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走入影劇中做自己的物理學家:霍金為何能吸引眾人目光?──《時空旅行的夢想家:史蒂芬.霍金》

時報出版_96
・2018/03/14 ・3489字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

走入影劇的物理學家

1992 年秋季,熱愛歌劇的霍金發現自己成為紐約市大都會歌劇院的舞台角色,講明白點就是成為一個稍微吊離舞台的人物。

那齣戲不是華格納歌劇,而是先前幫《時間簡史》影片配樂的作曲家菲利普.葛拉斯(Philip Glass)的新劇《航行》(The Voyage)。大都會委託創作《航行》來紀念哥倫布航向新世界五百週年慶,不過葛拉斯決定不再重講哥倫布的故事。於是他讓哥倫布成為人類渴望探索、發現的象徵。歌劇序幕有個坐輪椅的人物,分明就是隱指霍金,在舞台上空飄蕩並吟誦:「眼光嚮往哪裡,航行就朝向哪裡。」一片滿布行星的天空出現,彷彿是他變出來的,然後他就朝遠方飛去。

    《時間簡史》紀錄片

隔年,霍金還更深入參與一次短期冒險行動,而且在心中留下美好回憶的不只他一人,還包括許多人,那是一趟(想像的)飛航旅程,而且遠比他在真實生活依然期望從事的次軌道飛行還更英勇。他那趟飛行並沒有(換個口味)乘著理論物理學的翅膀。 事情從 1993 年春季開始。當時為慶賀《時間簡史》發行家庭影視版辦了一場聚會,李奧納特.尼摩伊(Leonard Nimoy)獲邀與會。尼摩伊在《星艦奇航記》裡飾演瓦肯星人史巴克,還榮膺使命為聚會引介霍金。 依《時人雜誌》(People Magazine)所述:「瓦肯最著名的後裔,迅即與地球最富人望的宇宙學家做了心靈交融。」這樣引經據典,所有星艦影迷全都心領神會。尼摩伊得知霍金是星艦的影迷,而且像其他粉絲一樣渴望粉墨登場,於是他聯絡該劇執行製片尼克.伯爾曼(Nick Berman)。伯爾曼立刻安排三分鐘橋段,穿插星艦劇集〈後裔〉(Descent)的開場段落。

霍金、愛因斯坦、牛頓、百科(生化人)一同打橋牌。霍金是唯一位由本人飾演的角色。 圖/《星艦奇航:銀河飛龍》劇照

那場戲的背景設在星艦企業號的「全像甲板」,那是艦上一區,能以全像技術把船員的幻想變成「實境」。這段演的是仿生人百科,幻想自己和愛因斯坦、牛頓與霍金打橋牌。結果毫不奇怪,這當中只有霍金角色由霍金本人飾演。他提前收到腳本,編好程式把他的台詞輸入語音合成器。

從 1990 年代到二十一世紀的前十年,霍金還能做出幾種臉部表情,而且在飾演自己的角色時,他把這項能力發揮得很好,那一集的導演亞歷克斯.辛格(Alex Singer)表示;「所有人都很驚訝,怎麼他的臉部竟然有這麼高的活動力。這背後的生命力非常明顯。」扮演牛頓的約翰.內維爾(John Neville)也說:「當你說的話引出那樣一幅微笑,一天的辛勞都有代價了。真的!」布侖特.史派納(Brent Spiner)飾演劇中主持那場牌戲的百科,他總結表示:「往後當伯爾曼和我都住進老人院,我們肯定會坐著搖椅談起霍金。」

看來霍金也很能掌握事情的輕重緩急,他在拍片時說過:「不拍片演戲時,我喜歡解決物理學問題。」他有一件憾事:「可惜當時紅色警報響起,我贏的錢始終沒有到手,不過我把他們全打敗了!」

這個星艦客串角色讓霍金又一次大出風頭,程度幾乎凌駕《時間簡史》幫他贏得的名聲,還為他在同一年(1993)發表《黑洞和嬰宇宙及其他論述》(Black Holes and Baby Universes and Other Essays)創造有利的條件。不久他又在流行文化幾度露面,平克.佛洛伊德樂團(Pink Floyd)《藩籬警鐘》(The Division Bell)專輯的〈盡情吐露〉(Keep Talking)曲中,便出現他的電腦化語音。

