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弗里曼‧戴森──自由隨性的異類科學家

科學大抖宅_96
・2020/05/18 ・6601字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

2020 年 2 月 28 日,弗里曼‧約翰‧戴森(Freeman John Dyson)去世,享耆壽 96 歲,國際各大媒體紛紛撰文哀悼。

他是只有學士學位的普林斯頓高等研究院榮譽教授,一生獲獎無數;其最知名的科學成就是促成量子電動力學的完備。除此之外,戴森還涉足諸多不同領域,包括數論、生命科學、固態物理、天文物理等等;不少家喻戶曉的學者,例如科學頑童費曼[1]和氫彈之父泰勒[2],都曾與其並肩。

他撰寫科普書表達對人類未來、乃至移民宇宙的看法,對流行文化影響深遠,許多科幻作品都曾借用他的構想。戴森是原子科學家公報 (Bulletin of the Atomic Scientists)的理事會成員,協同管理末日時鐘[3](Doomsday Clock),而今年一月的調整,是有史以來最接近世界末日的一次──僅差距 100 秒。

戴森曾研發核彈,卻又提倡禁止核子試爆;他親眼見證科學如何讓人類擁有摧毀自己的能力,但也相信科學具有讓人類免於滅亡的潛力。豐富的生命經驗、對社會議題的關注,與天馬行空的想像力,都讓他不再只是單純的科學家,而是現代公共知識份子的象徵。

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戴森於 2005 年所攝相片(圖片來源

數學家的養成

弗里曼‧約翰‧戴森出生於 1923 年 12 月 15 日的英格蘭,自年幼就展現出卓越的數學天賦:五歲便嘗試計算太陽有多少原子、少年時期的休閒讀物是微分方程式教科書。1941 年,時值第二次世界大戰,戴森進入了著名的劍橋大學三一學院。

他回憶:「所有的應用數學家都去打仗了,基本上沒什麼物理好做。但是一些非常知名的純數學家還在──像是哈代[4]、李特伍德[5]──我可以獨占他們。作為學生,和這些鼎鼎大名的數學家為伍,是很美好的時光。」在數學大師的薰陶下,戴森養成了數學家的能力,這對他日後在物理上的成就有許多幫助。

之後,戴森參加了戰事,擔任英國皇家空軍分析師,並於戰後回到劍橋取得學士學位。1947 年,他前往美國康乃爾大學進行短期參訪,師從貝特[6]。貝特是極為優秀的物理學家,也具識人慧眼;沒幾年前,他才向康乃爾大學推薦自己在曼哈頓計畫的工作伙伴──才華洋溢的費曼擔任教職。

費曼於 1965 年左右的照片(圖片來源

二戰後物理學的重要焦點:量子電動力學

第二次世界大戰才剛結束,物理研究百花齊放,實驗與想法不斷推陳出新。當時物理學界聚焦的問題之一,是如何發展量子電動力學──光與帶電粒子交互作用的理論,針對電子行為做出正確計算。

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哈佛大學教授許溫格[7]率先拔得頭籌,提出新的計算架構,得出與實驗吻合的結果,轟動學界。同時,費曼也用他獨家(簡單但不被欣賞)的費曼圖方法,獲得跟許溫格幾乎一樣的答案。許溫格和費曼,兩者的方法截然不同,卻總能得到相同的結論──這究竟是怎麼一回事呢?在當時沒有人能夠明白。

粒子物理標準模型下,基本交互作用的費曼圖表示。圖/wiki commons

另一方面,早在 1943 年,戰火肆虐的東方國度日本,東京文理科大學[8]教授朝永振一郎[9],便不為人知地獨立進行同樣的研究,並比許溫格更早踏出正確的一步,奠定新量子電動力學理論的根基;奈何時局動盪,他的成果到戰爭結束後才為西方所知──分屬不同陣營的兩方,終於可以安心進行學術交流與合作了。考量戰爭期間的時空環境,朝永的工作彷彿寒冬裡綻放的花朵,格外珍貴。

朝永振一郎(圖片來源

戴森的挑戰:解釋殊途同歸的正統方法與新把戲

與費曼同在康乃爾大學的戴森,是少數同時對許溫格和費曼理論有相當程度理解的人;他自述:「我用正統方法替貝特做的運算,花掉我幾個月的時間,寫了幾百頁的紙;費曼卻可以在黑板上,花半個小時而得到完全相同的答案……我暗自下定決心,做完貝特交代的工作後,接著就要來了解費曼的祕笈,並且用其他人都能懂的語言,將他的思想闡揚出來。」

1948 年暑假,戴森和費曼花上四天,從紐約州開車到新墨西哥州的阿布奎基,一路聊戰爭、聊核武、聊科學、批評彼此對科學的想法,真理卻愈辯愈明。在與費曼分別後,戴森參加了密西根大學的暑期學校,並抓緊機會與擔任課程講者的許溫格交流。每天下午,他都躲在屋簷下,仔細查驗許溫格演講的每一個步驟,再默想私下交流中,許溫格說的每一句話。到五個星期的暑期學校結束時,戴森已用許溫格的方法算過無數題目,寫滿上百頁計算。這時候的戴森還不知道,這個暑假即將成為他個人生命中,非常獨特的一段時期,大大影響了他的命運。

