克希荷夫誕辰｜科學史上的今天：3/12

• 文／賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭

－明代《增廣賢文》

在十六世紀以前，宇宙的起源、歷史、與結構一直被認為是屬於宗教與哲學的範圍，因此最初的許多宇宙論都是以人為中心、基於神話和傳說，並認為宇宙是永恆不變的。

為什麼是永恆不變的？一個正在改變的宇宙，便應該有面臨終結的命運，這似乎不符合超越人類之創世者存在的宗教信仰。

因此 17 世紀末至 19 世紀初之歐洲啟蒙時代（也稱為理性時代）雖然企圖擺脫對宗教盲目的信仰，追求通過理性和感官證據去獲得知識，但似乎並未改變科學家深信自盤古開天闢地以來，宇宙是靜態、永恆不變的根深蒂固想法。

牛頓在 1687 年提出萬有引力來闡述宇宙星球的運行，但只有一個吸引力的宇宙是不可能保持靜態的，因此牛頓理論需要一個持續的奇蹟來保持宇宙的靜態，防止宇宙的崩潰（即防止宇宙因為太陽和恆星被拉到一起而崩潰）^[1]。

愛因斯坦 1915 年發表包括重力在內的廣義相對論後，當然也思考著宇宙結構的問題。但他 1917 年所提出來的宇宙模型也像其它只有吸引力的模型一樣，謂宇宙是不可能保持靜態，只能膨脹或收縮！所以愛因斯坦就將重力方程式做了「少許修改」，讓宇宙能保持靜態。

1929 年，美國天文學家哈柏（Edwin Hubble）分析了一些從遙遠星群傳來之光譜的測量結果，發現其頻率很有系統地往較低之紅色位移（red shift），其位移值隨星群離我們之距離的增加而加大。顯然地，遙遠星群是依一定的規則在遠離我們：距離我們越遠，後退速率越快，稱為「哈柏–勒梅特定律」（Hubble-Lemaître law）］。

• 紅移

多普勒效應（Doppler effect）或多普勒頻移（Doppler shift）是因聲音波源及觀察者的相對移動而造成波頻率變化的現象。當波源及觀察者互相接近時，觀察者會測到波源的頻率比原來的高；反之，當他們遠離時，觀察者會測到波源的頻率例比原來的低。頻率的改變與相對速度成正比。因為光也是一種振動，故也有類似的現象。就可見光而言，紅光頻率較低，藍光頻率較高，因此光頻因兩物體互相遠離而變低時，我們稱為「紅移」（redshift）；反之，我們稱為「藍移」（blueshift）。

這無可避免的結論是：宇宙正處於正在膨脹的狀態！此一完全出乎意外的發現，改變了宇宙論這一研究的整個面貌！可是哈柏後來辯稱，不確定性的有限數據似乎支持靜止宇宙的概念，但他並沒有明確排除宇宙膨脹的可能性，因此他從未獲得諾貝爾獎——開玩笑的，他真正未得諾貝爾獎的原因見後。

有什麼證據可以說服像牛頓、愛因斯坦、哈柏這樣的大科學家相信宇宙是在膨脹呢？

標準大霹靂宇宙論

一個正在膨脹的宇宙是一個動態改變的宇宙，因此應該具有生命的歷史──甚至可能有出生與死亡。依現在廣為大部份科學家所接受的「標準大霹靂宇宙論」（standard cosmological Big Bang model），現在的宇宙年齡大約是 140 億年。

我們雖然對 140 億年前的宇宙結構細節非常不清楚，但大部份的科學家均認為宇宙是由「一個時空特異點」突然大爆炸而出現的──雖然物理學家尚不知道可用什麼理論來解釋該特異點。

剛爆炸時的宇宙處於一個高度均勻、非常高溫、及高輻射能密度的狀態；大約 10^-12 秒後，溫度下降到太陽核心溫度的一億倍時，我們現在所知道的自然力就出現了，此時被稱為夸克的基本粒子在能量海洋中自由遊蕩。大約 10^–6 秒時，自由夸克就被限制在中子和質子中。大爆炸一秒鐘後，宇宙充滿了中子、質子、電子、反電子、光子、和中微子。之後，隨著宇宙繼續膨脹，溫度也繼續下降，質子和中子開始結合形成原子核，然後又與電子結合形成現今宇宙中主要成分的氦和氘原子。這些中性原子透過重力開始合併成氣體雲，慢慢演變成恆星。當宇宙膨脹到現在大小的五分之一時，恆星已經形成了可以識別的年輕星系群體。

