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飛向宇宙、浩瀚無垠:卡爾·薩根誕辰|科學史上的今天:11/9

張瑞棋_96
・2015/11/09 ・953字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

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就在你閱讀這篇文章時,才於2013年飛離太陽系的航海家1號(Voyager 1),繼續以每年五億四千萬公里的速度,航向未知的星際空間。如果一切順利,抵達下一個行星系──17.6光年外的Gliese 445──應該是四萬年後。

航海家一號描繪圖。圖片來源:nasa

航海家1號太空船裏頭有一塊金唱片,收錄了不同民族的問候語與音樂、大自然與動物的聲音,以及生命圖像與地球的位置。它是我們丟進宇宙大海的瓶中信,希望有朝一日能被航行星際的外星文明拾起,解讀上面的訊息而知道人類的存在。這樣的瓶中信還有三封,分別搭乘航海家2號、先鋒10號(Pioneer 10)與先鋒11號太空船,往不同方向的太空深處漂去。

在此同時,運作已三十年的SETI計畫繼續以地面的無線電望遠鏡傾聽來自太空的電波,期盼能聽見來自外星文明的訊息。

促成這些計畫的,正是美國天文學家卡爾·薩根。他深信我們並不孤單,億萬個星球之中必定還有其他智慧文明。他這樣的熱情也延伸到積極向一般大眾分享宇宙的神奇,加以他的人文關懷與表達魅力,使他成為美國近代最重要的科學普及工作者。

不過,可不要誤以為薩根盲目的相信外星人的存在。他是正宗的懷疑論者,「超乎尋常的主張需要超乎尋常的證據」這句話,即是因為他在節目上不斷引述才廣為流傳。當許多美國民眾幻想著金星居住環境舒適,甚至有金星人時,他就率先指出金星表面乾燥高溫,根本無法住人。他更大力駁斥那些信誓旦旦見過飛碟與外星人的說法都是一派胡言。

薩根有二十多部著作(其中《接觸》被拍成電影《接觸未來》),發表超過六百篇的科學論文與文章。他在1980年製作主持的科學節目《宇宙》,更是先後在六十幾個國家播出,超過五億人觀賞。他的書與節目不只是以淺顯易懂的方式介紹冷硬的科學知識,貫穿其中的是對人類的終極關懷。對他而言,尋找外星文明其實就是對宇宙的探索,也是探索人類這個物種在宇宙的自我定位,藉由探索過程,重新反省認識自己。正如他所說的:

「我們身在宇宙之中,就像是漂浮在塵埃中的一顆微粒。而我相信,人類的未來會是如何,端視我們對宇宙的了解有多麼透徹而定。」

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。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 633 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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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

快搜尋美光官方網站,了解業界最先進的技術,並追蹤美光Facebook粉絲專頁獲取最新消息吧!

參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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2020 重要天文事件回顧
臺北天文館_96
・2021/03/01 ・4340字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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塵埃可能是參宿四變暗的罪魁禍首

參宿四是全天第九亮星,也是獵戶座第二亮星。圖/轉自《臺北星空》

去年年底,天文學家發現參宿四的亮度異常降低,這現象還被某些人解釋為這顆紅超巨星已幾乎沒有核燃料,即將發生超新星爆炸。不過,華盛頓大學和羅威爾天文台的天文學家認為,參宿四更可能只是正在發生其他紅超巨星也會發生的事情:拋出的外層大氣遮住了一些往地球的光線。

天文學家在二月進行的觀測數據中,發現參宿四表面平均溫度比 2004 年的測量低了 50 至 100 度,這個結果使他們更加確定其答案必為星際塵埃,若是對流胞上升至表面冷卻的話,那降幅會更為明顯。

