科學家創造第一個自立式 3D 掩蔽

最近，韋伯太空望遠鏡發布首批科學影像，終於看到敲碗好久的結果——韋伯拍到了人類從未見過的許多東西！有人說，韋伯是哈伯的繼任者，但不知道大家是否好奇過，哈伯和韋伯到底誰比較強？

這個問題有點難回答，因為兩部望遠鏡都是當代科技的結晶。哈伯是 1990 年升空的王者，韋伯是 30 年後科技進步下的產物，我試著用客觀的方式來比較這兩部太空望遠鏡。

哈伯觀測可見光，韋伯觀測紅外光

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺，韋伯則是 6.5 公尺，韋伯的主鏡直徑比哈伯大 2.7 倍，這也是大家最常比較的部分。可是，如果主鏡大就比較厲害，那麼夏威夷大島上的凱克 10 公尺望遠鏡，不就比哈伯和韋伯更強？

哈伯與韋伯觀測的波段不同，用途也不一樣。哈伯主要觀測的波段在可見光，可見光是指人類眼睛可以看見的光或顏色範圍，也就是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫。從紅光到紫光，光的波長由長到短，紅光的波長大約是 0.62–0.74 微米（1 微米＝0.001 公釐），紫光的範圍則是 0.38–0.45 微米。

紅外光是指比紅光波長更長的光，也就是波長比 0.7 微米更長，這是韋伯望遠鏡主要觀測宇宙的波段。

哈伯和韋伯太空望遠鏡觀測的波段，一個在可見光，另一個在紅外光，所以在功用上本來就不一樣，如果要比較的話就要小心，不然就像拿橘子跟蘋果相比，拿不同的東西做比較顯得很突兀。

誰看得比較清楚？來比一比解析度吧！

哈伯與韋伯可以拿來做比較的是解析度，解析度的值（角秒）愈低，表示能看到天體愈細微的部分，解析度跟主鏡直徑和觀測的波長有關。望遠鏡主鏡愈大，解析度愈好；另外也跟觀測的波長成正比。

以下兩張影像分別是史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）和韋伯拍的天空中同一區域紅外光影像，拍攝的紅外波長也差不多（史匹哲：8 微米，韋伯 7.7 微米），不過兩幅影像的解析度卻差很多，韋伯的影像中可以看到更多的細節，史匹哲則好像糊成一團。

當觀測的波長一樣時，解析度跟觀測望遠鏡的主鏡直徑成反比。史匹哲的主鏡是 0.85 公尺，所以韋伯的解析力是史匹哲的 6.5/0.85=7.8 倍！主鏡的大小直接反應在解析度上，韋伯與史匹哲在解析度上高下立判！

解析度除了跟主鏡的直徑成反比，也跟觀測的波長成正比。所以同一面主鏡觀測天體，用愈短的波長觀測解析度愈好。下圖是史匹哲望遠鏡觀測 M81 星系的結果，同樣 0.85 公尺的主鏡觀測，隨著觀測波長的增加，解析度變差。

答案揭曉——哈伯的解析度略勝一籌！

前面提到解析度跟主鏡直徑與觀測波長的關係有一個重要前提，主鏡必須研磨到完美、光滑，也就是主鏡上不能出現高低起伏。如果主鏡不完美，像遊樂場裡的哈哈鏡，不能聚焦成像，解析度自然不好。

波長愈短對鏡面的要求愈高。哈伯太空望遠鏡的鏡面對 0.5 微米波長更長的光是完美的，比 0.5 微米波長更短的光波則呈現不完美，韋伯望遠鏡的主鏡則是對 2 微米更長的波長是光滑的。（光學上，物理學家的說法是哈伯和韋伯分別在 0.5 和 2 微米達到繞射極限。）

哈伯和韋伯望遠鏡最佳解析度分別在 0.5 微米和 2 微米，根據前面的解析度公式，哈伯在 0.5 微米的解析度是 0.05 角秒，而韋伯在 2 微米的解析度是 0.08 角秒，結論是哈伯的解析度比韋伯稍微好一點！也就是哈伯老當益壯，一點也不比韋伯差。