在電子、質子、和中子結合形成不帶電之原子前，因輻射能直接與帶電體作用，故宇宙是「不透明」的。當宇宙膨脹持續了 38 萬年、比現在小 1000 倍、溫度只有 ~3000K 時，中性原子開始大量出現；宇宙學家稱此一時期為「複合時期（recombination epoch）」。因為中性原子不能散射輻射，故輻射能在其間自由遊蕩，宇宙於是就變「透明」了，宇宙學家稱此一事件為「光子去耦（photon decoupling）」。

黑體輻射光譜

在物理學上，黑體（blackbody）是可以吸收所有入射電磁輻射的理想物理體；因它吸收所有顏色的光，故呈黑色，稱為「黑體」。黑體也發射所有頻率的電磁波，稱為「黑體輻射」；其頻率分佈稱為「黑體輻射光譜」（blackbody radiation spectrum）或「黑體光譜」。

實驗發現黑體光譜與物體之形狀或成分完全無關，只與其溫度有關。古典物理沒辦法解釋黑體光譜，導致了量子力學的發展（詳見《量子的故事》）。處於恆溫之熱平衡狀態的物體會發射該溫度之黑體輻射，其頻率或波長分佈如上圖。

黑體輻射的總能量與其溫度的四次方成正比，稱為「斯特凡-玻爾茲曼定律」（Stefan–Boltzmann law）；其光譜的峰值波長與其溫度成反比，稱為「維恩位移定律」（Wien displacement law）。太陽表面溫度約為 6000K，其光譜的峰值落在可見光的範圍，正是我們眼睛所能感應到的電磁波（見上圖）！

你說這是巧合還是演化的必然結果？

宇宙微波背景輻射——理論

1960 年代，普林斯頓大學物理學家迪克（Robert Dicke）及學生皮布爾斯（Jim Peebles）對 38 萬年前可以自由地穿過宇宙的輻射感到興趣，開始探討這些輻射遺留下來的可能性。他們推論說：如果宇宙是根據大爆炸理論創造的，那麼在「光子去耦」時，這些輻射應與物質作用達到平衡，其頻率分佈應是 3000K 之黑體輻射的光譜，強度最高的輻射在紅外線區（波長約為 970 nm）。托爾曼（Richard Tolman）在 1934 年的《相對論、熱力學和宇宙學》一書謂：宇宙因膨脹而溫度一直在下降，輻射頻率的分佈當然也一直隨其溫度在改變，但卻永遠保持著黑體輻射的分佈特性。

去耦時的宇宙大約比現在小 1000 倍，溫度大約為 3000K，因此當宇宙空間膨脹到現在之值時，當時之黑體輻射峰值波長便應該增長 1000 倍到微波範圍的 970 μm。因黑體光譜的峰值波長與其溫度成反比，故如果黑體輻射峰值波長增長 1000 倍，黑體的溫度便應該下降 1000 倍到 ~3K。所以現在的宇宙應充滿著 ~3K 的黑體輻射，稱為「宇宙微波背景輻射」（cosmic microwave background radiation，縮寫為 CMB 或 CMBR）。

迪克及皮布爾斯都是動嘴不動手的理論物理學家，因此只好說服同事威爾金森（David Wilkinson）和羅爾（Peter Roll）去安裝天線搜索這些輻射（有心栽花…… ）。

宇宙微波背景輻射——偵測

幾乎就在同時，貝爾實驗室的彭齊亞斯（Arno Penzias）和威爾遜（Robert Wilson）抓住機會，將該實驗室本想作廢的一個巨大的 20 英尺喇叭形天線，轉來作為輻射望遠鏡，以放大和測量來自星系之空間的無線電信號。為此，他們必須消除來自地面之雷達和無線電廣播的影響，並通過液氦冷卻接收器本身來抑制其核心的干擾。

在排除了能想到的一切過量輻射的來源後，他們發現接收器中仍持續存在有一種低沉、穩定、神秘的噪音。這殘留的噪音不但比他們預想的強烈一百倍，還晝夜均勻地散佈在天空；他們再次徹底檢查了設備，甚至清理了一些堆積在天線中的鴿子糞便後，噪音依然存在。顯然地，這 7.35 厘米波長的輻射不是來自地球、太陽、或我們的銀河系，而是來自銀河系外。可是什麼地方呢？

