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「異形」的寄生生物學

YTLai_96
・2012/08/13 ・4183字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

有人說,恐怖片反映了人類對某些事物的恐懼。以前陣子上演的電影「普羅米修斯」來說,這部號稱前傳的電影所開展經典恐怖片「異形」系列,就反映出人類對於被未知生物寄生和獵食又無能為力的遠古焦慮。仔細想想,這類的寄生怪物電影也還真是不少,對於影片中的寄生生物設定也各有妙處。既然普羅米修斯又讓異形這個怪物成為話題,那麼我們就以寄生生物學的角度來檢視一下「異形」這個外星生物設定裡的箇中妙處。

首先,泛稱為寄生生物的類群裡可以區分出兩大類:寄生生物(Parasite)與擬寄生生物(Parasitoid)。兩者的差別在於,寄生生物在剝削寄主之餘,並不希望寄主死掉,而是希望寄主能夠活的長久,這樣才能有源源不絕的資源可以讓寄生生物繼續剝削。以大家耳熟能詳的蟯蟲、蛔蟲、狗蜱、貓蚤、頭蝨來說,這些寄生蟲無論是住在寄主的體外或體內,也許剝削寄主的血液或者在寄主腸胃食糜裡分一杯羹,總之都只是造成病理症狀但不會直接讓寄主喪命。反觀擬寄生生物,則是在剝削寄主之外最終一定會要了寄主的命,當寄主一命嗚呼之後,這擬寄生生物也就不再需要寄主的資源,轉而走自由生活路線。典型的擬寄生生物如各種寄生蜂、寄生蠅等,他們的雌性也許是在麻痺獵物之後帶回巢穴產卵,幼蟲孵化後便將媽媽準備的餐盒——麻痺的獵物——蠶食入肚;或者是直接將卵產在渾然不知大禍臨頭的倒楣鬼獵物身上,等到幼蟲孵化之後便以這倒楣鬼的體液或組織為食,但等到幼蟲化蛹破繭為成體之時,可憐的倒楣鬼也就功成身退,終究一命嗚呼了也。

對寄生生物來說,寄主是不可以死去的,好好活著更重要。

對擬寄生生物來說,寄主終究是要死的。

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有了擬寄生的概念之後,我們來看看電影系列裡異形的設定。根據這個異形的介紹網頁,異形的生活史有幾個階段,分別是卵(egg)、抱臉體(face hugger)、破胸體(chest burster)、成體(adult)。當潛在的寄主(例如傻呼呼的太空探險隊)出現時,卵頂的四瓣就會分開,然後抱臉體迅速跳出,精準的撲上寄主的頭部,然後從苦主的口鼻部植入破胸體的幼體。等到破胸體長到一定大小之後,就會從寄主的軀幹破胸而出造成寄主死亡,而後行自由生活,蛻皮長大成為成體。很顯然的,既然異形的破胸體離開寄主時會殺死寄主,那麼異形無疑的是一種擬寄生(Parasitoid)生物。說實在的,這整個生活史設定跟各種寄生蜂寄生蠅實在頗為類似,看起來也煞有其事,但從寄生生物學的角度來看,還是有許多不盡合理之處可以討論討論。

首先是卵期的部分。如果以寄生蜂或寄生蠅類比,這一類擬寄生生物的卵通常是產在寄主的身上或是附近,藉此能夠保證孵化的幼體能夠馬上找到寄主而無挨餓之虞。但是在異形系列中或是異形戰場中,電影剛開始時的異形卵總是產在渺無人煙的洞穴裡或幽暗處,即便電影設定中異形的破胸體可以寄生在小如貓狗大到牛象等的寄主身上,電影中所見的異形產卵處之了無生氣,怕是連一隻老鼠都找不著。如果不是產卵的異形腦袋壞掉的話,那麼這種讓後代等到天荒地老還不見得有寄主可以寄生的物種顯然是注定要滅絕的。不過,隨著電影劇情的推展,似乎又暗示了異形會把獵物(人類)帶回巢穴,並且在半死不活的獵物身邊產卵,好讓剛孵化的抱臉體可以馬上有寄主可以寄生。這樣的設定確實是稍稍合理化了異形產卵地點的偏好,也更貼近了擬寄生生物的真實樣貌。


