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地磁逆轉與太陽閃焰殺手

科學月刊_96
・2012/01/09 ・5866字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

百萬年一次的地球磁場逆轉、來勢洶洶的太陽大規模磁爆,或許它們不再是杞人憂天的末日話題,而是值得深入探究的科學議題。

文 / 陳文屏(任教中央大學天文所、物理系)

大家可能跟我一樣,記憶中世界已經末日好幾次了,尤其最近在網路與媒體推波助瀾之下,類似謠言越發頻繁,幾乎每月一爆,有些明顯不值一駁,有些則很有創意而不易判別真偽。其實除了極少數狂熱份子以外,絕大多數人並未因為這些謠言而人心惶惶,他們房貸照繳,學測照考,只不過生活多了些話題。比較令人擔心是「狼來了」效應,也就是傳聞聽多麻木了,一味不信的結果,之後要是連氣候變遷、能源食物短缺這樣的議題都莫衷一是,這就不好了。

圖一:地球磁場逆轉與太陽大規模磁暴是否會造成世界末日呢?

2012 世界末日的傳言,本來應該最容易駁斥,因為純粹就是電影宣傳。但是似乎言之鑿鑿,整個傳言不斷廣受注意,且如滾雪球般推陳出新,似乎文明真將要走到盡頭。一般來說,有些謠言來自以訛傳訛,原來的真相被扭曲了;有些則製造出來惡意傳播或設計騙局。

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這次2012 傳聞之所以風行,除了配合電影宣傳,還有個關鍵因素就是內容的確有部分科學事實。姑且稱這為「撲克牌伎倆」吧,就是把已知科學知識,像撲克牌洗牌一樣,穿插了似是而非的猜測,達到混淆視聽或招搖撞騙的目的,不僅一般大眾難判虛實,有時候一知半解的人反而更容易接受說法,因為他們認為這些有科學根據。

要從謠言撲克牌當中辦認出哪些是事實,哪些是謬論,並不總是容易,多半時候乃因為我們專業知識不夠。尤其每當有人出來駁斥謠言,總另外有人提醒科學家要謙虛,因為歷史中不乏出現走在當代前端的智者,他們提出的理論不為當代接受,而受盡委屈甚至遭到迫害。有了這樣的提醒,連那些專業知識豐富的人也不願意出來說話了,因為他們清楚知道世界上的確還有很多不懂的學問,而如此認知原本就是科學家探求大自然的原動力。

電影的劇情是說根據馬雅使用的曆法,2012年12月20日為大循環的結束,整個世界就結束了。其實該曆法沒有這個意思,每個循環是14 萬4000 天(也有說法是5126年),目前這第13 個循環結束後,就是下個循環的開始。在大循環結束的時候,馬雅人懷著虔誠心情熱烈慶祝。這不奇怪,我們每年除夕就是如此,甚至每個星期一上班、上課都有些心情低落,都是循環的例子。

很難想像一個已經消失的文明,何以能夠預測數千年之後整個世界的命運。倒是有人趁機出書,認為「2012 年12 月21 日,也就是當年度冬至時節,太陽會在2 萬6000年當中首次與銀河中心對齊,因此平常來自銀河中心的未知能量,會在當天國際標準時下午11 點11 分受到擾亂」。

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圖二:(A)地球磁場在結構上很像磁鐵棒,在兩極處強度較強,但是地球磁場來自內部的電流作用而產生,與(B)磁鐵棒不同。

牌洗出來了!事實與謬論混在一起。太陽與其他千億顆恆星構成銀河系,我們距離銀河系中心2 萬8000 光年,繞行一圈需時約2 億4000 萬年的週期,這是簡單的圓心、圓周長與速度的問題。銀河中心聽起來有點神秘,宇宙當中也果然有未知能量,目前科學家還不知道它們的性質。以上這些都是事實。謬論在於太陽與銀河中心沒有排列對齊的說法,3個以上的點才能排列對齊,目前更沒有知道任何來自銀河中心的能量,能夠影響地球,更不用說會造成地球毀滅。