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許溫格,攝於1965年(圖片來源

兩邊兜在一起,完備量子電動力學

1948 年 9 月,戴森結束度假,搭上灰狗巴士返回美國東部。已經好一陣子沒想過物理的戴森,腦中卻突然浮現費曼的圖像和許溫格的方程式,「自行在我腦裡前後對正、左右標齊,而且從來沒有那麼清晰過。我生平第一次,可以將這兩個論點兜在一起。」他說。

過沒多久,戴森的論文發表了,名為〈朝永、許溫格和費曼的輻射理論〉[10]。原來,許溫格所用的複雜數學方法,和費曼所發明的費曼圖方法,存在一一對應的關係──兩者描述的是同一件事,只不過一方著重全面、精確的數學語言,另一方則給予我們更直觀的物理圖像;而戴森的論文,清楚闡述了二者之間的連結。朝永、許溫格和費曼,將量子電動力學帶入嶄新的階段,也因其貢獻,共同獲得 1965 年的諾貝爾物理學獎,戴森則對三人的獲獎扮演了關鍵角色。

在量子電動力學發展的關鍵時刻,戴森剛好站上一個特別的位置:既能和費曼長時間相處、討論其物理觀點,也有機會密集向許溫格求教,再加上戴森於劍橋養成的數學能力──這些因素的總和,讓戴森成為量子電動力學的獨特橋梁,連結起不同架構與敘事觀點,成就了量子電動力學的完備。

朝永、許溫格和費曼三人分攤1965年諾貝爾物理學獎(圖片來源

沒有博士學位的大學教授

1951 年,儘管戴森只有大學學歷,以及幾年的研究生經驗,仍然被康乃爾大學聘為教授職,成為恩師貝特的同事──這也正好符合戴森一貫的信念:「我很自豪沒有博士學位。我認為博士學位系統很令人厭惡……它強迫一點都不適合做研究的人們,浪費多年的生命,某種程度上假裝自己在從事研究工作。最終,他們得到一張紙,載明他們合格了,但那並不代表任何事情。攻讀博士要花上太多時間,也阻擋了女性成為科學家──我認為這是莫大的悲劇。」

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儘管原子彈才剛在六年前轟炸日本的廣島和長崎,造成絕大死傷,戰爭的殘酷卻並沒有停下部分科學家的腳步;當時,威力更強大的氫彈試爆和研發工作正如火如荼進行,貝特也參與其中,不但長時間不在康乃爾大學,也無心進行物理基礎研究。

另一方面,戴森之前還是個菜鳥、到普林斯頓高等研究院進行短期訪問的時候,曾利用專題研討會的時間,多次主講量子電動力學,向當時的院長歐本海默[11]推銷費曼和許溫格的成就,並成功說服了打從心底不接受的歐本海默,讓歐本海默刮目相看──這幫助戴森得到普林斯頓高等研究院的終身職工作。高等研究院的工作自是相當誘人,再考慮到貝特的狀況,戴森最終下定決心,於 1953 年離開康乃爾大學,前往普林斯頓高等研究院任職。這一待,就是六十多年,直到他生命的最後。

普林斯頓高等研究院(圖片來源

小型核子反應爐的研發

1955 年,聯合國在瑞士日內瓦召開第一屆國際原子能和平用途會議,共有 73 個國家出席;從事核反應爐研究的各國科學家齊聚一堂,交流工作心得,一堆機密文件也都公開展示。會議的進行,標誌了國際合作時代的來臨。一時之間,核能成為造福全人類的尖端科技,發展前景可期。

就在這樣的氛圍下,隔年,應通用動力公司的邀請,戴森和氫彈之父泰勒一起主導了核反應爐的研發;他們專注於安全性,致力打造就連高中生都能操作的小型核反應爐──並且成功了。這部被命名為 TRIGA 的核反應爐是最成功的核反應爐之一,根據設計絕不可能發生爐心熔毀等重大核災事故。至今,TRIGA 反應爐仍作為教育、研究和醫療用途,在世界各地使用中。

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儘管曾參與核反應爐的研發,也支持和平使用原子能,戴森對核能發電工業卻有諸多批評。他認為,既有的核能技術並不夠好,隨著石化能源用罄,人類將需要更便宜、更安全的核能反應爐,但是新核反應爐的研究卻越來越少,沒有嘗試就不會有進步。

「冒險家、實驗家、發明家一個個被逐出大企業,而讓會計師、經理人獨擅勝場。」、「核能發展出了岔錯。」他說。

在戴森眼中,核能工業之所以陷入窘境,完全不如 1950 年代的蓬勃,一方面是因為「許多舊有的勢力都涉嫌重大,他們共謀讓核能發展變得麻煩而昂貴,遠超過我們先前的預估。」更重要的,則是因為人們不再有耐心去做試驗,也沒有預算去容納這項高風險的投資了──他在車諾比核災之前就做出了上述評論;現在的狀況,比起戴森那時候,是更好,還是更壞呢?