值得一提的是,異形的卵似乎只有在潛在寄主出現時才會立即孵化彈射出抱臉體,這暗示了異形的卵是藉由寄主接近時產生的震動、光影溫度的變化、或是二氧化碳濃度的改變而孵化的。這樣的設定的確讓抱臉體找到寄主的機會大增,在寄生生物當中這樣的習性也所在多有,例如跳蚤的蛹就是在寄主帶來震動、溫度和二氧化碳時才會破蛹為成蚤。但是即便如此,跳蚤的生活史包括蛹期在內也還是在寄主周遭的環境裡,但異形光是卵期不知道要等多久才會有遠道而來的人類或其他動物可以寄生,而且對孵化出來的抱臉體而言,既然每一個寄主只能接受一個抱臉體,那麼卵的數量顯然遠超過可能出現的寄主數量,再加上這麼多的卵都產在同一個地點,簡直就是把雞蛋放在同一個籃子裡,看來還是免不了瀕臨絕種的命運。(說不定就是因為這樣,異形其實已經是個瀕臨絕種的生物,所以才那麼難找?)

抱臉體寄生示意圖

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抱臉體寄生的模樣

接著是剛孵化的抱臉體。抱臉體的長相與習性在設定上相當讓人嫌惡,從卵頂跳出來之後會緊緊抓著苦主的臉部,並且從苦主的口鼻部深入兩根管子,一根提供氧氣 給苦主維持呼吸但又不至於從昏迷中醒來,另一根則是深入食道放出破胸體幼體。這種侵入方式有點類似寄生於口鼻腔裡的鼻蛭,但是這麼大張旗鼓的包覆寄主臉部 只為了植入小小的破胸體到寄主體內,與鼻蛭幼體偷偷摸摸的趁寄主洗臉喝水時鑽進口鼻腔裡可是天差地別。另外,偌大的抱臉體居然用過即丟,只為了植入一個小 小的破胸體幼體,這樣的能量利用方式實在非常不經濟。畢竟抱臉體也不過剛從卵裡頭孵化,所能利用的所有能量都來自於體積不大的卵中,而卵裡頭的能量又只能來自母體,也就是說,母體花費在卵中的能量絕大多數都跟著抱臉體一起免洗掉了,這實在是個非常不划算的投資。

就算是如電影中所呈現的,抱臉體可以在孵化後主動追著寄主跑,那麼親代在抱臉體上的投資還是難以拿捏。試想,要是投資大多數的卵的寶貴能量在抱臉體上,好讓抱臉體可以長途奔波找寄主,那麼破胸體幼體 必定只能分得少少的能量,而且一旦抱臉體找到寄主,則其中所剩的能量又不能轉移到破胸體幼體上,就只能白白的浪費掉。而且若寄主就是難找,那麼再大的抱臉體也是枉然,整個卵的投資就成了一場空,還不如把卵產在寄主出沒的附近,或是把卵縮小、數量倍增、外加產卵地點多樣化以分散風險,增加找到寄主的機會。

總之,這種「一次性利用」的抱臉體設定,若以現有的寄生生物來類比的話,大概也只有吸蟲的尾蚴(Cercaria)在水中找到寄主之後,鑽入寄主皮膚同時脫去尾部這個習性可堪比擬。但是,再怎麼說這吸蟲尾蚴的生長發育都是在前一個螺類中間寄主身上完成,用的也是螺類中間寄主的能量,所以就算把尾部拿來免洗或許是不痛不癢。而且這尾蚴還在螺類寄主體內自我複製出成千上萬的個體,藉此分散出師未捷身先死的風險,更增加亂槍打鳥找到寄主的機會,但異形卻是生一個卵就可能浪費掉一大部分投資在抱臉體上的能量,像是在打割喉戰一般跟寄主出現的機率對賭。於是,從這一點又可以推斷,如果異形不是已經瀕臨絕種,那就應該是在瀕臨絕種的路上。

