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發現海王星│ 科學史上的今天:9/23

張瑞棋_96
・2015/09/23 ・880字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

1846 年 9 月 23 日夜晚,夜空清澈,繁星若塵。萬籟寂靜之際,柏林天文台的圓頂驀然爆出一句:「星圖上沒有那顆星!」那是天文學家加勒 (Johann G. Galle) 的助理所發出的驚呼,因為他仔細比對了星圖後,確定上面沒有加勒看到的那顆星星。沒想到觀測不到半小時,他們果真就在法國數學家勒威耶 (Urbain Le Verrier) 所預測的位置附近找到一顆新的行星;也就是太陽系的第八個行星,海王星。

勒威耶之所以會相信海王星存在,並計算它可能的位置,乃因天王星的實際運行軌道與理論所預測的不大相符,而最合理的推測就是天王星受到一顆未知行星的引力拉扯所致。他於 1846 年 8 月底在法國科學院宣讀論文,隨後寄信告知加勒。

海王星成為八大行星中,唯一事先經由天體力學計算,預言其存在並預測其位置,才被發現的行星。以科學而言,這是一大勝利,再次展現了自然現象用簡單的物理定律就能掌握。然而,一旦牽涉到「誰是第一人」的問題,就沒那麼簡單了。

英國方面隨即舉證歷歷,宣稱他們的年輕數學家亞當斯 (John C. Adams) 更早就計算出海王星的位置,只是收到他信件的天文學家未予重視才被埋沒。英法雙方爭執多年後,折衷的結論就是讓亞當斯與勒威耶並列為共同的發現者。然而,一份遺失多年的歷史文件在 1998 年現身,證明英國同胞給予亞當斯的讚譽言過其實,他不應分享勒威耶的殊榮。

當然世間這些紛紛擾擾完全於天體無礙,海王星兀自以 165 年的漫長公轉周期在邊緣孤獨地運行(自它首度被發現到現在,也才剛繞完太陽一圈沒多久哪!),只在 1989 年時,航海家二號 (Voyager 2) 從它身旁匆匆掠過,攝下它靛藍中略帶白色紋路的美麗身影。但那隱藏在宛如湧著白色浪花的平靜海洋底下的,其實是酷寒低於 -200°C、風速超過音速的狂暴氣流。

2014 年 8 月,另一艘太空船新視界號 (New Horizons) 在相隔 25 年後再次穿越海王星軌道,但這次任務只為探索冥王星及古柏帶,所以未見海王星身影即一路遠去,就這麼永遠告別這顆太陽系中最遙遠、最寒冷的行星……。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 565 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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烘焙東西軍,有添加麵包 vs. 無添加麵包,今天想吃哪一道?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/09/20 ・2178字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 家樂福食物轉型計畫 委託,泛科學企劃執行。

  • 文 / 陳彥諺

《烘焙東西軍》熱映開播啦!這一集真的很「熱」,因為節目邀請到了兩位烘焙達人來到現場熱烘烘的烤!麵!包!

第一位華麗登場的,是有著亮麗小鬍子、動作咻咻咻超有效率的「有添加師傅」,另外一位古意老實、動作慢條斯理的,則是近年來越來越被看重的「無添加師傅」——這是一場「有添加」與「無添加」的世紀大對決!

《烘焙東西軍》這次邀請了「有添加師傅」和「無添加師傅」來烤麵包。圖/家樂福提供

「有添加」與「無添加」的世紀大對決

外表亮麗的有添加師傅,其實早已憑著「三好」稱霸市場多年。所謂的三好,是好快、好吃、好美!為何會這麼說呢?