當麻省理工學院物理學教授伯克（Bernard Burke）告訴彭齊亞斯他曾看到皮布爾斯的一篇預印本論文，討論在宇宙出現後可能留下的輻射時，彭齊亞斯和威爾遜立刻意識到他們之發現的可能重要性。彭齊亞斯打了電話給就在附近工作之迪克，要了一份尚未發表的皮布爾斯論文。讀完該論文後，彭齊亞斯又打了電話給迪克，邀請他到貝爾實驗室看喇叭天線，欣賞背景噪音。迪克與貝爾實驗室的研究人員分享了他的理論工作後，認為後者（無心插柳）所發現的微波輻射正是他們正在尋找的大爆炸的標誌（柳成蔭）。

為了避免潛在的衝突，他們決定聯合發布他們的結果。 兩封快報同時迅速地在 1965 年的《天體物理學雜誌》（Astrophysical Journal）出現。在該雜誌裡，迪克和他的同事先概述了宇宙背景輻射作為大爆炸理論證據的重要性，然後彭齊亞斯和威爾遜報告了 3.5K 之殘餘背景噪音實驗，並謂迪克快報中的理論正可能是噪音的來源。

彭齊亞斯回憶說：「當我們第一次聽到莫名其妙的嗡嗡聲時，我們不明白它的意義，我們做夢也沒有想到它會與宇宙的起源有關。直到我們對聲音的起源用盡了所有可能的解釋後，我們才意識到我們偶然發現了一件大事。」彭齊亞斯和威爾遜因意外發現「微波背景輻射」而獲得了 1978 年的諾貝爾物理學獎。提供理論解釋的迪克及皮布爾斯則被排除在外^[2]。據皮布爾斯的回憶：迪克在掛斷彭齊亞斯之電話後，曾無奈地向普林斯頓大學的同事說：「完了，同事們，我們被別人捷足先登了（Well, boys, we’ve been scooped.）」。皮布爾斯雖然在 1978 年與諾貝爾獎失之交臂，但在 2019 年還是因在物理宇宙學方面的貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。

宇宙微波背景輻射——誰先提出？

事實上早在 1941 年科學界就開始有幾個對宇宙空間溫度的估計，但這些估計存在兩個缺陷。

首先，它們是對宇宙空間有效溫度的測量，並不表明宇宙空間充滿了黑體光譜。

其次，它們依賴於地球在銀河系邊緣的特殊位置，也沒有表明輻射分佈與方向無關。儘管如此，現在很多文獻都錯誤地認為第一位提出宇宙微波背景輻射的科學家是名科普作家伽莫（George Gamow）。

1940 年代初期，伽莫想知道早期宇宙的條件是否會產生科學家現在所觀察到的氫、氦、和其他元素。這項研究需要核物理知識，但當時美國的大多數核物理學家都被招募去發展原子彈，因此伽莫基本上是獨自一人在研究核合成問題。伽莫本人並不特別擅長數學計算，因此建議他的博士生阿爾弗（Ralph Alpher）去做這雜事。他們假設大爆炸後的宇宙非常熱、充滿了中子，原子核是透過一次捕獲一個中子而形成的，偶爾原子核會衰變產生一個更重的原子核（加上一個電子和一個中微子）。在 1948 年 4 月的論文裡，他們成功地預測了宇宙中氫和氦的比例（佔所有原子的 99.99%），為大爆炸模型的另一次重大勝利。

在上面提到的 1948 年的論文裡，伽莫和阿爾弗並沒有提到「宇宙初始膨脹的殘餘輻射」。幾個月後，阿爾弗和約翰霍普金斯大學同事赫爾曼（Robert Herman）發表了另一篇論文，謂現今觀察到的氫和氦濃度說明了在宇宙誕生後的幾分鐘內，宇宙的溫度曾經處於十億度的範圍內；並預測那早期宇宙中強烈輻射的微弱殘餘現今大約在「5K 左右」（兩年後他們重新估計為 28K）。事實上，阿爾弗說伽莫最初是反對這一預測的；他在 1997 年 8 月 25 日的一封信中寫道：

1948 年末，我和赫爾曼發表那篇論文後，伽莫三年來對預測（宇宙背景溫度）的貢獻一直是：對其正確性及意義強烈地表達了保留意見。後來他返回（這題目）並發表了幾篇論文，在理論上承認了這種輻射的存在，但繼續錯誤地計算其性質，混淆了數年的（歷史）文獻！

