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比人還早上太空的是牠們!—《丈量宇宙》

azothbooks_96
・2016/10/12 ・874字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

人類並不是唯一冒險上太空的物種,甚至連第一個都不是。

第一次有紀錄的太空飛行是在 1947 年進行。當時的先驅太空生物是果蠅,而且牠們還活著回來了。到了 1949 年,頭一批太空猴也尾隨升空,不過直到 1959 年,艾伯兒(Able)和蓓克(Baker)才成為第一批從太空飛行生還的猴子。

猴子 Baker 在 1959 年乘著 Jupiter IRBM 登上太空。圖/wiki
猴子 Baker 在 1959 年乘著 Jupiter IRBM 登上太空。圖/wiki

第一批熬過真正太空飛行情境的哺乳動物是 1951 年升空的小鼠。緊接其後是,牠們在 1951 年成功上了太空,接著在 1957 年完成第一趟繞軌飛行。1961 年 3 月,一群小鼠(加上青蛙、天竺鼠和昆蟲)領先人類數週,成為第一批成功繞行地球軌道的動物。

1968 年 9 月,阿波羅 8 號升空前三個月,探測器 5 號頭一次搭載地球生靈繞月飛行並平安返回地球。船員包括一隻陸龜、一些酪蠅黃粉蟲

(點擊看大圖)地球物種進入太空大事紀。圖/《丈量宇宙》
(點擊看大圖)地球物種進入太空大事記。圖/《丈量宇宙》

地球物種進入太空大事記:

第一個上太空:果蠅(1947)

第一次完成繞地軌道航行:狗(1957)

第一批在太空生殖:水母(1991),約兩千四百隻升空,六萬隻返航。

第一批進入繞月軌道:陸龜、酪蠅、黃粉蟲(1968)

第一個登入月球:人類(1968)

人類的太空大事記:

1961-登上太空並完成繞地軌道飛行。

1968-進入繞月軌道並且登入月球。

在哺乳類之外:

1985-蠑螈成為第一個登上太空的兩棲類動物。

1994-加拿大底鱂成為第一種進行太空生殖的魚類。

2007-蟑螂在水母之後成為第二種在太空生殖的無脊椎動物。

2013-完成繞地飛行的守宮是第二種登上太空的爬蟲類。


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本文摘自《丈量宇宙:INFOGRAPHIC!一眼秒懂全宇宙!100 幅視覺資訊圖表,穿梭 140 億年星際太空》,漫遊者文化出版。

文章難易度
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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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太空種電?不受天氣影響的發電廠登場,人類將迎來能源自由?
PanSci_96
・2023/08/12 ・4585字 ・閱讀時間約 9 分鐘

要核能、綠能、還是天然氣?大家不用吵了,因為讓我隆重介紹,宇宙太陽能準備登場,地球將進入能源自由,人類文明將邁入下一個時代!

雖然只是邁入第一步,但我沒有在開玩笑,美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫,預計在太空中布下大量太陽能板,將取之不盡的能量,不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試,已經在宇宙中測試成功了!

宇宙太陽能真的可行嗎?我們離能源自由,還有多遠?

為什麼要去太空中進行太陽能發電?地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比,各方論點各有道理。而同樣的問題,不只是台灣,對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境,竟然有人提議往太空探索,去太空中進行大規模太陽能發電,並將能量傳回地球,成為宇宙太陽能電廠,一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空,在地面上的太陽能近年來成長迅速,安裝量和產量都持續增加,為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢?

雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多,能不能穩定發電卻要看老天臉色,而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大,日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠,像是印度,中國,以及中東地區。許多地方例如台灣,多以民間業者小規模發展為主,很難建設大規模的太陽能發電廠,如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電,也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空,就可以大喊:「解開束縛、重生吧!太陽能,我還你原型!」

首先,太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚,所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外,太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚,有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向,和太陽光的方向保持垂直,接受百分之百的陽光照射。根據計算,同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

地球上陽光傾斜入射的問題示意圖。圖/PanSci YouTube

另外,地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光,保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子,大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少,大約多了 40% 左右。

綜合前面所說的,只要把現有的光電材料放到衛星軌道上,就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地,不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球?