科學家宣稱在隕石中發現了外星蛋白質

血石素的結構。圖/arXiv

繼默奇森隕石發現胺基酸以來,在 1990 年的一塊隕石中,隱藏了更具突破性的進展,蛋白質一般是由多個胺基酸組成的,同時也是地球上幾乎所有生物體中的必要組成成分,從細胞核膜到遺傳物質 DNA 都有蛋白質的身影。在這被稱為「Acfer 086」的隕石所含有的蛋白質,被稱為血石素 (Hemolithin) ,是一種新的命名,旨在描述其具有一半血紅素 (Hemoglobin) 及一半卵磷脂 (Lecithin) 的分子結構,科學家發現的這種新蛋白質,成分中含有鐵和鋰,且氘與氫的比例與地球上的不同,基本上可以確認絕非地球上的物質。儘管研究團隊認為這是最有可能的解釋,但是他們也指出其發現的複合性分子可能不是蛋白質,而只是一種聚合物,所以現在下結論仍為之過早,但是種種跡象顯示「它」是蛋白質的機率相當高。

宇宙最早的物質可能潛藏於中子星的核心

藝術家對於中子星剖面的想像圖。圖/轉自《臺北星空》

中子星是恆星死亡後的核心塌縮而形成,中子星的質量上限約在兩個太陽質量,更大的質量將會形成黑洞,然而最近天文學家發現了少數超過這個上限的中子星。

研究團隊計算了中子星物質的狀態方程式,計算的結果描述了中子星的可能結構。結合最近 LIGO 和 VIRGO 的重力波觀測結果,更進一步揭露了許多中子星內部的訊息。根據他們的研究,這些死亡恆星的中心可能可以找到由夸克形成的核心,其含量甚至可能佔核心組成的一半以上,未來更多的中子星觀測資料將可提升或改善這項研究結果的正確性。

銀河系中也許有至少 36 個外星高等智慧文明存在

除非人類能想到如何建造無線電擴音器,並在接下來的 17,000 年都保持人類的生存及技術實力,否則無法與任何外星文明聯絡。圖/轉自《臺北星空》

繼德瑞克方程式後,人類就一直持續在搜尋地外高等智慧文明,但長時間以來一無所獲,新的研究認為該方程式的後面幾項參數,不確定值太多,使得整個方程式的實用性降低,研究人員建立了一套新的參數及計算標準,稱為天文生物學哥白尼極限,在六種嚴格的限制條件下,得到的外星文明數量約為 36個。

若將此 36 個外星文明平均打散在銀河系中,可以得到每個文明的平均距離至少有 17,000 光年,而人類自有無線電訊號以來,也才 125 年,亦即最遠的傳播僅達125 光年,此外,無線電波在傳遞過程中也會逐漸變弱,因此,除非我們能想到如何建造無線電擴音器,並在接下來的 17,000 年都保持人類的生存及技術實力,否則我們仍無法與任何外星文明聯絡。

首次發現奇怪的冥府行星

冥府行星示意圖。圖/轉自《臺北星空》

天文學家發現一顆非常奇怪的系外行星 TOI-849b ,它位於 730 光年遠,母恆星TOI-849 與太陽非常相似。 TOI-849b 僅比海王星小一點,但質量卻是海王星的兩倍多,因此密度與地球差不多!如此高密度顯示它是岩質行星,但大小卻遠高於岩質行星的上限。這意味著它可能是非常罕見的冥府行星(Chthonia),即是大氣層已被剝離的氣體行星核心。

天文學家認為這種極靠近恆星的氣體行星,會被高熱剝離大氣,如 Gliese 3470 b 被觀測正以高速失去其大氣層。但這不足以解決 TOI-849b 大氣全部損失的原因,還有大天體碰撞等事件的可能性。另一可能原因是 TOI-849b 開始形成氣體行星時,沒有足夠的物質成為大氣。又或者是它在行星系統演化後期時形成,抑或是在原行星盤的間隙中形成的,使得沒有足夠的材料來增加大氣。研究小組計劃將繼續觀測,以確定 TOI-849b 是否還剩下任何大氣。