結論——從背景輻射，到恆星的「種子」

事實上彭齊亞斯和威爾遜並沒有探測到輻射具有黑體的光譜分佈；在 8 個月後，威爾金森和羅爾的實驗才總算開花顯示出 2.7K 光譜分佈的證據。但完全證明輻射的黑體性質則在更長的時間後才出現。靜態宇宙論雖然也可以解釋宇宙背景溫度，卻沒辦法解釋其光譜分佈，因此黑體微波背景輻射光譜的發現終於鞏固了大霹靂宇宙論在天文學上的地位！

一個在空間均勻分佈的輻射怎麼可能產生星球呢？因此這一充滿空間的輻射必須有一些局部變化⎯⎯無論多麼輕微，來提供形成物體的「種子」。1970 年代，天文學家發現了宇宙背景輻射在不同方向上確實有些微差異。這一發現激發了美國宇航局投入數十億美元，在戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）開始研製一種不僅可以測量背景輻射的變化，還可以證明它是黑體輻射的「宇宙背景探測器」 （COsmic Background Explore；COBE）衛星。

宇宙背景探測器於 1989 年發射。它準備花四年的時間來觀察蒐集資料。但在幾個小時內，它就證明了宇宙背景輻射的光譜分佈確實是黑體，完全符合與來自大爆炸時的理論計算。在 1992 年 4 月 3 日的新聞發布會上，加州大學柏克萊分校的天文物理學家斯穆特（George Smoot）宣布衛星探測器偵測到了宇宙微波背景的微小波動，為研究早期宇宙的一個突破：「我們觀察到早期宇宙中最古老和最大的現代結構（如星系、星系團等）的原始種子。不僅如此，它們也是（宇宙）創造時期遺留下來的時空結構中的巨大漣漪」；並謂「如果你有宗教信仰，那就像是看到了上帝」。馬瑟（John Mather）與斯穆特「因發現了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性」而獲得 2006 年諾貝爾物理學獎。

哈柏的發現改變了整個宇宙論研究的面貌，這麼大的貢獻，為什麼他從未獲得諾貝爾獎呢？原來那時的諾貝爾獎物理委員會不承認天文學是物理！因為這個關係，哈柏後來一直在努力爭取諾貝爾獎承認天文為一物理學的工作。

註解

• 註 1：因為正在撰寫這篇文章，筆者在此就賣個關子，不談牛頓如何解決這個問題。
• 註 2：是否因諾貝爾獎最多只能給三人之故就不得而知了。有趣的是：當初楊振寧與李政道因提出理論而獲得諾貝爾獎，吳建雄及雷德曼（Leon Lederman）之實驗驗證則被排除在外。

延伸閱讀

• 賴昭正：「我愛科學」（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版）：裡面收集了下面那兩篇文章。
• 愛因斯坦的最大錯誤–宇宙論常數 （科學月刊 2011 年十二月號；或泛科學 2011/12/11) 。
• 黑體輻射的光譜分佈請參考「太陽能與光電效應」（科學月刊 2011 年十二月號）或《量子的故事》， 新竹凡異出版社，第二版 （2005）。
• 賴昭正譯（P.C.W. Davies 原著）：「近代宇宙觀中的空間與時間」（新竹國興出版社，1981 年 8 月出版）。

我懷疑有些人不喜歡「自然淘汰沒有先見之明」的觀點。事實上，這個過程本身確是不知道將來往哪裡去。 正是「環境」提供了方向；從長遠來看，在很大程度上其影響是不可預測的。

──弗朗西斯・克里克，Francis Crick (1916-2004) ，1962年諾貝爾醫學獎──發現DNA雙螺旋結構

在「人體太複雜了：為何有關人體健康的研究總是充滿爭論？」一文裡（泛科學，2015/11/11），筆者談到了在研究與人體有關的問題上，因爲無法隔離各種可能的「因素」來探討直接的因果關係，因此有關人體健康的研究爭論將永無止境。

地球氣象的複雜性雖然可能比人體簡單些，但也碰到同樣的無法控制之隔離因素的問題，更糟的是世界人口有 70 多億，生物學家與醫學家可以使用統計法來研究，但地球只有一個，因此氣象學家所能使用的研究工具大受限制！故地球是否正在暖化，也像「基因改造物種（GMO）是否對人體有害」一樣，呈現兩極化的爭論。