你可能會好奇,在太空中收穫這麼多太陽能,要怎麼運回地球給大家使用呢?難道要存在電池裡再回收嗎?科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中,各個太空站會再收集太陽能之後,用微波光束將能量傳送至不同行星,也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節,但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集,我們有提到電磁波傳遞能量的問題,就是能量會以波源為中心向外發散,並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量,如果不想接條線,就必須使用指向性的波源,將能源都集中到一點。

現在,我們使用多個天線組成陣列,並調整他們的相位,讓各個天線發出的微波產生干涉,形成筆直前進的單方向微波束,將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外,因為選擇的電磁波頻段是微波,就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣,特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天,宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表,大幅降低天氣造成的影響。

所以,只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上,讓它們在軌道中展開,組裝成大還要更大,邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點,地面的我們,只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲,較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中,再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

太空太陽能發電廠概念圖。圖/Space.com

這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。

好消息是,太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本,只需要約三千美元,是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性,從僅只於科幻,搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠?

從美國、英國、歐盟到日本,都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構,宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組,是有生之年就能看到的成果!

從宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組。圖/PanSci YouTube

這個時程也不是信口開河,日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發, JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要,因為在發射成本的問題解決之後,宇宙太陽能要面對的下一個難題,就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法,讓微波束直線前進,但實際運作時,還是會有一個很小的發散角,不會完全平行。

JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。圖/PanSci YouTube

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里,小小的發散角到地面就會嚴重發散,地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子,非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度,但是發散角已經能控制在 0.15 度左右,足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球,做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本,瞬間移動到地球的另一端,美國的研究團隊,在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初,成功讓一個小型測試模組,乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道,進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中,找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。圖/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 號,團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列,在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線,點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分,但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行,證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試,他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面,大學實驗室的屋頂上。並且,還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大,但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試,結果相當振奮人心。

可彎曲天線陣列。圖/PanSci YouTube
右方為可彎曲天線陣列(發射端),左邊為接收端的 LED 燈泡。圖/caltech.edu

如此看來,技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電,成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎?或是我們該把資源留給其他選項呢?

宇宙發電廠符合經濟效益嗎?

根據美國能源情報署 EIA 的資料,1GW 發電容量的發電廠,傳統燃煤發電廠的初期建設成本,大約是一千億台幣,核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢?每 1kW 的發電需要二十公斤的材料,1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道,需要三萬台幣。也就是說,光是將設備全部送上太空的運輸成本,就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本,以地面型太陽能發電廠為參考的話,大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估,打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓,雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低,但仍是一筆龐大費用。

各種發電方式的成本與性能表現。圖/美國能源情報署 EIA

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒,空有理想的計畫嗎?當然不是,有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前,已經少了兩個零,在 SpaceX 的發展下,還在持續地快速減少。另一方面,太陽能材料的輕量化工程也持續在進行,每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料,我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起,一兆兩千億日圓的成本,很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

發射火箭的成本逐年降低。圖/futuretimeline.net

更重要的是,宇宙太陽能一但建置完成,就會成為可做為基載能源的再生能源,減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空,地面只需要建設接收站,可能將解決許多偏遠地區的能源問題,一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比,宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項,也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源,還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中,需要排放多少的火箭廢氣?一但規模化,這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶,或在一次的太陽風暴過後,讓軌道中堆滿太空垃圾?

宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源,從想都不敢想,到開始精算成本,相信我們很快就會知道答案。

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星光,指引地球的未來——《困惑的心》推薦跋
時報出版_96
・2023/07/17 ・4372字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 潘康嫻/中研院環境變遷研究中心博士後研究員

人類是天生的科學家。我們生來就想知道為何星星會閃爍,想知道為何太陽會升起。


加來道雄

地球上有一群人總喜歡抬著頭,看著夜空中點亮大地的星燈,這些星光夾藏著宇宙的祕密,穿透無數個光年,抵達藍色的星球。除了欣賞夜色之美,這一群人更試圖從中看出點端倪,這些熠熠星光是怎麼來的?宇宙是什麼樣子?為什麼會有地球?生命從何而來?還有其他如地球般的星球嗎?那裡也有文明嗎?好多個「為什麼」是大自然帶來的啟發,而人類尋找答案的行動,卻是宇宙裡不可思議的精彩。