從哈伯到韋伯，有如長江後浪推前浪

天文學家從 1990 年開始，透過哈伯望遠鏡研究宇宙，這三十年來科學家已經把哈伯的功能發揮到極致，我們對宇宙的了解很多都來自哈伯的觀測。不過這三十年的努力也讓天文學家發現哈伯不足的地方，科學家知道關鍵在紅外線觀測能力。前一代的紅外望遠鏡史匹哲無法達到需求，天文學家只能殷殷期盼韋伯。

韋伯首批公布的影像中，幾乎都是哈伯曾經拍過的天體，從科學上來說，比較可見光和紅外影像資料可以對目標天體更多了解，不過我認為這應該是韋伯對哈伯致敬的方式，感謝哈伯三十多年的貢獻！

韋伯站在巨人的肩膀上，必定能看得更暗、更遠！

• 文／陳彥諺

我們的生活中充滿了音樂。走在大街上，路邊潮流服飾店家放著節奏明快的流行樂，轉個彎，進入咖啡廳，裏頭播放著的是變化豐富的爵士樂，再戴上耳機，接續手機中上次播放的樂曲，忍不住就跟著旋律搖頭哼唱。

你喜歡音樂嗎？高三的阿辰很喜歡。作為一個喜愛音樂的青少年，他並不滿足於單純的欣賞而已，為了進一步靠近音樂，他還加入搖滾樂社，擔任貝斯手，並且，當談到音樂的相關現象，阿辰總能侃侃說出背後的原理從何而來。

阿辰不僅僅是熱愛音樂的高中生，他的另一個重要身份是——《音樂關鍵字》的男主角。

做音樂的關鍵——理性

《音樂關鍵字》是由客家電視台花費長達三年的時間製作而成，一共八集，每集皆為 10 到 20 分鐘左右，是結合 3D 動畫及原創音樂的科普動畫。

篇幅雖短，但兼具理性與感性，作為自然科學與人文藝術的對話與結合，《音樂關鍵字》內容一點都不馬虎。除了透過角色之間的有趣互動，傳達有歡笑、有淚水、有世代溝通等橋段的溫暖故事外，更藉由故事為引子，每集說明 2 至 3 個音樂相關的科學知識。

許多人談到「音樂」，便認為那是「感性的產物」，言下之意是，音樂似乎是由抽象的情感所主宰，不過如果要能掌握聲音、有效率的做出自己想要的音樂，背後牽涉的其實是理性的科學原理——理性，是建立認知的基礎。

試想，當我們心中有著豐沛情感，想藉由音樂表達出來，該怎麼做呢？首先必須正確了解聲音本身的性質，包含了響度、頻譜、直達聲音、殘響、泛音、共振等聲學知識，也須掌握人體的前庭系統、酬賞系統等生理層面的認知後，才能正確地欣賞、理解且運用，讓音樂順利成為表達情感的媒介。若不能正確掌握音樂知識，便容易發生「怎麼好像怪怪的？」卻說不出所以然，也無從改善的窘況。

科學知識不複雜，《音樂關鍵字》用故事解答

音樂的科學知識聽起來很複雜嗎？一點也不。在《音樂關鍵字》的動畫裡，生硬的聲學知識、艱深的人體系統概念等，透過專業物理教師、音樂顧問提供的知識概念，再經劇組人員以生活事件及場景串連，音樂的科學知識便能在短短十分鐘內，讓人看著影片就已輕鬆掌握。

比如，EP06〈你好，我叫江東平〉中，藉由青少年阿辰與患有自閉症的江東平，兩人攜手協作共創一曲的故事，讓大眾看見自閉症學童的狀況，以及「音樂」可以如何有效治療，協助自閉症患者逐漸融入常人生活。

江東平是高功能自閉症，智商其實和一般人無異，不過由於大腦內的聽覺區附近、額葉、邊緣系統的結構或功能異常，導致自閉症患者出現了社交溝通及語言使用的障礙。腦科學研究進一步指出，在音樂治療的過程，可增強聽覺區附近、額葉、邊緣系統三者的連結，因而增強社交能力、共享式注意力、語言能力等。