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破胸體爆胸而出的景象,小小一隻好袖珍呀(誤)

至於植入人體的破胸體,乍看之下設定上似乎沒有什麼太多的問題(如果前面兩階段的問題還不夠大的話)。不過,值得思考的是,如果破胸體幼體是從食道植入,那麼照理說應該是在消化道中成長,怎麼後來好像跑到體腔裡頭去了?雖然說不少的寄生線蟲也是經由口部進入消化道之後,穿過消化道管壁進入血液系統轉送到寄生的目的地(例如肺部)。但是如果抱臉體那麼大一個,想來破胸體幼體也不會太小,應該是個無法進入血液系統的尺寸。而如果不太小的破胸體從消化道中是採暴力挖穿消化壁以進入體腔的話,那麼寄主應該在破胸體穿過消化道管壁的時候就痛得死去活來,之後更容易就死於消化道穿孔造成的感染和敗血症;而如果破胸體幼體小到可以穿出消化道進入血液系統或體腔的話,那麼長那麼大一個抱臉體卻搞成免洗,只為了一個讓針尖大小的破胸體幼體進入寄主食道到底是要做什麼?如果把所有的能量都省下來產出成千上萬個微小的卵,並且直接孵化出微小的破胸體,甚至可以把卵產在水中讓不知情的寄主喝下去而被寄生,這樣豈不方便省事?這樣沒效率的擬寄生物種如果可以演化成功,大概也只有在電影裡才可能了。

最後,破胸而出同時殺死寄主的破胸體,蛻皮長大之後就變成兇惡可怕的異形成體。但是,電影裡頭的異形成體似乎不需要進食就可以蛻皮成長體積倍增,倒是一件讓人費解的謎題。假設破胸體藉由在寄主的體內大量掠奪寄主的營養和能量而能在日後迅速蛻皮成長,那麼寄主在破胸體破胸之時應該是個乾癟枯瘦將死的模樣,但是電影裡的寄主們卻總是一臉健康正常的時候就莫名地爆胸死去,一點也看不出組織或營養被消耗了多少。另外,成體的異形好像只是不斷的殺戮,若說是個兇殘的捕食者,卻不見異形將殺死的獵物吃掉(當然,如果以生態紀錄片的角度,有可能是因為吃掉的時候沒拍到,拍到的都是異形受到干擾所以丟下獵物逃跑的狀況)。如果我們大膽假設異形是個捕食者,那麼異形成體和幼體之間便出現強烈的競爭,只要成體吃掉一個人,未來的幼體就少了一個寄主,這樣的生活史在筆者所知的擬寄生物種當中似乎從未出現,想來也是個頗為糟糕的狀態。畢竟若以寄生蜂為例,寄生蜂成體多半取食與幼體時的寄主風馬牛不相及的其他食物資源,成體幼體之間並沒有食物資源上的競爭關係。而,如果我們大膽假設異形成體其實不進食,那麼電影中的兇殘行為又更是一個白白浪費幼體寄主資源的愚蠢表現,就算異形並不總是把人類殺死,而且會把半死不活的人類帶回巢穴中放在卵旁讓子代寄生,我們總是可以看到有些人類角色是白白的死在異形嘴裡,似乎一點都沒有要被帶回巢穴利用的跡象,當人類寄主已經是相對稀少,而異形卻還這麼隨性的浪費糧食,或許又再一次的暗示了異形瀕臨絕種的可能…

到此,異形的擬寄生生活史已經討論得差不多了。雖然設定上看得出有一些巧妙之處,但是畢竟異形最初是個恐怖片而不是生態紀錄片,因此諸多不符合寄生生物學的部分也是情有可原。至於其他因為異形系列電影延伸出來的更細節部分,例如擬寄生過程中會竊取寄主的基因因此成體會帶有寄主的某些生物特徵、或者是後續電影中畫蛇添足的真社會性動物情節等,就容我們笑笑搖搖頭就算了。畢竟電影終究只是電影,看電影的時候也不需要想太多(除非扯到無可忍受),就讓凱撒的歸凱撒、上帝的歸上帝、而異形什麼的就歸類為單純的恐怖電影吧。是說不過只是一部電影就可以想這麼多,我是有沒有這麼職業病….

