1904 年諾貝爾物理獎：惰性氣體由我們一手包辦！—《物理雙月刊》

作為我們宇宙中的鄰居，以及夜空中最明亮的一盞燈，月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時，想起了遠方的至親；天文學家望向滿月時，心中卻出現了另外一個問題：「月亮為什麼在那裡？」

月球作為繞地球運轉的衛星，並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」（The Giant Impact）。今年八月，在中秋節即將到臨之際，科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體，為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源：月球是從地球分出去的？

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞，把地球撞得團團轉的同時，撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉，形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

聽起來或許十分異想天開，但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先，一個最簡單的觀察是：現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知，月球的公轉方向和轉速自形成後，便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關！

在化學成分方面，同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素（例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18）在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動，因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中，地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋，太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過，科學家在二十世紀初期，檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中，氧同位素比例竟然和地球一模一樣，強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外，許多地質證據顯示月球在形成初期，表面是高溫的熔融態，符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

六個月球隕石，可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今，月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受，但詳細的形成過程究竟是如何，仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質（例如水和二氧化碳）揮發殆盡，但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本，和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋，表示這些水或許是「原生」的，在撞擊形成時便一直留存至今，而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭，氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋，便是重要的追蹤工具，可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄，外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究，還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊，以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質；也就是說，它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後，它們受到更上層的岩層保護，免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中，才從月球的岩漿流中被撞擊而出，並在漫長的旅途後抵達地球。

要取得隕石的同位素指紋資訊，需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾，將它懸掛在天花板上，並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎，但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器，也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石（Murchison meteorite）。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析，嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中，他們排除了太陽風或小行星汙染的可能，而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體，研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素，以及其他容易揮發的鹵素元素等等，藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中，究竟是如何存活下來。

參考資料

1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances, 8(32), eabl4920.
2. One more clue to the Moon’s origin

天空為什麼是藍色的？（陽光明明是白光啊！）

這個看似沒那麼困難的問題，竟然難倒了很多物理大師，包括達文西、牛頓、克勞修斯、赫歇爾等人。他們都曾對此自然現象提出解釋，有的說是空氣中的塵埃反射陽光所造成，有人則認為是陽光經過水氣形成的干涉。然而越是乾淨的大氣或越是乾爽的天氣，天空看起來越藍，可見與塵埃與水氣無關。結果這個問題一直到十九世紀末才由英國物理學家瑞利男爵解決。

原來當入射光的波長比碰到的微粒還要大很多時，就會產生散射。瑞利發現散射強度與波長的四次方成反比（稱為「瑞利散射」），也就是說波長越短，越容易散射。空氣分子本身非常小，對可見光都會產生散射，但可見光中的藍紫光波長最短，所以會有更多的藍紫光不斷在大氣中散射，其散射比率高達紅光的五倍。而我們視網膜的感光細胞對藍光比對紫光更加敏感，所以天空看起來才是藍色的。

清晨或黃昏時，陽光在大氣中得經過更長的路徑才到達我們眼睛，有更多藍光在中途被散射了，所以朝日與夕陽看起來都是橙紅色的。彩霞就是雲反射陽光，所以也是橙紅色。天空不再是白天的藍色，是因為光線變弱了，而呈暗黑色。

除了「瑞利散射」，瑞利還解釋了我們如何判別聲音的方位。原來左右兩只耳朵接收到的音波相位與振幅大小並不完全相同，我們大腦就是根據兩者的差異判斷聲音的來源。

1900年，瑞利根據統計力學提出一個黑體輻射的公式，描述輻射能量與頻率之間的關係。這個公式只有部分與實際吻合，但因為沒有更好的理論，因而促使普朗克提出量子的概念，主張能量有基本單位，因而開啟了量子力學。

瑞利與拉姆西（William Ramsay）於1904年共同獲頒諾貝爾物理獎，不過獲獎原因與上述貢獻都沒關係，而是表揚他們在1894年發現新的氣體元素──氬。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。