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大爆炸是宇宙的起源嗎?它有沒有可能在別的地方發生?——《關於夜空的 362 個問題》

PanSci_96
・2019/07/24 ・1994字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

編按:本文摘自《關於夜空的 362 個問題》,蒐集了英國最長壽科普節目《仰望星空》的觀眾提問。所有你對太空宇宙會有的疑問,都將在本書中為你解答。本節討論的是「多重宇宙與額外維度」。

大爆炸有沒有可能在不同的地方發生過?

大爆炸可能曾在別處發生過,有些科學家會說可能性很高。有些高度懷疑論的理論認為,以大爆炸的本質來說,這應該曾經發生過很多次,甚至可能是無數次。有很多宇宙的這個概念稱為「多重宇宙」,其他這些擴張中的宇宙可能和我們的宇宙很不一樣,有著不一樣的物理法則。也許我們的宇宙是唯一一個條件足以讓原子──更別說恆星、行星、生命──得以形成的宇宙。

也許我們的宇宙是唯一一個條件足以讓原子──更別說恆星、行星、生命──得以形成的宇宙。圖/pxhere

想像一個二維平面的宇宙,大約就像一張紙那樣,此時如果有另外一個平行的二維宇宙存在它的上方或下方有點距離的位置,那麼在第一張紙上的人,永遠不可能知道還有第二張紙存在。在真實的三維宇宙裡,另外一個宇宙不會存在於傳統觀念的「上面」,而是可能存在於某段距離之外的第四個空間維度。

就算我們的宇宙一直以三維在擴張,也永遠不會碰到另外一個宇宙,就像兩張紙可以一直變大,但永遠也不會碰到彼此。

如果真的有另外一個宇宙,我們對於宇宙末日的預測會有什麼改變?會不會因為其他的宇宙可能會和我們的宇宙「相撞」,而有不同結果?

這要看是什麼樣的相撞。如果其他的宇宙和我們居住的宇宙一樣,以三維的方式擴張,那麼兩者可能會以「傳統」的方式相撞。這麼接近我們的一個宇宙所帶來的影響,也許可以從它對我們所能見到的最遙遠的天體的影響來判斷,不過目前還沒有看過這樣的跡象。

這暗示那個宇宙整體的特質,可能和我們所能見到的區域的特質不一樣,而這些特質是會影響宇宙的最終命運的。

另外一個宇宙可能是在第四維的空間中和我們分開,這是個滿難想像的概念。這相當於兩張平行攤開的紙,只是兩者間的距離很小。霍金在更高維度空間的理論提到,三維的宇宙是「膜」(branes,我相信是從薄膜[membrane〕這個字而來的)。有一個理論是這些「膜世界」間的撞擊造成了大爆炸,不過目前還沒有辦法能證明或是推翻這個理論。

在量子宇宙學的多重宇宙解釋裡,有多少宇宙裡會是青少女偶像明星麥莉擔任美國總統?

無窮宇宙,在宇宙中存有大量的可觀測區(有著紅色十字中心的紅圈),我們的「宇宙」不過是其中的一個可觀測區而已。圖/wikipedia

關於宇宙的解釋裡,有一個可能是我們只是住在其中一個宇宙而已。事實上,的確有可能有數不清的宇宙。在數不清的宇宙裡,隨時隨地都會有各種可能的組合發生。也許在某些宇宙裡,莎士比亞的所有作品都是猴子在打字機上隨便打字而完成的;也許在其他的宇宙裡,麥莉真的就是美國總統。這些事發生的可能性高低,會影響它們發生的次數有多少,不過還是有可能發生過無數次──就算是無數次的一小部分也還是無數次!這是不是很可怕的想法?

你覺得除了大爆炸之外,關於宇宙的起源有沒有其他的科學解釋?

我認為大爆炸理論有非常穩固的科學證據為基礎,不會被推翻。然而,我們的宇宙學模型還是有其他部分的基礎沒那麼穩。比方說暗物質就還沒有真的被找出來(不過在這本書裡這樣寫有點大膽,因為在準備出版的這段時間裡,這方面的積極尋找似乎愈來愈接近成果)。因為沒有觀測結果能證明它存在,所以也很難認為這個理論可以被證實,不過和其他相關的理論相比,關於暗物質存在的證據當然還是比較多。

沒有觀測結果能證明暗物質存在,所以也很難認為這個理論可以被證實。圖/wikipedia

暗能量很有可能會成為科學進展的犧牲品。我之所以會這樣評估,主要是因為我們只能說,我們認為有某個東西造成了影響,但我們不知道那是什麼東西。

很重要的一點是,科學界不會躲到角落,對其他的可能視而不見。在過去數百年裡,某些科學進展上產生重大的延誤,都是因為有些人拒絕接受新想法。就像商業界一樣,競爭會帶來很多好處。科學家用不同的方式來詮釋結果,因此會支持相反理論的意見,通常也會支持新的實驗。最重要的關鍵是,不能被個人的感受所影響。只是因為你比較喜歡這個理論,或者因為這樣可以讓事情比較簡單,就相信某些事情是真的,不是從事科學研究的適當態度。

——本文摘自《關於夜空的 362 個問題:從天文觀測、太陽系的組成到宇宙的奧祕,了解天文學的入門書》,2019 年 4 月,貓頭鷹出版

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PanSci_96
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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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