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哈雷誕辰|科學史上的今天:11/8

張瑞棋_96
・2015/11/08 ・1009字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

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說到哈雷,一般人只會想到哈雷彗星(誰說哈雷機車的?出去!),其實他在科學史上可是還有許多創舉與貢獻。

愛德蒙·哈雷。圖片來源:wikipedia

哈雷自小家境富裕,有了父親的大力栽培加上自身的天賦,很早就在天文學上嶄露才華,未滿20歲就在格林威治天文台擔任助理。1676年跑到最南端的英國殖民地聖赫勒拿島(Saint Helena)待了一年半,繪製南半球天空的星圖,還作了水星凌日的觀測,因此1678年風風光光地回到英國後,成為皇家學會有史以來最年輕的院士。

1684年,哈雷跑去請教牛頓是否能證明克卜勒三大定律,只見牛頓輕描淡寫地回說他幾年前就寫過論文解決這問題了。哈雷肅然起敬,忙問道能否拜讀一下這篇論文?牛頓找了半天卻找不到。牛頓原本早被虎克氣得不想再公開自己的研究成果,但在哈雷舌燦蓮花的鼓吹之下,還是花了兩年時間,寫出包含三大運動定律的《自然哲學的數學原理》這本曠世鉅作。

不料英國皇家學會經費有限,又認為這三大冊以拉丁文撰寫的書肯定乏人問津,遂不願印行。哈雷此時因父親過世,財務已現窘境,但仍胸脯一拍,自掏腰包於1687年印刷出版。若沒有哈雷,牛頓這本影響深遠的劃時代鉅著恐怕就沒機會問世啊!

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1691年,哈雷發明潛水鐘,下沉到18公尺深的泰唔士河底下,停留了一個半小時。1693年,他分析一個小鎮的死亡年齡,提出史上第一份人壽保險的論文。1716年,他根據葛利格里(James Gregory)以水星凌日計算太陽距離的方法,提出更精確的金星凌日法;在現代人造衛星出現之前,這一直是測量太陽距離的最佳方式。

至於讓他流芳萬世的哈雷彗星,則是他於1705年提出的。哈雷從歷史的觀測記錄發現1456、1531、1607、1682這四年掠過天空的彗星,軌道參數幾乎都相同,因此推斷它們其實是同一顆彗星。經過計算後,他發現的確吻合牛頓運動定律與萬有引力定律,因此大膽預言這顆彗星將在1758年再度出現。

五十三年後這顆彗星果然如期現身;只是此時哈雷已去世多年,來不及目睹自己所預言的彗星回歸。天體運行向來被認為是上帝的巧手安排,如今人類竟然能看穿上帝的意圖,充分證明科學的強大力量。這顆彗星從此就被命名為哈雷彗星,以紀念他的貢獻。

下一次哈雷彗星將在2061年再度造訪,還有機會的人千萬別錯過75~76年才有一次的天文奇觀啊!

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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。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 951 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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我們的目標是地心世界!帶動極地探險的「地球空心說」是怎麼來的?
Rock Sun
・2021/06/01 ・5563字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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A 編按:最近的《哥吉拉大戰金剛》用了「地球空心說」,將地心作為泰坦巨獸的故鄉,可你知道嗎?「地球空心說」可是由著名天文學家艾德蒙.哈雷提出的!這個猜想不只有其道理,也帶動人類探索地心的秘密。

《一切都是泛科學的陰謀》專題與你一同挖掘各種陰謀論的脈絡!「地球空心說」並不是陰謀論,但其衍生出的各種說法,卻比陰謀論還要精采,而美國也真的派出過探險隊,試圖找到極地的地心入口。

有科學腦的人,應該很討厭陰謀論吧?有些有趣又無厘頭,有些很認真的讓你皺眉頭並且開始懷疑自己。你可能會問「這些想法為什麼會存在?」但是不管在哪個時代,陰謀論都會存在來挑戰充滿證據的事實,而我們能作的除了不斷的完整事實和理論的樣貌,還能從這些陰謀論反問自己「這背後有什麼道理嗎?」

地球內部的真實樣貌。圖/sciencephoto

如果把「地球空心說」放到現代,絕對會被大家嘲笑吧!但是在330年前,就連最偉大的天文學家也對此深信不疑。

過去,人類對於地球的內部構造並沒有定論,各種說法存在於神話、信仰之中。而第一位有憑有據猜測地球內部構造的人,是十七世紀末,大名鼎鼎的英國天文學家艾德蒙.哈雷,大膽提出了「地球其實是空心」的理論。

計算出哈雷衛星週期的天文學家-艾德蒙·哈雷。圖/Wikipedia

哈雷的浪漫猜測

哈雷發現地球的磁場其實並沒有想像中的「穩定」,在接近極區的地方,指南針並沒有辦法準確的指向,為了解釋這個現象,他大膽地假設地球的中心是中空的……更詳細一點的描述,其實地球內部是一個大空腔,裡面裝著有 3 個不互相接觸的同心球,由外到內大小分別參考金星、火星、水星,像俄羅斯娃娃一樣套在地球中,哈雷還參考土星環的原理,推斷這些球殼靠著離心力和重力懸空且不會相撞,而就是這些浮空的內部球殼造成地球磁場的變化。

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哈雷的地球空心說概念圖 。圖/wikipedia

面對這多層的地球,只有最外層有住生物嗎?哈雷大膽地說:「這些內部球殼上還有生命存在,整個地球結構就像上帝創造的多層建築一樣,不同樓層有不一樣的生命。」(事實上怪物宇宙系列電影也是以此為設定,這些地方就是泰坦巨獸的家鄉)

為了完善「地球空心說」,哈雷又提出球殼內部含有「鹽水」,靠著類似玻璃的粒子阻擋來讓地面的海洋不流到底下,又在 1716 年提出影響現代地球空心說的假設,極光就是從兩極地區的大洞下噴出的發光蒸氣

神奇的地球空心說就此誕生,甚至連哈雷本人都有點難以置信,他在 1692 年的紀錄中寫到:「講出這麼誇張又浪漫的假設,讀者可能會立刻譴責,直到我找到足夠的證據支持這個假說。」

哈雷當時剛剛好和好朋友艾薩克·牛頓撰寫科學名著「自然哲學的數學原理」(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica),和「自然哲學的數學原理」這本近代科學研究的基石寶典相比,哈雷在沒有足夠實驗方法下提出的地球空心說,某種程度上也算是近代科學史上第一個預測性質的假說,這稱不上是「陰謀論」,畢竟裡面沒有什麼違反當時認知事實的陰謀,只是一個科學家的大腦洞。

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博物學家的瞎掰

但老實說,地球空心說並不是哈雷獨有的想法,例如同一時期在日耳曼地區,一位名叫阿塔納奇歐斯·基爾學(Athansius Kircher)的全才博物學家也出版過一本書叫作Mundus Subterraneus (姑且翻譯為: 世界之下),內容提到地球中間其實有個大窟窿,可能就像鐘乳石洞般,裡面除了地下湖泊外,還有岩漿和火焰,而北極有一個漩渦將海水吸入地球內部,加熱後從南極噴出。

阿塔納奇歐斯·基爾學在Mundus Subterraneus中繪出地球內部的樣子。圖/ARCHIVE.ORG

和哈雷相比,基爾學連支撐他故事的理論都沒有。儘管現在知道哈雷錯得離譜,但是當時的科學認知和技術已經知道轉動的金屬會產生的磁場,所以如果地球磁場會有不同,可能表示地球中間不是堅硬的石頭,而是有會旋轉的岩石、金屬體吧?而且,因為磁力與引力相比影響更大,所以內部的球殼一定要處於一個絕妙的平衡來保持球殼不會崩壞。

