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來自天上幽靈的一個應許:來場重力波的探測之旅吧!——《重力的幽靈》推薦序(上)

左岸文化_96
・2019/05/06 ・2511字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 傅大為│陽明大學科技與社會研究所特聘教授
  • 摘自本書推薦序《來自天上幽靈的一個應許》
圖/wikimedia

過去,我們只看到重力在無垠宇宙中的陰影,只能猜測重力女士的大致輪廓。
今天,重力的幽靈終於出現了。她開始說話,雖然仍閃爍不定,但似乎在說,
明天,她將贈與我們一個親吻。

重力波偵測:一段重力與求知的旅程

一群自我認同是「重力波偵測」的物理學家社群,大約千人上下,從上世紀的 8、90 年代,就開始推動與建造幾個超大儀器偵測站的構想,叫做「雷射干涉儀重力波觀測站」(LIGO),每個這種觀測站都需要花費數億美元。在經過相當慘烈的經費競爭、國會聽證後,最後終於建造完成,他們要偵測在宇宙遙遠的星雲中可能會傳過來的重力波。根據愛因斯坦的廣義相對論,在宇宙中有重力波的傳播,而如果在地球上可以偵測到它們,那麼就更進一步證實了相對論這理論,並會開啟了天文學的一個新分支——重力波天文學。

雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)。圖/wikipedia

但如果真的發現有重力波,那麼它對人類社會有何意義或好處呢?這似乎還不清楚。但是一大群物理學家,從上世紀的 70 年代開始設計各種偵測儀器,到近十多年來最新最大最昂貴的 LIGO 儀器,鍥而不捨地努力與彼此競爭,看誰能夠最先發現,甚至可能獲得諾貝爾獎。這些努力的意義是什麼?從一個「科技與社會研究」(STS)的角度,這些科學家努力的意義、還有多年來的實作過程又是什麼?英國著名的 STS 學者、社會學家柯林斯,2011 年在芝加哥大學出版社出版的《重力的幽靈》,就要告訴我們這一切。

我們知道,從 70 年代開始,許多做  STS 研究的學者就強調我們要對科學知識本身做社會學研究,這就是 SSK(Sociology of Scientific Knowledge)的取向,而非如過去的社會學家,只對科學機構做研究,卻不碰觸科學知識本身。當然, STS 學者常是人文社會學者,研究要深入到科學知識,就得花特別的功夫,而柯林斯,正是 SSK 這個領域中的佼佼者。他能夠獲得重力波社群的信任,並長年接觸該社群的私下討論與書信、參與許多重要的重力波內部會議,繼而能夠寫出《重力的幽靈》,當然十分不容易。但是如果我們能夠了解到他本人多年來對重力波偵測這個議題的努力,就開始會覺得比較自然且讓人信服。我們先簡單瀏覽一下柯林斯多年來研究重力波偵測及其發展史的紀錄,情況就很清楚了。

理論有爭議?那就來一起研究吧!

Gravity。圖/pixabay

時間要回溯到 1975 年,柯林斯發表了他第一篇重力波偵測的爭議研究〈七性〉(The seven sexes),其中仔細討論了重力波偵測的祖師爺約瑟夫.韋伯(Joseph Weber)的特別偵測實驗及其爭議。因為韋伯說自己發現了重力波,其他科學家則批評完全看不到。

柯林斯基於對那個爭議過程的仔細描述與分析,提出了好些後來在 STS 極具開創性的觀點。之後,除了不少相關的論文,柯林斯又出版了 STS 的理論性名著《改變秩序——科學實作中的複製與歸納》(Changing Order: Replication and Induction in Scienti­c Practice, 1985),其中重力波偵測爭議的個案研究,占有該書的核心位置。但隨著韋伯的宣稱被質疑與否定,許多物理學家並沒有放棄這個議題,反而發明了許多更新穎的偵測儀器,並積極參與到經費的競爭與攻防裡去。

柯林斯(Harry Collins)。圖/cardiff.ac.uk

一直輾轉發展到 21 世紀 LIGO 的建造與開始運作為止,重力波的偵測儀器也開始從小科學轉變成為大科學了。偵測與製造儀器的複雜歷史雖然斑斑可考,但需要花上學者們多年的努力才能理解與跑完全程。所以到了 2002 年,柯林斯上千頁的草稿《重力的陰影》(Gravity’ s Shadow)終於完成,繼而縮減為 900 頁的大書,2004 年出版,堪稱為 21 世紀初最詳盡、且最具 STS 與社會學意義的重力波偵測史。

想實踐夢想?你還需要被嘲笑的勇氣

也唯有在這個歷史背景下,我們才能更準確地理解目前《重力的幽靈》一書的意義、還有柯林斯努力的分量。畢竟, 21 世紀的 LIGO 開始運作與偵測,到了 2007 年的秋分日,兩、三架相隔遙遠的 LIGO 儀器同時偵測到可能的重力波信號,這可能是大事,但也可能是錯誤(當年韋伯的失敗遭到重力波社群外物理學界很多人的嘲笑,所以這是重力波偵測社群今天最不願意重複的錯誤),它甚至可能是 LIGO 核心成員任意植入的假信號,為了讓這個物理社群去分析與檢查,看看他們是否能看出這是個假信號。這段新而複雜的歷史,及其社會學的意涵(因裡面有很多主觀的統計學假設,或是社會學因素,如物理學家集體投票決定方法與規則等),就構成了本書的主體。

重力波。圖/wikipedia

2007 年之後,偵測社群在 2009 年又偵測到新而響亮的信號(2007 年的秋分的信號很微弱),重力波學家稱之為「大狗」(BigDog),但這次又要如何評估呢?估計應該要用一種與分析先前秋分事件頗不同的程序來分析。很快地,柯林斯駕輕就熟地將原本《重力的幽靈》內容擴充一倍,並成為《幽靈》的擴大平裝本,把第二個大狗事件擺在秋分事件之後,而在 2013 年出版了《重力的幽靈和大狗》(Gravity’ s Ghost and Big Dog)一書。不知情的 STS 朋友可能還以為柯林斯出書讓人眼花撩亂,與一般「十年磨一劍」的經典形象相去甚遠。殊不知,這不是柯林斯寫得快,而是表示了重力波偵測社群的飛速發展。

時間飛快,越來越接近當代了,到了 2015 年,敏感度更升級的干涉儀(AdLIGO),又同時偵測到新的重要信號。經過分析與辯論,整個社群終於逐漸接受這次是真的探測到重力波,社群中的物理學家們於是開始寫「發現」重力波的論文,並於 2016 年發表。繼而,三位資深的重力波物理學家在 2017 年一起獲得諾貝爾獎,而柯林斯同年也出版了討論這個最後過程的《重力的親吻》(Gravity’ s Kiss)一書,堪稱是他重力三部曲的最後一支舞曲吧。

 

 

 

 

本文為《重力的幽靈:關於實驗室、觀測,以及統計數據在21世紀的科學探險》推薦序,2018 年 10 月,左岸文化出版。

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左岸文化_96
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左岸的出版旨趣側重歷史(文明史、政治史、戰爭史、人物史、物質史、醫療史、科學史)、政治時事(中國因素及其周邊,以及左岸專長的獨裁者)、社會學與人類學田野(大賣場、國會、工廠、清潔隊、農漁村、部落、精神病院,哪裡都可以去)、科學普通讀物(數學和演化生物學在這裡,心理諮商和精神分析也在這裡)。

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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
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