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《突破重「圍」一場警察與逃犯的棋盤追逐》——2018數感盃 / 高中組專題報導類第一名

PanSci_96
・2018/04/13 ・2837字 ・閱讀時間約 5 分鐘

數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。

本文為 2018數感盃青少年寫作競賽 / 高中組專題報導類佳作 之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

圖/imdb
  • 作者:陳冠伊、柯喻朦、陳品彤/北一女中

2010 年上映的電影《關鍵救援 72 小時》,由羅素克洛(Russell Crowe)飾演的男主角 John,為了拯救被無辜關入大牢中的愛妻,從一位文質彬彬、溫和善良的大學教授,想出了劫獄的計畫,只因為他始終相信自己心愛的妻子是被冤枉的!原本有點懦弱的 John,開始著手準備計畫逃亡路線,籌措資金,觀察監獄地形。一開始他將自己上網看影片學做來打開監獄大鎖的陽春鑰匙,因為緊張到發抖而折彎,他跟黑幫混混們打交道,卻被打得渾身是傷,但後來他漸漸的轉變,他誤殺了幾個人,搶了錢,但他知道這些都是為了自由與愛。看著 John 的轉變,以及善良與使命的矛盾內心戲,更是將電影一次又一次的推到高潮!其中重要的一個片段,就是 John 第一次開始著手準備劫獄計畫,向由連恩尼遜飾演的有名逃獄專家請教逃獄時該注意的事項了!

這個片段迷人的不只是連恩尼遜帥氣的低沉嗓音,更是讓我們對封鎖域大開眼界。電影中敘述只要 15 分鐘警方即可封鎖匹茲堡市中心,35 分鐘內所有洲際收費站都會有警察站崗,二級公路還會開始進行管制!John 在地圖上以市中心為圓心畫了一圓,此即為警方可封鎖的範圍,在這個封鎖域的範圍下,誰都難逃警方的法網,只能乖乖束手就擒!

於是這引起我們的好奇,匹茲堡這麼大,警察們到底手腳要多快,才能避免飆車中的 John 在圍好封鎖域前就逃出呢?

首先我們得知道匹茲堡到底有多大,經過查詢資料,匹茲堡所在的都會區約為 10000 平方公里,以此為圓面積所做出來的圓,半徑為 56.42 公里。(在此取56以方便計算)而封鎖域的總長度,也就是圓周長,則是 351.85 公里。假設以 John 出發的點為圓心,做一個半徑為 56 公里的圓,這就是警方的封鎖域。John從圓心到達封鎖域的邊界,最短距離為 56 公里。他必須在警方封鎖之前的 35 分鐘內逃出去遠走高飛,才不會被警察一槍斃命!因此 John 在不碰到任何建築物及阻礙物還有剛好天助般的都是綠燈,並且有條剛好就是半徑的馬路可以讓他在市區內盡情飆車的情況下,他的最大速率為 56 × (35/60)=96 公里/小時。

接著我們搜尋了匹茲堡的警力狀況,查詢匹茲堡警察局網站顯示目前約有 900 位警力,以 9 人為一小組,共有 100 組,而他們要在 35 分鐘內就將自己的轄區圍得天衣無縫!如此一來,一分鐘內總共得圍好 351.85÷35=10.05 公里,每一組則須完成 10公里÷100組=0.1 公里,也就是100公尺,一個人一分鐘則須圍好 11.1 公尺。若是像臺灣的凱達格蘭大道一樣,每次有重大事件總是用拒馬圍得密不透風,一分鐘把這麼重的拒馬和鐵欄擺好 11.1 公尺,實在是有點困難啊!

以 John 有最大速度 96 公里/小時,並且不外調人員,總共只有 900 位警力負責封鎖的狀況下,要能及時圍住整個封鎖域的範圍是極具挑戰性的。因此,我們開始思考是否有什麼策略,能提供警方一個在最短時間內,一定能圍住 John 的方法呢?