當然在哈雷的版本中,還是有許多無法解決的問題,例如生命都需要的陽光怎麼達到內部?哈雷試著自圓其說,表示地底可能有許多凹面鏡,反射兩極製造出跟太陽一樣耀眼的光芒。

不過哈雷的地球空心說並沒有讓大家為之瘋狂,大部分人的回應是「恩,我知道了,這樣喔」,而哈雷也沒有再針對這個說法提出解釋或補強。但這也不代表他完全放棄了,事實上,他還執筆親手畫出了 3 個地殼的假設圖,成為地球空心說最標誌的圖像之一。

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雖然不被廣泛討論或承認,但在缺乏任何證據的情況下,與哈雷類似的地球空心說在 18、19 世紀偶爾會再重新出現一下,並帶著新的推論和假說。

數學大師也瘋狂

在 18 世紀,地球空心說被兩個數學家研究過,他們是大名鼎鼎的李昂哈德·尤拉(Leonhard Euler)和約翰·萊斯利(John Leslie)。

在微積分、幾何學有莫大貢獻的數學大師尤拉,曾假設空心的地球內有一個直徑將近 10000 公里的溫暖球殼,然後上面住著高科技的種族;萊斯利則是相信地底下有兩個同心球殼,內部還有兩顆恆星提供光線,他將這兩顆莫名其妙出現在地球內的恆星取名為 Pluto 和 Proserpine,也就是羅馬神話的冥王和冥后。

推廣地球空心說的辣個男人——希姆斯

19世紀地球空心說最大的推崇者是美國人約翰·克里夫·西姆斯(John Cleves Symmes),在美國紐澤西誕生的他熱愛研讀自然歷史相關書籍,在 1818 年他出版自己的地球空心說:

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「我主張地球是空心的,內部有無數同心球殼而且適宜居住,地球在南北極還有成12~16度的開口已獲得陽光。我發誓要證明這件事,也準備好前往地球內部探險,希望世界能夠支持我。」

John Cleves Symmes Jr. - Wikipedia
西姆斯筆下的地球空心說。圖/Wikipedia

作為一名多產的作家和演講者,西姆斯非常勤奮地到處宣傳他的假說,包括根據整個理論提出著作 “Symzonia: Voyage of Discovery” (姑且能譯為《西姆斯:發現之旅》),還四處募款,試圖前往兩極探險。他的主張「兩極有空洞,為地心帶來光明」的假說基礎是最廣為人知的空心說版本,也是在極地探險成真之前,眾多對兩極的幻想之一。

一波三折的南極探險計畫

西姆斯的努力吸引了幾位關鍵人物的注意,一位名為詹姆斯.麥可布萊德(James McBride)的俄亥俄州有錢人,他不只寫文章支援這個假說,還遊說肯塔基的議員理查.M.強森(Richard M. Johnson)支持前往南極的探險,沒想到理查還真的說服了當時的美國總統約翰.昆西.亞當斯(John Quincy Adams),但草案卻被國會駁回,直到下一任總統安德魯.傑克森(Andrew Jackson)上任之後,一個截然不同的南極探險計畫在 1836 年才被重新提出,但西姆斯已於 1829 年去世,無緣參與這場南極遠征。

1838~1842 美國探勘船隊。圖/Wikipedia

西姆斯死後,地球空心說的代言人由俄亥俄州的一位新聞記者——傑瑞曼亞.雷諾茲(Jeremiah Reynolds)繼承。為了前往南極一探究竟,1829 年雷諾茲加入狩獵船隊,爭取前往南極的機會,但旅途一波三折,不只遭遇叛變,還被同伴流放,經歷了九死一生的冒險才回到美國。隨後 1836 年雷諾茲在國會中演講,大力推崇當時尚未定案的美國南極探險隊,他強調這將會為國家帶來光榮並加強國際事務,但是在籌劃階段他因為不滿進度和內容,所以從計畫中被開除了。

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這場探險成功在傑克森總統卸任後 2 年出發,稱為 1838~1842 美國探勘船隊,由查爾斯.威爾克斯(Charles Wilkes)領導,這其實是一次非常正式的探險船隊,目的包括建立海圖、建立航線、收集科學及物種資訊……等,船隊從美國東岸出發繞過南美洲後前進太平洋,並在去程的倒數第二站造訪了南極,但是在希姆斯猜測有大洞的位置什麼都沒找到。

1838~1842 美國探勘船隊的去程路線,第 10 點即為南極洲。圖/Wikipedia

對地球空心說的狂熱並未停止

到此為止地球空心說可以說是正式破解了,但一直以來只要有機會,這個理論就會被丟出來解釋科學發現。例如 1846 年在西伯利亞冰原發現了猛瑪象遺骨,當下就有人懷疑它是不是從北極的大洞內部遊蕩出來、因為找食物而被困在西伯利亞,因為在猛瑪象的肚子內找到未消化的毬果,而死亡又這麼突然。

在 1864 年,還有一位大人物也出手了,也就是現代科幻小說之父凡爾納,他的作品之一《地心歷險記》就是描述一群人從冰島火山進入地心的世界探險,地心中還有大海和古生物。

1869 年一位美國煉金術士賽勒斯.提德(Cyrus Reed Teed)可以說是地球空心說的狂人,而且非常特別,在他的著作 “The Cellular Cosmogony, or The Earth, A Concave Sphere” 中,大膽的假設我們所居住的世界其實是地球的內凹面,我們頭上的天空其實是地球中心,而在我們地殼對面住著一支文明,但是因為濃霧的關係無法發現它們存在,而我們看到的月亮其實是另一個地球內部球殼。

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提德所提出,我們世界其實是處於地球的內凹面參考圖。圖/ Wikipedia

提德還改了姓名、創立了名為 Koreshanity 的宗教,並發行雜誌來吸引信徒,為了證明我們所居住的地球面是向內凹,還使用儀器丈量地表!最後,他在佛羅里達還擁有一塊 300 英畝的土地,他和將近 250 名信徒一同活在那裡直到 1940 年。

1873 年,一位神祕學家愛德華.鮑沃爾—利頓(Edward Bulwer-Lytton)完成了 “The Coming Race”,內容有關一群住在地球內部的文明,因為發現神秘的能量來源而科技發達。

1906年,作家威廉.里德(William Reed)出版了一書 “The Phantom of the Poles”表示其實可以搭船從地球外面到達地球內部,因為重力的作用讓他們在經過反轉時完全無感,而且很多水手其實去過了只是沒有發現。

就算是在 1913 年,此時人類已經成功到達並記錄了北極點,一位叫作馬歇爾·佳德爾(Marshall Gardner)的作家還是出版的一本叫作 “A Journey to the Earth’s Interior, or Have the Poles Really Been Discovered?” 的書質疑這件事,書中表示許多已經滅絕的生物其實都住在地球內部,因為地球誕生時,離心力形成了最外層的地殼,但是內部還有一個較重的殼,並持續接收地心的熱度。

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A Journey to the Earth's Interior Index
馬歇爾·佳德爾的地球空心說構圖。圖/sacred-texts.com

但是隨著我們對地球越來越瞭解,我們知道這些假說真的都是空穴來風,而在事實確認之下,已經是陰謀論的等級了。

終結地球空心說的女科學家——英厄.萊曼

20 世紀中期,第一位飛行橫跨南北極的人:理查德.伯德(Richard E. Byrd)在他的飛行紀錄回報中完全沒有提到任何大洞;1959 年一艘美國潛水艇從北極圈冰山下鑽過然後在北極地區重新出現,表示沒有大洞;儘管到今天我們在兩極都有觀測站了,還是沒有大洞存在。

1929 年,丹麥的地科學家英厄.雷曼(Inge Lehmann)藉由測量地震產生各種不同的波,推斷地球內有較靠近外部的液態構造和最裡面的固體核心,而這些液態物質的攪動、流動造成了磁場和變化,之後經過無數的實驗和驗證我們總算可以斷定……地球內部不是空的,但是某種程度上哈雷講的也沒有錯,因為我們的地球內部的結構的確有很多不同的層,包括地殼、地函、地心……等。

