臺灣也有摩西分海？——澎湖奎壁山的秘密

如果整個地球都由質子構成，而整個月球都由電子構成，那會怎樣？
——諾亞．威廉斯（Noah Williams）

質子地球，電子月球

這可能是我寫過最具破壞性的假設情境。

你可能會想像電子月球繞著質子地球運行，有點像是巨大的氫原子。某方面來說，這還有點道理；畢竟，電子繞著質子運行，而衛星繞著行星運行。事實上，原子的行星模型曾流行一時（不過，拿來解釋原子竟然不太管用）。

如果你把兩個電子放在一起，它們會想要分開。電子帶負電，而來自電荷的排斥力比將它們拉在一起的重力強了大約 20 個數量級。

如果你把 10⁵² 個電子放在一起（構成月球），它們會劇烈的互相排斥，以致每個電子會被大到不可思議的能量推開。

事實證明，對諾亞假設的「質子地球和電子月球」情境來說，行星模型更是大錯特錯。月球不會繞著地球運行，因為它們根本沒有機會影響彼此；使兩者各自分別炸開的力量，會遠大於兩者之間的任何吸引力。

如果暫時忽略廣義相對論（等一下會回來談），我們可以算出，來自這些電子相互排斥的能量，足以使它們向外加速到接近光速。將粒子加速到那樣的速率並不少見；桌上型粒子加速器（例如映像管螢幕）可以將電子加速到光速的相當比例。

但是，諾亞月球的電子所攜帶的能量，會遠遠大於普通加速器中的電子所攜帶的能量。它們的能量會超過普朗克能量的數量級，普朗克能量本身則是比最大的加速器中，所能達到的能量又大了很多數量級。換句話說，諾亞的問題遠遠超出普通物理學的程度，帶我們進入到量子重力與弦理論之類的高等理論領域。

所以我聯繫了尼爾斯．波耳研究所（Niels Bohr Institute）的弦理論科學家基勒博士（Dr. Cindy Keeler），請教她關於諾亞的假設情境。

基勒博士同意，我們不應該信賴任何涉及「在每個電子中放這麼多能量」的計算，因為這遠遠超出加速器測試的能力範圍。「我不相信粒子能量超過普朗克尺度的任何事情，」她說。「我們實際觀測到的最大能量存在於宇宙射線中；我認為比大型強子對撞機大了差不多 10⁶，但還是離普朗克能量很遠。身為弦理論科學家，我很想說會發生什麼關於弦理論的事情——但說老實話，我們也不知道。」

幸好，故事還沒結束。還記得我們先前決定忽略廣義相對論嗎？嗯，這是「帶入廣義相對論反而使問題更容易解決」的罕見情況之一。

在這種情境下，存在巨大的位能——使所有這些電子遠離彼此的能量。這樣的能量會扭曲空間和時間，和質量一樣。結果證明，電子月球中的能量大約等於整個可見宇宙的質量與能量總和。

相當於整個宇宙的質能集中在（相對較小的）月球的空間裡，會使時空強烈扭曲，甚至會比那 10⁵² 個電子的排斥力還要強。

基勒博士斷言：「沒錯，黑洞。」但這可不是普通的黑洞，而是帶有大量電荷的黑洞。為此，你需要一組不同的方程式——不是標準的史瓦西（Schwarzschild）方程式，而是萊斯納—諾德斯特洛姆（Reissner-Nordström）方程式。

萊斯納—諾德斯特洛姆方程式比較了向外的電荷作用力和向內的重力之間的平衡。如果來自電荷的向外推力夠大，黑洞周圍的事件視界可能會完全消失。那樣會留下密度無限大的物體，光可以從中逸出——這就是所謂的裸奇點（naked singularity）。

一旦有了裸奇點，物理學就會開始分崩離析。

量子力學和廣義相對論給出荒謬的答案，甚至是不同的荒謬答案。有人認為，物理定律根本不容許出現這種情況。正如基勒博士所言，「沒有人喜歡裸奇點。」

以電子月球的例子來說，來自所有這些電子互相排斥的能量會非常大，以致重力會獲勝，而奇點會形成正常的黑洞。至少，某方面來說是「正常的」；它會是和可觀測宇宙一樣大的黑洞。這個黑洞會導致宇宙塌縮嗎？很難說。答案取決於暗能量是怎麼回事，沒有人知道暗能量是怎麼回事。

