0

0
0

文字

分享

0
0
0

重力探測是不精確的科學?我們怎麼看待它?——《重力的幽靈》推薦序(下)

左岸文化_96
・2019/05/07 ・3520字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

重力波偵測究竟是什麼樣的科學?

目前《重力的幽靈》這本書,是柯林斯「重力」三部曲的中段。

在 2009 到 2010 左右,柯林斯深切感到,偵測社群對秋分事件花了十八個月仔細分析與打造結論,是受到三種力量的形塑:第一是過去韋伯等被認為是犯錯的歷史,讓目前的偵測重力波社群格外地謹慎與保守;第二是未來,因為再過幾年,當時的 LIGO 將會被敏感度升級的 AdLIGO 所取代,預料大概可以收到更多的真實信號,故不急於一時,所以更加強了目前對秋分事件進行保守分析趨勢;第三則是目前的力量,它往往來自物理學大社群對目前 LIGO 的運作(但尚未發現重力波)所發表的論文,表示懷疑其價值,甚至,一般的科學家也可能對雷射干涉儀本身的運作理論懷疑,例如當重力波通過干涉儀時,不只是它兩條垂直長臂的長度會受到影響(這是干涉儀本身理論的相對論基礎),其實所有其他零件也都會受到影響。

這是柯林斯對偵測社群在面對秋分事件時的細節社會分析。但是,除了這些歷史與社會分析,《重力的幽靈》所重現的這一整個偵測社群努力的過程與實作,有沒有其他更一般性的意義,可以提供給 STS 學界,乃至一般科學界?

人類經常透過反思來修改對於過程的定義。圖/keesler

其實柯林斯在書中前後都提了一些,讀者可以仔細閱讀,但筆者在這篇文章中,就先提兩點,並略加評論,供讀者參考。

首先,關於重力波偵測的科學,究竟是個什麼性質的科學?一些偵測社群中的物理學家,常以高能物理的標準為標竿。但柯林斯對此有意見。他認為重力波偵測的科學,不是如牛頓、量子力學、相對論般的精確物理科學,偵測科學的性質,反而更類似於氣象學研究、全球暖化趨勢研究,甚至社會科學研究等,那些都是比較混沌、不精確,但又對人類社會十分重要的科學。

重力波的偵測數據,具體而言,其實都是數字,甚至沒有天文學上常見的圖像可言。如何從一群群充滿各種雜訊與意外事件的繁複數字中,推論出偵測到重力波的結果?那就需要非常多的統計與詮釋,這中間,其實可議的地方頗多。柯林斯在本書花了許多功夫說明,其實偵測社群中有許多對於統計工具的爭議,而即使比較沒有爭議的統計實作,其中也有許多主觀的假設。

所謂科學的不精確性

那個萬年不變的問題:「明天的天氣如何呢?」。圖/pixabay

所以,重力波天文物理學雖然是物理學的一支,但我們其實不該把牛頓與愛因斯坦的精確科學當作是它的標竿。後者其實只是科學的一部分而已,在精確科學之外,科學的天地仍然很大,也更與我們人類社會的價值與命運相關。雖然就理論的蘊含而言,重力波天文學最後可能和相對論關係密切,但就目前偵測社群的實作與歷史社會性質而言,它是不精確的科學。

柯林斯覺得,這樣其實很好,這樣的科學社群,反而更適合做 STS 分析、做社會學分析,因為其中的社會學因素更多。當然,STS 過去曾花了很多的功夫,強調即使是最精確的科學與數學,仍然有相當社會力的伏流起伏其中,並沒有像想像中的精確或無關社會人為因素。但柯林斯這裡很機敏地說,精確科學中的不確定性,比較是在評估明天太陽是否仍會升起的確定性問題(此為傳統的歸納法問題),但偵測重力波的科學,更像在評估「明天的天氣是否會和今天類似」的這種確定性問題(此為氣象學的問題)。

科學民主化的發展

柯林斯在《重力的幽靈》中反省到的第二個具 STS 一般性意義的,就是透過了他對重力波偵測社群的參與及理解,他更確認了科學本身的價值,也呼應了他近年來常強調 STS 的「第三波」取向與「專業」(expertise)概念的重要性。

通常,STS 給人的印象是深入描述科學知識乃至實作的細節,並對科學的神聖身分提出質疑,甚至企圖去「解構」科學,要讓科學的身分回歸到一般人類社會活動的平常性。柯林斯在 2007 年與伊凡斯(Robert Evans)合作出版的《重新思考專業》(Rethinking Expertise)一書,稱這種 STS 的「解構」取向,是 STS 發展上的第二波,柯林斯過去也深於此道(第一波則是尊崇與分析這個具最優秀知識論身分的科學)。

關於民主,每個人皆有不同的定義。圖/pixabay

但是到了 20 世紀末,柯林斯等人對於因為解構科學,而讓許多人無邊無際地要求徹底的科學民主化的這種社會潮流感到不安。

任何公民都可以參與任何的科技爭議及其決定,是否就完全否定了科技專業呢?