另一個說法是行星「尼比魯」(Nibiru)將於2012 年底回歸,與地球相撞,造成毀滅性後果。類似的說法每隔幾年就會出現。事實上,在所有會造成全球生物滅絕的種種可能性當中,小行星或彗星撞擊的確有可能發生,但絕對不是2012 年,因為要是尼比魯朝著我們而來,現在應該早被觀測到了。地球附近有成千上萬個小行星,還有無以數計的小石塊。小石塊無時無刻不與地球相撞,造成夜空的流星現象。大的石塊撞擊造成的破壞性大,但它們數量少,也容易被望遠鏡偵測到,它們的軌道目前皆受到監測。人類已有了預測這些撞擊的能力,雖然不是百分之百準確,但可確定不會發生在2012 年。

這裡針對兩項世界末日的說法來討論,它們都與磁場有關。第一個謠言是說地球磁場逆轉,第二個說法則認為太陽發生大規模磁暴。

地磁逆轉殺手?

有關地磁的謠傳,是說2012 年地球磁場將逆轉,也就是南、北極對調,宣稱逆轉的證據存在於古籍、太古地圖當中,並且與太陽磁場逆轉有關。我們先來看看地球磁場。日常生活隨時隨地都有磁場圍繞,除了電器以外,無所不在的是地球磁場,在赤道上強度大約為0.3高斯。做實驗時,我們看到磁粉分布集中在磁鐵棒兩端,這是強度最強之處。地球磁場有如大磁鐵,也有南北兩極,目前地磁南極(S)接近地球北極,而地磁北極(N)則在地球南極附近。

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地球磁場分布雖然有如磁鐵棒,但實際上地球並非一大塊磁鐵。從地球表面往中心,有不同結構,表層為平常看到的岩石,而核心則包含了鐵、鎳等重元素。地球內部溫度、壓力極高,內核心可能就是整塊鐵鎳結晶,之外則包覆了液態的外核心。據估計外核心平均溫度達5000℃,物質處於游離狀態。所以地磁不是因為核心是個永久磁鐵,而是因為該處溫度太高,物質無法以相同極性方向排列。一般相信地球磁場來自電流,條件是需要導電性高的流體,加上地球自轉與對流活動。

圖三:地球磁場保護地球,阻擋來自太空的高能量粒子(主要是來自太陽的質子)長驅直達地面。

地球磁場對於生命非常重要。要是沒有磁場,其後果不只是羅盤無法運作,而是來自太空的高能量粒子(主要是來自太陽的質子)長驅直達地面,造成生物死亡。根據測量,地球的磁場目前與地球自轉軸偏了約11 °,其方向並不固定,強度近來也逐漸減弱,大約每世紀減弱7%,但有可能只是短期變化。當熔岩從火山噴出,會因為冷卻而凝固成為玄武岩。這種岩石略帶磁性,所以當它固化時,便帶有當時地球磁場的訊息。藉由測量從火山噴發出來的玄武岩磁性,科學家發現地球磁場的確有逆轉現象,週期大約數萬年到數百萬年,平均20 萬到30 萬年。地磁逆轉過程中,會有段過渡時期,或許幾百年,地球暫時沒有磁場,但是化石證據卻顯示生物並沒有明顯受到影響。因此有些科學家認為磁極逆轉過程中,磁場可能並非整個消失,而是強度減弱,或是結構變得比較複雜,例如不再是簡單的南北兩極,而地球大氣層或許仍然足以阻絕質子穿透,以致生物並沒有整體滅絕。

圖四:太陽的結構,核心進行核反應,能量向外以輻射傳 出,再向外則以對流方式傳遞出來。

所以,地球磁場的確有變化,在過去也可能曾經發生逆轉。科學家或許仍不了解地球內部磁場如何產生以及變化的詳細過程,但是目前的科學知識足以知道「不會」發生哪些事情,也就是地磁不會在2012 年倒轉,地球也不會因此滅亡。

太陽閃焰殺手?

另一個世界末日的可能殺手,是太陽磁場大爆發。其根據是太陽活動以11 年為週期,而2012 年預計達到下個活動高峰,因此有了這個說法。讓我們看看太陽是什麼樣的東西,如何造成世界末日?

