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科學寶可夢2 #171 電燈怪：深海中的大大大大大太陽

Rock Sun ・2018/03/07 ・3543字・閱讀時間約 7 分鐘・SR值 505 ・六年級

身為一名訓練師，你真的了解你的寶貝們嗎？寶可夢圖鑑讀熟了沒？
其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔！每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧！來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。
在Y編的百般詢問之下（其實是我自我放逐~~~），R編決定來繼續「科學寶可夢」這個專題。儘管寶可夢有點退燒了，但這充滿空想、奇幻又可以用科學來驗證、討論的世界，對我們科學青年根本是個遊樂場~ 不是嗎？或許之後……還可以繼續不知道那裡的科學探險呢~

你就只會看到一團光，然後就瞎了 #171 電燈怪

雖然我們上一位介紹的安瓢蟲就是以星光當成能源來過活的，但其實R編個人對寶可夢世界裡與「光」有關的寶可夢不抱太大的期待，因為……好像沒有哪隻寶可夢是以光出名的啊！沒想到過沒多久又發現了一隻不只和光有關，且單單從圖鑑敘述就知道牠一定強到沒朋友的寶可夢。

「電燈怪發出的光線之亮，就算是從 5000 米的水下發出也能傳到到水面上。」（金、葉綠、心金）
「如果深夜里從船上向漆黑的海望去，電燈怪所發出的亮光有時看起来就像星星一樣。」（藍寶石、鑽石、珍珠、白金、黑白…..）
「會放出刺眼的亮光眩暈對手，然后趁其無法動彈時將其整個吞下。」（銀、火紅、魂銀……）

各位觀眾，是 5000 米（公尺）啊！！！（注1）先別說在海底了，假設今天場景拉到了海平面上，5000 公尺的距離就像是你站在 101 某個樓層能夠平視看到新光三越站前店（如果沒有建築物擋住的話）頂的手電筒！這有可能嗎？R編覺得很難，但也不是沒機會。不過在此之前先讓我們再推一萬步，來追究一下電燈怪是怎麼發光的？

其實圖鑑上有提到這點：電燈怪就跟許許多多地球上的深海發光生物一樣，靠著身體中的細菌產生化學反應來制造亮光。生物之所以發光有各式各樣不同的理由，像是吸引獵物、溝通、尋找伴侶等等。這些生物有很大一部分居住在海中，而圖鑑裡也有說電燈怪是靠閃瞎獵物來捕食……這聽來蠻合理的，除了牠鮮豔的藍黃色以外，牠的外型甚至跟現實世界的鮟鱇魚幾乎一模一樣（注2）。

所以電燈怪發光是很合理的，但能在 5000 公尺外看到牠的亮光嗎？問題就在於，就算鮟鱇魚頭上的燈跟我們在地球眼睛看到的太陽光一樣亮，別說 5000 公尺了，在水裡連在 100 公尺內看到都很勉強；之所以會有這樣的現象，跟光在水中的物理有關。

水的密度比空氣大超過 800 倍，這對於光的傳遞來說是很不友善的一件事。在水下，光的傳遞會受到深度、視覺距離、水面的狀況影響等因素影響，但絕大部分的紅光在 5 公尺內會被吸收、橘光則是 10 公尺、黃光 20 公尺、綠光 30 公尺，最後藍光在 60 公尺身的時候就消失了，這時候的光基本上被吸收到剩不到 10%。（注3）

就算今天海水的狀況好一點，太陽光頂多也只能傳遞到水下 200 公尺，所以這段距離在海洋學上被稱為「透光帶」（Epipelagic）。這個範圍的海水居住著需要陽光的海洋生物，像是一些行光合作用的浮游生物。再往下到 1000 公尺深，叫做「中層帶」（Mesopelagic），這裡要行光合作用基本上已經不可能了，只有在最理想、風平浪靜、海水超級清澈的極少數情況下這裡才有一點點光，但少到讓人絕望。

然後在這之下的深海則叫做「深層帶」（Bathypelagic），再來是「深淵帶」（Abyssopelagic）（y編按：說好不提娜娜琪的……(R編再按:那啥?吃的嗎?)）。帶如其名，在這裡的生物別說看過光了，連ㄍㄨㄤ這個字怎麼拼都不知道。5000 公尺深就落在這裡，而電燈怪可以從這裡……散發出來連水面都看的到的光……！？