固然,第二波的成果展示,科學知識的獨特知識論身分已經不再,所以柯林斯等的努力是另闢蹊徑,從語言與社會文化的角度來重新理解什麼是專業、並劃分各種高低強弱不同程度的專業性,進而肯定,當涉及到當代許多關於科技爭議的技術面時(但非爭議的政治面,最後的決定仍須公民投票),今天的科技專家,包括確認後的常民專家,仍然是最好的解答者。他同時也肯定了當代科學的重要社會價值。

而柯林斯多年來沉浸於重力波科學社群的經驗,也讓他體驗到這些努力不懈的科學家們所信仰的科學價值。特別是《重力的幽靈》中六、七百名物理學家為了分析 2007 年的秋分事件所進行長期的各種分析、辯論、集會與反覆思考,讓柯林斯感到這種精神與價值的可貴,並以一身參與其中為傲。

一切都不難,最難的是價值

他想強調第三波所看重的專業與科學價值,而企圖遠離今天一些 STS 研究只侷限在分析與描述科學內部無止盡的競爭、謀略,甚至彼此開戰的格局。在觀察與反思了重力波偵測社群十八月來的努力後,柯林斯有個略帶反諷的感想(因為與第二波的取向相當不同,但彼此又可互補),認為科學家對尋求真理的高標準,無論在理論或生活中,都勝過學院裡的現實政治(realpolitik)。

這個感想,的確對柯林斯過去所強調的核心科學家們以「協商」的方式來解決彼此的科學爭議,重點有所不同。就如他在討論專業時肯定當代科學的價值,這裡他也肯定以高標準來尋求真理的價值,STS 學者柯林斯雖然崛起於 STS 興起的 1970 年代,但在 21 世紀,他開始逐漸回到過去被一些 STS 學者批評的科學「價值」論述,這讓人回想起二戰後在美國崛起的科學社會學(以莫頓﹝Robert Merton﹞為首,與 SSK 頗不同)所常強調的科學價值與規範(norms)論點。

每個科學家所看重的規範,雖有重疊,但常有所不同。圖/pixabay

過去 STS 學者常批評這些功能主義意味濃厚的規範論,認為許多科學家其實根本就不遵守這些規範,但是柯林斯在本書的「跋」中認為,過去的規範論是本質論式的規範觀點,但他自己所觀察到科學家們的規範,則更類似於維根斯坦所說的「家族相似性」(family resemblance)群組,這些規範彼此有家族性的類似,卻沒有本質性的元素可以定義全部的科學家規範,同時每個科學家所看重的規範,雖有重疊,但常有所不同。

從不同的角度說故事

總之,從 STS 的角度而言,這是一本十分有趣而精彩的書,它緊跟著重力波物理學的一些最新發展,並繁複地討論重力波偵測的特別儀器,還有仔細分析儀器所得到大量數據的方法爭議與論辯,並提出一些與一般 STS 論點頗不同的重要想法。但同時,本書也是一本別出心裁的科普好書,裡面大量提到對重力波物理學、巨大干涉儀的運作,如何以各種統計策略來分析大量的數據等,柯林斯不疾不徐,娓娓道來。

圖/staticflickr

但與一般科普書不同,柯林斯並非一位重力波物理學家,而是 STS 中著名的社會學家,從 1972 到 2010 年代,前後近四、五十年的歲月,他起起伏伏地對重力波物理社群進行深入觀察,並參與了許多相關的會議及訪談科學家們,然後再來說一個重力幽靈的故事,這會是一本很不同的科普書,裡面雖然充滿著深入淺出的物理學細節,但也處處可見STS 所強調的科學史及科學社群內部的社會性格。

這本書的台譯本,由清華大學的名物理學家劉怡維、STS 與科技史學者秦先玉二人合譯,可說是個上上之選的翻譯組合,我也略為瀏覽過他們的翻譯片段,自然比英文的原書好讀。我也肯定左岸出版社的見識,願意出版這本十分重要又特別的科普書,但同時又是 STS 的專著,在字裡行間處處散發著 STS 科技史與社會學的意涵。我強力推薦這本書給台灣乃至廣泛華語界的科學家,特別是物理學家,還有物理系同學,以及當然與我最接近的 STS 與科技史的學界及同學們。

 

 

 

 

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。

文章難易度
左岸文化_96
32 篇文章 ・ 9 位粉絲
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)。


1

1
0

文字

分享

1
1
0

地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

所有討論 1
Mia_96
156 篇文章 ・ 373 位粉絲
喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策