食品添加物存在於食品中許久,早期因為食物加工技術不夠精良,為了食品安全無虞,便添加可以讓食物安定的添加物,延長保存期限。又因為食品添加物可以改變食品的外觀、口感、縮短製作時程等,因此,長期以來受到業者及消費者的偏愛。

有添加師傅憑著「好快、好吃、好美」稱霸市場多年。圖/家樂福提供

不過,近來由於食安事件頻繁,食品添加物早已偏離了原先讓食物安全的初衷,在追求好吃、好快、好美的背後,卻可能造成身體上的負擔與健康風險!製造過程是否安全合理?乾淨衛生?也是打了許多問號。

再加上現在因健康養生的意識抬頭,消費者們越來越注重吃下肚子的食物成份,開始努力追求簡單無添加。也因為隨著食品加工技術越來越棒,能夠透過改善製程,有效減少添加物的必要性。終於,在消費者意識抬頭、技術成熟等各方條件皆備下,古意老實、耗費工時的無添加師傅,多年以後,開始受到矚目啦!

在這場世紀對決中,有添加師傅在民眾都還來不及反應時,就已經做好了熱騰騰的麵包,每一個麵包都飽滿好看、香氣濃郁,簡直是施了魔法一樣!但見到這麼多食品化工添加物做出來的麵包,難道就不能有更健康的材料選擇或做法嗎?

反觀無添加師傅,他按部就班的從麵粉開始精心挑選,接著再逐一加入可以溯源的材料,接下來,順應麵包的特性自然發酵。即使有添加師傅已經端出熱騰騰的麵包了,無添加師傅仍然不為所動,他循序漸進,寧可耗時製作,堅持做自己的無添加麵包。

無添加師傅之所以堅持,那是因為他秉持著麵包不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統法國工法,做出來的麵包也可以照樣香氣四溢、美味好吃,更重要的是每一口都吃的健康又安心!

無添加師傅堅持不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統工法。圖/家樂福提供

當兩位師傅的麵包端上評審桌⋯⋯

有添加師傅的麵包外表金黃澎潤漂亮,無添加師傅的則是外表非常質樸。

不過,當評審們吃下麵包後,外表質樸的無添加師傅,竟然擄獲了評審們的心!

怎麼辦到的呢?這是因為花了較多時間製作的無添加麵包,保濕度較佳,口感也較有層次。當評審一口接著一口品嚐,會發現吃的都是食物的鮮甜原味—無添加麵包是名為「裸麵包」的寶藏男孩啊!他不同於外表上看起來質樸敦厚,只要用心切開,裏頭包裹著滿滿新鮮在地的果乾和堅果,是誠心誠意的美味。

烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是怎麼來的?

堪稱烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是來自於家樂福自製的烘焙產品。長期關注食物真實性與為顧客把關健康的家樂福,2014 年就開始著手了「無添加驗證計畫」,也在 2019 年取得了「A.A. 無添加驗證標章」,更透過第三方專業機構親赴產線檢驗、不定期抽查等層層審核程序,取得了嚴謹認可。

要打造寶藏男孩般的「裸麵包」,並不是容易的事。許多標榜安心安全的麵包,都只能做到製程及配料上的無添加;而追求極致的家樂福,自製白吐司則從特製 100% 的無添加麵粉開始,掌握源頭,做最純淨、最真實且赤裸的麵包。

這是一款依循歐盟規範,取得 A.A. 無添加標章,第三方驗證後可信賴的麵包。

這是關注在地的暖心麵包,嚴選在地好食材、講求動物福利,選用當季水果、非籠飼雞蛋、透明鮮奶、以安佳奶油取代人造奶油⋯⋯。

這是減塑又減廢,以醜蔬果製作配料,減少食材浪費,更導入環保包材,友善環境的麵包。

烘焙東西軍「有添加師傅」與「無添加師傅」的對決,我們看到了,天公疼憨人,穩扎穩打、工法較繁複的無添加製程,受到消費者的青睞——這一場對決,由純粹、誠實、充滿善意的裸麵包,「無添加師傅」獲勝。

【家樂福食物轉型計畫】烘焙東西軍「有添加麵包」v.s.「無添加麵包」的世紀對決,今天你選哪一邊?影/YouTube
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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穿越兩百億公里的家書,航海家二號妳收到了嗎?
陳子翔_96
・2020/12/21 ・2312字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