從深海中的LED燈開始，來大膽猜一下電燈怪能有多亮呢？

舉個例子給大家參考一下，曾經下潛到水下 10,000 公尺深、著名的水下載具深海挑戰者號上面裝有一個 2 公尺高的 LED 探照燈陣列（注4），雖然 R編找了很久找不到這 LED 探照燈陣列的功率或照度，但是根據製造者說法，這個探照燈在深海能看到 30 公尺外的地方……這也只有電燈怪的0.6%而已。由於實在找不到太多可靠或明白的資料，R編決定做個冒險的計算，就是使用平方反比定律，來試著計算電燈怪的光到底有多強，這下子我們可能會忽略很大一部分水的散射，導致我們的電燈怪會超乎預期的強。

反平方定律是一個推估物理量的分布或強度的定律，數值會按照距離源的平方反比而下降，最常被用在計算能量擴散（爆炸）或光與距離間的關係。舉個例子：如果今天我們在 2 公尺之外測量一個燈泡照度為 10 勒克斯（也就是每平方公尺 10 流明），那麼它在 1 公尺處的照度就是 (2/1)²x10=40 勒克斯。當然也可以放遠計算，而數字只會越來越趨近於零，但不會消失。

例如深海挑戰者號的LED燈在 30 公尺為照度剩 1 勒克斯（大概比滿月的晚上再亮一點點），那麼 5000 公尺外它的照度就只剩下 0.000036 勒克斯，比之前提過的星光還弱 3 倍。如果我們反過來推倒，假設今天我們在水面上看到電燈怪的燈光有 1 勒克斯，那麼實際上在海中的牠有多亮呢？

經過計算之後，在 30 公尺處電燈怪的照度就高達 27 萬勒克斯，這已經比正中午的太陽光還亮 2 倍以上了，如果我們再拉近點，距離電燈怪只有 10 公分，照度會來到 2.5×10¹⁰勒克斯，我們姑且就先以這個值當作電燈怪燈的照度好了。

電燈怪的燈，如果把它算成一個直徑兩公分的球好了，它的表面積就是 0.0013 平方公尺，乘上 2.5×10¹⁰勒克斯，我們得到光通量為 3000 萬流明，如果再進一步將電燈怪的發光能力換算成現今擁有非常優越轉化效能的燈泡，約 200 流明/瓦特，我們也可以把它類比成一個 15 萬瓦的燈泡。

我們要拿怎樣的手電筒比呢？別提了，我們直接跳到海岸救援直升機等級的探照燈，這類的探照燈少有 500 瓦，高則可以到 7000 瓦，而市面上能夠找到的最強探照燈光通量一台也不過才 50,000 流明而已了，在電燈怪的光面前，我們地球上的最頂尖的人造光都像螢火蟲一樣，除非我們集合起來（悟空說：請大家給我力量！），才能比過這隻小小的寶可夢。（注5）

而根據軍用閃光彈的原理，我們正常人只要看到每平方公分 0.2 瓦以上的光就會昏厥。如果我們今天想把電燈怪從深海打撈起來，會發生什麼事呢？我們會先看到一個像手電筒一樣的燈光出現在海面上，漸漸地越來越大、越來越亮，離水面幾百公尺的時候，整個海面已經像日光燈一樣閃亮，我們可以在海面上看到各種不同海洋生物的影子，然後一口氣大力拉上的瞬間，半徑大概 100 公尺內的人都會被瞬間閃暈，範圍之外的大概亮到眼睛都睜不開，而理所當然我們也看不到這隻寶可夢。（注6）

海中生物的話呢~~牠們如果有視力的話大概也會落得一樣的下場，反而是眼睛發育不完全的深海動物和完全沒有眼睛的底棲生物們等能夠逃過一劫……原來這就是為什麼電燈怪要住在海底下的原因啊~~真是要好好感謝電燈怪，請牠們盡量待在深海不要隨便造成視力浩劫啊~~