藉由科學測量得知地科學家英厄·雷曼。圖/Wikipedia

儘管錯得離譜,哈雷的地球空心說讓大家發現了一個可能從來沒問過的問題,激起了後來科學家們研究這件事的興趣,作為啟蒙時代的起步者,這可以說是一個有益於後代進步的有趣陰謀論,科學有趣的地方在於它的反覆驗證、質疑並且修正的特性,我們可以從錯誤的主張,逐漸導出正確的路。

參考資料:

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Rock Sun
64 篇文章 ・ 892 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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埃米莉.沙特萊──奔放不羈的科學傳播者
科學大抖宅_96
・2019/12/17 ・8266字 ・閱讀時間約 17 分鐘 ・SR值 618 ・十年級

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十八世紀,歐洲正值啟蒙運動(Enlightenment),崇尚理性,強調勇於求知、挑戰權威;當時的思想家普遍認為,理性的發展可以為人類帶來福祉、改善社會與生活——這樣的信念其來有自:從哥白尼創立日心說、1543年出版《天體運行論》開始,到1632年伽利略的《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》為哥白尼辯護,再到牛頓於1687年發表《自然哲學的數學原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,簡稱Principia),闡述三大運動定律和萬有引力定律,人類對世界的理解,產生翻天覆地的變化;同時,不只物理學,包括數學、化學、生物學等等,都出現突破性進展。

史稱科學革命的這段時期,大大加深了人們對理性求取知識的信心。

然而,每當有新的科學理論出現,社會不見得能馬上接受,或要經歷觀點的衝突與思想的轉化;隨著證據越來越多,最後才獲得大多數人認同。牛頓在發表他的理論之初,同樣面臨其他學說的競爭;其之所以能夠廣為人知、最終成為學界主流,某位女性居功厥偉──她參與了十八世紀學派間的論戰,也是史上第一位深刻理解牛頓學說的女性;她將牛頓以拉丁文寫成、內容艱澀的《自然哲學的數學原理》翻譯成法文,並鉅細靡遺地加上自己的解說和註釋。法國當時是歐洲最強盛的國家,《自然哲學的數學原理》法文版的出現,對牛頓思想的普及帶來很大幫助,也間接促進其地位的確立。奈何她的婚外情人名聲太過響亮,使其推廣科學的成就往往被後人忽略。

她,就是埃米莉.沙特萊(Émilie du Châtelet)。

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埃米莉.沙特萊畫像(圖片來源

良好的家世與顯赫的婚姻

加布里埃勒.埃米莉.勒托內利耶.德布勒特伊(Gabrielle Émilie Le Tonnelier de Breteuil)出生於1706年12月17日的巴黎。她的父親是服務法國路易十四朝廷的高級官員,也是文學愛好者,常定期邀請文人至其寓所聚會。因著良好家世,埃米莉從小就接受多元的教育,學習外語、馬術、體能、戲劇、舞蹈和音樂等等,甚至也被鼓勵發展科學和數學上的興趣(這對當時的女性來說是可遇不可求的),還認識許多知名學者與作家。年僅十二歲,埃米莉便能說流利的拉丁文、義大利文、希臘文與德文;到了十六歲,更被父親引介至凡爾賽宮,與其他王公貴族交遊。在當時的法國,很難有比這更優渥的童年了。

只不過,就算擁有再顯赫的出身與再高的學識,埃米莉都無法決定自己的終身大事。十九歲的時候,她接受家裡安排,嫁給大她十歲的軍官──沙特萊-羅蒙侯爵(Marquis du Châtelet-Lomont)。成為夫妻的兩人,卻一絲共同點都沒有:她聰明、機智、喜歡接觸新知,沙特萊-羅蒙卻很遲鈍、沒有智識上的興趣;她喜歡巴黎以及宮廷的社交生活,丈夫卻因職務之故長期不在巴黎,社交圈也僅止於軍中同袍。對埃米莉而言,這段婚姻完全沒有任何激情成份,只是盡義務罷了。然而,這樁婚事倒也不是沒有好處──埃米莉得到了更高的社經地位,甚至擁有在皇后面前坐凳子的特權,旅行時還能有自己的隨扈。而伴隨婚姻而來的,是豐富的物質生活,與填補不了的感情空虛。

沙特萊-羅蒙侯爵作為邊境地帶的領主,常需要參與戰事。丈夫遠行時,埃米莉就回到巴黎,參加凡爾賽宮的社交活動,包括賭博,更是皇后牌桌上的常客。結婚之後數年,他們的子女相繼出生,年僅二十多歲的埃米莉,已是三個孩子的媽。當時的貴族家庭,父母並不親自照顧小孩,孩子出生後便給奶媽帶大;她就跟當時其他的貴族女性一樣,不用負擔子女的照料和家事,生活奢華、喜歡華貴的衣服和鞋子、穿戴價格高昂的首飾。

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這時候的埃米莉,還很難讓人想像,有朝一日將成為十八世紀屈指可數的女性科學家。

凡爾賽宮的皇后臥室。埃米莉.沙特萊常和法國路易十五的皇后一起打牌。(圖片來源

與伏爾泰的相遇,成了邁向科學的契機

1733年,就在埃米莉放縱於巴黎的紙醉金迷時,能夠幫助她展現才華的人出現了──長她十二歲的阿魯埃(François-Marie Arouet),筆名伏爾泰(Voltaire)。

伏爾泰是優秀的思想家和哲學家/作家,也是啟蒙運動的代表人物;他常年批評時政與羅馬教廷,宣揚公民權、宗教自由以及政教分離;因為曾在英格蘭住過,伏爾泰對牛頓及其他英國學者的思想很是熟悉。雖然兩人早在多年前就打過照面,年輕的他們並沒有發展出長期的友誼關係;而這次相會,機智風趣的伏爾泰,馬上就和埃米莉成為很好的朋友,一起參加歌劇、戲劇、出入凡爾賽宮。

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伏爾泰畫像(圖片來源

在那個年代,自然科學尚未獨立成為學門,只被歸類為哲學的一個分支──自然哲學;因為埃米莉對自然哲學很有興趣,伏爾泰於是引介巴黎最熟悉牛頓理論的科學家莫佩爾蒂[1](Pierre-Louis Moreau de Maupertuis),給她上科學和數學課。

長期處於情感匱乏狀態的埃米莉,見到年紀相近、又是科學家的青年才俊莫佩爾蒂,瞬間墜入情網。她顧不得自身已婚,宛如少女情竇初開那般,將愛慕轉化為綿綿不絕的情書。然而,莫佩爾蒂或許對埃米莉過於濃烈的愛意感到負擔,轉而請另一位學者克萊羅[2](Alexis-Claude Clairaut)代替自己教導她。比埃米莉小七歲的克萊羅,是天份洋溢的數學家,聞名歐洲;他不但和埃米莉成為一生的朋友,也是其日後科學工作的夥伴。

或許可以說,埃米莉能在科學路上有所成就,除了靠自身天份與努力外,也多虧這三位益友在途中的幫助。

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遠離塵囂

1735年,伏爾泰因為出版的新書觸怒法國政府,被迫離開巴黎;埃米莉提供位於法國東部的上馬恩省(Haute-Marne)、距巴黎275公里的西雷莊園(Château de Cirey)給伏爾泰避難。過了幾個月,埃米莉也搬到西雷莊園與伏爾泰同住。此時的兩人,已成為熱戀中的情侶;沙特萊-羅蒙侯爵,也就是埃米莉的丈夫,對妻子另結新歡抱持默許的態度──畢竟他們的婚姻早就名存實亡。

西雷莊園成為兩人哲學/科學工作的中心,房間擺滿書籍和科學儀器,藏書量甚至媲美大學圖書館。和學術圈保持密切聯繫的同時,他們也邀請學者/朋友到莊園拜訪或長住。兩人遠離了巴黎社交圈,也遠離閒言閒語;白天研讀科學,晚上和朋友開宴會同歡。這時候的埃米莉,生活有好一部份重心都轉移到數學和科學上,即使短暫回巴黎也不忘記學習;她更將西雷莊園稱為「哲學與理性之地」。