一個極端謂全球暖化是「庸人自擾，根本沒有這種現象。」他們認為地球在過去的 70 萬年中經歷了溫暖和寒冷的時期，以百年尺度來看， 我們或許正處於溫暖時期的中間，但以十萬年尺度來看，我們事實上是正走向另一個冰河時代。理論物理及數學家 Freeman Dyson 謂：「全球變暖是世界面臨的最重要問題的想法完全是胡說八道，並且造成了很大的傷害。」

另外一個極端則認為「氣象變化已經到了極端，我們如果不再採取行動，世界末日就在眼前。」去年 11 月 23 日，包括 300 名頂尖科學家在內的第四次全國（美國）氣候評估（Fourth National Climate Assessment）謂：「美國已經經歷了氣候變化帶來的嚴重和代價高昂的影響。」在 10 月份發布的另一份聯合國報告中，科學家們則謂：「各國需要極端的努力，才能將全球變暖限制在 1.5 攝氏度內——而且我們大約只有 12 年的時間。」

都是二氧化碳惹的禍

儘管爭論不斷，但 90% 以上的科學家均認為全球是正在暖化，雖然其中有些許認為原因不明，或現有的資料尚不足以支持是因「人類活動」造成的，但大多數都同意全球暖化的罪魁禍首是二氧化碳。

二氧化碳在空氣中佔不到千分之一，怎麼竟成為全球暖化的罪魁禍首呢？在探討其原因之前，筆者必須在這裡指出，常被用來「證明」全球暖化之「90%以上的科學家均認為……」並不代表什麼！

誠如美國名作家、編劇、電影導演、和製片人（特別是在科幻小說、驚悚片、和醫學小說類型中的作品）Michael Crichton（1942–2008，哈佛醫學院高材生）所言：「科學工作與共識無關。 共識是政治事務； 相反地，科學只需要一名正確的調查員。…歷史上最偉大的科學家之所以偉大，正是因為他們打破了共識。…沒有共識科學這樣的東西。 如果達成共識，那就不是科學。 如果是科學，那就不是共識。」

不幸的是，如前面所提：因為複雜性及只有一個地球，這一名「正確的調查員」是永遠不會出現的。因此自圓其說的各種研究報告將繼續不斷地出現！如筆者在一些文章內所提的：讀者不能盲目地相信，必須用自己的判斷力來看所有的報告和研究！另一個讀者需要注意的是：作者的立場常有意或無意地影響了其結論！（例如今年2月底，美國白宮計劃創建由一群不認同「石化燃料的持續燃燒正在傷害地球」的特選聯邦科學家組成的特設小組，來重新評估政府對氣候科學的分析──不用等報告出爐，我們就應該已經知道結論了！）

筆者的立場在「人體太複雜了：為何有關人體健康的研究總是充滿爭論？」一文裡已表示得非常地清楚：「你說整天將手機放在耳邊對大腦沒有影響？怎麼可能呢！只是這環境改變不夠巨大，因此到底有那些人能夠成為適者而生存下來，那可能是幾百年後才可能知道的！」人類大量地製造出二氧化碳，怎麼可能不影響自然界的平衡呢？只是這影響將不再是「有些人」而已，而是整個人類。然而人類或其他動植物是否能成為適者，那就要看破壞及進化的相對速度了！

黑體輻射與地球表面平均溫度

因為太陽是驅動我們氣候系統的基本能源，首先讓我們來看看經過 45 億年的太陽照射，「理想」的地球溫度應該是多少。太陽的直徑約為 140 萬公里，表面溫度為絕對溫度 6000°K， 所發射出來的能量（電磁波）分布如（圖一）所示。

從（圖一）可以看到：五官中最重要的器官「眼睛」，所能感應到的電磁波範圍，正是太陽能分布中最強的部份（占 47％），我們因之稱此範圍為可見光，其波長大約在 390∼750 奈米（10-9 公尺）之間！你說這是巧合還是演化的必然結果？事實上不僅人類及大部份動物如此，大部份植物也是利用可見光來進行其生存與繁盛所必須之光合作用的！

早在十九世紀末期，物理學家便致力於分析因溫度而放射的輻射能光譜（即分析某頻率範圍內有多少輻射能）。他們發現輻射能光譜僅與放射物質的溫度有關，卻幾乎與其組成的物質無關¹。近代物理中的量子力學，便是為了解釋實驗光譜而興起的。事實上波茲曼（L. Boltzmann）早在1884年，便由熱力學導出溫度為T之物質的輻射總能量為：

