思考複雜的科學、社會問題,卻又不會流於死板;如何從感性角度欣賞這個富生命力的地球,卻不忘警醒我們必須保護家園,這個上億物種共存的唯一的家。事實上,他的思維方式影響筆者甚深,筆者在講講座、寫文章遇到這些科學或哲學問題時,經常會重新閱讀這本書尋找靈感,而每一次閱讀都總令我感動莫明,帶來新的體會。

他的著作《超時空接觸》在 1997 年被導演 Robert Zemeckis 拍成電影,亦是筆者最愛的電影之一。這套電影講述一個女天文學家 Eille (由 Jodie Foster 飾演) 自小受父親薰陶,在第一次見到金星之後就愛上了天文學。她長大後終於成為天文學家,並努力不懈尋找外星生命;然而包括她的上司在內的絕大部分科學家都認為她只是在浪費時間。然後有一天,她終於發現了外星人傳來地球的訊息,但接下來困擾她的除了訊息解碼以外,卻是政治、道德、宗教等社會問題。她在阿雷西博天文台 (Arecibo Observatory) 工作時認識了一班好同事,更認識到後來任白宮神學顧問的神學研究者 Palmer Joss,兩人有過一夜關係。原來外星人 (電影中說訊號來自 Vega,即織女星) 傳來的是一種宇宙交通工具的設計藍圖,在後來爭取成為地球人代表,上太空與織女星人見面的事件中,Joss 也不斷幫助她。筆者就不再劇透了,有興趣就自己找來看看吧。不過現在全香港只餘下英文版 DVD 有售,有興趣的朋友可以私下詢問筆者。可惜的是,卡爾.薩根未能親眼看到他的電影上映,就因肺炎病逝了。

這套電影的主題雖然環繞地球人與外星人的接觸,但其內容卻遠遠不同於一般科學或科幻電影。卡爾.薩根希望告訴大家,一旦真的發現外星智慧時,人類應該怎麼辦、社會又會有甚麼反應。其實,科學也是社會的一部分,科學家也是人,也會有互相爭取利益的時候;而科學發現與政治、道德、宗教之間往往也有著某種關係。現實中科學不能夠從社會中分裂出來,科學發現實在與全人類都有關係。我們應該時常反思,如何把科學及社會的比例恰當地調整。每個人的取向也不會完全相同,因此要作出一個決定時難免會有爭端、甚至衝突發生。片中描述了科學、政治、宗教之間的互不信任,各有自己的見解,最後更不幸地演變成流血衝突。究竟科學與宗教之間的關係,是互斥,還是互補?科學,講的是證據;而宗教,講的則是信心。兩者真的不可能共存嗎?這真的值得我們細細反思。

卡爾.薩根在故事中寫了這樣一段:Eille 告訴 Joss 她不相信這個宇宙中有神存在,她對Joss 說:「神存在嗎?證明給我看。」Joss 沒有回答,只是反問她:「你愛你的父親嗎?」「當然……」Eille 有些遲疑,因為意料不到他會問這個問題。「證明給我看。」Joss 說。這是個多麼需要我們認真思考的問題!

卡爾.薩根希望大家能夠用開放的心看待未知的事物,這就好像 Eille 保持的那份小孩子般單純的求知的心。這正是科學的特點。然而,人總會長大,在社會中科學也會遇上不同的問題,有些可能會阻礙科學進步,有些卻可能會加速科學的發展。最重要的,還是那顆心、那份信念,一份類似宗教般的信念,但是當中有理性分析,也有感性思維。

「宇宙這麼大,如果只有人類,那真是太浪費地方了。」Eille 的父親說。

====== 此為筆者於星匯點 2009 年 4 月號會訊所撰之文章,經過修改 ======