編注：

這基本上就是全部的敘述了，說實在話「像星星一樣」和後面的閃瞎對手吃掉整個差很多啊~不會覺得這光絕對是有詐嗎？
這很難說，因為我們只不過才探索極少部分深海而已，說不定哪一天我們真的能找到長得像藍色的布丁，臉上還有黃色斑紋的鮟鱇魚，但絕對不會長這麼可愛。其實現實世界有深海魚類的眼窩是真的會發光的，所以那圈黃色的說不定是發光器？
雖然這順序有很大的不一樣，因為我們以上討論的是陽光照進海水的情況，但電燈怪可是相反~他是從海裡發出光，光源本身就在水中，不像太陽高高掛在天上，這中間少了非常多東西，如果有更懂類似知識的大大可以幫R編補一下。
除了LED探照燈外，還有一個機械夾和許許多多的鋰電池、攝影機…..，沒有太多華麗的實驗設備，但靠著安全的設計和卡導演的駕駛，安全的探險回來。
其實還有更有潛力的強大燈光存在，例如 Imax 投影機陣列、拉斯維加斯樂蜀飯店頂全世界最亮的探照燈、還有許許多多大概不能公布的軍事黑科技，極有可能夠和電燈怪並駕齊驅，但這些真的找不到什麼全面的資料。
這還不包括可能發生的放熱、視網膜傷害等，只能說這樣的動物待在深海就好了。

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Rock Sun

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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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CASE PRESS ・2021/10/22 ・3033字・閱讀時間約 6 分鐘

撰文｜許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機，也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種，讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹，大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引：標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後，我們終於要離開銀河系，開始量測銀河系以外的星系距離。在前作＜天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」＞中，介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠，發出來的光照射到的範圍就愈大，看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」，而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度，而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度，再搭配我們看到的亮度，很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說，我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書，得知這支路燈的光度，就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈，那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光（Standard Candle）」。可是下一個問題馬上就來了：我們哪知道誰是標準燭光啊？經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法，我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來，我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧！

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中，「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載：造父很會駕車，因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂，造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後，周穆王把「趙城」（現在的中國山西省洪洞縣一帶）封給造父，而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此，造父可是趙姓的始祖呢！（《史記‧本紀‧秦本紀》：造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂，造父為繆王御，長驅歸周，一日千里以救亂。繆王以趙城封造父，造父族由此為趙氏。）

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員（圖一），位於西洋星座中的「仙王座（Cepheus）」。一共有五顆恆星（造父一到造父五），清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆（造父增一到造父增五）。^[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克（John Goodricke，1764-1786）幼年因為發燒而失聰，也無法說話。1784 年古德利克（John Goodricke，1764-1786）發現「造父一」的光度會變化，代表它是一顆「變星（Variable）」。2 年後，年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。^[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化，變化週期大約是 5.36 天（圖二）。經由後人持續的觀測，發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質（週期、光譜類型、質量……等）與造父一接近，因此將這一類變星統稱為「造父變星（Cepheid Variable）」。^[5]

圖二：造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間，縱軸可以看成亮度。圖片來源：ThomasK Vbg^[5]

勒維特定律：週光關係

時間接著來到 1893 年，年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特（Henrietta Leavitt，1868-1921）她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林（Edward Pickering，1846-1919）為了減少人事開銷，將負責計算的男性職員換成了女性（當時的薪資只有男性的一半）。^[6]

這些「哈佛計算員（Harvard computers）」（圖三）的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據，然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說，她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提，這相當於現在時薪 9 美元左右，約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。^[6][7][8]

勒維特接到的目標是「變星」，工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星，包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到：這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關！愈亮的造父變星，變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠，可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後，就能得到一個「光度與週期」的關係（圖四），稱為「週光關係（Period-luminosity relation）」，又稱為「勒維特定律（Leavitt’s Law）」。藉由週光關係，搭配觀測到的造父變星變化週期，就能得知它的平均光度，能把它當作一支標準燭光！^[6][8][10]

圖四：造父變星的週光關係。縱軸為平均光度，橫軸是週期。光度愈大，週期就愈久。圖片來源：NASA ^[11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後，埃德溫‧哈柏（Edwin Hubble，1889-1953）就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星（圖五）。數個世紀以來，人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現， M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小，最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系，也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星，得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系，就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。^[10]

圖五：M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源：NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team ^[1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具，然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的，而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年，諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名，才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年，由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者，勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。^[12]