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太陽溫度高,平常看到的表層約為6000℃,而中央核心我們看不到,依照理論估算以及一些(例如微中子)觀察現象,核心溫度估計高達1500 萬℃,足以進行核反應。所產生的熱能讓游離的氣體高速運動,彼此推擠產生膨脹熱壓力,抵擋內縮的萬有引力,維持住太陽結構穩定。太陽穩定發光已經46 億年,目前研究顯示其中央豐富的氫元素還可以維持供應核原料達50~70億年,之後才因為中心核原料用盡,無法再維持穩定結構,而結束恆星的一生。

圖五:太陽表面黑子為磁場強烈之處,該處溫度較周圍氣體 來得低。

質量不同的恆星, 其中央核反應不同、結構不同,傳遞能量的方式也不一樣。類似太陽這樣的低質量恆星,其核心產生的能量以輻射方式向外傳遞,在半徑約30%處,改成主要以對流傳遞,將能量大量傳出,直到表層向四面八方輻射。跟前面提到的地球磁場原理類似,太陽自轉與對流作用,加上導電流體而產生磁場。太陽體積雖是地球百萬倍,但平均磁場強度卻相當於電冰箱門所用的磁鐵,大約50 高斯。

當太陽活動較弱的時候,磁力線分布有如磁鐵棒一般,分成南北兩極。然而當自轉持續進行,磁力線開始捲繞,逐漸出現水平方向,部分會浮出大氣層,這些磁力線集中、浮出大氣層之處,磁場強度高達數千高斯,多了磁力支撐,該地氣體壓力較低,仍可維持靜力平衡。由於氣體壓力與溫度成正比,因此磁力強的區域溫度便較低,大約攝氏4000多度,與周圍6000度相比,因此顯得較暗,這就是太陽黑子。它們總是成對出現,分別是磁兩極,其位置隨著太陽的自轉而改變。

太陽活動週期為11 年,開始時太陽活動弱,黑子數目少,噴發出來的物質規模小,日冕比較不明顯。隨著自轉,磁力線捲繞,水平方向的磁力線越來越多,而且越發擁擠,黑子個數增加,且逐漸出現在太陽赤道附近,這是太陽極大期,磁力線重組造成磁暴,表面噴發出大量高速帶電物質,衝向太空。之後磁極逆轉,開始另外11 年循環。所以太陽的磁場方向會逆轉,整個磁場週期為22 年。因此研究太陽磁極如何在短短11 年當中逆轉,尤其在過程中磁場的結構變化,可提供很多有關地磁逆轉的訊息。

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這幾年的黑子異常,倒不在於太陽過度活躍,反而是黑子數目創低紀錄。例如2007到2009 年間,黑子個數未如預期開始增加。事實上在2008 年的366 天當中,有266天,也就是73%,太陽表面沒有任何黑子。黑子數一直到2009 下半年才開始明顯增加,到2011 年春天,每天大約有數十個黑子,但是整體黑子數(包括極大與極小)仍然偏少。

有些科學家統計出黑子平均數目越少,也就是太陽越不活躍,地球大氣蒸發越和緩,導致雨量減少、作物欠收、沙塵暴與森林火災頻繁,進一步影響了全球經濟。科學家認為從16 世紀中到19 世紀中,地球發生小冰河期,尤其介於1645到1717年間,雖然不是真正冰河期,但地表的確溫度偏低,可以從那段時期的藝術作品中找到很多證據。造成這個現象的其中一個可能原因,就是太陽活動偏弱,這可以從當時太陽黑子數目少看得出來。值得一提是這段時期,中國歷史上北方外族不斷侵入,部分原因可能就是氣候太冷所致。

太陽是太陽系主要能量來源,其活動當然影響到地球。太陽表面一旦局部發生爆發,氣體挾帶巨大能量從表面噴出,以每秒數百公里的速度向外噴射,這個速度相當於時速百萬公里。這些高速氣體於2 、3 天後抵達地球,而太陽表面產生的閃焰光線則以每秒30 萬公里的速率,只花了8 分20 秒就率先到達地球。來自太陽的高速帶電粒子具有很大破壞力,因此太空船必須要有完善遮蔽,以保護太空人及儀器。地球表面因為受到大氣層與磁場的保護,以致這些粒子無法大量直接侵襲地表。