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YTLai_96
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也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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參考資料

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和外星人的第五類接觸!《三體》中的微中子通訊是真的?
PanSci_96
・2024/04/08 ・6799字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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不要回答!不要回答!不要回答!

Netflix 版「三體」終於上線了,你覺得與外星人接觸是安全的,還是冒險的?

其實啊,人類早就多次嘗試與外星文明接觸,三體中的「那個」技術,甚至也已經驗證成功了?到底誰能先與外星人取得聯繫?是中國還是美國?

接下來的討論可能會暴雷原版小說的設定,但應該不會暴雷 Netflix 版的劇情。

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如果你也有一點想跟外星人接觸,那就來看看人類到底已經跟外星人搭訕到什麼程度了吧!

我們與外星文明接觸過了嗎?

對於是否要與外星文明接觸,每個人都有不同想法。三體小說作者劉慈欣在小說中提出一種觀點,那就是人類太弱小,最好避免與外星文明接觸,以免招致不必要的風險。

但是回到現實世界,如果我們真的身處在三體的世界的話,那人類可真的是不停作死啊。早在 1974 年,科學家就利用阿雷西博天文台,向武仙座的 M13 球狀星團發射了一條著名的訊息,也就是「阿雷西博訊息」。這個目標距離地球不算遠,星星又多,被認為是潛在的外星文明所在。阿雷西博訊息中,則包含人類的 DNA 結構、太陽與九大行星、人類的姿態等資訊。每次想到總覺得是新開的炸雞排在發傳單攬客。

航海家金唱片。圖/wikimedia

除了無實體的電波訊息,人類還向太空中發送了實體的「信件」。1977 年,航海家探測器載著「航海家金唱片」進入太空。唱片中收錄了包含台語在內,55 種語言的問候語、大自然與鳥獸的聲音、115 張圖像、還用 14 顆銀河系內已知的脈衝星來標示出太陽系的位置。是一封向宇宙表達人類文明與友好意圖的信件。恩,如果接收到這個訊息的外星人不是很友善的話,那麼……。

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好吧,就算現在說應該要謹慎考慮接觸外星文明的風險,或許已經來不及了。對方是善還是惡,怎麼定義善或惡,會不會突然對我們發動攻擊,我們也只能聽天由命了。

反過來說,過了這麼久,我們收到外星文明的來信了嗎?

要確定有沒有外星文明,接收訊號當然跟發送訊號同等重要甚至更重要。1960 年,天文學家法蘭克.德雷克,就曾通過奧茲瑪計畫,使用直徑 26 公尺的電波望遠鏡,觀察可能有外星文明的天苑四和天倉五兩個恆星系統,標誌著「尋找外星智慧計畫」(the Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI)的誕生。可惜,累積了超過 150 小時的訊息,都沒有搜尋到可辨識的訊號。

比較近的則是 1995 年的鳳凰計畫,要研究來自太陽附近一千個恆星所發出的一千兩百到三千百萬赫的無線電波。由於有經費支持,SETI 每年可以花五百萬美元,掃描一千多個恆星,但是目前還沒有任何發現。

中間有一個小插曲是,1967 年 10 月,英國劍橋大學的研究生喬絲琳.貝爾發現無線電望遠鏡收到了一個非常規律的脈衝訊號,訊號周期約為 1.34 秒,每次脈衝持續時間 0.04 秒。因為有可能是來自外星文明的訊號,因此訊號被開玩笑地取為 Little Green Man 1(LGM-1 號)。但後來他們又發現了多個類似的脈衝信號,最後證實這些脈衝是來自高速自轉的中子星,而非某個文明正在傳遞訊息。