天文學家在本超星系團旁發現了新的長城結構

紅色區塊屬於南極長城。圖/轉自《臺北星空》

宇宙的結構並不是由隨機分佈的星系所組成,而是互纏互繞、具有藕斷絲連的特性,受到萬有引力的影響,較為靠近的星系組合成一個星系群或星系團,或隸屬於一個超星系團,這些藕斷絲連的網狀結構,又被稱為大尺度纖維狀結構,其中最大的一條被稱為武仙-北冕座長城,全長跨越 97 億光年,是目前已知最巨大的結構。新發現的纖維狀結構橫跨南極天空,至少長達 13.7 億光年,發現者將其命名為「南極長城」(South Pole Wall) ,而且南極長城的特別之處在於它離銀河系非常近,簡直就像是在我們的後院而已,僅有5億光年遠,(我們所在的結構稱為拉尼亞凱亞超星系團,直徑達5.2億光年,所以5億光年確實就像是後院的存在)換句話說,它是離我們最近的長城結構。

迄今為止質量最大的合併事件證實了中介質量黑洞的存在

一對黑洞的合併產生新重力波的觀測事件,證實了中介質量黑洞的存在。圖/轉自《臺北星空》

在 70 億光年外,一對碰撞的黑洞產生了新的重力波,在 2019 年 5 月 21 日由 LIGO 和 VIRGO 雙重認證得知,這次的重力波事件是黑洞天文學中最受囑目的發現之一,因為該天體質量介於恆星級黑洞及超大質量黑洞之間,正是天文學家急欲尋找的中介質量黑洞,且我科技部及清華大學研究團隊亦參與其中。本次的重力波訊號與往常的訊號相比非常短,但經過艱困的比對分析後,科學家得知這是分別由 66 倍太陽質量及 85 倍太陽質量的黑洞合併而成,產物為一個約 142 倍太陽質量的黑洞,這是自發現重力波以來迄今為止最大質量的重力波源。

中介質量黑洞是黑洞系列的一個謎團,我們常發現的是恆星質量黑洞及超大質量黑洞,但是藉由重力波的觀測, GW190521 成為對於中介質量黑洞的第一次決定性的直接觀測。超大質量黑洞的形成過程仍是個謎,長久以來,科學家不清楚它們是由恆星大量坍縮聚集而成,抑或是透過一種尚未被發現的方式產生的,所以科學家一直在尋找中介質量黑洞,來填補介於兩者差異甚大的質量空隙,如今,科學家終於有證據可以證明中介質量黑洞確實存在。

歐西里斯號成功登陸貝努收集樣本

OSIRIS-REx 收集樣本示意圖。圖/轉自《臺北星空》

OSIRIS-REx 任務耗資 8 億美元,在 2016 年 9 月發射, 2018 年 12 月 3 日抵達500 公尺大的貝努近地小行星。經過一年多環繞研究後,團隊選擇了一個名為夜鶯(Nightingale)的小隕石坑為降落地點,因為該點表面物質的顆粒較細,且相對新鮮沒經過長期暴露於太空環境而變質。但夜鶯周圍也充滿危險,其中包括要經過一個兩層樓高,綽號厄運山(Mt. Doom)的巨石,而隕石坑內也有其他障礙物,因此太空船的目標是一個寬 8 公尺相對平坦無石塊的區域, OSIRIS-Rex 任務距離達3億公里之遙,相當不容易。臺灣本地時間 10 月 21 日 6 時 12 分歐西里斯號(OSIRISRex)號降落到近地小行星貝努(Bennu)表面,目標是從貝努表面收集至少 60 克的灰塵和碎石,預計 2023 年 9 月 24 日將樣品送回地球,以研究太陽系的起源與生命相關有機物和水的來源。中間還有一段插曲:一些岩石碎塊阻擋導致收集器無法完全閉合,使得在探測器的三公尺機械手臂末端的收集器內的小行星表面碎片樣本,一直在緩慢漏失到太空中,好在後來已經克服此狀況,且收集來的樣本也遠高於當初設定的最低目標。