E_T（單位時間單位面積之總輻射能）＝σT⁴。

公式中之 σ 為史蒂芬—波茲曼常數（Stefan-Boltzmann constant），T為絕對溫度。

將太陽的表面溫度代入上面公式，可以算出太陽一天所放射出的能量，足供人類一年所須，可是還好只有 21 億分之一的能量抵達地球²。當然，地球本身也會依上面的公式輻射。如果我們要求地球所吸收的能量等於它所輻射的能量，我們可以計算出地球的穩定溫度為 279°K（6°C）。信不信由你，這實際上竟然非常接近 1880 年時的地球表面平均溫度 287°K ！³

經過 45 億年，地球溫度達到一個平衡值，似乎是很好的假設。因此我們不免要問：為什麼不是完全吻合呢？一個可能的解釋是：「因為大氣的關係，地球並不是一個很理想的黑體，大氣不但反射部分的太陽能，也吸收了地球往外太空輻射的部分能量。」但科學家不但未在大氣的各個層面看到更溫暖的氣溫，相反地，他們觀察到高層大氣的冷卻，以及對流層表面和下部的升溫——顯然是因為「溫室效應」在低層大氣中捕獲較多熱量之故。

什麼是「溫室效應」呢？相信許多讀者不但聽過，而且可能都親身體驗過，那就是在門窗緊閉之車子內的溫度可以比外面的溫度高出甚多⁴；因此在比較冷的地方，在玻璃屋內可以種一些熱帶植物。要了解玻璃屋內為什麼可以保持比較高的溫度，我們在這裡必須先溫習下電磁波（輻射能）與分子（原子）的作用。

溫室效應的物理

電磁波是一種電、磁場的振動，因此要與他作用，物體必須帶電。分子是由帶正電之原子核以及帶負電的電子組成的，因此一定可以與電磁波作用。20世紀量子物理的一大發現，就是分子本身的內在「振動」頻率，必須與電磁波頻率相同才能將它吸收。分子本身的內在「振動」大約可以分成三種：

1. 電子在軌道中的跳動，其頻率大約都在可見光及紫外線附近；
2. 分子的振動，其頻率大約都在紅外線附近；
3. 分子的轉動，其頻率大約都在微波附近。

如果頻率不同，不能引起共振（吸收），那麼電磁波裡的電場就只能帶動分子內之電子，依它的頻率振動，往四面八方放出頻率相同的電磁波，造成散射（scattering）現象（如天空之所以是藍色的原因）。不管是吸收或散射，如果電磁波訊與分子繼續作用，其原來之能量最後都將被轉換改成熱能（分子之無規律運動——詳見延伸閱讀「熱力學與能源利用」）！

前面提過太陽的輻射主要是可見光，而玻璃是透明的，意即除了少數可見光被散射掉外，其他都毫無阻擋地通過，射落在地面及植物上（圖二），最後大都被吸收經由分子之間的作用改變成熱能，提高地面及植物的溫度。

因為它們的溫度比太陽低得多（室溫，大約只有 300°K 而已），故其頻率分佈與（圖一）完全不同，不但整個能量（分佈圖下的面積）少多了，其主要的輻射已不再是可見光，而是集中在紅外線區域。

這些能量在往外輻射時，卻不幸碰到了「溫室氣體」及玻璃。這些氣體雖然不能吸收可見光，但是它們的的振動頻率正是集中在紅外區附近，因此這些輻射將大部分被吸收，使分子的振動變快。透過分子間的碰撞，這些快速的分子振動最後終被轉換成分子的動能──熱能，提高了室內空氣的溫度，造成所謂的「溫室效應」。

溫室氣體：二氧化碳與水蒸氣

地球雖然沒有玻璃罩，但是它卻被一層大氣包圍著。大氣的主要成分是氧氣（21%）、氮氣（78%）、及氬（1%），它們都是由同樣的原子組成的（氬是單一原子），因此振動不可能產生具正、負電端之電偶，故不能與電磁波作用吸收紅外線。剩下的 1% 則主要是水及二氧化碳等微量氣體。水分子大都以水蒸氣形式存在，其濃度因地點和時間而異，大約在 0-4％之間變化：在寒冷乾燥的地區，水蒸氣通常佔不到大氣的 1％；而在潮濕的熱帶地區，水蒸氣幾乎佔大氣的4％。