距離我們大約兩百億公里的太空中,有一架名為航海家二號的探測器已經工作了數十年,就在不久前,NASA 送出了久違的訊息試圖再次與她連絡上……

為什麼說久違呢?是這樣的,今年初因為位在澳洲坎培拉,負責聯繫航海家二號的訊號收發站要進行天線設備升級,然而這又是目前唯一能和航海家二號聯繫上的訊號收發站,也因此必須暫停與航海家二號的聯繫。

負責聯繫航海家二號的訊號收發站——CDSCC。圖/Wikipedia

43 年從未斷訊的航海家二號

雖然說這次與航海家二號數個月的斷訊是計畫之中的事情,但其實還是讓 NASA 的工程師與科學家們有些緊張。各位可以回想看看,自己用過壽命最長的電子產品或家電用品是什麼呢?也許你會想到用了五年的手機,十年的電視機,又或是用了二、三十年的電鍋或冰箱。但相信應該很少人家裡有超過四十年,而且完全沒有維修過卻還能使用的電器吧。然而航海家二號從發射至今已經獨自在廣大的太空中運作超過 43 年了,在她離開地球時,台灣第一條高速公路與電氣化鐵路都還在建設中呢!也因此要與一架骨董級探測器斷訊八個月的確滿讓人擔心的。

不過話說現在科技已經進步非常多,近年也不乏許多先進的新探測器持續進入太空探索,為什麼我們仍這麼關心航海家二號的動向呢?其中有個很大的原因是,即便新的探測器有著更先進的儀器設備,航海家二號帶來的貢獻和歷史意義仍然難以被超越。

就讓我們藉由著個機會來重溫這架傳奇探測器光輝的故事吧!

航海家二號的誕生:太空「大航海時代」的序章

在太空探索的歷史上,1960 年代是載人太空任務發展的黃金年代,第一位進入到太空的人與第一位踏上月球的人都是在 1960 年代發生的。而 1970 年代,就可說是探索太陽系的「大航海時代」了,在這十年間,許多無人探測器先後出發探訪太陽系的各大家族成員,像是首次登陸火星、首次飛掠各大行星的成就都在這幾年間達成,而航海家二號可說是其中最具代表性的探測器之一。

1973 先鋒十號史上首批飛掠木星旁拍攝的照片。圖/NASA
1976 年維京 1 號探測器 史上首批火星表面的照片。圖/Wikipedia

揭開太陽系外圍的神秘面紗,乘載希望奔向宇宙深處

有別於先前多數的太空探測器都是以一顆特定星球作為目標,航海家二號最特別之處,就在於她造訪了所有外太陽系的氣體行星—木星、土星、天王星和海王星。而要完成這樣的壯舉必須仰賴這四顆行星特殊的排列位置,讓探測器在每在造訪一顆行星的同時,也正好能巧妙地讓該行星的重力拉自己一把,幫助探測器用最節省燃料的方式飛向下一顆行星,而這樣的機會每隔 176 年才會有一次呢!

航海家二號的飛行路線,由內而外造訪四顆氣體行星。圖/Wikipedia

把握住這樣的機會,航海家二號在 1977 年八月升空,並在接下來的十年先後收集了四顆氣體行星的重要科學資料,同時也傳回了許多令人屏息的經典照片。更特別的是,在四十多年後的今天,航海家二號仍然是唯一造訪過天王星和海王星的探測器,因此下次看到像是下圖這樣清晰漂亮的天王星和海王星影像,就可以跟朋友說這個照片是航海家二號拍攝的,也許朋友就會以崇拜的眼光看你(並不會)

航海家二號所拍攝的天王星海王星。圖/NASA

1989 年航海家二號飛掠了最後一個計劃中的目標天體—海王星,然而她的任務卻還會持續下去,繼續為我們帶來外太陽系,甚至是「太陽系外」的第一手資訊,例如太陽磁層頂的位置、星際空間的磁場與宇宙射線強度等等……

同時,航海家二號也帶著地球人想送給外星人的「小禮物」,一張收錄用全球各種語言打招呼的錄音,以及數張影像檔案的唱片和唱片播放器。雖然說要在茫茫宇宙中「不小心撿到」這個禮物的機率實在太低,但這樣的紀念品某種程度也象徵著人類踏出航向宇宙的步伐時,做出的浪漫宣示吧!