TRIGA 反應爐核心(圖片來源

殘念的獵戶座計畫,與不容忽視的核子試爆威脅

從 1958 到 59 年,戴森參與民間發起的獵戶座計畫(Project Orion),打算利用原子彈作為太空船的推進動力;他們喊出口號:「1970 土星見!」預計 1970 年就載人上土星的衛星。然而,世界局勢快速轉變,關於核彈試爆存續的討論不絕於耳,戴森出於對獵戶座計畫的熱情,不僅投書表達支持試爆,也嘗試設計新型核彈,希望大幅減少獵戶座計畫產生的放射性落塵,以延長計畫壽命。當時的戴森,一心只想探索浩瀚的宇宙,對於核彈設計抱持純然和平的動機。

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只不過,當他的同事發明中子彈之後,自覺負有部分責任的戴森,無法再對核彈的和平用途充滿信心了──戰爭與和平,無法簡單一刀兩斷,不可能有純粹和平使用的核彈。

隨著時間推移,美、蘇兩國的核子試爆越演越烈,在全球累積的輻射塵也到了不能忽視的地步;於「軍備控制與裁軍署」(Arms Control and Disarmament Agency)兼差的戴森十分驚訝地在統計數據上發現,核子試爆總數每年呈指數增加,按照這個趨勢繼續下去,只怕會走上人類的不歸路。頭一次,他打從心底認為:核子試爆,非禁不可!

1963年,身為軍備控制與裁軍署專家的戴森,不但是甘迺迪總統簽訂《部分禁止核試驗條約》(Partial Test Ban Treaty,PTBT)的顧問,也以美國科學家聯合會代表的身份,在參議院聽證會上幫該條約背書護航。最後,《部分禁止核試驗條約》於同年 10 月 10 日生效,由美國、蘇聯、英國共同簽署,明訂禁止在大氣層、太空和水下進行核武器試驗──儘管那並無法阻止冷戰時期美、蘇兩國的軍備競賽,但也是很大的進步。

戴森一度對原子能充滿期待,深信它將帶給人類更光明的未來;但隨著世界局勢的轉變,原子能的發展完全不如想像那般美好,他也不再純然相信原子能的和平使用,甚至給自己曾熱切參與的獵戶座計畫簽下死亡證書。

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《部分禁止核試驗條約》簽署後,大氣中的放射性同位素碳14濃度明顯下降。藍色線條為碳14的自然背景平均濃度。(圖片來源

涉獵眾多領域,對社會的莫大影響力

戴森興趣廣泛、涉獵過眾多不同領域;他就像充滿好奇心的小孩,找尋自己能夠解決的有趣問題,不介意它們重要與否。戴森寫過許多科普書,探討科學、技術、宗教與哲學問題,也提出過許多完全符合科學原理的天外奇想。他想像在小行星或彗星上種植基改樹木(人稱「戴森樹」,Dyson Tree),創造完整的生態系,以作為人類未來的居所。他也將既有科幻小說[12]中的情節發揚光大:發達的智慧文明可以建造環繞於恆星周圍、適居的人造生物圈(artificial biosphere),充分利用恆星的能源。

儘管跟戴森本來的想像略有不同,之後的科幻小說家開始幻想,將整個恆星完整包覆、吸取所有能源的巨型結構──稱為「戴森球」(Dyson Sphere)。雖然戴森本人並不喜歡這個名字,但戴森球已廣泛出現在許多科幻作品中,包括知名影集《銀河飛龍》(Star Trek: The Next Generation)。

《銀河飛龍》影集裡,企業號繞行戴森球的畫面(圖片來源

作為受人敬重的科學家,和對流行文化有莫大影響的意見領袖,戴森在氣候變遷議題卻是出了名的懷疑論者。他認為現有氣候模型過於簡略、無法描述真實世界;全球暖化帶來的效應也不見得全然負面,其嚴重性被政治性地過分誇大──但這並不表示他忽視氣候科學家提出的證據。對戴森來說,跳脫既有框架、保持懷疑的態度是重要的,只要現有證據無法百分之百說服他,他會毫不猶豫地站出來挑戰(儘管戴森的說法後來也遭到其他科學家的反駁)。

知名諾貝爾物理學獎得主溫伯格[13]這麼形容戴森:「當共識如同湖面結冰那般逐漸成形,戴森就會盡力去敲碎那冰塊。」不管是在科學、還是社會議題上,戴森向來強調多元的重要性──這使他往往刻意站在大眾的對立面。