二氧化碳分子（O=C=O）雖然因為對稱的關係不具電偶，但它的四個振動態中有三個（例如O===C=O）會破壞對稱而產生電偶，吸收同一頻率的電磁波。水分子本來就具電偶，因此與二氧化碳一樣，可以吸收從地球表面放出來的黑體輻射，造成溫室效應使地球變暖，合稱為「溫室氣體」（greenhouse gas）。

水在大氣中的份量比二氧化碳多，因此水應是改變地球輻射平衡的最重要的分子。但大氣中水蒸氣的濃度主要取決於海洋的蒸發（和凝結），而海洋是如此巨大，人類對它的直接影響有限，不能過多地改變它，因此只能將地球變暖全部怪罪到二氧化碳，及其他一些更少的氣體如甲烷、氮化氧等。

金星提供的間接證據

我們雖然不能在地球上進行任何實驗，來直接證明現在地球變暖是因為二氧化碳的關係，但被稱為地球姐妹之金星，似乎是提供了很好的一個間接證據。

金星的密度、體積、組成均與地球差不多，但與太陽的距離為地球的 72%。如果我們也要求它所吸收的能量等於它所輻射的能量，我們可以很容易地計算出金星的穩定表面溫度應為 538°K；⁵ 金星的實際表面溫度不但相當均勻，且高達 740°K！其原因顯然是因為溫室效應的關係 ：金星的大氣幾乎完全是由二氧化碳組成的（僅含有微量的氮和硫酸）。而比它更近太陽的水星，因為沒有大氣調節溫度，溫度變化非常地大（103°K 到 700°K），最高的溫度也只有 700°K 而已。

讀完上面的論點，讀者覺得將「地球暖化歸咎於二氧化碳」有沒有道理？筆者在親朋好友間的一句「名言」是「飯吃過量對身體也是有害」，因此不需要任何物理就已經覺得很有道理了。人類生活水平的全面提高，無可否認地是因為大量使用能源的關係；大量燃燒石化物，無可否認地將產生大量的二氧化碳，破壞了原本之地球上的二氧化碳平衡⁶。此一平衡的破壞一定會有影響，如果不是暖化地球，那是什麼呢？筆者去年 12 月中旬回到台灣，帶了一些冬天的衣服，卻發現台灣天高氣爽，好像春天早已光臨寶島！

比利時科學家 Christian de Duve 曾言：「我們（人類）成功的代價是自然資源枯竭、導致能源危機、氣候變化、污染、和我們棲息地的破壞。 如果你耗盡了自然資源，那麼你的孩子就沒有什麼了。 如果我們繼續朝著同一個方向前進，人類就會走向一些可怕的考驗——如果不是滅絕的話。」

或許自然淘汰本身確是不知道要將我們往哪裡推，但過去幾次的地球氣候巨變，如：二疊紀（Permian）、三疊紀（Triassic）、或甚至寒武紀（Cambrian）中期，幾乎總是對生命造成高度破壞性，導致大規模物種滅絕。

人定勝天或者作繭自縛？且待下回分解──有嗎？

註解：

1. 如果該物質為「黑體」，則輻射能光譜便完全與物質無關。黑體是一種理想化的物理體，無論頻率或入射角如何，都能吸收所有入射的電磁輻射。許多普通物體發射的輻射可以近似為黑體輻射。
2. 利用簡單的幾何面積計算即可：πr²/4πR²（ r為地球半徑，R為地球與太陽的距離）。
3. 事實上筆者第一次看到這個「巧合」時，是有點「震驚」，想一想地球的表面溫度變化從184°K到331°K，並不是在一個平衡狀態，而總輻射能與絕對溫度的4次方成正比（用線性平均溫度算出來的總放射能將比實際的少）。
4. 美國每年平均大約有 37 位小孩因為父母親忘了他們還留在車後座位而被熱死。
5. 約等於（地球穩定表面溫度 287°K）× (1/0.72)²。
6. 與此同時，人類又大量地砍採可以幫助消化、平衡二氧化碳的樹木與森林！

延伸閱讀：

1. 賴昭正：「我愛科學」，華騰文化有限公司2017年12月出版。該書收集筆者自1970年元月至2017年8月在科學月刊及少數其他雜誌所發表之文章編輯而成。本文章所涉及到之「熱力學與能源利用」、黑體輻射、史蒂芬—波茲曼定律、分子的振動、分子與電磁波的作用等均在裡面。
2. 黑體輻射的研究如何導致量子力學的發展，請參考賴昭正：「量子的故事」，第二版，2005年，凡異出版社。