圖六:太陽表層在赤道自轉較快,磁力線跟著運動,使得原本南北向的某磁力 線,後來纏繞如毛線球般,右下方內圖顯示磁力線穿出大氣層,出現黑子群。

地球的直徑約為1 萬3000 公里,太陽的直徑約為140萬公里,地球與太陽之間的距離則為1 億5000 萬公里。如果把地球比喻成籃球,那麼太陽有如在3.5公里之外的一棟10 層大樓。和地球相比,太陽的確有如龐然大物, 2012~2014 太陽極大期所產生的局部爆發,對太空環境絕對有很大影響,歷史上也發生過大規模太陽爆發,連地面都受到波及,例如1859年9月1日俗稱的「卡靈頓閃焰」(Carrington flare)是過去450年來最大的爆發事件。科學家以太陽閃焰釋放的最大能量來分類,其中A、B、C等級規模小,對地球幾乎完全沒有影響, M 等級規模稍大, X 等級則規模更大;其中每個等級又以數字細分,數字越大,規模也越大。1989年3月10日,科學家觀測到太陽表面發生大規模閃焰,在幾分鐘內則看到巨量氣體噴發而出。閃焰以光速抵達,γ(迦瑪)射線充斥在地球大氣,游離出大量電子,導致電波通訊受阻。太陽噴發出的物質於12 日抵達,造成炫麗的極光,連低緯度也看得到。整個大地充滿電流,終於在13 日凌晨造成加拿大魁北克全區停電,美國東岸也受到影響。太空中的人造衛星,包括太空梭,也都受到波及。類似這樣的事件,提醒我們關注天氣不僅止於大氣中的颱風或鋒面,而應該包括太空天氣。

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圖七:過去400 年的太陽黑子數目統計

太陽磁暴對我們絕對會造成影響,大規模爆發可能造成電訊中斷,甚至大區域停電。在太陽即將逐漸開始活躍之際,對於這樣的威脅我們必須提高警覺。但是目前沒有證據顯示,太陽會發生超級磁暴,造成全球滅亡。如果問科學家2012 年太陽是否會發生超級磁暴,他們不會有答案,因為雖然知道太陽將進入活躍期,但是無法預測何時會發生爆發,規模會如何。地震的情形也是一樣,科學家孜孜不倦探討地球內部結構,了解地震原因,但還有很多詳細結構不清楚,因此還無法準確預測地震。要說某些人可以拿幾張圖表就說出下個大地震發生的地點與時間,這實在沒有道理。

電視名嘴現象

台灣電視上的名嘴真是奇特現象。其他國家電視節目也會找專家學者來解說,但是像台灣這些全能名嘴,尤其個人專長不同,但是任何話題總能侃侃而談,實在不可思議。其實這些名嘴有些本來就是記者,而現在也扮演了記者原來該有的角色,也就是查證新聞正確性,以及提供背景知識。從這個角度來看,名嘴功不可沒,他們針對有新聞性的話題,藉由網路與書籍做足功課,然後藉由良好口才,讓觀眾輕鬆取得整理過的資訊,補充白天新聞報導深度不足之處,是台灣補習文化又一案例。關鍵在於正確性,歷史學家在自己豐富的資料與知識內遊走,聽起來趣味盎然,說起太陽風暴,要是談到史料當中有關環境變遷的證據,戰爭與飢荒與太陽活動的關係,一定會是很好的話題,但要同樣這些人談論磁場重組、地球與銀河中心和黑洞排成一列,暗物質、暗能量這樣的題目,就很難有說服力了。

具有科學背景的學者在這波名嘴風潮最需要檢討。討論本科內的話題,他們當然游刃有餘,但出了本身專長,談起來難免捉襟見肘,錯誤連篇,嚴重誤導觀眾;真正的學者應該明白,要是在學術界,任何一項錯誤,大概早就斷送學術生涯了。學有專精的科學家被問到類似的題目,總滴水不漏地回答說目前還不知道,或是事情還沒有定論云云。民眾下了班,打開電視,沒有興致收聽嚴肅又沒有答案的東西,因此雖然知道節目胡扯,收視率卻能居高不下。解決之道之一就是科學家訓練說故事的能力,自己洗出一副完整的牌,讓謬論無所存在,說說已經知道了哪些事情,用簡單的語言、比喻,讓我們體會大自然可以理解的一面,然後帶領我們欣賞未知世界更迷人的一面。