率直的思想家

戴森一生絕大部分時間都在普林斯頓高等研究院度過;即使退休,他仍擁有自己的辦公室,並常漫步於院區──直到生命結尾。

戴森不追求發表自己的獨創性科學理論,滿足於和其他人共同工作、討論他們的構想。他穩重、內斂、聰明,並且謙遜,因此得到許多同僚的敬重。他對科學的可能性懷抱著無比信心,積極思考人類的長遠未來;他深知戰爭的殘酷,核武帶來的議題遠比製造核武的科學來得更複雜,核武的研究也不可能和戰爭撇清關係。

戴森去世當天,於普林斯頓高等研究院發布的新聞稿裡,院長戴克赫拉夫(Robbert Dijkgraaf)這麼形容戴森:

近代粒子物理的建築師、無拘無束的數學家、太空旅行、天體生物學和裁減軍備的倡導者、未來學家、永遠的研究生、(包括他自己的)先入為主觀點的反對者、富有思想的評論家、全時對世間事保持睿智的觀察者。他的秘密就是直率地接受生命中的所有事,直到最後一刻。

他豐富的生命經驗、廣泛的涉獵領域、不隨波逐流的堅持,都讓他成為世人眼中的戴森──自由又隨性的異類科學家。

2007年戴森在他普林斯頓的辦公室(圖片來源

註釋

  • [1] 理察‧菲利普斯‧費曼(Richard Philips Feynman,1918 年 5 月 11 日-1988 年 2 月 15 日),美國理論物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於 1965 年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [2] 愛德華‧泰勒(Edward Teller,1908 年 1 月 15 日-2003 年 9 月 9 日),匈牙利猶太裔美國理論物理學家,以研發氫彈聞名。
  • [3] 由芝加哥大學的《原子科學家公報》雜誌於 1947 年設立,每年一月進行評估,標示出世界距離毀滅有多近;午夜零時象徵世界末日來臨。
  • [4] 戈弗雷‧哈羅德‧哈代(Godfrey Harold Hardy,1877 年 2 月 7 日-1947 年 12 月 1 日),英國數學家,二十世紀英國分析學派的代表人物。
  • [5] 約翰‧恩瑟‧李特伍德(John Edensor Littlewood,1885 年 6 月 9 日-1977 年 9 月 6 日),英國數學家,長期和哈代合作。
  • [6] 漢斯‧阿爾布雷希特‧貝特(Hans Albrecht Bethe,1906 年 7 月 2 日-2005 年 3 月 6 日),德國和美國猶太裔核物理學家,1967年諾貝爾物理學獎得主。
  • [7] 朱利安‧西摩‧許溫格(Julian Seymour Schwinger,1918 年 2 月 18 日-1994 年 7 月 16 日),猶太裔美國理論物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於 1965 年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [8] 現在的筑波大學。
  • [9] 朝永振一郎(Shinichiro Tomonaga,亦做Sin-Itiro Tomonaga,1906 年 3 月 31 日-1979 年 7 月 8 日),日本物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於1965年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [10] 原名“The Radiation Theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman”,發表於《物理評論》(Physical Review)。
  • [11] 朱利葉斯‧羅伯特‧歐本海默(Julius Robert Oppenheimer,1904 年 4 月 22 日-1967 年 2 月 18 日),美國理論物理學家,人稱「原子彈之父」。
  • [12] 出自史泰普頓(Olaf Stapledon)於 1937 年出版的《造星者》(Star Maker)。
  • [13] 史蒂芬‧溫伯格(Steven Weinberg,1933 年 5 月 3 日-),美國物理學家,1979 年諾貝爾物理學獎得主。

參考資料

  1. The Economist (2020/03/14), “Freeman Dyson died on February 28th”, The Economist.
  2. Andrea Stone (2020/02/28), “Freeman Dyson, legendary theoretical physicist, dies at 96”, National Geographic.
  3. Freeman J. Dyson, “The radiation theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman”, Physical Review. 75 (3): 486 (1949).
  4. +plus magazine (2013/07/22), “Operas, revolutions and nature’s tricks: a conversation with Freeman Dyson”.
  5. Dwight E Neuenschwander (2016), “Dear Professor Dyson: Twenty Years Of Correspondence Between Freeman Dyson And Undergraduate Students On Science, Technology, Society And Life”, Wspc.
  6. 高崇文(2018/02/11),〈孤高的物理學家:許文格(二)邁向巔峰〉,物理雙月刊。
  7. Steve Connor (2011/02/25), “Letters to a heretic: An email conversation with climate change sceptic Professor Freeman Dyson”, Independent.
  8. Thomas Lin (2014/03/26), “A ‘Rebel’ Without a Ph.D.”, Quanta magazine.
  9. Robbert Dijkgraaf (2020/04/13), “Remembering the Unstoppable Freeman Dyson”, Quanta Magazine.
  10. 戴森(2016),《宇宙波瀾:科技與人類前途的自省》,邱顯正譯,天下文化。
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科學大抖宅_96
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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/

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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標誌物理學新頁的會議:一場顛覆古典物理的寧靜革命——《大話題:量子理論》
大家出版_96
・2023/04/14 ・2428字 ・閱讀時間約 5 分鐘