「以古為鏡，可以知興替。」如果能在過去、現在兩點拉出一條直線的話，未來的趨勢也有機會在我們掌握之中；當我們遇到困難時可以透過過往的經驗，幫助我們下判斷。這就是歷史的重要性！同樣的，歷史的脈絡可以幫助我們學習科學，而且還有機會發現科學家並不是我們想像中的神聖不可侵。2015 年 12 月 22 日在胖地台北，泛科學的專欄作者張瑞棋帶著《科學史上的今天》，和我們分享科學家背後鮮為人知的小故事。

「從小到大，科學家在我們心中非常偉大，無論是哥白尼的日心說，或者證明地心引力作用一樣的伽利略。這些科學家閃耀著光芒，直到越讀越多書後才發現，光芒的背後其實存在著陰影。這些科學家們的陰影來自信仰、權威以及性別。」

信仰

普遍認為哥白尼的日心說之所以不被認可，是因為宗教的打壓。然而另一種觀點是由於哥白尼認為上帝創造的宇宙應該存在著完美對稱的幾何關係，也就是軌道應該是圓形的！但這會和他觀察到的天文現象不吻合，因此與其說日心說的發表示因為教會的壓力，其實哥白尼本身的執迷才是造成學說延宕的原因。又比如提出滅絕說的居唯葉，他認為物種會因為某些災難而滅絕，另一方面在創世後仍物種繼續被創造。由於他深信聖經的創世論，甚至抨擊達爾文的演化論，導致演化論的發展備受阻礙。

權威

除了信仰外，有時候科學家利用自身權威、堅持己見，抑制別派學說，亦會影響科學的發展。你能想像西元十六世紀，醫生們拿著的解剖經典是出自於西元二世紀的蓋倫，且內容漏洞百出嗎？蓋倫是根據其動物解剖的經驗來推斷人體的內部構造，當然和人體的構造有很大的出入。但許多人不改抵抗權威，使得錯誤流傳千年。直到維薩留斯的出現，人體的結構才終於被了解。維薩留斯憑藉著大量的人體解剖經驗，推翻了多年來的理論，加上他有美術的長才，得以將知識快速的更新、傳播。

另一個為人所知的例子是牛頓及萊布尼茲。在微積分發展上，英國推崇地位較高的牛頓提出的流數，而非萊布尼茲的微積分，這導致英國的數學研究落後其他歐陸國家。最後一個權威造成的悲劇，讓許多產婦賠上了性命。十九世紀，醫生塞默維斯發現由醫院接生的產婦死亡率遠遠高出了由助產士接生的。他推測原因是醫學系的學生在解剖完大體後沒有清潔，而將細菌帶給產婦。然而其他高傲的醫生們認為：醫生怎麼可能害人呢？而摒棄了塞默維斯的想法。

性別

女性在科學界受到的打壓也不少：在代數領域有傑出成就的埃米諾特，竟因其性別而無法擔任大學教授；華生看了羅莎琳．佛蘭克林的 DNA  X 光繞射圖片，終於發現了 DNA 的雙螺旋結構，並以此得到了諾貝爾獎。雖然華生得獎的時候佛蘭克林已過世，然而我們可以想像，在當時的社會氛圍下，即便她在世，女性科學家的得獎機率仍然很低；發現脈衝星的喬瑟琳貝爾其成就在天文界有目共睹，然而諾貝爾物理獎的獎座是被指導教授赫維許拿走；吳健雄透過實驗證實宇稱不守恆，但最後是理論學家楊振寧及李政道是拿到了諾貝爾物理獎。

有些時候科學家對抗的不是來自外界的輿論、權威，反對的力量反而是來自科學界：牛頓打壓虎克及萊布尼茲；愛迪生堅持使用直流電系統，並利用交流電椅製造世人對交流電的恐懼，藉此反對特斯拉的交流電系統；發明氫彈的泰勒對前主管歐本海默落井下石，聲稱歐本海默對美國不忠……

我想呈現的不只是科學家的榮耀，還有其與常人無異的一面

跟著《科學史上的今天》的腳步，我們可以發現科學家或許只在智力上比一般人高超，但其品性仍和常人一樣：他們也會忌妒、也會排擠別人、也會為了得到權力耍手段。如果大家能用平等的角度認識科學家，去了解理論後的時代背景，那學科學就不再只是背公式和定理，而是和一段段生命故事相遇的奇幻旅程。