參考資料

  1. [skeptic] 2012 and Counting by Dr. David Morrison
  2. 《中國大百科全書──天文學》,錦繡出版社,1994 年。
  3. The Great Magnet, the Earth
  4. 陳文屏教授
本文發表於 科學月刊 第四十三卷第一期
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科學月刊_96
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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

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經濟重要還是環境重要?明朝末年發生了什麼事?氣候如何影響國家?——《價崩》導讀
衛城出版_96
・2024/05/07 ・4105字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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眼皮底下的事實:環境史研究者看《價崩》

洪廣冀(臺灣大學地理環境資源學系副教授)

著名的漢學家卜正民以如下段落為《價崩:氣候危機與大明王朝的終結》一書定調:

生活在這個時代,我們彷彿逃不出莫測變幻的手掌心。變化讓人這麼痛苦、氣餒,為了安慰自我,我們便告訴自己:當代的生活特徵就是接連不斷的變化,正是這種不穩定,讓世界變得比以往更複雜。

他告訴我們,作為一個「長壽之人」,「過去十年來,氣候變遷、物價通膨,以及政治豪奪的速度與規模」,他認為也是前所未見。只是,作為一個歷史學者,他還是想問,若我們放大時空的尺度,當代人在過去十年來經歷的變化,真的是前所未見嗎?他的答案是否定的。在一六四○年代早期的中國,也就是明朝末期的中國,是一個連「生存條件都被剝奪,平安度日的尊嚴都被否定的時代」,因為「大規模的氣候寒化、疫情與軍事入侵,奪走數以百萬計的人命」。

在一六四○年代早期的中國,也就是明朝末期的中國,是一個連「生存條件都被剝奪,平安度日的尊嚴都被否定的時代」,因為「大規模的氣候寒化、疫情與軍事入侵,奪走數以百萬計的人命」。
圖/unsplash

藏在眼皮下的事實是什麼?小冰期如何發生?

一六四○年代初期的中國發生什麼事?這便是卜正民試圖回答的問題。他反對傳統史學的兩大見解:一者是訴諸人禍,即訴諸當時宮廷內的派系鬥爭,統治階層道德淪喪,導致民不聊生;二者是訴諸十六至十七全球的白銀貿易,即當時從美洲與日本湧入中國的白銀,造成物價波動與社會不安。卜正民認為,訴諸人禍與貿易會讓我們看不見「藏在眼皮底下的事實」:小冰河時期(簡稱小冰期)。

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廣義地說,小冰期是從十四世紀至十九世紀初期的地球寒化現象,氣溫平均掉了攝氏兩度。乍看之下,攝氏兩度的溫差或許微小,但對作物而言,這樣的溫差已經足夠讓作物減少一次收成,或根本無法收成。再者,必須注意,兩度的溫差是「平均」,即可能是極熱與極寒的氣溫交錯變化造就此兩度溫差。這確實也是在小冰期中發生的事。

地球科學家推測,寒冷的氣候讓兩極的冰山範圍擴張,讓海水變得更鹹,也就是變得更重,影響洋流的流動方式,從而牽引了大氣與洋流間的循環。影響所及,所謂「聖嬰-南方震盪現象」(El Niño-Southern Oscillation, ENSO,即傳統上所說的「聖嬰現象」加「反聖嬰現象」)變得格外激烈,乾旱、水災等極端氣候頻傳。不僅如此,地球科學家也指出,小冰河期也是火山活動格外頻繁的時期。火山噴出的煙塵,遮蔽了太陽輻射,更加速了地球的寒化。