被挑戰的古典物理世界觀

古典物理學家建立了一系列的假設,將他們的思想統整起來,這使得他們很難接受新的概念。以下列出他們對物質世界有哪些確定不疑⋯⋯

  1. 宇宙就像一臺放在絕對時空框架中的巨型機器。複雜的運動可以理解為機器內部各零件的簡單運動,即使這些零件並不可見。
  2. 牛頓的理論說明一切運動都有原因。如果一個物體表現出運動,人們一定能找出運動的原因。這是單純的因果關係,沒有人質疑這一點。
  3. 如果我們知道物體在某一點(例如現在)的運動狀態,就能判斷它在未來甚至過去任何時刻的運動狀態。沒有什麼不確定,一切都是先前的一些因素造成的結果。這是決定論
  4. 馬克士威電磁波理論完全描述了光的性質,並可由湯瑪士・楊格在 1802 年簡單的雙狹縫實驗中觀察到的干涉圖樣加以證實。
  5. 運動中的能量可以用兩種物理模型來表達:一種是粒子,其表現就像無法穿透的球體,例如撞球;另一種是,其表現就像在海面上朝著岸邊打去的海浪。這兩者是互相排斥的,即能量必定只以其中一種方式表現。
  6. 一個系統的性質,如溫度或速度等,要測量得多準確都可以。只要降低觀察者的探測強度或根據理論來校正即可。原子級的系統也不例外。
古典物理學家建立了一系列的假設。 圖/《量子理論

古典物理學家認為以上這些事情都是千真萬確的。但這六個假設最終都會被證明是有疑慮的。首先體認到這一點的,是 1927 年 10 月 24 日在布魯塞爾大都會飯店會面的一群物理學家。

1927 年索爾維會議──量子理論的成形

第一次世界大戰爆發前幾年,比利時實業家歐內斯特・索爾維(1838-1922)在布魯塞爾主辦了一系列國際物理會議,延請來賓傾全力討論某項預訂的題目。只有獲得特別邀約的人才能出席,人數通常限制在30人左右。

1911 年至 1927 年舉行的前五次會議,以最令人大開眼界的方式記錄了 20 世紀物理學的發展。1927 年的會議專門討論量子理論,每場至少都有 9 位理論物理學家出席,他們對量子理論做出了根本貢獻,並且最終都因而獲得諾貝爾獎。

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1927 年索爾維會議的合照。影響 20 世紀物理學發展的巨擘都齊聚一堂,其中包含許多在教科書中耳熟能詳的物理學家,包括第一排的馬克斯・普朗克(左二)、瑪麗・居禮(左三)、阿爾伯特・愛因斯坦(正中)。圖/大話題:量子理論

要介紹有哪些人推動了最現代的物理理論,這張 1927 年的索爾維會議照片是很好的起點。後代將會驚歎,1927 年這些量子物理巨擘竟然在這麼短的時間、這麼小的地方齊聚一堂。

寥寥數人在這麼短的時間內就釐清了這麼多事情,在科學史上可說是空前絕後。

看看第一排坐在瑪麗・居禮(1867-1934)旁邊那位愁眉苦臉的馬克斯・普朗克(1858-1947)。普朗克拿著帽子和雪茄,看來有氣無力,好像在花了這麼多年試圖反駁自己對物質和輻射的革命性想法後,他已筋疲力盡。

馬克斯・普朗克(1858-1947,第一排左二,即對話框所指處),提出了「能量量子化」的革命性理論。圖/大話題:量子理論

幾年後,在 1905年,瑞士一位名叫阿爾伯特・愛因斯坦(1879-1955)的年輕專利事務員對普朗克的概念進行推論。

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前排正中間穿著禮服拘謹地坐著的就是愛因斯坦,他自從 1905 年發表早期論文之後,二十多年來一直苦思量子問題,但未得出任何真實的見解。他一直出力推動量子理論的發展,並以驚人的信心支持其他人的獨創見解。他最偉大的理論「廣義相對論」使他成為國際知名學者,那已是十年前的事了。

在布魯塞爾,愛因斯坦為了量子理論奇怪的結論,和最受敬重、最堅定的量子理論支持者尼爾斯・波耳(1885-1962)爭辯。之後波耳將比任何人都更嘔心瀝血,致力於解釋和理解量子理論。波耳在照片中間那排的最右邊,這位時年 42 歲的教授正如日中天,顯得輕鬆自信。

阿爾伯特・愛因斯坦(第一排左三)與尼爾斯・波耳(第二排右一)。圖/大話題:量子理論

愛因斯坦後方最後一排的埃爾溫・薛丁格(1887-1961)身穿獵裝,戴著領結,顯得非常隨意。他的左邊跳過一人後是「少壯派」的沃夫岡・包立(1900-58)、維爾納・海森堡(1901-76)──兩人當時才二十幾歲。第二排則有保羅・狄拉克 (1902-84)、路易・德布羅意(1892-1987)、馬克斯・波恩(1882-1970)和波耳。這些人的發現與微觀世界的基本性質息息相關,因此名留青史,像是薛丁格方程式包立不相容原理海森堡測不準原理,以及波耳原子等等。