十八世紀的西雷莊園(圖片來源

現在的西雷莊園(圖片來源

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在科學圈的初試啼聲

1737年,法國皇家科學院(現為法國科學院)的年度論文競賽,主題是火的本質與傳播。埃米莉寫了139頁的論文,嘗試整理所有已知的火焰性質並做出論述。雖然沒有提出新的實驗發現或理論,但她在論文裡提到:「太陽的光線呈現黃色,所以相較於其他顏色的光,太陽在本質上必然投射出較多的黃光。⋯⋯很有可能在其他的(恆星)系統,有的太陽會投射出更多紅色、或綠色等等的光線⋯⋯」這段推測與目前的科學認知,在概念上非常接近。

後來,論文獎項由瑞士出身的數學家歐拉[3](Leonhard Euler)和另外兩位學者奪得;這讓埃米莉、以及也有參加競賽的伏爾泰傷心極了,埃米莉甚至寫信,向評審之一的老朋友莫佩爾蒂抱怨。此時的她並不知道,贏得殊榮的歐拉將成為有史以來最偉大的數學家之一,輸給歐拉一點都不是什麼可恥的事。無論如何,1738年,法國皇家科學院將參與競賽的優秀論文彙整出版,其中便包括埃米莉和伏爾泰的論文。

李昂哈德.歐拉畫像(圖片來源

《物理學教程》的出版

1740年,鑑於當時的法文物理學教科書都已過時,沒有納入近幾十年的物理學發展,在朋友勸說下,埃米莉將她教導兒子的物理學基礎內容整理成冊,匿名出版《物理學教程》(Institutions de Physique)。事實上,埃米莉對出書並不陌生:兩年前,伏爾泰出版著名的《牛頓哲學要素》(Éléments de la philosophie de Newton),嘗試為牛頓哲學提供清楚易懂的解釋;一般相信埃米莉對這本書的內容貢獻良多,只是沒有被列為作者。

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《物理學教程》主要在介紹當時(尤其是牛頓)的物理學理論,但同時也採用知名數學家萊布尼茲[4](Gottfried Wilhelm Leibniz)的觀點,討論當時最前沿的物理學爭議──活力(vis viva,意為活著的力)。早在十七世紀,聲名遠播的哲學家笛卡兒[5](René Descartes)及其追隨者便提出,在力學系統內,若把每個物體的「質量」[6]和其「速率」相乘,再加總起來,會是守恆的。過了幾十年,萊布尼茲卻聲稱,真正守恆的量,是把每個物體的「質量」和其「速率的平方」相乘,再加總──他把這個物理量稱為活力。同時,牛頓也參了一腳:他指出,在某些特定系統裡(例如兩個軟物體互撞),萊布尼茲的說法顯然有誤。

十八世紀的學界,對動量、力、功、能量、質量這些我們現今熟知的概念並不清楚。活力的爭議會延續這麼多年,一方面是因對詞彙的運用與定義不清,另一方面學界也找不到所有狀況都適用的原則。

埃米莉本身雖然是牛頓學說的支持者,但在《物理學教程》中,進一步發展萊布尼茲的觀點,並採用當時另一位科學家的實驗觀測,論證活力應該要正比於「速率的平方」才對。沒想到,這本書關於活力的討論,後來卻引起軒然大波。

《物理學教程》封面。早期版本上並無作者名字。(圖片來源

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接踵而來的人際糾紛、歧視與批評

埃米莉在撰寫《物理學教程》的時候,曾就萊布尼茲的理論向某位學者請教。然而,這位學者後來卻散布謠言,聲稱埃米莉正在寫的書抄襲他的著作;埃米莉自然是一概否認。換個角度想,既然埃米莉曾向其諮詢,那麼書中針對萊布尼茲學說的介紹,有一定程度受到對方的觀點影響,或許也不是那麼奇怪。無論如何,這件事後來不了了之,《物理學教程》也順利出版。世人無從得知兩人之間究竟發生什麼事,只懷疑是跟金錢糾紛有關。

福無雙至禍不單行,在《物理學教程》出版後不久,法國皇家科學院的秘書德邁蘭(Jean-Jacques d’Ortous de Mairan)發表公開信,質疑書中內容。原來,埃米莉在《物理學教程》裡,除了採用萊布尼茲的觀點之外,還評論了德邁蘭支持笛卡兒/牛頓一派的論文;德邁蘭作為堂堂學者,又是皇家科學院的秘書,實在無法忍受被學界名不見經傳的女人批評。在公開信中,德邁蘭質疑女人善變、埃米莉腦袋有問題,並堅持埃米莉錯誤詮釋他的科學工作、對數學的理解也不完全。

埃米莉無法忍受德邁蘭的無稽之談;她即時針對信中批評,以體面、整潔的語調逐一反駁,並將回應寄給皇家科學院眾多成員。埃米莉一戰成名,也讓眾人看到她確實學有專精。為此,在1742年《物理學教程》再版裡,埃米莉除了就部份內容做修改之外,也把自己和德邁蘭隔空交火的信件附上,讓讀者自行判斷孰是孰非。這次她不但不再隱去姓名,還加上自己的畫像。一般而言,人們大多認為埃米莉在這次爭論中贏了德邁蘭。

從科學發展史的角度來看,埃米莉的《物理學教程》,是一本嘗試向法語國家推銷英國學說,卻又努力不傷害國家民族感情的著作──大自然畢竟不分國界。她特地旁徵博引許多法文參考資料,以作為論述的佐證;像是,莫佩爾蒂和克萊羅於1736年率領法國遠征隊,到芬蘭的拉普蘭(Lapland)測量子午線長度,最終證實地球為扁圓形──跟莫佩爾蒂和克萊羅基於牛頓理論的研究結果吻合。這本書將牛頓學說的基本概念,包括物體的運動以及萬有引力,介紹給一般大眾。可以說,《物理學教程》的撰寫,以及引發的一系列討論,都讓埃米莉更有能力面對她畢生最大的成就──翻譯牛頓的《自然哲學的數學原理》。

《自然哲學的數學原理》初版封面(圖片來源

埋首新計畫:《自然哲學的數學原理》的翻譯工作

好些年來,伏爾泰和埃米莉在西雷莊園過著只羨鴛鴦不羨仙的生活,然而再親密的伴侶終究還是得面對時間的考驗。1743年以後,兩人的互動充滿緊張與爭吵;伏爾泰出外旅行時,寄給埃米莉的信不但越來越少,內容也不再情話綿綿。他們的關係,就在伏爾泰出軌後嘎然而止──儘管如此,兩人可能過於習慣彼此,分手後還是一起旅行、一起生活。

失去了感情上的寄託,埃米莉埋首書堆,專注於牛頓哲學的研究。1745年,她展開新計畫,打算將牛頓的科學鉅作《自然哲學的數學原理》由拉丁文翻譯成法文。當時牛頓已去世18年,《自然哲學的數學原理》也已問世58年,卻一直沒有完整的法文譯本。這本書充滿了複雜難解的數學,沒有兩把刷子是翻譯不來的。對埃米莉而言,這個工作不但可以讓自己的學識被眾人肯認,二來她也希望能夠增加眾人對牛頓學說的接受度──基本上,當時牛頓的理論只在英國廣為流傳,並不被歐洲大陸多數學者認同。

1745年末到1746年初,待法國政府和出版社的同意都下來之後,埃米莉終於能夠著手進行這將讓她聲名遠播的計畫。因為書中許多地方都需要用數學重新驗證並做解釋,她於是找了克萊羅協助處理數學的部份。《自然哲學的數學原理》是大部頭著作,共分三本;前兩本講述物體的運動,第三本則談論牛頓的世界體系,尤其是萬有引力在天文學(包括太陽系)上的應用。埃米莉花了兩年多,還沒能將翻譯完成。