但就目前而言，至少附近的星系是安全的。由於黑洞的重力影響只能以光速向外擴展，因此我們周圍的大部分宇宙仍會天下太平，對我們荒謬的電子實驗毫不知情。

——本文摘自《如果這樣，會怎樣？2：千奇百怪的問題　嚴肅精確的回答》，2023 年 3 月，天下文化出版，未經同意請勿轉載。

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

說到當今的登月計畫，除了美國阿提米斯外，中國也有載人登陸月球，並且已經進行過多次無人探測任務。甚至打算建立長期駐人基地，而這個計畫就是——「嫦娥工程」。

近期關於嫦娥工程的新消息：中國宣佈發現了月球上的全新礦物，並將它命名為「嫦娥石」。

中國目前的太空實力究竟如何？嫦娥工程到底在做些什麼？比起五十多年前的美國阿波羅計畫，中國的登月計畫又有什麼不同之處？

中國的太空科技實力

中國的太空實力雖然不是最頂尖，但無疑名列前茅，由於起步相對美俄晚了一些，同時在太空相關領域的透明度又比較低，再加上政治等因素，讓中國的太空發展相關消息蒙了一層面紗，鮮少出現在世人眼前。

回到 1950 年代，美蘇太空競賽如火如荼地進行著，追逐著許多人類從未完成過的壯舉。1957 年 10 月，蘇聯史波尼克一號衛星發射成功，引起全球的高度關注；中共政權看見蘇聯成功的同時，也萌生了自己發射人造衛星的想法……。

時間來到美蘇太空競賽打得最火熱的 1960 年代，中國的太空科技發展也沒有寂靜，由於中共對於軍事科技的需求，又受益於留美學者歸國和蘇聯的技術援助，飛彈及火箭技術逐漸發展成熟；美國阿波羅十一號載人登月成功隔年，中國發射了第一顆人造衛星「東方紅一號」，成為繼蘇、美、法、日後，第五個成功自主發射人造衛星的國家。

值得一提的是，「東方紅一號」由於是運行在幾乎沒有空氣阻力的中地球軌道，至今它仍持續繞著地球轉！

近二十年中國的太空發展也有了許多新進展，2003 年神州五號升空，太空人楊利偉搭著神州太空船繞地球 14 圈後安全返回，完成中國史上首次載人太空任務；在此之後，透過長征系列火箭及神舟太空船，持續執行了好幾次載人太空任務。而在 2022 年底，中國完成太空站「天宮」的建造，亦是目前世上僅有的兩座現役太空站之一。

嫦娥工程

「嫦娥工程」於 2004 年正式啟動，預期的工程方向大致分為：前期的無人探測器探月、中期執行載人登月任務，長期則以建設月球基地並讓基地常駐太空人為目標；目前正陸續進行前期的無人探測任務，中期載人任務則還在準備階段。

美國和蘇聯早在五十幾年前就在進行月球探測任務了，阿波羅十一更在 1969 年成功載人登月，中國現在才在進行探月任務，有什麼亮點是值得我們關注的呢？

和當年美蘇太空競賽時期探月任務相似的是，這一系列任務都是一個國家從無到有探測月球，同時將目標放在未來的載人登月的準備上。然而時間相差 50 年，如今電腦、通訊等各方面技術進展，因此嫦娥工程能用更少的任務次數和更精簡的預算，完成任務目標。

例如前期的無人探測器探測，技術難度由簡單到困難大致可以分為：飛掠、硬著陸、繞行、軟著陸，最困難的則是軟著陸後，採樣返回地球；而為嫦娥工程打頭陣的嫦娥一、二號兩項任務，都是一次就成功進入月球軌道環繞月球，到嫦娥三號就已經軟著陸月球，並讓玉兔號月球車在月球上行駛，還拍下了嫦娥三號在月球表面的照片。

不過，中國嫦娥工程的獨特之處，從接下來的任務才開始。

翻開過去登月任務的歷史紀錄就會發現，由於受到地球潮汐力影響，月球永遠都是以同一面面對地球（該現象被稱為「潮汐鎖定」），因此所有的登月任務，不論是無人探測器，或是阿波羅計畫中的每一次登陸，都是在月球面向地球的這一面進行。

那該怎麼解決這個難題的呢？中國在月球後方的「地月第二拉格朗日點」，設立了一座名為「鵲橋」的通訊中繼衛星；如此一來，鵲橋衛星就可以一直駐留在月球背面運行，維持地球與月球背面不間斷的通訊。

2018 年鵲橋衛星成功抵達預定軌道，從此讓月球的背面不再是無法觸及的通訊死角，同年年底嫦娥四號成功著陸月球背面，玉兔二號也開始在月球背面行駛，在人類的探月歷史上，達成一項全新的成就。

嫦娥工程最近一次的任務是在 2020 年，嫦娥五號完成了月球表面樣本採樣，並帶回了將近兩公斤的月球岩石；這是自 1970 年代後，終於再次有月球表面的樣本被送回地球。就在不久前，中國科學家從這批樣本中發現了目前只在月球上被發現、全新的礦物種類，並且命名為「嫦娥石」。