好多個「為什麼」是大自然帶來的啟發,而人類尋找答案的行動,卻是宇宙裡不可思議的精彩。圖/envatoelements

向遙遠的星系發送信號 尋找未知的外星文明

人類的世界觀從曾經的地球放眼到太陽系,隨著科學與科技的進步,二十世紀的物理學開創宇宙論的發展,至二十一世紀天文觀測的黃金年代,不停歇地向深邃的星空探索,走出新的視野。近二十多年的諾貝爾物理獎,多達三分之一肯定天文學的貢獻,例如 2019 年獲獎的三位學者,一位建構宇宙大霹靂理論模型,另兩位發現一顆繞著另個太陽類型恆星公轉的系外行星。宏觀的宇宙視野,加上相對微觀的行星視角,近代的天文學一再刷新人類對宇宙演化及地球定位的認知。

天文望遠鏡和太空科技的進展,讓現代的天文學家得以挖掘宇宙暗藏的驚奇,透過紅外線觀測,我們看到隱藏在可見光背後恆星誕生的搖籃,也發現了宇宙考古學的線索。2019 年諾貝爾物理學獎得主之一詹姆士・皮博斯(James Peebles)花費大半輩子,帶領我們梳理宇宙 137 億年演化的歷程,如今我們知曉實質物體的總質量佔宇宙的 5%(其餘為 68% 的暗能量,與 27% 的暗物質)。在這 5% 的質量中,粗略估計大大小小星系中的星點,加總起來約略有 1027 顆恆星。假使每顆恆星誕生時也伴隨著行星系統的發展,在如此龐大的總數下,是否也有另一顆適合生命發展的星球?

放眼望去,茫茫星海,僅吾唯一?以地球人的角度思考外星生命的可能性,德雷克公式(Drake equation)將文字的問號轉成可運算的概念,考慮環境因素和發展文明的可能性,估計銀河系中存在著少則一千,多則一億的文明數量。但這些年,沒有人聯絡我們,我們也沒有找到對方,費米悖論提醒了估算與現實的落差。天文學家藉著太空科技的發展得以主動探尋,1972 年的先鋒號和 1977 年的航海家,帶著人類寫給外星人的科學密碼信函,至今持續在星際間航行。除了寫信,還可以像發電報一樣,1974 年的阿雷西波訊息(Arecibo message),對著遠在 25,000 光年外的 M13 球狀星團發送訊號,寄望能在高齡星團中找到找到高智慧文明存在的可能性。然而,這一去一回,收到回音得等上五萬年,已不知道是人類幾代以後的事了。

1977 年的航海家,帶著人類寫給外星人的科學密碼信函,至今持續在星際間航行。圖/wikipedia

一如 15 至 17 世紀的大航海時代,歐洲船隊面對大海,莫不引頸期盼能在望遠鏡裡看到遠方的陸地。行星猶如當時的目標,由於行星不會自行發光,尋找行星的難度如同在千里之外的明亮燈塔旁邊瞧見一隻蚊子,然而技術的困難並未讓人退卻,科學的精彩就在於想辦法突圍。