轟轟烈烈地去愛

1748年,埃米莉和伏爾泰到呂內維爾[7](Lunéville)旅行,拜訪他們的朋友、也是當時法國皇后的父親──前波蘭國王萊什琴斯基(Stanisław Leszczyński),史稱斯坦尼斯瓦夫一世。在那裡,埃米莉認識了聖-蘭伯特(Jean-François de Saint-Lambert),一個平凡乏味、在學識上也不如她的詩人。

愛情或許真的沒什麼道理可言,埃米莉愛上了聖-蘭伯特。在呂內維爾的日子,她瘋狂得不顧一切:不顧對方才學平庸、不顧自己的地位、不顧親人和朋友的看法、捨棄了翻譯工作,一心只想著情人;她經常寫情書給聖-蘭伯特,來回穿梭於兩人的房間。這是埃米莉最後一次轟轟烈烈的戀愛,愛上一個在各方面完全都不如她的人。

一開始,伏爾泰對兩人的曖昧裝作不知情,但事情演變到後來,就算再遲鈍的人都看得出來他們關係匪淺。儘管伏爾泰和埃米莉已經分手,也曾有過爭吵、衝突,但他和埃米莉之間的感情非常深刻,兩人十多年來一直是生活和學識上的好夥伴──伏爾泰再也不能坐視不管了!

伏爾泰半強迫地把埃米莉帶回巴黎,卻發現一切都已太遲──埃米莉懷孕了。在現代,與婚外情人有孩子雖然並不少見,但在多數人眼裡也不是什麼光榮的事;考量到當時的年代,以及埃米莉的貴族身份,想必不是打哈哈就能過去的。

沒辦法之下,埃米莉只得和伏爾泰商談,如何把懷孕的消息告知她的丈夫,沙特萊-羅蒙侯爵。就在某一天,兩人找了聖-蘭伯特和沙特萊-羅蒙,齊聚西雷莊園,打算把事情交待清楚。出乎意料地,沙特萊-羅蒙侯爵最終接受了這個事實。

呂內維爾宮,也是埃米莉.沙特萊訪友所在。因為2003年曾被燒毀,後來又重建。(圖片來源

鞠躬盡瘁,死而後已

解決懷孕的事情後,埃米莉在巴黎繼續翻譯工作,克萊羅每天也都會來幫忙她。直到1749年6月,已經六個月身孕的埃米莉,才和伏爾泰啟程前往呂內維爾待產。

儘管是高齡產婦,埃米莉仍然不眠不休地工作,希望趕在第四個孩子出生前,將翻譯工作做完。完成書稿的最後一個月,她常常每天工作十七個小時,到凌晨五點才休息;當睡魔來襲,她就把雙臂浸到冰水裡,以恢復專注。《自然哲學的數學原理》翻譯,埃米莉在臨盆前幾天才大功告成。

1749年9月4日,埃米莉生下一個小女嬰;過程看似順利,之後她卻開始發燒,病情每況愈下。到了9月10日晚上,在丈夫、以及前後任情人伏爾泰和聖-蘭伯特的環繞下,埃米莉撒手人寰。她的小孩在活了一些時日後,也跟隨母親的腳步而去。

伏爾泰對埃米莉的死悲痛不已;在給普魯士國王腓特烈二世(Frederick II)的信中,他寫到:「我失去了一個認識二十五年的朋友、缺點是身為女人的偉大男人──全巴黎都尊崇與為之哀悼。」雖然從現代性別平等的角度來看,這句話很有問題,卻是十八世紀的伏爾泰,所能給予女性的最高讚美。

回想埃米莉最後的日子,她簡直就像是早已預知自己的死亡,才趕在臨盆前把翻譯完成。但話又說回來,如果她不要那麼拼命,把身體狀況調整好,是否可能捱過難產、並在日後繼續完成翻譯工作呢?永遠都沒有人知道了⋯⋯

聖-蘭伯特畫像(圖片來源

《自然哲學的數學原理》的出版

埃米莉去世十年後,克萊羅將她的《自然哲學的數學原理》法文譯本出版,由伏爾泰撰寫前言。翻譯分成兩冊:第一冊包含原《自然哲學的數學原理》前兩本內容,埃米莉在後面也加上目錄,解釋書內物理概念和詞彙的定義,並標註書中位置;第二冊即原《自然哲學的數學原理》第三本──考慮到大多數人可能無法理解箇中深奧,埃米莉還附上自己長達286頁的譯註,以及關於數學的附錄。

埃米莉的譯註,完全可以當作是《自然哲學的數學原理》閱讀手冊;她用清晰的文字補充說明內容,並旁徵博引,引述牛頓及其他科學家的話、提及當代學者的研究成果,以作為牛頓理論的印證;除此之外,埃米莉也述說天文學歷史上的重要發現,像是哥白尼太陽系模型、克卜勒行星運動定律等等。

埃米莉的《自然哲學的數學原理》翻譯,是至今為止唯一一本完整法文譯本,也是公認的標準版本。她的翻譯促進牛頓學說在歐洲的擴散與研究、幫助同時代的人理解牛頓的物理理論,也象徵了十八世紀女性在科學與數學上的最高成就。若沒有對數學的專精知識,與對牛頓哲學的深入理解,絕對無法適切翻譯這本科學史上最重要的論著──光憑這一點,當時的許多男性學者都不可能做到。

《自然哲學的數學原理》法文譯本封面;目前全本內文均可在網站閱讀。(圖片來源

奔放不羈的科學傳播者

埃米莉生前不但被選為義大利波隆那科學院(Academy of Sciences of the Institute of Bologna)的成員,也是十八世紀極少數的女性科學家。她不到四十三歲便去世,不只是歐洲科學界的損失,也是全體人類的損失。

埃米莉長得高挑、漂亮,海洋般的綠色眼珠搭配較深的膚色,聰明高雅又熱情,多才多藝,在科學、歌劇、戲劇上都有所長,毫無疑問會是社交場合目光的焦點、討人喜愛。另一方面,她率情、率性、奔放不羈又自負,喜歡穿著裝飾華麗的禮服、展露身上昂貴的鑽石,生活花費龐大,常因為債務而必須跟伏爾泰借錢。她不是溫柔婉約的女性,當時的貴族文化更讓她不會犧牲奉獻當什麼慈母;其一生最大的成就,是在被男性佔據的科學界爭得一席之地。即使到現在,也很少科學界的女性像埃米莉那樣,生活充滿了鮮明對比。

埃米莉沒有開創新的科學理論,但是促進了科學的發展;她生來為愛、為被愛、願意為愛犧牲一切,而她最後確實也為喜愛的科學,工作到最後一刻,並在她的愛人陪伴下離開世界。時至今日,我們仍然可以在呂內維爾的聖-雅克教堂(The Church Saint-Jacques)入口旁,看到她的灰色大理石墓碑,寫著:加布里埃勒.埃米莉.勒托內利耶.德布勒特伊,沙特萊侯爵夫人⋯⋯科學與哲學的女性。

法國於2019年發行以埃米莉.沙特萊為主題的紀念郵票。(圖片來源

參考資料

  • Rachel Swaby (2015), Headstrong: 52 Women Who Changed Science-and the World, Broadway Books.
  • Sarah Hutton, Emilie du Châtelet’s Institutions de physique as a document in the history of French Newtonianism, Stud. Hist. Phil. Sci. 35, 515 (2004).
  • Katherine Brading (2018), Émilie Du Châtelet and the Foundations of Physical Science, Routledge.
  • Dora E. Musielak, The Marquise du Châtelet: A Controversial Woman of Science, arXiv:1406.7401 [math.HO].
  • Robyn Arianrhod (2012), Seduced by Logic: Émilie Du Châtelet, Mary Somerville and the Newtonian Revolution, Oxford University Press.
  • Ian Davidson (2012), Voltaire: A Life, Pegasus Books.
  • George E. Smith, The vis viva dispute: A controversy at the dawn of dynamics, Physics Today 59, 10, 31 (2006).