地球科學家推測,寒冷的氣候讓兩極的冰山範圍擴張,讓海水變得更鹹,也就是變得更重,影響洋流的流動方式,從而牽引了大氣與洋流間的循環。
圖/unsplash

小冰期的起因為何?目前普遍接受的見解是太陽活動改變。此外,也有研究者指出,這與所謂歐洲人「發現」新大陸有關。受到所謂「哥倫布大交換」的衝擊,美洲原住民大量消失,森林擴張,吸收大量二氧化碳。眾所周知,二氧化碳是溫室氣體;二氧化碳濃度的減低,讓大氣保溫的能力下降,與前述太陽活動與火山噴發的效果耦合,讓寒化成為不可逆的過程。總之,我們現在已經知道,地球是個混沌系統,牽一髮不只動全身,甚至整個身體都會分崩離析。

回到《價崩》這本書。卜正民指出,明朝的存續時間(一三六八至一六四四年)即落在小冰期,並成為明朝覆亡的主因。他將小冰期之於明朝的影響分為六個泥沼期:一、永樂泥淖期(一四○三年至一四○六年)。二、景泰泥淖期(一四五○年至一四五六年)。三、嘉靖泥淖期(一五四四年至一五四五年)。四、萬曆一號泥淖期(一五八六年至一五八九年)。五、萬曆二號泥淖期(一六一五年至一六二○年)。六、崇禎泥淖期(一六三八年至一六四四年)。

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永樂泥淖期欠缺災荒記載,景泰泥淖期以饑荒收尾,嘉靖泥淖期氣候異常乾冷,萬曆一號泥淖期爆發饑荒、洪水、蝗災與大疫,「人民相食,枕籍死亡」;萬曆二號泥淖期的乾旱與水災頻繁,饑荒再度爆發,「朝廷賑濟的請願如潮水湧來」。崇禎泥淖期是明代乃至於「整個千年期間最慘痛的七年」,「米粟踊貴,餓殍載道」。一六四四年四月末,闖王李自成兵臨北京,致書要求崇禎帝歸順。崇禎不從,在命皇后、貴妃與女兒自盡後,他爬上皇居後的煤山,自縊身亡。李自成稱帝後,滿人入關,將中國納入大清國版圖。

不可忽視的幽靈?拔除合理征服者的解釋,明朝滅亡原因還有哪些?

如此的歷史解釋是否會流於環境決定論?卜正民的回答是:「如果環境決定論的幽靈就在門外徘徊,我也不會在分析時將其拒於門外。」那麼,是什麼讓寫出《縱樂的困惑》、《維梅爾的帽子》等名著的歷史學者相信環境的決定作用?答案就是糧價。

卜正民先生像。
圖/wikipedia

以他的話來說,「太陽能與人類需求的關係,是透過糧價調節的。從景泰年間到崇禎年間,糧價在五次環境泥淖其中激增,每一次都把價格多往上推一截,這樣的事實也說服我必須採用氣候史的大框架。」卜正民表示,「一旦經濟體仰賴太陽輻射為能源來源,那麼無論大自然是幽而不顯還是顯而易見,都必然是社會或國家生命力的決定因素。」

在結語「氣候與歷史」中,卜正民再次反駁那些把明朝覆滅推給「失德」的見解。他認為,這種論調是「合理化明清兩朝遞嬗的過程」,且「編出這種敘事並為之背書的,就是征服者」。他強調,「明朝的滅亡固然不能推給災荒糧價,但講述崇禎末年重大危機時不把氣候因素納入考慮,那簡直就像莎士比亞所言,宛如癡人說夢,充滿著喧譁與騷動,卻沒有任何意義。」

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然而,不至於將環境決定論「拒於門外」是一回事,認為社會變遷就此被環境「決定」,又是另一回事。卜正民並不認為,面對氣候因素帶來的種種挑戰,明朝各級官員只能雙手一攤,感嘆天要亡我,不做任何努力。就如其他生活在小冰期的人們一般,卜正民認為,明朝人建設基礎設施、育種、建立制度、開發新科技與控制生育力等;但問題是,一六三○年代晚期的種種災害,並未催出社會的適應力,反倒是摧毀其適應力。

拜此時勃發的火山活動與激烈的聖嬰-南方震盪現象「之賜」,不論是政府還是市場,都變不出糧食。卜正民認為,至少在前五個泥淖期,明朝人還是表現出相當的韌性,努力予以調適。然而,進入崇禎泥淖期後,春夏乾冷,田地龜裂,運河無水。當每公斤的米得需要兩千五百公升的水,而老天爺就是不願意降下一滴雨時,糧食供應體系就此崩潰,連帶把物價與政治體系拖下去陪葬。

是誰忽略了眼皮底下的事實?這段歷史帶給我們什麼警訊?