更清晰地遙望遠方 用太空望遠鏡在地球上一起遨遊宇宙

1995 年米歇爾・麥耶(Michel Mayor)迪迪爾・奎洛茲(Didier Queloz)藉由分析恆星光譜中的都卜勒效應(目標物遠離觀測者時,其光譜會往長波方向拉長稱作紅移,反之靠近則往短波壓縮稱之藍移),在飛馬座找到繞著太陽類型的恆星公轉的第一顆系外行星飛馬座 51b(51 Pegasi b),為系外行星大發現時代展開序幕,也讓他們在 2019 年共享諾貝爾物理獎的殊榮。至今近 25 年觀測資料的累積,尤其有了克卜勒太空望遠鏡和接續的凌日法系外行星巡天衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS),系外行星數量自 2014 年開始大幅增加,截至今年 2023 年 6 月統計,約有 5,500 顆系外行星,依據型態將系外行星分成四類:氣體巨行星(又稱熱木星)類海王星超級地球類地行星。天文學家從統計數量和行星形成動力學模型中獲得豐富的訊息,也讓太陽系的形成與演化有了更進一步的認識。以一個系統中的行星質量做序列可以分成四種:由小至大(太陽系即為此類)、由大至小、混合、和大小相似,科學家發現像太陽系八大行星的排序反而非常稀有,像 TRAPPIST-1 系統中七顆行星大小雷同的類型倒是常見,人們才驚覺原來太陽系與其八大行星的組合是如此與眾不同。這個獨特也包含太陽系的氣體行星木星,有顆大質量的木星在外,像吸塵器一樣讓闖入太陽系的天體轉向(例如 1994 年的舒梅克-李維彗星撞擊木星事件),減少外來者體撞擊內太陽系的機會,使得位在適居帶的地球有足夠安全的環境與時間孕育生命。原來要有機會誕生生命,先決條件也要天時地利「星」和。

有沒有一種可能,其實有外星訊號,只是現今的科技還無法察覺和解讀? 二十一世紀的新視野多來自百年前科學家所闢的路,例如愛因斯坦在廣義相對論提出對重力的新見解,物體質量造成的空間扭曲,只是改變的幅度之小不易測量,直至 2015 年天文學家終於在絞盡腦汁精細設計之下,成功打造觀測重力波的天文望遠鏡(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO),2017 年人類首次觀測到雙中子合併事件,解開化學元素週期表上的重金屬形成之謎。在天文學的領域,一個計畫從靈感發想、規劃藍圖、開工建造、出發觀測、收集資料到計畫結束,從開始到最後的時間跨度,往往超過科學家本身的職業生涯。科學家年輕時的構思,常須藉由後生晚輩接棒執行,有生之年不一定看得到科學成果,而這一路上牽起了一代又一代的傳承,一起讓科學的進展跑得更遠,跑向遠在未來的新發現。本篇文章談及的計畫,在筆者的學生時代,早已如火如荼地展開,伴隨著計畫的執行和觀測資料的回傳與分析,是前輩們的堅持與努力,也是帶給新生代天文學家的禮物和邀請:現在的成果來自於我們過去的努力,而未來要由現在的你們來開創。

太空望遠鏡的升空協助天文學家得以更清晰地遙望遠方,讓系外行星的發現轉為低風險的冒險之旅,安全地帶著大家想像另一個世界的雛形,正當書中的主角,天文生物學家拜恩教授,為兒子羅賓說起異星見聞時,好似向星空開啟一扇扇門,父子倆得以一起遨遊宇宙。

穿越都市的水泥叢林,遠離學校與人群,當我讀到書中拜恩教授帶著羅賓前往國家公園露營,徜徉在大自然的聲音與光影,兩個人在星光下深度傾聽彼此,為人生的焦慮與困惑尋找方向,令我不禁想起,曾經只是為了想看星星,所以去登山的自己,無意間在山林尋回自己的心。臺灣的山勢陡峭地形多變,得要十分專注在腳下的步伐與眼前的山徑,此刻陪伴自己的只有呼吸和心跳。踩著吃力的腳步,一瞬間,世界難得寧靜,只聽得見自己的聲音,「離目標還有些距離,繼續是前進,回頭是放棄。若是堅持,不知還有多少難關?若是放棄,我能接受放棄的自己嗎?難道是走錯路或迷路,所以才這麼難行,那麼路又在何方?」為一睹繁星,在光害日趨嚴重的情況下只得越走越深山,不只用腳感受臺灣地貌的鬼斧神工,還要感官全開地觀察瞬息萬變的天氣,多認識她才能做出適當的應變確保登山安全。白天的路上觀察自然的氣息,與重建內在的自己,晚上終見美麗的星空,走在一條條的山岳路線,整頓人生朝著目標向前行。

書中拜恩教授帶著羅賓前往國家公園露營,徜徉在大自然的聲音與光影,兩個人在星光下深度傾聽彼此,為人生的焦慮與困惑尋找方向。圖/envatoelements

回首看看我們腳下的地球

天文學總是背對著地球往外尋找新的未知,試圖解讀新收到的觀測資料與訊息,然而來自腳下的訊號呢?地球也是行星,是離我們最近的行星,她孕育了這世界的美好,但她的語言,我們真的懂了嗎?羅賓對外界的反應多來自於他所觀察到的地球,作為父親的拜恩教授要怎麼回應孩子呢?