青春總是充滿騷動與不安，也因此許多青年朋友們很著迷於重金屬音樂，不過，要如何發出如同野獸般的嘶吼聲同時不傷及喉嚨呢？為什麼當主唱用吼音唱歌，就會聽不清楚歌詞呢？EP03〈吼〉這一集中，從發聲原理切入，給了觀眾十分詳盡的解答。

由於人類有真聲帶與假聲帶，假聲帶位於真聲帶之上。當肺部空氣受到擠壓，從氣管上衝，通過聲帶之間的夾縫造成振動，便會發出聲音。振動真聲帶所發出的聲音，因為振動頻率固定，有清晰的音高，不過吼音特別會用到假聲帶，而假聲帶的振動往往不規律，發出的聲音不具清晰的音高，在音階與聲調不明顯的情況下，就難以聽懂吼音所唱出的歌詞了。

《音樂關鍵字》的開篇 EP01〈尋聲〉則是一個在具有科學教育性同時，格外感人的故事。

阿辰喜歡捕捉聲音，自己存錢買了一套錄音設備錄製動物的聲音。某次，在他潛入森林，偶然遇到了一座廢墟，裡頭的鬼魂央求阿辰在陽光出來前，替他們錄製作品。

由於鬼魂不能移駕到專業錄音室，阿辰只能以簡易設備錄音，他注意到了「場域」的限制。由於聲波在遇到障礙物時會反射，當聲波在封閉且無吸音物品的空間裡，便會快速地從四面八方反彈，當反射的時間間隔少於 0.1 秒，就會產生混合餘音，造成「殘響」。不過，阿辰利用他的音樂知識解決問題，順利替鬼魂們錄音，也是在錄音同時，阿辰才發現自己已經遺忘許久的秘密。

最終章 EP08〈搖滾夢想〉，阿辰與高中社團夥伴們站上了搖滾舞台，他們用充滿破壞性與雜質的音樂榮獲第一名，而出生醫生世家的阿棋是他們的重要音樂夥伴。

不打算考醫學系的阿棋，家裡的人並不了解他喜愛的搖滾樂，卻願意支持他走一條不同的路，因為阿棋就像是搖滾樂中不能沒有的「雜質」，特殊而豐富的雜質，會使得搖滾樂聽起來格外有渲染力。一個乾淨清楚的樂音，在頻譜軟體上看來是一系列頻率成整數比的泛音，但搖滾樂中為了追求聽覺的刺激，會以特殊演奏技法、效果器等，讓相鄰泛音之間出現雜質，以表現音樂張力。

各大平台皆可收看《音樂關鍵字》

《音樂關鍵字》除了科學知識內容豐富扎實外，3D 動畫也別具風格，視覺也是享受，此外，節目中選用的音樂類型多元，貼合現代人的閱聽喜好，更由專業音樂人譜曲、填詞、配唱，內容好看又好聽。

目前《音樂關鍵字》已上架到客家電視台、Youtube 頻道囉，只要搜尋節目名稱，即可找到收看連結！

• 音樂關鍵字- 客家電視台
• 《音樂關鍵字》
• 暢歌實驗所 Hakka Music Lab

此外，精心製作的節目原曲，也可上 StreetVoice 或 節目官網 收聽喔！

• 文／邵思齊，現就讀臺大地質科學系，著迷於大自然的鬼斧神工。

現代的人們生活在充滿明亮人造光源的城鎮中，難以想像純粹的夜空是什麼樣子。對宇宙中天體的印象，多半來自各地天文台與太空望遠鏡所捕捉的絢麗星雲、星團、星系。但這些影像中的顏色是真實的嗎？如果我們能夠用肉眼看到這些天體，它們的顏色真能如影像中如此的五彩繽紛嗎？

色彩的起源：為什麼人眼能看到顏色？

電磁波跨越各種尺度的波段，有波長遠小於 1 奈米的伽瑪射線，也有波長數百公里長的無線電波。但人類眼睛中的的感光細胞僅能感測到波長介於 400-700 奈米之間的電磁波，也就是僅有這段電磁波能夠以紅到紫的色彩出現在人類的視野當中，所以我們對外界的認知就受限於這小一段稱為可見光（Visible Light）的視窗。人之所以能夠辨識不同的顏色，靠的是人眼中的視錐細胞。視錐細胞分成 S、M、L 三種，分別代表 short, medium, long，其感測到的不同波長的光，大致可對應到藍色、綠色、紅色。