回到卜正民所稱的「眼皮底下的事實」。我們要問,是誰忽略了這項事實?誰是這對眼皮的擁有者?卜正民的答案有二。一則是以研究社會、政治與環境變遷的人文社會科學研究者。以小冰期的相關研究為例,他表示,當他開始研究明代中國糧價變異與氣候變化之關係時,驚訝地發現,「其他地方的環境史對糧價幾乎不提」。與之對照,精通糧價的歷史研究者,如不是太快地把糧價理解為「公平交易」的指標,便是視之為社會關係的一環,忽略了糧食必得是在特定的環境條件下孕育出來的。

另一個忽略氣候或環境此事實者便是卜正民的同代人,也就是在閱讀這本書的你我。現代人對物價飛漲的關注程度遠比全球暖化、極端氣候與環境破壞來得高;畢竟,前者是切身之痛,後者則相當遙遠,是北極熊與紅毛猩猩的事。
圖/unsplash

另一個忽略氣候或環境此事實者便是卜正民的同代人,也就是在閱讀這本書的你我。現代人對物價飛漲的關注程度遠比全球暖化、極端氣候與環境破壞來得高;畢竟,前者是切身之痛,後者則相當遙遠,是北極熊與紅毛猩猩的事。然而,卜正民的分析告訴我們,即便明代中國離現在相當遙遠,所謂的小冰期至少也是一百五十年以上的事,但物價恐怕還是可作為某種氣候指標。換言之,若人們以關心物價的熱誠來關心環境,面對當代的環境危機,說不定人們多少可找出個解方。

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此外,讓人心生警惕的是,卜正民告訴我們,小冰期多少是個漫長的地球系統變化。小冰期本身並未造成明朝衰亡,是相伴的極端氣候摧毀了明代社會的韌性與調適。他也認為,面對小冰期、火山噴發與聖嬰-南方震盪現象誘發的極端氣候,從後見之明來看,明朝人也做了他們可以做的,但也只多苟延殘喘了七年,且還是生存條件都被剝奪、生活尊嚴都被否定的七年。

那麼,當人類誘發的氣候變遷可能已加劇了聖嬰-南方震盪現象,讓去年(二○二三年)夏天成為有紀錄以來地球最熱的夏天,而極端氣候彷彿成為日常,人類還有多少時間可以調適?如果說明朝多少是被地球系統的正常運作摧毀,當今地球系統的異常,是人類自己造成的,數百年後的歷史學家,在回顧這段歷史時,恐怕無法如卜正民對待明朝人一樣地寬厚,只能說這是咎由自取。諸如此類的思考,都讓《價崩》有了跨越時代的現實意義。

畢竟,明朝人不是外星人,他們跟我們都生活在同一個地球上。

——本文摘自《價崩:氣候危機與大明王朝的終結》,2024 年 05 月,城出版出版,未經同意請勿轉載。

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量子力學可以幫你判斷物體溫度?從古典物理過渡到近代的一大推手——黑體輻射
PanSci_96
・2024/03/24 ・3639字 ・閱讀時間約 7 分鐘

1894 年,美國物理學家邁克生(Albert Abraham Michelson)作為芝加哥大學物理系的創立者,在為學校的瑞爾森物理實驗室(Ryerson Physical Laboratory)落成典禮致詞時,表示:「雖然無法斷言說,未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆,但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明,這段話聽起來固然錯得離譜,但在當時,從 17、18 到 19 世紀,在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下,物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學,對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了,事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論,量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究,關於物體發出的光。