他們都聚在這裡──從 69 歲、年紀最大的普朗克(他在 1900 年開啟了一切),到 25 歲、年紀最小的狄拉克(他在 1928 年完成了這個理論)。

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1927 年 10 月 30 日,拍下這張照片的隔天,與會者的腦海中還縈繞著波耳與愛因斯坦的歷史性交鋒。他們在布魯塞爾中央車站坐上了火車,各自返回柏林、巴黎、劍橋、哥廷根、哥本哈根、維也納和蘇黎世。

他們帶著科學家所創造出最離奇的一套理論離開。大多數人私底下可能同意愛因斯坦的觀點,認為這種被稱為量子理論的瘋狂想法,只是通往更完整理論的一步,以後會被更好、更符合常識的理論推翻。

——本文摘自《大話題:量子理論》,2023 年 3 月,大家出版,未經同意請勿轉載。

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人類在宇宙中是否孤寂?——宇宙中是否可能有其他文明?
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/04/12 ・4993字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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1990 年,NASA 的航海家 1 號完成任務時,在 64 億公里外回首拍攝一張照片。地球,好似一粒漂浮在深空中的塵埃。該照片被命名為《蒼藍小點》(Pale Blue Dot),天文學家卡爾・薩根(Carl Sagan)隨後寫下了這段經典的語錄:

「凝視著這個淡藍小點:就是這裡。這就是家園。這就是我們。在這個小點上,每一個你愛的人,每一個你認識的人,每一個你曾聽聞的人,每一個人類、都曾經生活於此。我們一切的快樂和掙扎,萬千種引人自豪的宗教信仰、思想體系、經濟法則,每一位獵人與騎兵,每一位英雄與懦夫,每一個文明的締造者與摧毀者,每一位君王與農夫,每一對陷入愛河的年輕伴侶,每一位為人父母者、充滿希望的孩子們、發明家與探險者,每一位靈魂導師,每一位貪腐政客,每一個所謂的「超級巨星」,每一個所謂的「偉大領袖」,每一位歷史上的聖人以及罪人⋯⋯我們的一切一切,全部存在於——這顆懸浮在一束陽光中的渺小塵埃上。」

著名地球照片《蒼藍小點》。 圖/wikimedia

在浩瀚的宇宙中,地球確實是一粒渺小沙塵,也是我們唯一確定有智慧生命居住的世界。那麼,在茫茫太空中、銀河系的彼端、抑或是更遙遠之處,是否還有其他生命、乃至於文明正在活躍著?在這偌大而寂寥的宇宙中,人類又是否是孤獨的存在?

地球是否特別?平庸與殊異的爭辯

《蒼藍小點》這張影像意味著:地球不過是宇宙空間億萬顆星體中的一粒微塵,在近幾十年來,實驗觀測更指出宇宙比我們想像中來得更大、且正在持續擴張中。從演化論的視角來看,人類並非特別,我們所擁有的聰慧恰恰就是有機化學中基因序列的一種結果。

這些證據指向了一個事實——地球並不特別,只不過是一顆普通的行星。這樣一種看法在哲學上面被稱作「平庸原理」(mediocrity principle)。

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然而,對此有不少科學家抱持反對意見,而這一系列說法被稱之為「地球殊異假說」(Rare Earth hypothesis)。他們認為,地球的形成、板塊運動、大氣、海洋、乃至於生命的誕生、演化——這些都並非輕而易舉就能產生的。英國天文學家霍伊爾(Fred Hoyle)爵士曾如此形容:

「生命自發形成的機率,宛若一陣龍捲風掃過垃圾場、從中隨機拼湊出一架波音 747 那樣渺茫。」

確實,一系列有機分子纏繞結合成蛋白質、再組成基因序列、構成原始細胞這一段程序,這機率是非常微小的。而科學家們同時也提出了地球恰恰位在「適居帶」(habitable zone),這些條件決定了生命是否得以形成並且演化:

  1. 星系適居帶:恆星系統若接近星系中心,由於超大質量黑洞影響,會導致輻射、宇宙射線、以及星體撞擊的干擾,從而難以形成生命;若過於遠離核心,則會使重元素(例如:鐵、碘)難以形成,這些重元素是組成複雜生命分子的條件。太陽系位在銀河系第三旋臂上,恰好座落在適居帶。
  2. 太陽系適居帶:對於一個恆星系統而言,行星與恆星的距離將主宰生命誕生的條件。比如:水星、金星溫度過高,便不適合生命形成;火星、木星外側的行星距離太陽偏遠,則不會有液態水的存在;而地球位處金星、火星之間,不僅溫度適宜、有液態水存在,更有足夠大氣層可以擋避隕石與輻射,使得碳循環得以建立,恰好符合生命形成的條件。
  3. 行星適居帶:與前者類似,行星必須在恆星的一定範圍內,才能有良好的溫度環境、使得液態水可以存留。
太陽系在銀河系中的位置。圖/Wikipedia