航海家二號的金唱片與背景中的航海家二號。圖/NASA

重新連繫航海家二號

今年十月天線更新完成後,NASA 終於能送出睽違八個月,一封「來自地球的家書」給航海家二號,而她也順利收到並有所反應,彷彿對地球上的我們說:「哈囉地球上各位,好久沒有各位的消息了,很高興又收到你們的信,我在遙遠的太陽系外也都還好喔!」

這次成功的聯繫也代表著航海家二號的任務依然持續進行著,不過 NASA 的工程師也估計探測器的電力應該所剩不多了,我們終究在未來的某一天必須和這部偉大的探測器告別,但航海家二號仍將繼續帶著人們探索未知世界的精神,航向星空深處。

參考資料

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重力理論的演進與環繞黑洞的恆星
科學大抖宅_96
・2020/05/26 ・2647字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

十七世紀末,牛頓提出的萬有引力理論象徵現代天體力學的開始;人們利用物理原理來描述天體運行,並藉由天文觀測逐步修正理論或計算方法的缺失。以天王星的發現為契機,科學家開啟了一連串對行星軌道的研究;這些事件不但成為天體力學發展史的重要標誌,最終竟促成重力理論的演進,甚至延續到現今,反應在我們對黑洞的觀察上。

這一切,都要從 1781 年,英國天文學家赫雪爾(William Herschel,1738-1822)在自家庭院,從望遠鏡中看到一顆彗星說起……

天王星的詭異行徑

在赫雪爾將發現回報給皇家學會後,其他科學家也紛紛對這顆彗星進行調查。很顯然的,它似乎沒有彗星尾巴,而且運行軌跡較接近圓形,不像其他彗星以非常扁的橢圓軌道繞行太陽;與其說是彗星,它更像是在土星軌道之外環繞太陽的行星──這就是天王星的發現。

儘管已驗明正身,天王星仍然困惑著接下來數十年的天文學者:它的實際軌道和牛頓萬有引力理論的預測並不相同。這是牛頓理論的失敗嗎?還是觀測錯誤了呢?1846 年,法國天文學家勒維耶(Urbain Le Verrier,1811-1877)利用數學計算提出預測:存在某個未知星體影響了天王星的運行,造成理論和觀測的差異;他也指出該星體的軌道、質量和位置大約為何。

一陣子之後,柏林天文台收到勒維耶的報告,便馬上著手進行未知星體的搜尋工作;只花不到一個小時,海王星就被找到,與勒維耶預測的位置相差不到一度──史上第一次,單純憑藉數學計算發現新行星[1]

奧本‧勒維耶(圖片來源

水星的運行軌道也存在異常

隨著海王星的發現,牛頓萬有引力理論可說獲得空前勝利。然而,天文學家拿重力理論來推估行星運行的嘗試並未到此為止。1859年,勒維耶再度出擊,聲明水星軌道的進動也跟牛頓萬有引力理論的計算有所出入。

在理想狀況下,依據牛頓萬有引力理論,水星環繞太陽的運行軌道應該要固定不變;然而在實際上,因為受到其他行星的重力拉扯(和另外一些次要因素),水星軌道的近日點(以及軌道本身)會緩慢產生變化──這稱為水星的近日點進動。

不止水星,其他行星也都會有進動;只是水星距離太陽最近,進動效應最明顯。圖為地球繞行太陽的軌道進動示意;進動效應被刻意放大。(圖片來源

勒維耶分析了從 1697 年到 1848 年的水星觀測資料,發現水星的近日點進動,與用牛頓萬有引力理論考慮其他行星的影響所算出來的進動數值,每世紀差了三千六百分之三十八(38/3600)度[2]──這是多麼微小的數值,卻又真實存在!