肉眼可以，那相機呢？

在還沒有電子感光元件的時代，紀錄影像的方法是透過讓底片中的銀離子曝光、沖洗後，變成不透光的金屬銀（負片），但這樣只能呈現出黑白影像。於是，歷經長時間的研究與測試，有著三層感光層的彩色底片誕生了。它的原理是在不同感光層之間加上遮色片，讓三層感光片能夠分別接收到各自顏色的光線。最常使用的遮色片是藍、綠、紅三色。進入數位時代，電子感光元件同樣遇到了只有明暗黑白、無法分辨色彩的問題，但這次，因為感光元件無法透光，不能像底片一樣分層感光，工程師們只好另闢蹊徑。

於是專為相機感光元件量身打造的拜爾濾色鏡（Bayer Filter）誕生了，也就是由紅色、綠色、藍色三種方形濾光片相間排列成的馬賽克狀濾鏡，每一格只會讓一種顏色通過，如此一來，底下的感光元件就只會接收到一種顏色的光。接著，再把相鄰的像素數值相互內插計算，就可以得到一張彩色影像。由於人的視錐細胞對綠色特別敏感，因此拜爾濾色鏡的設計中，綠色濾光片的數量是其他顏色的兩倍。

這種讓各個像素接收不同顏色資訊的做法，雖然方便快速，卻需要好幾個像素才能還原一個區塊的顏色，因此會大幅降低影像解析度。這對寸解析度寸金的天文研究來說，非常划不來，畢竟我們既想得知每個像素接收到的原始顏色，又想獲得以像素為解析單位的最佳畫質，盡可能不要損失任何資訊。

要怎麼讓每個像素都能獨立呈現接收到的光子，而且還能夠完整得到顏色的資訊呢？最好的方法就是在整塊感光元件前加上一塊單色的濾色鏡，然後輪流更換不同的濾色鏡，一次只記錄一種顏色的強度。然後，依照濾鏡的波段賦予影像顏色，進行疊合，得到一張還原真實顏色的照片。如此一來，我們就能用較長的拍攝時間，來換取最完整的資訊量。以天文研究來說，這種做法更加划算。

另外，由於視錐細胞並不是只對單一波長的光敏感，而是能夠接收波長範圍大約數百奈米寬的光，因此若是要還原真實顏色的影像，人們通常會使用寬頻濾鏡（Broadband filter），也就是波段跨足數百奈米的濾鏡進行拍攝。

美麗之外？濾鏡的科學妙用

雖然還原天體的真實顏色是個相當直覺的作法，但既然我們有能力分開不同的顏色，當然就有各式各樣的應用方法。當電子從高能階躍遷回到低能階，就會釋放能量，也就是放出固定波長的電磁波。若是受到激發的元素不同，電子躍遷時放出的電磁波波長也會隨之改變，呈現出不同顏色的光。

如果我們在拍攝時，可以只捕捉這些特定波長的光，那我們拍出的照片，就代表著該元素在宇宙中的分佈位置。對天文學家來說，這是相當重要的資訊。因此，我們也常使用所謂的窄頻濾鏡（Narrowband filter），只接收目標波段周圍數十甚至數個奈米寬的波長範圍。常見的窄頻濾鏡有氫（H）、氦（He）、氮（N）、氧（O）、硫（S）等等。

有時候，按照原本的顏色疊合一組元素影像並不是那麼妥當，例如 H-alpha（氫原子）和 N II（氮離子）這兩條譜線，同樣都是波長 600 多奈米的紅色光，但如果按照它們原本的波長，在合成影像時都用紅色表示，就很難分辨氫和氮的分布狀態。這時候，天文學家們會按照各個元素之間的相對波長來配製顏色。