超級適居行星的發現

所謂的「超級適居行星」(superhabitable planet),顧名思義,就是指位居在適居帶的行星。請注意,不少人常常將其誤解為「超級地球」(super-Earth),但這兩者是不一樣的。

首先,超級地球的判斷依據僅僅是質量,而非適居帶等條件,亦即比地球大出許多的岩質行星、但通常遠比天王星或海王星小。

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而另一個相關的數據稱為地球相似指數(Earth Similarity Index, ESI),指的是一行星的大小、質量、溫度等條件與地球的相似程度。以地球的 ESI=1 為標竿,目前所發現 ESI 最高的行星為位在 1,075 光年外的 KOI-4878.01,其 ESI 值高達 0.98,但存在性還在評估中。

不過,ESI 值高並不代表行星中有生命(畢竟有可能遠離行星適居帶)。真正意味著有可能會有生命存在的,便是「超級適居行星」。目前,葛利斯 370b、葛利斯 581c、葛利斯 581d、葛利斯 581g、葛利斯 832c、克卜勒 22b、克卜勒 62e、克卜勒 62f、克卜勒 69c、克卜勒 186f 和克卜勒 442b 等等,皆是超級適居行星的代表。為了探究這些星球是否有生命存在,最具表性的行動莫過於「搜尋地外文明計畫」(SETI)。

地球數以萬億計的物種中,人類算得上是最具高等智慧的生物。但假設——遙遠的某顆行星上也有「智慧生命」的存在,那麼,對方是否有可能比我們先進?他們能透過量子力學的應用而發明電子產品嗎?他們能掌握陽光、電磁等能源嗎?他們是否有完善的醫療、教育、經濟、社會結構?又或者,他們是否已然可以達成人類難以觸及的瞬時旅行?

在探討這個問題之前,先讓我們回到「人類」身上。人類是因為達成了哪些「成就」,而擁有了智慧呢?

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費米悖論:我們為何從未接觸過外星智慧?

或許宇宙深處已然有著科技程度比我們先進數百萬年的高等文明,那些 III 型文明或許早已可以駕馭光速飛行、甚至能掌握時空動力學跳脫距離限制到訪地球。根據「德雷克公式」(Drake equation),銀河系中可能與我們接觸的先進文明數量大約可以表示為:

其中,等號右側從左至右依序為:銀河系恆星形成速率、恆星系統有行星的可能性、位於適居帶行星的平均數目、行星上發展出生命的可能性、生命演化成為智慧文明的可能性、智慧文明得以進行通訊的可能性、以及該智慧生命的預期壽命。根據估算,可能與人類通訊的智慧文明在銀河系中最少一千、最多則高達一億個。

我們總是如此預估:在擁有 137 億年歷史的廣袤宇宙中,與地球類似的星體非常多,先進地外文明的存在性相對而言也非常高,而德瑞克公式更意味著本銀河系中便可能有成千上萬個智慧文明存在。於是,一個矛盾產生了:

既然宇宙的尺度與年齡意味著高等文明應當存在,那麼——為何這個敘述迄今沒有得到充分的科學證據支持?

更簡潔的說法,便是:

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宇宙中高等文明存在的可能性極高,然而為什麼這些智慧生命至今尚未與我們接觸過?

這便是著名的「費米悖論」(Fermi paradox)。關於這項提問,也出現了各種不同的說法或解答。

第一種答案認為,目前其實並沒有外星文明存在,因為:

  • 生命誕生的條件是極其稀罕的,有可能進化失敗、又或許尚未崛起(地球殊異假說)。
  • 自我摧滅:智慧生命在能完成恆星際旅行之前,便可能因為核戰爭、生化戰爭、或是資源枯竭等災難而自我毀滅了。

第二種則認為,外星文明其實存在,卻因為:

  • 尺度限制:受限於空間限制,使得智慧生命不容易前來;此外,也有可能是外星生命已經接獲人類的訊號,只是訊號尚未返回地球。
  • 技術因素:外星文明未必比地球文明進步;又或是,人類找尋外星生命的方法有誤,也有可能外星技術現象與自然現象過於雷同而難以區辨。
  • 刻意緘默「動物園假說」(zoo hypothesis)意味著外星智慧有可能已經收到人類訊息,但為了觀察人類舉動而不願回答;或者,科幻作家劉慈欣提出的「黑暗森林法則」認為,在尚未分別對方意圖之時、為保有宇宙資源等利益,刻意隱匿行蹤,必要時可能摧毀對方文明;又或者,基於技術奇點(technological singularity),與人類差別太遠從而無法有效答覆。
  • 已然接觸:外星智慧已然與人類接觸,但可能因為維度差異、或者隱匿行蹤,致使人類尚未發覺。例如文章中所提及的「馮紐曼探測器」(von Neumann probe)預示著:智慧文明可能透過奈米乃至於原子尺度的探測針、散播並且監控著地球人的舉動。