註釋

  • [1] 皮埃爾.路易.莫佩爾蒂(Pierre Louis Moreau de Maupertuis,1698-1759)是法國數學家和哲學家,最知名的成就為提出物理學的最小作用量原理。
  • [2] 亞歷克西斯.克勞德.克萊羅(Alexis Claude Clairault,1713-1765)是法國的數學家和地球物理學家,最知名的成就為其關於地球幾何形狀的數學定理。
  • [3] 李昂哈德.歐拉(Leonhard Euler,1707-1783)是出生於瑞士的數學家,近代數學的先驅,在諸多數學和物理領域都有傑出貢獻。
  • [4] 哥特佛萊德.威廉.萊布尼茲(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716),德國數學家與科學家,最知名的工作為發展出微積分概念。
  • [5] 勒內.笛卡兒(René Descartes,1596-1650),法國哲學家與科學家,也是首位強調運用理性發展自然科學的思想家,留有名言「我思故我在」,對數學的解析幾何做出重要貢獻。
  • [6] 事實上,當時還沒有「質量」的完整概念。笛卡兒本人用的詞彙是物體的「大小」。
  • [7] 呂內維爾(Lunéville)位於法國東部,是默爾特-摩澤爾省(Meurthe-et-Moselle  department)的一個市鎮。
科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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不只是災難掃把星,你不知道的彗星事
臺北天文館_96
・2016/10/31 ・7232字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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文/胡佳伶|任職於臺北市立天文科學教育館

1997年來訪的海爾波普彗星帶給大家許多驚喜。圖 / http://www.astropix.com/HTML/SHOWCASE/970401.HTM
1997 年來訪的海爾波普彗星帶給大家許多驚喜。圖 / http://www.astropix.com/HTML/SHOWCASE/970401.HTM

編按:新海誠的動畫電影《你的名字》中那顆關鍵的彗星,緊緊牽動著整部片的劇情發展。人類對於彗星的觀察與想像,很早就出現在中外古代的史書記載中,直到今天我們仍然對於這個拖著長長尾巴的星體有許多好奇。在這篇文章中,我們將從歷史、來源和結構帶你重新認識彗星。

大家常說天文愛好者有四個畢生一定得要看到的天文奇觀:日全食、流星雨、極光、大彗星,不知道您親眼目睹了幾個?

彗星的歷史

古時不論中外,彗星皆被當作不祥之物,認為它預兆著天災人禍,這從中國古代對彗星的其它稱呼:孛星、星孛、妖星、異星、蓬星、長星……便不難看出。中國對於彗星的歷史紀錄悠久而詳細,在《准南子.兵馬訓》一書中「武王伐紂……彗星出,而受成殷人以柄。」便記載著公元前十一世紀的一次彗星天象;《春秋》魯文公十四年「秋七月,有星孛入於北斗。」是有確切年代可考的最早記載,更是世界上關於哈雷彗星的最早史料(西元前 613 年);《晉書·天文志》「彗星所謂掃星,本類星,末類彗,小者數寸,長或經天。彗星本無光,傅日而為光,故夕見則東指,晨見則西指。在日南北皆隨日光而指,頓挫其芒,或長或短。」則是首次對彗星的性質、型態和彗尾的成因有了比較詳細且正確的描述。

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古人對於彗星之戒慎,更可以從長沙馬王堆三號所出土的西漢古墓帛書看出,內有 29 幅各種彗星形態,記錄了古代所觀測到各種不同形狀的彗核與彗尾。

馬王堆帛書中的彗星臨摹圖。圖 / http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/e_book/special_topics/essays/comets/images/ma_wang_dway.jpg
馬王堆帛書中的彗星臨摹圖。圖 / 成功大學物理學系

西方對彗星本質的解釋,始於亞里斯多德的 宇宙論,他認為彗星是種大氣現象。1543 年哥白尼(Nicolas Copernicus)出版《天體運行論》提出日心說,卻也未對彗星提出新見解。直到 16 世紀末期,麥可.麥斯特林(Michael Maestlin)及第谷.布拉罕觀測 1577 年出現的大彗星時,才首次注意到彗星在天空移動的角速度要比月亮還要慢上許多,證明彗星距離比月球還來得遠,也就是說彗星並非屬於亞里斯多德主張的地球領域,而是在以太構成的天域之中。

西方歷史中,彗星與災難的連結也不遑多讓。 著名的貝葉掛毯記載著西元 1066 年,英格蘭國王哈勒德二世被告知哈雷彗星的出現,預兆黑斯廷斯戰役諾曼征服英格蘭。即使到了現代,彗星仍常被部份媒體或宗教渲染成災難和世界末日的徵兆, 1998 年海爾波普彗星接近地球,天文迷雀躍歡騰之際,卻有美國加州天堂之門教派 39 名教徒集體自殺。但其實每年前來拜訪地球的彗星有數十顆之多,只要對這太陽系天體稍有了解,應該會覺得能遇到大彗星造訪這樣難得的天象, 並非災難,而是件幸運的盛事!

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出現在貝葉掛毯上的哈雷彗星。圖 / By Myrabella, Public Domain, wikimedia commons.
出現在貝葉掛毯上的哈雷彗星。圖 / By Myrabella, Public Domain, wikimedia commons.

說文解字

彗星之名,其來有自,不論中西皆然。「彗」的本意就是帚,在《說文》中便記載著:「彗,埽竹也。」在甲骨文中,字01是象形字,象徵掃帚之形。在篆文中,字02為會意字,上方的字03是指細枝茂盛的草,下方的字04則是手持的意思,其造字的本意是用一種細枝茂盛的乾草紮成的掃帚,這也就是為什麼彗星俗稱為「掃把星」或「掃帚星」了!

西方語言中的「彗星」一詞(如英語:comet;法語:comète;德語:Komet), 源自拉丁文的 cometes,這是拉丁化的希臘文 κομήτης(komētēs),意為「長髮」,而κόμη(komē)這個字的本意就是頭髮的意思。希臘哲學家亞里斯多德是第一位使用κόμη/κομήτης 這個字,來形容他看見的「長頭髮的星星」。彗星的天文學符號Image 3,也清楚地描繪了它的外觀,由小圓盤象徵彗核,和三個突起的短線段象徵彗尾。

彗星的來源與分類

彗星是太陽系形成之初所遺留下來的小天體。約 46 億年前,一團巨大的分子雲因重力坍縮,中央溫度升高達數百萬度,點燃核融合反應形成原恆星,周圍雲氣因自轉在赤道方向形成環星盤。環星盤中距太陽越近溫度越高,熔點較高的物質逐漸聚集形成了類地行星。距太陽越遠溫度越低,氣體的逃脫速度較慢,外圍行星核心周圍包覆了熔點較低的物質,核心重力吸附原始雲氣中最豐富的氫和氦,形成外圍巨大的類木行星。環星盤最外圍溫度已低至水的熔點以下,物質密度相當低,不足以形成行星,這些剩餘的岩石、冰塊組成的太陽系小天體,形成環帶狀分布,稱為古柏帶(Kuiper Belt)。在太陽系形成早期,環星盤中眾多小天體,可能因受到大行星的重力彈射,被拋向太陽系外圍,形成球狀分布的歐特雲(Oort Cloud)。

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歐特雲的概念是 1950 年由荷蘭天文學家 Jan Oort 所提出,可能有 1000 億到 2 兆個冰體組成的彗星核,以球殼狀分布在距離太陽 5,000 至 100,000 天文單位處。有時當巨大的分子雲或恆星經過太陽系附近, 或是與銀河盤面的潮汐作用,會使歐特雲外圍天 體受到擾動進入太陽系內部,形成所謂的長週期彗星。這些彗星有著極為狹長的橢圓軌道,要好幾千年到好幾億年才能繞行太陽一圈,且軌道面非常凌亂,平均散落在各個方向,這一類的彗星軌道也可能是雙曲線或是拋物線,終其一生只造訪內太陽系一次。2004 年發現的「賽德娜」(Sedna), 週期長達 10,500 年,軌道非常橢圓,近日點和遠日點分別是 76 和 1,000 天文單位,極有可能是來自於歐特雲內側的天體。

週期短於 200 年的短週期彗星,軌道傾角幾乎都集中在黃道面 30 度內,它們來自於約 30-55 天文單位處,海王星外圍呈環狀分布的古柏帶,因受重力擾動進入內太陽系,預測有數十萬個大於 100 公里的冰質天體及上兆個小彗核散布此處。

古柏帶與歐特雲的相對關係(想像圖)。圖 / http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Kuiper_oort.jpg
古柏帶與歐特雲的相對關係(想像圖)。圖 /By NASA, Public Domain, wikimedia commons.