以底下的氣泡星雲（Bubble Nebula, NGC7635）為例，波長比較長的 N II 會被調成紅色，相對短一點的 H-alpha 就會調成綠色，而原本是綠色的 O III 氧離子則會被調成藍色。如此一來，我們就可以相對輕鬆地在畫面中分辨各個元素出現的位置。缺點是，如果我們真的用肉眼觀測這些天體，看到的顏色就會跟圖中大不相同。

當然，這種人工配製顏色的方法也可以用來呈現可見光以外的電磁波，例如紅外線、紫外線等。舉哈伯太空望遠鏡的代表作「創生之柱」為例，他們使用了兩個近紅外線波段，比較長波的 F160W 在 1400~1700nm，比較短的 F110W在900~1400nm，分別就被調成了黃色和藍色。星點發出的紅外光穿越了創生之柱的塵埃，與可見光疊合的影像比較，各有各的獨特之處。

望遠鏡接收來自千萬光年外的天體光線，一顆一顆的光子累積成影像上的點點像素，經過科學家們的巧手，成為烙印在人們記憶中的壯麗影像。有些天體按照他們原始的顏色重組，讓我們有如身歷其境，親眼見證它們的存在；有些影像雖然經過調製，並非原汁原味，卻調和了肉眼所不能見的波段，讓我們得以一窺它們背後的故事。

美國的研究者首度將立於自由空間的三維物體遮蔽，使得受到熱烈討論的「隱形斗篷」離現實更進一步了。

先前的研究不是純理論就是受限於二維物體的隱匿，但這項研究證明，一般物體如何能在其所處的自然環境中的各個方向上，以及從所有觀察者的位置上被隱藏。

發表在今日（1/26）的 New Journal of Physics 上，研究者利用一種稱為「電漿子掩蔽（plasmonic cloaking）」的方法，使一個 18 公分的圓柱管從微波前消失。

某些在隱形斗篷領域中的最新突破聚焦在變換型超材料（transformation-based metamaterials，超材料是一種非均質的、人為的材料，有能力使光線繞著物體曲折）的使用上，然而，這種新方法則是使用一種不同的人造材料：電漿子超材料（plasmonic metamaterials）。

當光擊中一物體時，它會朝另一個方向自其表面反彈離開，好比朝一面牆扔一顆網球。我們能看見物體的理由是因為光線從材料朝我們的眼睛彈過來，然後我們的眼睛能處理這種資訊。

由於它們獨特的特性，電漿子超材料對一般材料來說具逆向散射效應（opposite scattering effect）。

“當來自掩蔽與物體的散射場（scattered fields）產生干擾，它們會相互抵銷，而總體效應就是在任何觀察角度上都是透明與隱形。”

“電漿子掩蔽技術的優勢之一是其強健性與寬度適中的作用頻寬，優於傳統變換型超材料的掩蔽。這使得我們的實驗對於可能的瑕疵更強健，那對於隱藏自由空間中的 3D 物體格外重要，” 研究共同作者 Andrea Alu 教授表示。

在此例中，圓柱管被一層電漿子超材料的表層（shell）所遮蔽，使其看似隱形。該系統的測試是將微波指向被遮蔽的圓柱體並測繪物體周遭以及遠場（far-field）內的散射結果。當微波頻率在 3.1 GHz 以及在寬度適當的頻寬內，這種掩蔽的功效最優。

這些研究者（來自德州大學 Austin 分校）已在先前研究中證明，物體的形狀不會影響到掩蔽；畸形與對稱的物體都能利用這種技術匿蹤。

向前移動，研究者的關鍵挑戰之一將會是「使用可見光來掩蔽 3D 物體」的證明。

“原則上，這種技術能用來遮蔽光線；事實上，某些電漿子超材料天生就能用於可見光頻率中。然而，能以這種方法有效掩蔽的物體大小會隨作用波長而縮放，所以，當應用到可見光頻率時，我們也許能有效阻止微米大小物體的散射。”

“儘管如此，掩蔽小型物體對各式應用來說也許仍令人振奮。例如，我們目前正在研究這些概念的應用，在可見光頻率下隱匿微小的尖端。這對於生醫與光學近場測量來說相當有用，” Alu 教授下結論表示。

資料來源:PHYSORG:Scientists create first free-standing 3-D cloak[January 26, 2012]

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