阿雷西博望遠鏡的輝煌與終結

曾完成多項偉大天文學研究的阿雷西博天文臺,因結構損壞而除役。圖/轉自《臺北星空》

該望遠鏡於 1963 年落成啟用,阿雷西博天文臺開始運作之後,做出的科學貢獻不勝枚舉。 1964 年天文學家藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天,有別於原先認為的 88 天;1968 年提供了蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar, PSRB0531+21,自轉週期33毫秒)存在的確切證據,也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。 1974 年,天文學家法蘭克德瑞克及卡爾薩根設計了知名的阿雷西博訊息,內容包含人類的 DNA 結構,和太陽系的介紹等等,以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆,卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。 1989 年趁著小行星(4769)Castalia 經過,阿雷西博望遠鏡首次利用其功能描繪出小行星的 3D 圖像,迄今已研究過數百個近地小行星。今年的 12 月 1 日的一聲巨響,支撐平台的纜線應聲斷裂,整個接收平台、900 噸重的心臟與一個纜線塔硬生生撞入下方的碟型天線。雖然造成多大破壞還在評估,但照片與影片仍然震驚所有人,阿雷西博望遠鏡結束其 57 年傳奇的一生

嫦娥五號返回艙帶回月壤, 40 年以來的新鮮貨

中國嫦娥五號於去年年底返航,完成人類 40 年來首次收集月球樣本的任務。圖/轉自《臺北星空》

歷經 23 天的飛行,攜帶著月壤的中國嫦娥五號返回艙於 12 月 17 日凌晨 1 時 59 分安全返回地球,這是 40 年來首次收集月球樣本的任務。其返回艙在中國北部內蒙古四子王旗著陸場著陸。內蒙古地區夜間達攝氏零下 30 度,對於地面工作人員的準備是一大考驗。

嫦娥五號於 12 月 1 日登陸月球,並於兩天後開始返航,中國航天局也在月球上,升起了中國五星旗幟。此次任務是自 1976 年蘇聯「月球 24 號」任務以來的首次嘗試,使中國成為繼美國和蘇聯之後,第三個從月球上取回樣本的國家。飛船的任務是在「風暴洋」的區域收集兩公斤 (4.5磅) 的物質,該區域是一片廣闊的、此前尚未被探索過的熔岩平原。

中國的科學家們希望藉由採集回來的樣本了解月球的起源、形成以及月球表面的火山活動,並期望在 2022 年以前建立一個載人太空站,並最終將中國人送往月球。

臺北天文館_96
482 篇文章 ・ 27 位粉絲
臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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銀河系至少存在36個智慧文明,真的嗎?
科學大抖宅_96
・2020/08/31 ・4550字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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不久前(2020 年 6 月),國內外各大媒體紛紛報導,英國諾丁漢大學(University of Nottingham)的科學家研究發現,銀河系至少應有 36 個智慧文明,吸引了許多人的眼球。無獨有偶,在 2018 年便有報導指出,英國牛津大學人類未來研究所(Future of Humanity Institute)的學者公布,人類是銀河系中唯一高等智慧物種的可能性高達 53% 至 99.6%。明明是類似的問題,相隔兩年的研究卻得出完全不同的結論,讓人看得一頭霧水。

滿天的星星裡還有其他文明存在嗎?這是個人類討論了很久的議題。圖/ by FelixMittermeier@Pixabay

究竟,這些關於外星文明的數量估計,是怎麼做出來的?又是否可信?我們短期內有多大機率證實外星生命的存在?寶傑你怎麼看?

費米悖論:外星人在哪兒?