因為之前海王星的成功經驗,勒維耶猜想:介於太陽和水星軌道之間,可能存在未曾發現過的星體,影響了水星的運行;他將其命名為瓦肯星(Vulcan)[3]

無奈地,這一次任憑天文學家花費幾十年尋找,甚至勒維耶也已去世良久,瓦肯星始終不見蹤影;而水星近日點進動問題便懸而未決,延續到二十世紀。在 1915 年,愛因斯坦才利用廣義相對論成功將此問題劃上句點。

愛因斯坦在1915年的論文中,運用廣義相對論解決了水星的近日點進動問題。(圖片來源

根據我們目前所知,水星的近日點每世紀會移動約 574/3600 度,其中牛頓萬有引力效應佔了 532/3600 度,而廣義相對論造成的效應幾乎剛好就是兩者之差。廣義相對論針對牛頓萬有引力定律所描述的重力,做出了細緻的修正──這個修正在大多數狀況下,微小到可以忽略;只有在水星近日點進動這樣的例子,差異才會顯現出來。可以說,水星近日點進動問題的解決,是幫助廣義相對論得到世人認可的重要原因之一。

廣義相對論的黑洞測試

科學家拿星體運行來測試重力理論的故事就到此為止了嗎?非也。既然原本得到廣泛驗證的牛頓萬有引力定律,因水星近日點進動現象而被找到缺陷,那麼現在大獲全勝的廣義相對論,自然也有可能在某種特殊環境下暴露弱點──科學家於是把腦筋動到了黑洞頭上。

黑洞堪稱宇宙裡數一數二極端的天體,龐大的重力吞噬一切,無疑是測試重力理論的理想選擇。就像水星繞行太陽會產生進動,是否,繞行黑洞的星體,其軌道也會有進動現象呢?又是否完全可以用廣義相對論來解釋?

針對廣義相對論的正確性問題,一群科學家團隊花了二十七年,觀測環繞無線電波源人馬座A*(Sagittarius A*)運行的恆星S2,並於今年(2020)四月,在《Astronomy & Astrophysics》期刊發表最新成果

人馬座A*位於銀河系中心,距離地球約兩萬六千光年,質量估計為四百多萬倍太陽質量,據信極可能是超大質量黑洞;環繞於外的 S2 具有十多倍太陽質量,與人馬座A*的最近距離是十七光時(海王星到太陽距離的四倍),軌道週期為 16 年(海王星軌道週期是 165 年)。研究發現,S2近心點(pericenter,最靠近重力中心的點)的進動約為每軌道週期 12/60 度,與廣義相對論的預測相符──即使在重力如此強大的環境,廣義相對論依舊通過試煉。

藝術家描繪的S2繞行人馬座A*示意圖;為了清楚顯現 S2 軌道因為進動而逐漸改變位置,進動效應被特意放大。(ESO/L. Calçada

本次研究的意義

儘管沒有發現廣義相對論的破口,這次的成果仍然別具意義:它是人類第一次確認以黑洞為中心的進動現象;再者,若人馬座A*附近存在某些看不見的物質(如暗物質,或其他小型黑洞等等),科學家也能依據數據給出嚴格的質量上限。可以肯定的是,隨著觀測技術的發展,我們對於宇宙、或者黑洞的理解,將持續進步;說不定哪天,還真能發現廣義相對論的問題呢。

參考資料

註釋

  • [1] 實際上,勒維耶計算出的海王星軌道,與真正的海王星軌道仍有一些差距。但這並無礙於發現海王星的偉大成就。
  • [2] 多年後,其他科學家重新評估牛頓萬有引力理論和實際觀測的差距,得出每世紀三千六百分之四十三(43/3600)度的數值,跟現代觀測吻合。
  • [3] 就跟《星際爭霸戰》(Star Trek)裡的瓦肯星同名。不過可以確定勒維耶並不是因為看了《星際爭霸戰》才這麼命名的。
科學大抖宅_96
35 篇文章 ・ 999 位粉絲
在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/