當我們汲汲營營想向外拓展新知識、新世界時,可曾留意腳下正在發燙?若將地球的呼喊換成人類的語言,環境變遷的種種跡象就是地球發燒的訊號。以往科幻災難片當中的賣座奇觀,漸漸成為生活新聞,熱浪、野火、水災旱災、劇烈天氣變化,讓全球不只要解決眼下的困境,也要未雨綢繆地做永續經營的規劃,即刻採取行動已是迫在眉睫。

2021 年,聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)公布第六回的全球氣候變遷評估報告,提及全球暖化現象在冰河面積、海平面上升、全球氣溫,及海洋酸化等等的科學研究報告中,出現許多令人擔憂的新紀錄,並指出二氧化碳與溫室氣體排放量的關聯性,巨變的環境讓各類生物物種面臨生存威脅。因應這場危機,全球達成共識目標於二十一世紀的地球平均氣溫,相比十九世紀最多僅能上升攝氏 1.5 度,並且在 2050 年達成全球淨零碳排放。今日世界各國包含臺灣正積極發展替代能源減少碳排放,同時開發技術增加碳匯,企圖集結眾人的力量把大氣中的碳存回大地。但我們能在有限的時間內力挽狂瀾嗎?假使目標如期達成,是否就高枕無憂了呢?地球和我們的日子就美好了嗎?

二氧化碳與其他溫室氣體排放帶來的環境巨變,讓各類生物物種面臨生存威脅。圖/envatoelements

從人類張開眼睛認識日月星辰,建立了神話、曆法和文明,發展農耕,再到科學與工業革命,一路解析宇宙和地球的起源、歷史、環境、命運。星星帶給人類的啟發,讓人類的足跡已從地球走向太陽系,從更高的視野回頭凝視地球那令人屏息的湛藍,離開地球的探索,讓我們重新看見地球。文化藝術與科技文明的發展一直以來與大自然息息相關,進步固然帶給人類生活和思維的改變,然而過度的開發讓環境失衡,讓現在的我們必須啟動地球生命保衛戰,永續經營之前要先理解,如何理解則引發更多的提問,解答提問的過程中人類將深刻感受地球的脈動,為身為地球人感到驕傲。BE-WILD-ER-MENT 的故事在過去已開始,現在的行動是創造機會、還是命運?未來,讓我們和這顆有心跳的藍色星球一起來回答吧。

——本文摘自《困惑的心》,2023 年 7 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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宇宙是唯一的嗎?從「超弦理論」的十度空間來思考宇宙之外的世界——《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》
三民書局_96
・2023/07/10 ・3586字 ・閱讀時間約 7 分鐘

你覺得,宇宙是唯一的嗎?又提到這個想起來就令人頭疼的問題了。每每思考「宇宙之外」、「時間流逝」,總是覺得這是思維所不能及的問題,然後停止思考。那麼,究竟科學家們是怎麼看待「宇宙是否唯一」的這一問題呢?