      • 除了出現
      在《銀河飛龍》的影集中,霍金也曾在《生活大爆炸》中作為他自己出演。

身障者與物理學家的代言人和角色楷模

星艦劇集也讓身體有不同障礙類型、程度的年輕人注意到霍金,而且影響力遠超過他那幾本書。 《時代》雜誌於 1993 年 9 月刊出一篇報導,描寫他在西雅圖對坐輪椅的青少年發表演說,還形容在那一個多小時,全體聽眾都聚精會神,聽得入迷。演講結束,聽眾簇擁發問,他們請教的問題多半涉及身障者的實際生活和相關的政策議題,科學和宇宙學反而問得不多,他們等待霍金敲出他的答案,一邊咧嘴笑不停。眼前這位是知名科學家、暢銷書作者、《銀河飛龍》星艦影星,而且他和聽眾同樣是肢體障礙。 霍金沒有說錯,儘管影響好壞參半,但他的聲望卻間接的幫助了其他身障人士,這也是事實。

    霍金 2008 年於 TED 發表的演講《我們的宇宙如何開始》(可開啟字幕)

後來他採用其他幫助方式。1995 年夏季,他在倫敦皇家阿爾伯特音樂廳(Royal Albert Hall)向一群聽眾發表演說,五千個席次滿座,這種群眾號召力可不比尋常,所得收益全數捐給肌萎縮脊髓側索硬化症慈善機構。他還幫忙推廣身障輔具科技展,稱為「對我說話」(Speak to Me),會場設於倫敦科學博物館。不論在世界任何地方,只要有他現身或提供贊助,幾乎都能保證座無虛席。

《新聞週刊》在 1993 年 1 月號刊出的一篇報導描述,民眾和媒體在加州柏克萊幾場演說現場的狂熱表現,許多聽眾都提前不只三個小時來佔位子。他一駛上舞台中央,攝影師就推來擠去搶好位置,接著閃光燈此起彼落。以這種方式來幫助身障人士,是很有價值的好事。

十年下來,霍金成為一位掌握群眾的大師,或者說,這完全是一種機遇,每當民眾和媒體需要提升注意力時,他總是想得出能吸引人們注意的說法,他的一位助理就曾這樣對我說:「你也清楚啊,他並不笨啊!」不論那是指什麼,總歸是一個優勢,不但幫了自己,為身障人士代言和宣導科學也都有好處。

電腦病毒是生命嗎?挑戰最高指導原則

1994 年 8 月,波士頓麥金塔世界博覽會(Macworld Expo)一段背離常態的刺耳宣言登上世界各地新聞版面:「或許這就道出了人性的某種特點,至今我們創造出來的唯一一種生命,完全帶有毀滅特性。我們按照自己的形象創造生命。」霍金這段話是在談電腦病毒。

電腦病毒擁有某些接近生命的因素,有可能被算作生命嗎? 圖/Yurl Samollov@flickr

電腦病毒是不是一種生命?霍金認為它們應該「算是生命」,接著這種說法便掀起一陣騷動。

當時新推出的星艦系列《銀河飛龍》一齣劇集,畢凱艦長和一種超智慧病毒交手,最後還和它協商,並沒有把它毀掉,以免違反星際艦隊不得干預任何外星社會內部發展或社會秩序的「最高指導原則」。就這起事件,摧毀病毒就構成這種違例行為。顯然《銀河飛龍》編劇都認同霍金的說法。眾多星艦影迷和霍金粉絲,都很樂意分從正反兩方加入辯論。

「一種有生命的事物通常具有兩種元素,」霍金表示:「首先是一套內部指令集,告訴它如何自行延續並自我複製;其次是一種用來執行那組指令的機制。」我們所知的生命都是生物型生命,而這兩種元素就是基因和代謝,不過「這裡必須強調,它們完全沒有理由非得是生物型。」電腦病毒能自我複製並移入不同電腦,感染互聯系統。儘管不具有一般所稱的代謝作用,病毒卻像寄生生物那樣使用宿主的代謝機能,「多數生命種類,包括我們人類都是寄生型的,因為它們得靠其他型態的生命才能取得養分,保障自己存活。」

有關生命是什麼、不是什麼的問題,生物學依然沒有定論,因此生物學家應邀就此提出見解時,都不願表示霍金是否說對。

電腦病毒確實和某些生命定義相符。 霍金在那場演講尾聲又提出一個令人詫異的主張,隱指「生命」有可能包括哪種類型。人類壽命太短,無法完成恆星間或星系間長途旅行,就算以光速都辦不到。不過就機械式太空船來講,這種長壽要件就不成問題,它們可以在遙遠行星著陸,採擷各地資源建造新的太空船。這趟航程可以永遠延續不絕。

「這群機器可以成為以機械和電子元件為本的嶄新生命型態,不必(像生物型生命那樣)完全靠大型分子。」霍金說出了一個冷酷的預言。

  本文摘自《時空旅行的夢想家:史蒂芬.霍金》,時報出版,2017 年 12 月 12 日。

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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