大部分的彗星都以安全的距離通過太陽附近,像是哈雷彗星與太陽的最近距離就有 8 千 9 百萬公里,但有些彗星的近日點非常接近太陽,可能近至只有數千公里,這類的彗星被稱為「掠日彗星」(sungrazing comet)。在太陽強大的潮汐力影響下,小彗星可能蒸發殆盡,大彗星也難逃粉身碎骨的命運。軌道類似的掠日彗星,可能源自於一顆大彗星母體。德國天文學家克魯茲首度注意到 1843 年、1880 年及 1882 年的掠日彗星共通點,指出這些彗星可能來自於 1066 年解體的一顆大彗星碎片,稱為「克魯茲族彗星」(Kreutz Sungrazers)。1965 年明亮的池谷.關彗星,和  2011 年掀起許多驚呼的 Lovejoy(C/2011 W3)彗星,也都是克魯茲族彗星成員。

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2013 年 11 月 28 日通過近日點的C/2012 S1 ISON 彗星,與太陽表面的距離僅 110 萬公里,天文學家莫不希望它能像 Lovejoy 彗星(其近日點距離據太陽表面約 14 萬公里)一樣,能順利在通過近日點後存活,成為耀眼明亮的大彗星!自 SOHO 太陽觀測衛星(Solar and Heliospheric Observatory) 升空以後,業餘天文愛好者靠著檢查 SOHO 的影像,在電腦前就能發現掠日彗星,臺灣的蔡元生先生就曾在 2004 年及 2005 年分別發現兩顆 SOHO 彗星呢!

2011年來訪的Lovejoy彗星是顆非常明亮的掠日彗星。圖 / http://www.skyandtelescope.com/observing/home/136099108.html
2011 年來訪的 Lovejoy 彗星是顆非常明亮的掠日彗星。圖 / skyandtelescope

彗星不僅保存了 46 億年前太陽系形成的早期歷史,它所攜帶的水冰和有機物極有可能為早期的地球帶來生命的起源,因此彗星的研究是行星科學中相當重要的課題。

彗星的結構

彗星的結構(經修改加上中文)。圖 / http://spot.pcc.edu/~aodman/GS%20107%20web/outerobject/comet%20and%202%20tails.jpg
彗星的結構(經修改加上中文)。圖 / spot.pcc.edu

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彗星的結構主要可以分為三部分:彗核彗髮彗尾

彗核是彗星遠離太陽時,唯一存在的部分,這個小小的冰凍核心,大小從幾百公尺到幾十公里不等,目前紀錄上最大的彗核,是約四十幾公里的海爾‧波普彗星。1950 年 Whipple 提出的「髒雪球模型」(Dirty Snowball Model),認為彗核主要是由冰雪(水、一氧化碳、二氧化碳、氨、甲烷)和灰塵(矽化物、金屬)組成,此外彗核蘊藏著許多有機物,如甲醇、氰化氫、甲醛、乙醇、乙烷等,還有許多複雜分子,如長鏈狀的碳水化合物及胺基酸存在。彗核反照率非常低,約只有 0.04 左右,可以說是太陽系內最黑暗的天體,接近太陽時彗核表面溫度升高,易揮發的物質昇華噴發產生噴流,因此不易直接觀察,目前只有數艘太空船曾近距離觀察彗核。其本身的重力並不足以使之形成球狀,因此大部分都呈現和小行星一樣的不規則形。近距離觀察彗星發現,表面是岩石及塵埃所覆蓋的薄殼,大部分的冰可能都藏在彗核內部。

太空船曾近距離觀察彗核的形狀及大小(經修改加上公制單位。圖 / http://minsex.blogspot.tw/2010/11/fab-five.html
太空船曾近距離觀察彗核的形狀及大小(經修改加上公制單位。圖 / http://minsex.blogspot.tw/2010/11/fab-five.html

當彗星接近太陽到約 5 天文單位,太陽 的熱使彗核的冰昇華為氣體,形成一團包覆在外圍的球形大氣層,稱為彗髮,彗髮會隨彗星接近太陽變得越來越大,直徑可達數十萬到數百萬公里。彗髮包含了中性分子及灰塵,彗核中的氣體母分子(CH4、 CO2、NH2、H2O)接近太陽時被釋放出 來,生命週期短暫不易觀測,這些母分子 因光解離作用產生第二代和第三代的分子 (CN、C2、C3、CH3、NH3、OH),生命週期長達數十萬到數百萬秒。圍繞在彗髮外圍,還有由氫原子雲氣所形成的龐大 包層(hydrogen envelope,halo),由於氫 原子輕、擴散速度快,其大小可達到數千萬公里,其波長為 Lyman-alpha 譜線的 1216 Å,僅太空望遠鏡的紫外波段影像可見。

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太陽光的輻射壓和高速太陽風粒子, 將彗髮的物質吹向背對太陽的方向,形成 長長的彗尾,這也是彗星最迷人的部分。 彗星的彗尾有兩種,一種是塵埃尾(dust tail),一種是離子尾(ion tail),這兩種彗尾的外觀、成分和形成原因都不太一樣。

1997年海爾‧波普彗星的塵埃尾與離子尾相當明顯。圖 / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Comet_Hale-Bopp_1995O1.jpg
1997 年海爾.波普彗星的塵埃尾與離子尾相當明顯。圖 / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Comet_Hale-Bopp_1995O1.jpg

黃白色的塵埃尾瀰散而彎曲。富含塵埃的彗星產生各種不同大小的塵埃,塵埃受太陽重力與太陽光壓影響,由於萬有引力正比於質量(~體積,塵埃半徑的三次方),輻射光壓正比於截面積(塵埃半徑的平方),因此越大的塵埃其向內的萬有引力大幅抵銷了向外的輻射光壓,越小的塵埃所受萬有引力較小,所以受到向外的淨力反而較大(如下圖),被推向較外圍;且根據克卜勒第三運動定律,距離太陽愈遠,塵埃運動速度也越慢,因此塵埃尾常呈扇形而瀰散,當彗星接近太陽時,扇形角度甚至 可超過 90 度。塵埃尾大致上背離太陽,但隨著彗星前進, 塵埃會被留在軌道後方,因此塵埃尾會彎向軌道前進的反方向。塵埃顆粒因反射和散射太陽光呈現黃白色,另外也受太陽光加熱發出紅外線,其長度可達 106 -107 公里。

大小不同的塵埃,受到向內的萬有引力和向外的輻射光壓的大小差別,越小的塵埃所受到向外的淨力越大(a為塵埃半徑)。敘述相反?!(我覺得沒有啊,是”向外的淨力”較大,我改了內文的文字了,這樣會比較容易理解嗎?)。圖
大小不同的塵埃,受到向內的萬有引力和向外的輻射光壓的大小差別,越小的塵埃所受到向外的淨力越大(a為塵埃半徑)。圖/《臺北星空》提供