這個問題,是科學界仍在探索的問題之一,和複雜的「超弦理論」有關。我想,我們可以在宏觀層面上和大家說一說,讓大家對超弦理論有一個基本的認知。當然,也有的物理學家就直接了當地說,宇宙大霹靂時有太多的能量,僅創造出我們單一的宇宙,這股能量是絕對用不完的。於是,在我們的宇宙外,應該還要有幾乎數不完的宇宙;大霹靂和暴脹之聲此起彼落,不絕於耳。所以,宇宙太多了,我們的宇宙絕對不是唯一的。

持這種觀點,沒有人能說得過你,可以算你贏了這場辯論。但是即便你贏了,從理論上看來,還是有許多令人不滿意又充滿懸念的地方解釋得不清楚。所以呢,今天我們厲害一點,從人類發明出來、另外一個比較嚴謹的理論思維,來討論一下「我們的宇宙是否是唯一存在的宇宙」這個大問題。

我們一再強調,人類目前科學的兩大理論——量子力學相對論,都不是宇宙的終極理論;因為它們在宇宙大尺度轉接到核子小尺度的過渡中,無法嚴絲合縫地達到無間隙連接的境界。但自然界並不需要理會人類不完美版的理論,它一定是僅由一種理論來控制的。

目前,人類在宏大和高速的部分以相對論來解釋,細微的地方則用量子力學來解釋;兩者各行其道,生死不相往來,這就是現狀。

量子力學和相對論至今仍然各自解釋著不同尺度的物理現象,仍然無法統合在一起。圖/AdobeStock

愛因斯坦從 1930 年左右開始研究,嘗試著想把兩種理論合併到一起,但直至他過世,都沒有成功。量子力學和相對論,現在仍然各樹其幟,了無瓜葛。

目前,我們瞭解的力有四種:引力、電磁力、原子核裡的弱力、夸克之間的強力。除了引力外,其餘三種力都已經合併起來,並且有多位物理學家因此獲得了諾貝爾獎;唯獨引力,不好處理。早在 1960 年,科學家就提出:一定要有新的理論。

科學家的「另闢蹊徑」

科學家們指出,新的理論不能再用粒子的概念了。因為質子、電子、光子這些都是粒子的概念,這樣的思維已經提出好一陣子了,但卻不能解決把四種力合起來的問題。

聰明的科學家就想,如果把宇宙最基礎的普朗克長度(10-35公尺)視為一條會震動的「」,並用它作為構建宇宙萬物的最基本單位——即我們說的「弦理論」——就可以把引力放進來了,因為弦的震動可以很好地解釋引力。

弦理論示意圖。物質放大呈現不同階段,終結於「弦階段」: ①物質 ②分子結構(原子) ③原子(質子、中子、電子) ④電子 ⑤夸克 ⑥弦。圖/維基百科

於是,弦理論就開始蓬勃發展。但沒過多久,弦理論也碰到了「鐵板」,即弦是如何形成質子、中子、夸克的?這些物質又是如何凝聚、如何變動,才能形成現今含有很多黑洞的宇宙?弦理論並不能解決這些問題,這就很尷尬了。因為目前的量子力學、相對論,至少可以解釋宇宙的形成。

弦不夠,那就超弦

弦不夠,科學家們就提出了「超弦理論」。這裡面的「超」,意思為「超對稱」,因為我們身處的世界本應是對稱的,而此理論就是希望能夠回答在我們理論世界中,目前無法解釋的問題。鼻子和肚臍眼在身體中央線上、耳朵和眼睛左右各一、左右手鏡像對應、物質中晶體有規律的結構、角動量的守恆等等,都是因自然界對稱而產生的物理現象。至於超對稱更厲害了,要求費米子 (fermions)玻色子 (bosons)需要一對一、成雙成對出現,成為宇宙中更深層的對稱現象,企圖回答出目前人類無法解決的物理問題,並且尋找人類尚不知道的物理世界。

我們的世界有很多普遍對稱的規則擺在那兒。但規矩的存在,就是為違反規則準備的,就像交通法規是放在那兒,當人違規時才會用上的一樣。如果我們的宇宙是完美的宇宙,那就是超對稱的宇宙。不過,事實上宇宙自大霹靂那天,就已經不完美了。

宇宙大霹靂之初,出現了許多物質與反物質,它們本應是一樣多的;但反物質幾乎全部消失,僅剩餘了一部分物質,約是原來總量的十億分之一,這就是我們現在的物質世界。假如這個對稱沒有被破壞掉,那麼現在的宇宙就全部都是能量了,也就沒有我們現在的物質世界。