中國載人登月真的會實行嗎？未來的展望如何？

根據目前（2023）已知的規劃，嫦娥工程預計將發射嫦娥六號、七號、八號三顆無人探測器。

嫦娥六號原本是嫦娥五號的備份探測器，因此整體設計與任務流程應與嫦娥五號大同小異；但與嫦娥五號不一樣的是，嫦娥六號將飛到月球背面進行採樣。若成功，這將會是人類史上第一次獲得來自月球背面的月岩樣本！

嫦娥七號則將聚焦在探月計畫中各國的必爭之地——月球南極。本次任務進行兩次發射，第一次預計於 2024 年進行，將發射「鵲橋二號」中繼通訊衛星前往月球軌道；與前輩鵲橋號一樣，目的是為了確保未來多個任務與地球之間能夠隨時保持通訊。第二次任務則在 2026 年，將一次發射軌道器（Orbiter）、登陸艇（Lander）、探測車（Rover）與飛躍器（Hopper）在月球南極的永夜隕石坑（Permanently shadowed crater），尋找對未來月球開發至關重要的水冰。

最後，嫦娥八號的初步規劃與嫦娥七號類似，都是由四個部分組成；但比起嫦娥七號的「探測」，嫦娥八號有個更重要的任務，那就是為中國的「國際月球科研站 ILRS」打下基礎。這輪世界各國探月競賽不只是要上去插旗子而已，而是要建立永久基地，永續利用月球資源。

在無人探測之外，中國對載人登月的準備也在如火如荼進行中。雖然具體細節仍不明朗，但是中國多年來一直有在研究比長征五號更大、更強、能夠進行承擔登月任務的新火箭。

比如前陣子在中國載人航天工程三十年成就展上，就展出了下一代載人火箭長征十號，以及其搭配的載人太空船與登陸艇的模型。根據目前的規劃，長征十號將於 2027 年首飛，能將 27 公噸的酬載送往月球。

經過二十年的努力，中國的探月計畫順利地走過了無人繞月、登月以及採樣返回的過程，交出相當亮眼的成績，未來更有多個任務正蓄勢待發……。

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久旱不雨，植物悲鳴，^{[1, 2]}類似教育部《臺灣閩南語常用詞辭典》所謂「因飢餓而吵鬧」的「哭枵」（khàu-iau）。^[3]別問為何沒聽過，也不怪天地寡情，人類無義，從來漠不關心。植物叫那種超音波，傳至咱們耳裡就只剩寧靜。幸好靠著以色列科學家幫忙，轉換到常人的聽覺範圍，並分享於 2023 年 3 月底的《細胞》（Cell）期刊，才廣為周知。^[1]

傾聽植物的聲音

面臨乾旱或草食動物的威脅，植物會做出多種反應，例如：改變外貌，或是以揮發性有機化合物影響鄰居等。^[1]過去的文獻指出，缺水引發空蝕現象（cavitation），使植物負責輸送水份的木質部，因氣泡形成、擴張和破裂而震動。^{[1, 4]}現在科學家想知道，這是否也會產生在特定距離內，能被其他物種聽見的聲音。^[1]

受試的對象是番茄與菸草，分別拆成乾旱、修剪和對照 3 組。對照組又有常態生長的一般對照、有土卻無植物的盆器，以及每株植物實驗前的自體對照 3 種。實驗大致有幾個階段：首先，在隔音箱裡，距離每個受試對象 10 公分處，各立 2 支麥克風收音。將聲音的紀錄分類後，拿去進行機器學習。接著移駕溫室，讓訓練好的模型，分辨雜音和不同情況下植物的聲音。再來，觀察乾旱程度與植物發聲的關係。最後，也測試其他的植物和狀態。^[1]

植物錄音與機器學習

隔音箱裡常態生長的植物，每小時平均發聲少於一次；而沒植物的盆器當然完全無聲。相對地，遭受乾旱或修剪壓力的實驗組植物，反應則十分劇烈：^[1]

隔音箱中實驗組的錄音，被依照植物品種以及所受的待遇，歸納為 4 個組別，各組別再彼此配對比較，例如：乾旱的番茄對修剪的番茄等。以此資料訓練出來的機器學習模型，判別配對中各組別的準確率為 70%。第二階段在溫室中進行，自然較隔音箱嘈雜。科學家拿空蕩溫室的環境錄音，來教模型分辨並過濾雜訊。訓練後，令其區別乾旱與對照組番茄的聲音，結果 84% 正確。^[1]既然能聽得出基本的差別，下一步就是了解水量對番茄發聲的影響。