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萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念:所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射,包括了你、我、你正使用的螢幕,以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢?其中一個主要原因是,物體都是由原子、分子組成,所以內部充滿了帶電粒子,例如電子。這些帶電粒子隨著溫度,時時刻刻不停地擾動著,在過程中,就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外,物體發出的電磁波輻射,還可能有其他來源,我們就暫時省略不提。無論如何,從小到大我們都學過的,熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種,其中的輻射,就是我們現在在談的,物體以電磁波形式發出的能量。

那麼,這些輻射能量有什麼樣的特徵呢?為了搞清楚這件事,我們必須先找個適當的範本來研究。

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理想上最好的選擇是,這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線,只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話,我們去測量它發出的電磁波,就不會受到反射的電磁波干擾,而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體,稱為黑體;畢竟,黑色物體之所以是黑的,就是因為它能夠吸收外在環境光線,且不太會反射。而在我們日常生活中,最接近理想的黑體,就是一點也不黑、還超亮的太陽!這是因為我們很大程度可以肯定,太陽發出來的光,幾乎都是源於它自身,而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後,從洞口發出的電磁波,也會近似於黑體輻射,因為所有入射洞口的光都會進入空腔,而不被反射。煉鐵用的鼓風爐,就類似這樣子的結構。

到目前為止,一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是,在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初,科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據,但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射,卻遇到困難。正是由此開始,古典物理學出現了破口。

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黑體輻射

由黑體發出的輻射,以現在理論所知,長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率,橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下,黑體輻射只跟黑體的溫度有關,而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例,我們可以看到,隨著黑體的溫度越高,輻射出來的能量功率也越大;同時,輻射功率最高的波段,也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線,物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式,分成了兩派:

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一派是 1896 年,由德國物理學家維因(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien),由熱力學出發推導出的黑體輻射公式,另一派,在 1900 與 1905 年,英國物理學家瑞立(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和金斯(James Jeans),則是藉由電磁學概念,也推導出了他們的黑體輻射公式,稱為瑞立-金斯定律。

你看,若是同時擺上這兩個推導公式,會發現他們都各自對了一半?

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立-金斯定律只對低頻率波段比較精確,更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大,等等,無限大?――這顯然不合理,因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

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就這樣,在 1894 年邁克生才說,物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了,結果沒幾年,古典物理學築起的輝煌成就,被黑體輻射遮掩了部分光芒,而且沒人知道,這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候,那個男人出現了——德國物理學家普朗克(Max Planck)。

1878年學生時代的普朗克。圖/wikimedia

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式,比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早,史稱普朗克定律(Planck’s law)。普朗克假想,在黑體中,存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元,並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν,和電磁輻射的頻率 ν 成正比,比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之,黑體輻射出來的能量,以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的,也就是能量被「量子化」了。

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根據以上假設,再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈,普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式,同時包含了維因近似和瑞立-金斯定律的優點,不管在低頻率還是高頻率的波段,都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜,可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象,他認為,他假設的能量量子化,只是數學上用來推導的手段,而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何,普朗克成功解決了黑體輻射的難題,並得到符合觀測的方程式。直到現在,我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此,在現實生活中,有許多的應用,都由此而來。

正因為不同溫度的物體,會發出不同特徵的電磁波,反過來想,藉由測量物體發出的電磁波,我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間,我們可以看到某些場合會放置螢幕,上面呈現類似這樣子的畫面。

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事實上,這些儀器測量的,是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光,也是室溫物體所發出的電磁輻射中,功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線,就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然,一來我們都不是完美的黑體,二來環境因素也可能產生干擾,所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究,我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中,有彩虹背景的部分,代表可見光的範圍,當黑體的溫度越高,發出的電磁輻射,在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候,會在包裝上看到色溫標示,就是由此而來。所以,如果你想要溫暖一點的光線,就要購買色溫較低,約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上,在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半,正值第二次工業革命,當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說,當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言,煉鋼要靠工匠用肉眼,從鋼鐵的顏色來判斷溫度,但若能更精確地判斷溫度,無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家,在黑體輻射的研究上,曾做出許多貢獻,這一方面固然可能是學術的求知慾使然,但另一方面,也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之,普朗克藉由引進能量量子化的概念,成功用數學式描述了黑體輻射;這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意,但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法,並做出意味深長的詮釋,那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

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