對於地外文明的探索與展望

對於探索地外文明,人類的野心從未止息。1972 年,無人探測器先鋒號裝載了一塊鍍金鋁板,其中囊括一些有關人類科技的基本訊息,例如——人類的身材面貌、氫原子躍遷圖示(用以表示長度與時間單位)、太陽系位置、以及地球的所在地等等。這塊「先鋒號鍍金鋁板」(Pioneer plaque)雖然不是第一個離開太陽系的人造物件(第一個離開太陽系的是航海家一號),但卻是第一個攜帶了人類文明訊息離開太陽系的人造物件。

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先鋒號鍍金鋁板上面所鐫刻的訊息。圖/Planetary

如同先前提及的,SETI 或許是最具代表性的團體。1974 年,SETI 透過無線電訊息發送了知名的「阿雷西波訊息」(Arecibo message)至遠在 25,000 光年外的 M13 球狀星團。這串訊息陣列包含了:二進位數字、DNA 序列、核苷酸、雙股螺旋、人類平均身高與人口、行星系統、以及望遠鏡結構。假設 M13 星團的外星文明接收到訊息,那麼根據傳播速度推算,人類接收到回覆大約是五萬年之後的事了。

阿雷西波號所發射的無線電波信息,其中攜帶了人類相關的基本資訊。圖/PHL

1977 年,有鑒於先鋒號刻板基礎,以薩根為主的 NASA 委員會將地球上的 55 種語言、各種大自然的聲音、不同年代的音樂,以及有關於科學、人體構造、生態、建築物、交通建設、書信文物等 116 張影像,一併收錄至一張唱片裡,其中還包括時任總統卡特(Jimmy Carter)的書面信息,再透過航海家探測器發射至太空。這張「航海家金唱片」(Voyager Golden Record)預計 4 萬年後才會到達距離太陽系 1.7 光年的地方。

航海家金唱片及其所攜帶的信息。圖/NASA

雖說上述訊息目前為止都尚未得到回覆,當然,就宇宙尺度而言恐怕要等到數萬年後才會有所答覆。不過,值得一提的是,近年來天文學家透過克卜勒望遠鏡觀測到 KIC 8462852(又稱 Tabby 星、博雅吉安星)的光度有異常變化。

關於這個變化,有人認為可能是新形成的恆星塵埃造成的,但是科學家在觀測後尚未發現相關跡象;有人認為是星體碰撞下的殘骸導致的,然而克卜勒望遠鏡觀測到此情況的機會亦非常低;也有人認為是彗星群受到重力影響而朝往該恆星方向運動,不過這說法無法解釋為何光度會顯著下降。

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這光度異常不規律的起伏至今仍是謎團,而所有證據彷彿指向了另一個極端的可能性——人工巨型結構(即「戴森球」)。假設該恆星系統有高等文明存在,便得以透過「戴森雲」這類結構控制恆星能量。乍聽之下似乎無比驚人,然而,目前唯有這個說法可以合理解釋光度的異常變化,因此,科學家並不否定 KIC 8462852 存在先進外星文明。

作者註:目前 KIC 8462852 的光度變化,科學界基本上已經排除戴森球的可能性

我們期待這些有關外星智慧的謎團能夠解開,也期許人類文明能在短時間內擺脫戰亂、資源枯竭等危機,從而在本世紀末順利躍升成為第 I 型文明。最後,讓我們引用 1977 年收錄在航海家金唱片中、吉米・卡特前總統的一段語錄作為總結:

「這個禮物來自於有點遙遠的世界,夾帶著屬於我們的聲音、我們的科學、我們的圖像、我們的音樂、我們的思想、以及我們的感觸。我們嘗試永存現有的時光,好讓來日得以共生於你們所處的時光中。我們期望有朝一日,能夠共同解決彼此所面臨的難題,並且聯合組成一個星系文明。這張唱片象徵著我們的希望、我們的決心、以及我們的善意——在這浩瀚且壯麗的宇宙中。」

參考文獻

  • 加來道雄,《穿梭超時空》,台北:商周出版,2013
  • 加來道雄,《平行宇宙》,台北:商周出版,2015
  • 卡爾.薩根,《宇宙・宇宙》,台北:遠流出版事業股份有限公司,2010
  • 史蒂芬.霍金,《胡桃裡的宇宙》,台北:大塊文化,2001
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科學研究者,1999年生於台北,目前於美國佛羅里達大學(University of Florida)攻讀物理學博士。2022年於美國羅格斯大學(Rutgers University)取得物理學學士學位,當前則致力於學術研究、以及科學知識的傳播發展。 同時也是網路作家、《隨筆天下》網誌創辦人,筆名辰風,業餘發表網誌文章,從事詩詞、小說、以及文學創作。