科學史上關於外星文明的討論,最知名的例子,莫過於物理學家恩里科‧費米(Enrico Fermi,1901–1954)和另外三位同事──包括氫彈之父愛德華‧泰勒(Edward Teller,1908–2003)──之間的對話。

那是在 1950 年夏天的洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)。四人於中午前往用餐時,在路上聊到當時的目擊幽浮報導,以及紐約客雜誌刊載外星人偷竊垃圾桶的漫畫,以解釋市區垃圾桶莫名消失的謎團。雖然一行人並不認為報導裡的幽浮來自外星球,但仍討論起星際旅行的可能性。

費米問泰勒:「在接下來十年內,我們有多大可能,會看到超光速物體的明確證據?」當泰勒回答百萬分之一後,費米說:「這太低了,較可能是百分之十。」當話題結束,大家圍繞餐桌坐定、開始用餐之後,費米突然又冒出一句:「所有(外星)人都到哪兒去了?」

這就是知名的費米悖論(Fermi paradox):宇宙是這麼地遼闊,充滿數不清的恆星,總會有生命於地球之外的地方誕生;而在宇宙悠久的 138 億年歲月中,應有足夠長的時間,讓這些外星生命發展出高度智慧文明;甚至,只需要一定的太空技術,在相對宇宙壽命極短的時間內,約千萬年之譜,就能殖民整個星系。那麼,為什麼地球人完全看不到任何跡象,顯示他們存在?

紐約客雜誌於1950年刊載外星人偷竊垃圾桶的漫畫,同時解釋了當時的幽浮目擊事件,與垃圾桶消失迷團。Alan Dunn (May 20, 1950),The New Yorker。(圖片來源

主動搜尋外星訊號

儘管沒有人知道費米悖論的真確答案,卻有不少人試圖提出可能的解釋,如外星人早就來過、外星人故意不跟我們接觸、我們探索的方式不對、外星生命來不及演化出文明就滅絕了、智慧文明無法避免地會自我毀滅(值得地球人警惕!)、外星人跟我們想的不一樣、地球真的是特別的存在……等等。

然而,不用等理論解釋為什麼,實際搜尋外星人的計畫早就開始進行。

十九世紀末,古列爾莫‧馬可尼(Guglielmo Marconi,1874–1937)發明無線電報系統,利用無線電波發送和接收電碼,電報也從此不再需要靠電線傳送──鐵達尼號失事的時候,也多虧無線電報,才有許多人獲得拯救。到了二十世紀初,利用無線電波傳遞聲音的技術被發明,廣播節目開始出現在我們的生活中;此後,地球人就陸續嘗試搜尋外星人發出的電磁波訊號。

1924 年 8 月,火星軌道運行進入非常接近地球的位置,僅距離 55,777,566 公里,提供了偵測火星人的絕佳機會。天文學家大衛‧佩克‧托德(David Peck Todd)在美國軍方的幫助下,將無線電接收器設置在離地三公里的飛船上,從 8 月 21 日到 23 日共計三十六小時內,嘗試接收火星人的無線電訊號,並備有軍方的密碼學家幫忙解譯;同時,所有無線電台每逢整點都會停止發送五分鐘,避免造成干擾。只可惜,這次實驗沒有得到任何有意義的結果。

1924年當時,美國軍方的電報要求無線電站密切留意任何不尋常的訊號。(圖片來源

到了 1960 年,美國康乃爾大學(Cornell University)的年輕天文學家法蘭克‧德雷克(Frank Drake),利用位於西維吉尼亞州綠堤(Green Bank)的無線電望遠鏡[1],分別觀測了距地球 10.5 光年的天苑四(Epsilon Eridani)和 11.9 光年的天倉五(Tau Ceti),花了數個月搜尋可能的外星智慧文明訊號,卻沒有任何收穫。

似乎,真的沒有外星文明發送電磁波訊號到宇宙中。不過,有此能力的外星文明多嗎?

德雷克方程式:智慧文明有多少?

1961 年 10 月底,德雷克在綠堤舉辦研討會,邀請所有想得到、對搜尋地球外智慧生命有興趣的科學家與會。然而,作為會議唯一的主辦人,德雷克被庶務忙得焦頭爛額,根本來不及安排議程。另一方面,該年度的諾貝爾化學獎得主將在會議期間公布,而謠傳中的得主正好就是會議參加者――加州大學柏克萊分校的生物化學家卡爾文[2];德雷克還得煩惱張羅香檳,以備萬一。