雖然從宇宙大霹靂的 0 時起,這個完美對稱就被破壞了約十億分之一,但宇宙的本質仍是想擁有超對稱完美的特性,所以我們現在就忽略宇宙那麼一丁點的缺陷,仍然用超對稱震動的弦,將宇宙描述出來。

愛因斯坦的相對論描述了四度空間,即三度空間加時間。但是在四度空間,我們沒辦法建造出這麼一個「弦」,以滿足物理在自洽條件下,形容現在的宇宙。經過科學家的研究,如果用超弦製造現在的宇宙,需要九個空間加上一個時間,共十度空間才能夠滿足物理從頭到尾自洽條件。

十度空間,其中六個我們看不見

在這裡,我們就必須要提到一位為超弦理論做出巨大貢獻的華裔數學家——丘成桐。他在 1978 年提出:用目前的四度空間,再加上六個高度壓縮的空間,即變成了十度空間,便可以使用在超弦理論上,解決所有的物理問題。這個理論所創造出來的六度空間,就被稱為「卡拉比―丘流形」。

圖 21-1 卡拉比―丘流形。 圖/《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民

卡拉比―丘流形,形容的是除去我們四度空間以外的另外6個空間。由於宇宙的能量非常大,卡拉比―丘流形的長度單位是用普朗克長度為基礎單位。

我們可以想像一下,這個高度壓縮的卡拉比―丘流形,可以有很複雜的幾何結構,比如說,它可以擁有很多的洞。至於它能擁有多少洞,超弦物理學家看法不一,10 個不算少,1,000 個不算多。為了在這篇小文章討論方便著想,我們就算它有 500 個洞吧。現在把能由震動產生大小不等的能量的超弦引進來,假設它震動能量有 10 個量子層次,則這個超弦在每個流形的洞中,就能以 10 種不同的能量出現。如果總共有 500 個洞,則這個流形的總能量就有 10×10×10×⋯⋯,即 10 乘以 500 次的變化。換言之,這個有 500 個洞的流形,總共可能有 10500 種不同能量的內涵,也就等於有這麼多不同流形幾何結構的變化。

這些不同的幾何結構,即便各有不同的超弦震動能量內涵,但結構本身沒有道理不是穩定的。就像一座形狀複雜的山體,雖然因局部坑洞使得地勢變化的高度不同,造成各處局部勢能相異,但因為有局部坑洞的結構,滾石也有可能在半山腰就因為局部勢能穩定而被攔住,不再往下滾。所以,一個巨大的山體,可以有很多穩定的勢能位置;我們也可以說,它有很多不同勢能的幾何結構。

宇宙之外還有很多宇宙

回到有 500 個洞的卡拉比―丘流形,也就是說,它可以有 10500 的穩定結構。並且,我們可以將構建超弦理論所需要的所有東西放進去,包括引力場、電磁力、強核力、弱核力等等。其實,在滿足把量子理論和相對論嚴絲合縫、自洽無礙地結合在一起後,它竟然拉扯出了一個附帶的產品,即這個流形可以有龐大數目的不同幾何結構。也就是說,超弦理論也創造出了各種不同能量的宇宙。所以,以超弦理論角度看來,在我們的宇宙之外,應該還有很多宇宙,如 10500 那麼多,數目可能幾近無窮。所以,平行宇宙和多重宇宙的概念,就應運而生。

那麼,我們把所有理論放到超弦理論中,不是就可以了?並沒這麼簡單。因為要檢驗超弦理論所需要的能量太高了,已經高到可能永遠無法以人類科技文明所能產生的能量來驗證它的正確性。

科學家在地球上建立的「大型強子對撞機」,能夠創造短暫的巨大能量,但離檢驗超弦理論所需的能量,至少低了上億億倍。

超弦理論可能永遠超出人類能力能夠去驗證的範圍,所以我們仍需要繼續尋找在我們認知的範圍內,能夠解釋宇宙大霹靂及目前所有現象的單一理論。但依目前的理解,擁有不同結構和能量的宇宙數目應該有很多。所以說,我們生存其間的宇宙,也不是唯一的。

——本文摘自《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

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三民書局_96
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