體積含水量

為了操縱體積含水量（volumetric water content，縮寫VWC），即水份與泥土體積的比值或百分比，^{[1, 5]}科學家狠下心，連續幾天都不給溫室裡的番茄植栽喝水。一邊觀察 VWC 的變化；一邊錄下它們的聲音。起先水份充足，番茄不太吵鬧；4、5 天下來，發聲的次數逐漸增加至高峰；然後應該是快渴死了，有氣無力，所以次數又開始減少。此外，番茄通常都在早上 8 點（圖表較像 7 點）到中午 12 點，以及下午 4 點至晚上 7 點，這兩個時段出聲。^[1]科學家覺得這般作息，可能與規律的氣孔導度（stomatal conductance），也就是跟光合作用的換氣以及蒸散作用的水份蒸發，兩個透過氣孔進行的動作有關。^{[1, 6]}

大部份的聲音都是在 VWC < 0.05 時出現；當 VWC > 0.1，水份還足夠，就幾乎無聲。科學家將比較的條件進一步分成 VWC < 0.01 與 VWC > 0.05、VWC < 0.05 跟 VWC > 0.05，以及 VWC < 0.01、VWC > 0.05 和淨空溫室的聲音。機器學習模型分辨起來，都有七、八成的準確率。^[1]

植物發聲的原理

實驗觀察所得，都將植物發聲的機制，指向木質部導管中氣體的運動，也就是科學家先前預期的空蝕現象。^[1]下面為支持這項推論的理由：

1. 木質部導管的口徑，與植物被錄到的聲波頻率相關：寬的低；而窄的高。^[1]
2. 乾旱與修剪所造成的聲音不同：在木質部導管中，前者氣泡形成緩慢，發聲時數較長；而後者則相當迅速，時數較短。^[1]
3. 聲音是由植物的莖，向四面八方傳播。^[1]
4. 空蝕現象造成的震動，跟記錄到的超音波，部份頻率重疊；而沒有重疊的，其實已經超出其他物種的聽力以及麥克風收音的範圍。^[1]

問誰未發聲

觀察完番茄和菸草之後，科學家不禁好奇，別的植物是否也會為自己的處境發聲？還是它們都默默受苦，無聲地承擔？研究團隊拿小麥、玉米、卡本內蘇維濃葡萄（Cabernet Sauvignon grapevine）、奇隆丸仙人掌（Mammillaria spinosissima）與寶蓋草（henbit）來測試，發現它們果然有聲音。不過，像杏仁樹之類的木本植物，還有木質化的葡萄藤就沒有了。另外，科學家又監聽感染菸草嵌紋病毒（tobacco mosaic virus）的番茄，並錄到它們的病中呻吟。^[1]

你敢有聽著咱的歌

之前有研究指出，海邊月見草（Oenothera drummondii）暴露於蜜蜂的聲音時，會產出較甜的花蜜。^[2]若將角色對調過來：植物在乾旱、修剪或感染等壓力下釋出的超音波，頻率約在 20 至 100 kHz 之間，理論上 3 到 5 公尺內的某些哺乳動物或昆蟲，例如：蝙蝠、老鼠和飛蛾，應該聽得到。^{[1, 2]}以色列科學家認為幼蟲會寄住在番茄或菸草上的飛蛾，或許能辨識植物的聲波，並做出某些反應。同理，人類可以用機器學習模型，分辨農作物的聲音，再給予相應的照顧。如此不僅節省水源，精準培育，還能預防氣候變遷所導致的糧食危機。^[1]

備註

本文最後兩個子標題，借用音樂劇《Les Misérables》歌曲〈Do You Hear the People Sing?〉的粵語和臺語版曲名。^[7]

參考資料

1. Khait I, Lewin-Epstein O, Sharon R. (2023) ‘Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative’. Cell, 106(7): 1328-1336.
2. Marris E. (30 MAR 2023) ‘Stressed plants ‘cry’ — and some animals can probably hear them’. Nature.
3. 教育部「哭枵」臺灣閩南語常用詞辭典（Accessed on 01 APR 2023）
4. McElrone A J, Choat B, Gambetta GA, et al. (2013) ‘Water Uptake and Transport in Vascular Plants’. Nature Education Knowledge, 4(5):6.
5. Datta S, Taghvaeian S, Stivers J. (AUG 2018) ‘Understanding Soil Water Content and Thresholds for Irrigation Management’. OSU Extension of Oklahoma State University.
6. Murray M, Soh WK, Yiotis C, et al. (2020) ‘Consistent Relationship between Field-Measured Stomatal Conductance and Theoretical Maximum Stomatal Conductance in C3 Woody Angiosperms in Four Major Biomes’. International Journal of Plant Sciences, 181, 1.
7. FireRock Music.（16 JUN 2019）「【問誰未發聲】歌詞 Mix全民超長版 粵+國+台+英 口琴+小童+學生+市民 Do you hear the people sing?」YouTube.