因為缺乏完善的議程規劃,又為了討論更能聚焦,就在參加者報到的前一天,德雷克思考了銀河系內、有能力使用電磁波訊息交流的智慧文明數目(以字母 N 代表),並假設有七個因素決定了 N 的多寡,分別為:

  • R*:銀河系中恆星形成的平均速率[3]
  • fp:恆星擁有行星的比例
  • ne:行星系中,支持生命生存的行星╱星體數量[4]
  • fl:支持生命生存的行星╱星體上,誕生生命的機率
  • fi:存在生命的行星╱星體演化出智慧生命的機率
  • fc:智慧生命文明裡,有多少比例發展出可被偵測到訊號的科技
  • L:智慧文明持續向太空發送可偵測訊號的時間長度

只要把上述七個參數相乘,就能評估出銀河系中可交流智慧文明的數目――這就是知名的德雷克方程式:\( N=R^*\cdot f_p\cdot n_e\cdot f_l\cdot f_i\cdot f_c\cdot L \)

1961 年 11 月 1 日,德雷克把公式寫在會議廳的黑板上,作為議程的討論主軸;當時的他並不知道,這個方程式日後常被認為是科學史上重要的方程式之一,甚至成為現今思考外星生命存在問題的架構――就連德雷克本人都表示非常驚訝(無誤)。

法蘭克‧德雷克攝於2012年的照片。By Raphael Perrino – Flickr: Dr. Frank Drake, CC BY 2.0

德雷克公式告訴我們什麼?

德雷克公式提及的七個參數,只要有任何數值上的變動,都會大大影響我們觀測到外星智慧生命的可能性;偏偏,裡面有許多參數都難以評估,無法給出準確的數值,誤差範圍極大。

在上個世紀 60 年代,科學界只對第一個參數R*(銀河系中恆星形成的平均速率)稍有概念,也完全不清楚剩下的參數數值為何。當時,尚未有任何太陽系外行星的觀測證據,更無從推測生命誕生於系外行星的可能性。

現代,隨著科技的進步,我們對德雷克方程式裡的參數已更有概念。根據目前的觀測結果,幾乎每個恆星都擁有自己的行星;換言之,方程式的第二個參數 fp(恆星擁有行星的比例)相當接近 1。此外,有 22% 的類太陽恆星,在適居帶擁有地球尺寸的行星──這無法完全決定第三個參數 ne(行星系中,支持生命生存的行星╱星體數量),但很有參考價值。

至於剩下四個參數,就算到了今天,我們若不是所知有限,就是一無所知──這一點也不奇怪,畢竟人類至今唯一能拿來參照的實例,也就只有地球而已。

在 1961 年的那場會議,德雷克和其他科學家們,針對不同參數分別給出了數值範圍的預估,最後得到 N(銀河系內可交流的智慧文明數目)約在 20 到 50,000,000 之間。

從 1961 年的估計,我們可以看見,因為德雷克方程式裡的參數不確定性太大,使其幾乎不具有預測能力。若以開頭所提到、今年六月的新聞來說,雖然宣稱銀河系中有 36 個智慧文明,但只要查看論文,就會發現其範圍實際上是 4 到 211(36-32 ~ 36+175 );而且,研究團隊在過程中還做了許多假設,才得出這樣的數字。換句話說,只要稍微更動假設,結論就很可能天差地遠──儘管如此,在目前有限的科學證據下,最多也只能做到這樣了。

永不放棄對外星生命的探問

儘管德雷克方程式能給予我們的資訊非常有限,但其貢獻仍不可抹滅:它提供了一種看待問題的架構,將「銀河系內可交流的智慧文明數目」拆開、化簡,成為數個單純因素的組合。

自從德雷克方程式面世之後,許多人套用類似的架構,提出不同的修改版本;如麻省理工學院(MIT)教授莎拉‧西格爾(Sara Seager)就參考德雷克方程式,將「大氣層可偵測到生命印記(Biosignature)的行星數目」分解為數個參數,以推估下一個十年、我們有多大可能性主動發現這些孕育生命的系外行星。最後她發現,以現有的地球科技所及,能找到且存在生命的系外行星,可能只有兩個──在不考慮誤差的狀況下,情況並不樂觀。

