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宇宙的大小

很多讀者都知道,對於我自己這輩子做為科學家的抱負和期許,我一向認為是啟蒙於小時候接觸到的《宇宙》(Cosmos) 節目(譯註:主持人為著名天文學家、天體物理學家與科普作家卡爾薩根 Carl Sagan)。在第一集節目開頭的前五分鐘,卡爾就提出了一個非常宏大的想法:「宇宙的大小和規模,遠遠超出一般人類的理解。」

我隨著長大成人,成為科學家,慢慢地也忽略了這麼一個簡單的事實。我學會怎麼書寫表達龐大的數字,學會在需要的時候換算公尺公里和光年,甚至學會使用「瘋狂相對論者的單位」,把距離、時間、能量和質量全部都用公尺來測量(這讓我的學生、父母、還有很多身為天文學家的朋友都感到驚訝又困惑!)。這些事情我做過很多,多到我計算數字的時候馬上就能知道是不是大概沒錯。我們距離本星系群 (Local Group) 中的一個星系有兩百萬光年那麼遠?嗯聽起來差不多。一個類星體 (quasar) 距離我們有 750 百萬秒差距?當然,我想不會錯。到土星有 13 億公里遠?就是如此。

科學家的重要技能就是培養出對龐大數字的敏感度,還有判斷數字是否大致正確的能力(對極小的數字也是!),我們花了大量時間訓練自己和學生,以求能夠精通此道。但這卻完全忽視了卡爾的見解--這些龐大無比的數字, 意謂著我們在浩瀚宇宙中是何其渺小!

遇到太陽系步道 (Solar System Walks) 的時候,我總會去走走(關於太陽系步道,這裡有Wikipedia 的一長串清單;另一份名單來自 Air & Space)。這些比例模型展示了太陽系的星球排列,將星球的位置依照適當的空間比例標示出來,讓你感受一下太陽系究竟該有多大(更別說是宇宙了)。我最喜歡的一條太陽系步道位於阿拉斯加的安克拉治 (Anchorage),被稱為「光速行星步道 (Lightspeed Planet Walk)」--如果你用正常速度走在這條步道上,你走到每個行星所花費的時間,就等同於光線抵達該行星所需的時間。這簡直太棒了!如果從地球開始,在你出發前進的同時用一隻雷射筆往海王星照射,你走到海王星所花的時間,就和你那隻雷射筆的微弱綠光抵達真正的海王星所需時間相同!

阿拉斯加安克拉治的光速行星步道 (Lightspeed Planet Walk) 中央,以及太陽的比例模型。

阿拉斯加安克拉治的光速行星步道 (Lightspeed Planet Walk) 中央,以及太陽的比例模型。

雖然這些模型步道的實體規模都很大,但我還是常會覺得,這些步道並沒有把那樣的浩瀚廣闊用讓我震撼的方式表現出來。我常常在思考這一點,而且猜想可能確實是這樣,因為當我走過這些模型時,感覺十分平常。從火星一路散步到木星的同時,我並沒有真的去思考自己走的距離究竟有多遠。我會分心去聽我女兒嘰嘰呱呱地講說為什麼冥王星還是應該歸類為行星、會邊看鴨子吃水藻,還要閃躲快速經過的登山車車手。

但就在兩周前,一個天文學家朋友給我看了些東西,讓我大為驚奇。這是個非常簡單的示範,你也可以自己在家裡進行,但卻顯現出我在心中描繪的太陽系構圖錯得多麼離譜!(而且我敢打賭你一定也是!)我想我心裡的太陽系構圖之所以有誤,是因為我們總是把整個太陽系家族放一起,好呈現出星球的相對大小,就像下面這張圖片:

太陽系的典型示意圖,常見於書籍、線上參考資料以及大眾傳播媒體。

這張圖片沒有呈現出來的是天體之間的距離。我們早已掌握星球之間的相對間距,這些距離的推算,是用基本的幾何學知識加上巧妙的觀測 (其中有許多觀測方式在你家後院就可以進行),並運用物理定律得出的(尤其是克卜勒運動定律和牛頓的萬有引力定律)。

 

在長條紙片上,以折痕做出太陽系中行星軌道之間合理的距離圖示。

讓我告訴你我朋友這個小把戲是怎麼玩的。首先拿一條長條的紙片(計算機用紙或其他長條狀的紙都可以),長度約需一公尺。 在一端寫下「太陽」,在另一端寫下「冥王星」。 現在將紙對折之後再打開。 太陽系中位在太陽和冥王星之間的是什麼? 是「天王星」;把它寫在對折處。 現在把寫著「冥王星」的那一端折到「天王星」。把代表「海王星」軌道的對折處標示出來。這表示什麼呢?這顯示出太陽系外側區域的行星並不多!

現在把寫著「太陽」的那一端折到「天王星」。 在新的折痕處寫上「土星」。 把「太陽」與「土星」對齊折好,在新的摺痕處標上「木星」。 再把「太陽」與「木星」對齊折好,在新的摺痕處標上「小行星」(Asteroids)。做到這裡時,你的長紙條有 93% 是在小行星與冥王星之間。太陽系中的這個部分,美其名為「外太陽系」 (The Outer Solar System),可是太陽系中已知的行星裡面,足足有半數還要擠在「小行星」和「太陽」之間!讓我們繼續進行這部分。

把「太陽」折到「小行星」,然後把折痕處標為「火星」。最後是兩次對折:將「太陽」對齊「火星」折好,然後將對折處與「火星」對齊再折一次。結果會有三個折痕,從「太陽」開始,依序把這三個折痕標上「水星」、「金星」以及「地球」。這整個過程最後的成品,就是一張精準到不可思議的天體間距示意圖(沒錯,我計算過誤差,我實在太想知道了!)。

努力折完之後的成果!

現在好好看一下你的間距模型圖。太陽系裡還有有很多空著的地方;靠近地球的星體最容易前往,但還是非常遙遠;到月球的距離在圖上大約和一條鉛筆畫出的直線相同,搭乘阿波羅號的太空人卻花了四天才得以跨越這鴻溝般的距離;搭乘火箭前往火星要花六到八個月,而你看看火星離地球有多近啊!卡西尼號 (Cassini) 太空船則花了將近七年才抵達土星。 等到 2015 年新視野號 (New Horizons) 太空船經過冥王星的時候,距離這艘太空船起飛已經有九年半了!太陽系實在非常廣大,而宇宙更是浩瀚無垠。

我想這張間距模型圖最讓我驚訝的,就是我以為很遙遠的地方,其實遠比我腦中所想的要近得多。想想看木星,它位在外太陽系,但在圖上,它的距離只有太陽到冥王星的八分之一!哇塞!

「宇宙的大小和規模,遠遠超出一般人類的理解。」也許真是如此;至少這超出了我們日常經驗的範疇。但我們的智力促使大腦去嘗試理解,而像這樣巧妙的示範,就是讓你能夠進一步思考。所以現在就拿出剪刀來,把紙裁好,動手折折看吧!

(左圖) 完整長度的太陽系示意圖 (右圖) 我自製的版本,旁邊是個典型的地球人。

(左圖) 完整長度的太陽系示意圖 (右圖) 我自製的版本,旁邊是個典型的地球人。

作者:Shane L. Larson
翻譯:Ankh Huang 黃于薇,現為兼職譯者(ankhmeow@gmail.com)

本文原發表於Write Science

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