查詢了許多資料以後,我們找到了一篇提供我們策略構想的數學論文:The Angel Problem (引注資料[1]),由 John H.Conway(沒錯也是 John,但此 John 非彼男主角的 John)於 1996 年發表。這篇論文主要在研究天使問題,這是一個雙人遊戲,而遊戲規則是:

在一個無限大的棋盤上,有一個惡魔跟一個天使,棋盤一開始是空的。開始遊戲後,天使在每一輪都可以移動最多 K 步(遊戲開始前先設定好的,稱之為天使的力量),在這 K 步中,橫的直的斜的都算一步,而且天使可以飛越過惡魔設置的路障,但是最後必須停留在沒有路障的格子內,而惡魔每一輪只可以選一個格子設置路障,但不能設在天使停留的那個格子。最後,如果天使無法再移動時,就代表惡魔贏了,相反的,如果天使可以無限的移動的話,則代表天使贏了。

康威在他的論文中,所假設的情境是:每次只能移動一格的惡魔,是否有機會可以困住天使的力量為 1000 的天使呢?這看起來是不可行的,但是康威提出了在一些假設的條件下,惡魔能夠以區區的一步,困住能飛 1000 步的天使!有趣的是,康威甚至在論文的最後,提出懸賞 1000 美金,給能夠找到證明惡魔可以困住力量為任意數(但不能為無限大)的天使的人!

我們運用了康威假設的其中一個情境的方法來發想,是否一樣能應用在警察和逃亡中的 John 這個情境中呢?

康威假設有個 Fool Angel,他只能不斷的往上飛,增加他的 y 座標,此時惡魔將會有必勝的方法圍住天使。天使的起始點為 P,由於不浪費步數,因此他的飛行範圍介於通過 P 點,兩條斜率為 ±1/1000 的邊界內。則惡魔的必勝策略為:圍住一條與起始點足夠大距離(H=1000×2N) 的邊 AB ,並在開始時每 M格放一路障,在天使達到距 AB邊 1/2H 距離的點Q 時,惡魔已經完成在 AB 以 M 為間隔的路障擺設。當天使在點 Q 時, CD邊正好是 AB邊的一半,而同樣的惡魔也在 CD 邊上,每 M 格放一路障,當天使抵達了距離 AB 邊 1/4H 距離的點R 時,惡魔已完成 CD 線段。如此一來,當天使飛到了距離 AB 邊 H’=2-MH 距離的點時,惡魔已經在AB 線段上的每一格放滿了路障。若 H為 1000×2N,1000 為天使和惡魔的速度比值,且 N>1000M,則在天使跨越距離 AB線段 1000單位距離時,惡魔早已在這條水平線和 AB 線段間的任何天使有可能到達的格子內,放滿了路障!

有了康威的天使遊戲做為參考,在我們所設定的情境裡,H 為警方封鎖域的半徑 56 公里。我們可以將天使的力量想像為 John 的最大速率 96公里/小時,惡魔可以走的步數則是警察每分鐘的封路速度 0.1公里/小時。代入康威所提供的算式 H=1000×2N 中,我們姑且將 56 公里取為 2 的整數次方倍 64 公里較方便計算,John 和警察的速率比為 960 公里/小時,相當於 16 公里/分鐘,因此計算結果為:

64=16×2N

N=2且N>16M,經過計算可知,M為 1/8 公里,相當於 125 公尺。

也就是說,若匹茲堡的警察們,比照康威所提供的方法,每 125 公尺就設置一個路障,待 John 到下一點時,再從對應到的水平線距離兩端繼續往內圍,如此一來,John 勢必將被團團圍住在封鎖域中,無法逃之夭夭!

雖然電影的最後,John 當然是突破重圍歷經難關,帶著妻兒離開了美國展開新生活,但是若有下一位逃犯,我們想匹茲堡的警察一定能將我們所提供的封鎖域策略派上用場的。

當 John 向連恩尼遜請教逃獄方法時,連恩尼遜最後問 John,在著手準備逃獄前,比所有方法都還更重要的是,你真的覺得自己做得到嗎?

看似不可能圍住天使的惡魔,原來也能圍住比自己擁有還要強大許多力量的天使;看似不可能在短短時間內就將 10000 平方公里大的都會區圍得密不透風,經過我們的推理計算,原來也有絕佳的保證策略能夠達成目標;看似不可能做出瘋狂逃獄計畫的溫和大學教授,為了愛為了自由,甚至為了正義,在 John 的轉變中,我們看著他一步步,將不可能轉化為可能。

只要我們相信,我們做得到。

引注資料[1]: John H. Conway (1996). The Angel Problem.

更多2018數感盃青少年寫作競賽內容,歡迎參考 2018數感盃特輯、數感實驗室官網粉絲頁喔。

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
4 篇文章 ・ 7 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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