至於費米悖論,目前雖然尚無法得到解答,但依據近年的觀測證據,再加上對德雷克方程式、和其他修改版的估計,或許,我們無法太過理想性地認為,銀河系充滿了智慧生命等待交流──考量到宇宙漫長的歷史、與無窮盡的遼闊,縱使外星智慧文明真實(或曾經)存在,也不見得剛好能被地球人發現。

從無線電廣播發明至今,僅約莫百年;可以想像,如果有外星智慧生命要靠電磁波訊號偵測到地球人的存在,不但必須距離地球一百光年之內,而且科技程度還得恰恰好在這幾十年、至少發達到足以接收我們的訊號,且不能因為外在環境或自身緣故而毀滅──怎麼想都不是容易的事。

而德雷克在綠堤研討會提出他的方程式之後,除了持續天文學相關工作,甚至主導了傳送訊息給外星文明的活動:1974 年,在其他研究者──包括知名天文學家與科普作家卡爾‧薩根(Carl Sagan,1934–1996)──的幫助下,他們設計的訊息從波多黎各阿雷西博天文台(Arecibo Observatory),以強力的電磁波發送向距離地球 25,000 光年的球狀星團 M13,內容包括了人類的DNA 結構,和太陽系的介紹等等,史稱阿雷西博訊息(Arecibo Message)。儘管人類可能永遠無法收到回覆,在宇宙中傳播的阿雷西博訊息,卻已成為地球文明曾經存在的證據,等待很久很久以後,某個遙遠星系的外星文明觀測到它。

阿雷西博訊息。此處標示的顏色為分類、方便閱讀之用,原始訊息不包括顏色。(圖片來源

就算目前對外星生命的探尋一無所獲,但宇宙總是充滿各式驚奇與可能;或許,在可見的未來,我們就會從系外行星的大氣層發現外星生命存在的印記,甚至接收到外星文明的訊號也不一定。願原力與你同在!生生不息,繁榮昌盛!(一秒同時惹怒Star Wars和Star Trek粉絲)

註釋

  • [1] 該望遠鏡在當時由美國國家電波天文台(National Radio Astronomy Observatory)營運,位於美國國立無線電寂靜地帶(National Radio Quiet Zone)。
  • [2] 梅爾文‧埃利斯‧卡爾文(Melvin Ellis Calvin,1911 – 1997),美國化學家,1961年諾貝爾化學獎得主。
  • [3] 恆星中質量最小、溫度最低的紅矮星原本不被包括在定義裡;現代的版本已將其納入。
  • [4] 原本的定義中,只考慮行星的數量,但德雷克之後將其擴充,以包括所有星體。行星系中支持生命生存的星體不必然是行星,衛星也是可能的選擇;例如木星的衛星「歐羅巴」(Europa)在表面的冰層之下,可能擁有液態水海洋,也被認為是外星生命可能存在的地方。

參考資料

  1. “Where is everybody?”: An account of Fermi’s question, Eric M. Jones, Los Alamos technical report, March 1985.
  2. How My Dad’s Equation Sparked the Search for Extraterrestrial IntelligenceNadia Drake, National Geographic, June 30, 2014
  3. An Equation to Estimate the Probability of Identifying an Inhabited World Within the Next Decade, Sara Seager, MIT, 2013
  4. 《悖論:破解科學史上最複雜的9大謎團》,吉姆‧艾爾─卡利里,三采文化(2013)
  5. Prevalence of Earth-size planets orbiting Sun-like stars, Erik A. Petigura, Andrew W. Howard, and Geoffrey W. Marcy, PNAS 110 (48), November 26, 2013
  6. It’s the 25th anniversary of Earth’s first (and only) attempt to phone E.T., Bill Steele, Cornell Chronicle, November 12, 1999
  7. Wikipedia: Drake equation
  8. Wikipedia: Search for extraterrestrial intelligence
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/