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藍色的離子尾狹長而筆直,方向則永遠背向太陽。 離子尾的成因是彗髮的中性物質經過太陽風的光解離游 離作用,形成離子態的 H2O+ 、CO+ 、N2+ 、CO2+ 、OH+ , 這些離子和電子共存呈電漿狀態,因此也被稱為電漿尾(plasma tail),長度可達 107-108 公里。離子尾在可見 光主要的發光物質是波長約 4273 Å 的 CO+ ,這也是離子尾常呈藍色的原因。離子尾指向沿太陽磁力線方向背離 太陽,與軌道方向無關。太陽的劇烈活動如日冕物質噴發,在太陽風磁場拉扯下,有時會造成離子尾的分叉、 斷裂、再生等現象。

鹿林彗星的離子尾產生斷裂的現象(紅圈處)。圖 / http://www.fototime.com/%7B9C1CC635-B45B-4B04-811D-802DC4DDFFAD%7D/picture.JPG (Ernesto Guido、Giovanni Sostero、Paul Camilleri,http://remanzacco.blogspot.com)
鹿林彗星的離子尾產生斷裂的現象(紅圈處)。圖 / http://www.fototime.com/%7B9C1CC635-B45B-4B04-811D-802DC4DDFFAD%7D/picture.JPG
(Ernesto Guido、Giovanni Sostero、Paul Camilleri,http://remanzacco.blogspot.com)

有時彗星的塵埃尾看起來反而朝向太陽,稱為「逆尾」(anti-tail)。彗星較大且重的塵埃,比較不受太陽輻射光壓影響被推向背離太陽,反而留在軌道後方。若 地球通過彗星軌道平面附近,因地球視角產生的幾何投影效應,塵埃尾看起來便朝向太陽。有時候彗核表殼破裂,物質從縫隙向外噴發形成的噴流,恰巧在向著太陽 的那一面,也會形成真正的逆尾。歷史上曾出現明顯逆尾的彗星包括 1957 年的 Arend-Roland 彗星、2007 年的海爾波普彗星(C/1995 O1 Hale-Bopp)、2009 年的鹿林彗星 (C/2007 N3 Lulin),以及 2013 年的泛星彗星(C/2011 L4 PANSTARRS)。

逆尾的成因。圖 / http://spaceweather.com/swpod2009/27feb09/tosar4.jpg?PHPSESSID=vnd799uc8out792pvma1bh38e6
逆尾的成因。圖 /spaceweather.com 

逆尾的成因。圖
逆尾的成因。圖/《臺北星空》提供。

2009年的鹿林彗星有非常明顯的逆尾(左側),右側是背向太陽的離子尾。圖 / https://en.wikipedia.org/wiki/File:C2007N3Lulin2panel_brimacombe.jpg
2009 年的鹿林彗星有非常明顯的逆尾(左側),右側是背向太陽的離子尾。圖 / By Joseph Brimacombe, Cairns, Australia, CC BY 2.5, wikimedia commons.

彗星留在軌道上的塵埃,還會帶來另一場驚喜!當地球通過彗星軌道附近,軌道上的殘骸受地球重力影響,短時間內大量掉落地球大氣層,就會形成流星雨,若正逢母彗星回歸後幾年內,流星雨有可能特別壯觀。造成獅子座流星雨的母彗星是週期 33 年的 55P/Tempel-Tuttle, 1998 年的回歸就造成了之後數年的獅子座流星雨大爆發,相信大家對於 2001 年 ZHR 值達數千顆的獅子座流星雨都還印象深刻。

流星雨的成因與彗星有關。圖 / http://tamweb.tam.gov.tw/v3/tw/item_img/8/comet_meteor.jpg
流星雨的成因與彗星有關。圖 / 台北市立天文科學教育館

彗星的命名

彗星是極少數可以用發現者名字命名的天體(小行星的命名權雖然屬於發現者,但卻不能以發現者的名字命名),臺 灣第一顆發現且命名的彗星是在 2009 年來訪的 C/2007 N3 Lulin 鹿林彗星,由中央大學鹿林天文台所發現。天文愛好者若在夜空中發現可疑的模糊天體,必須確認並非其他的可能性(如亮星的鬼影、昏暗的星群等),並以第二台觀測儀器確認,將所見到的影像每隔 15 分鐘或半小時記錄下來,確認其是否有在背景星空中移動,另外可以使用CBAT(中央天文電報局, Central Bureau for Astronomical Telegrams)的彗星辨認程式(comet-identification program)確認觀測天區是否有任何已知的小行星或彗星,如果可能的話,請有經驗的彗星觀測者協助確認,便可以將詳細的觀測記錄通報 CBAT

在有系統性的命名規則之前,彗星的命名有幾種不同的原則。像是二十世紀前,大部分的彗星僅簡單地以出現的年份或加上月份為名,像是 「1680 年大彗星」(C/1680 V1,Kirch’s Comet)、 「1882 年 9 月大彗星」(C/1882 R1,great September comet of 1882)、和「1910 年白晝大彗星、1910 年 1 月大彗星」(daylight comet of 1910、Great January Come t of 1910)等等。而在哈雷計算出 1531、 1607、1682 年造訪的彗星其實是同一個天體,並成功預測它在 1759 年的回歸之後,這顆彗星就被命名為「哈雷彗星」(Halley),第二顆和第三顆被確認的週期彗星——恩克彗星(Encke)和比拉彗星 (Biela),也同樣是以計算出軌道的天文學家,而非當初的發現者命名。

至二十世紀早期,以發現者名字為彗星命名已非常普遍,直至今日皆然,彗星名稱至多可以有三位獨立發現者的名字,像是海爾波普彗星(C/1995 O1 Hale-Bopp)就是以兩位獨立發現者 Alan Hale 與 Thomas Bopp 來命名,另外以著名的彗星獵人麥克諾特(Robert H. McNaught)命名的彗星就已經超過 50 顆。近年來,許多彗星是由天文計畫或大型儀器所發現,便會以之命名,像是 PanSTARRS 彗星是由泛星計畫(Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System,Pan-STARRS)發現。

1995 年以前,除了以發現者的姓名為彗星命名之外,另外也會以發現的西元年份,加上代表當年發現順序的小寫英文字母,給予彗星暫時性名稱,像是 1969i Bennett 彗星,就是 1969 年第九顆被發現的彗星。一旦軌道確定之後,則會以通過近日點的年份和代表順序的羅馬數字給予彗星永久名稱,像是 Bennett 彗星是 1970 年第二顆通過近日點的彗星,因此它的永久命名是 1970 II。如果一 年裡被發現的彗星不只 26 顆,這時便會在英文字母後面加上阿拉伯數字繼續編號,像是在 1989 年 的彗星編號就達 1989h1 之多。

但這套命名系統存在著一些缺陷,像是歷史上 的彗星由於缺乏軌道元素而在永久命名上會有些困擾,於是 1994 年 8 月 24 日於荷蘭海牙舉行的國際天文聯合會(IAU)大會中,決議修改舊有的彗星命 名規則,並自 1995 年開始使用新的彗星命名規則。 彗星在一年中以每半個月為單位使用英文大寫字母 表示被發現的時間,略過字母 I 和 Z(詳下表):

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再加上數字表示該時段內被宣布發現的順序(這和小行星的命名規則雷同)。因此像是 C/2012 S1 ISON 彗星就是在 2012 年 9 月下半月第一顆被發現的彗星。另外還會依彗星的性質在名字加上前綴標示如下:

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如果彗星被觀測到回歸,或是經由觀測通過 遠日點確定其週期性,則會在 P/ 或 D/ 前冠上一個由國際天文聯合會小行星中心(MPC)所指定的官 方序號,例如 1P/1682 Q1 為哈雷彗星、3D/1832 S1 為比拉彗星。如果彗星分裂成好幾個碎片,則在名字後面加上 -A, -B,… 來區分每個碎核。


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本文轉載自台北市立天文館期刊《臺北星空》第 61 期,2013 年秋季號,點此看線上 pdf

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