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貴州天眼望遠鏡。圖/FAST

在中國也有探索外星生命的計畫,大家最關注的貴州天眼望遠鏡,直徑達五百公尺,是地球上最大的單一口徑電波望遠鏡。天眼望遠鏡在探索外星生命這件事,並不只是傳聞而已。2016 年 9 月天眼正式啟用後,也宣布加入 SETI 計畫。現在貴州天眼的六大任務之一,就包含探測星際通訊,希望能捕捉到來自其他星際文明的訊號。

而背負著地球最大單一口徑望遠鏡的名號,自然也引起不少關注。從 2016 年啟用到現在,就陸續出現不少檢測到可疑訊號的新聞。然而,這些訊號還需要經過檢驗,確定不是其他來自地面或地球附近的干擾源,或是我們過去難以發現的輻射源。可以確定的是,目前官方還未正式聲明找到外星文明訊號。

會不會是我們的通訊方法都選擇錯誤了?

即使電磁波用光速傳遞訊息,太陽系的直徑約 2 光年、銀河系直徑約 10 萬光年。或許我們的訊息還需要花很多時間才回得來,更別提那些被拋入太空的實體信件。航海家 1 號曾是世界上移動速度最快的人造物,現在仍以大約時速 6 萬公里的速度遠離地球,大約只有光速的一萬八千分之一倍。就算朝著最近的恆星——比鄰星飛去,最少也需要大約 7 萬 6 千年的時間才會到。

如果用電磁波傳遞訊息,又容易因為穿越星塵、行星、恆星等天體而被阻擋或吸收。不論是人類還是外星文明,都必須找到一個既快速,又不容易衰退的訊號,最好就是能以光速穿越任何障礙物的方式。

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在三體小說中,就給出了一個關鍵方法:微中子通訊。

微中子通訊是什麼?

微中子(Neutrino),中國通常翻譯為中微子,是一種基本粒子。也就是說它是物質的最基本組成單位,無法被進一步分割。這種粒子引起了廣泛關注,因為它與其他物質的交互作用極弱,並且以極高的速度運動。微中子能夠輕易穿過大部分物質,通過時幾乎不受阻礙,因此難以檢測。

在宇宙中,微中子的數量僅次於光子,是宇宙中第二多的粒子。有多多呢?地球上面向太陽的方向,每平方公分的面積,大約是你的手指指尖,每秒鐘都會被大約 650 億個來自太陽的微中子穿過,就是這麼多。但是因為微中子與物質的反應真的是太弱了,例如在純水中,它們平均需要向前走 250 光年,才會與水產生一次交互作用,以至於我們幾乎不會發現它們的存在。

藉由微中子撞擊氣泡室中氫原子裡的質子,進行微中子觀測,照片右方三條軌跡的匯集之處便是帶電粒子撞擊發生處。圖/wikimedia

但是對物理學家來說,更特別的是微中子展示出三種不同的「味」(flavor),也就是三種樣貌,電子微中子,渺子微中子和濤微中子,分別對應到不同的物理特性。 在粒子物理學裏,有個「標準模型」來描述強力、弱力及電磁力這三種基本力,以及所有基本粒子。在這個標準模型中,微中子是不具備質量的。 然而,當科學家發現微中子竟然有三種味,而且能透過微中子振盪,在三種「味」之間相互轉換,證明了微中子必須具有質量,推翻了標準模型中預測微中子是無質量的假設,表示標準模型還不完備。

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微中子在物理界是個非常有研究價值的對象,值得我們花上一整集來好好介紹,這邊就先點到為止。如果你對微中子或其他基本粒子很感興趣,歡迎在留言催促我們。

我們現在只要知道,微中子不僅推翻了標準模型。宇宙中含量第二多的粒子竟然有質量這件事情,更可能更新我們對宇宙的理解,以及增加對暗物質的了解。

但回到我們的問題,如果微中子幾乎不與其他粒子交互作用,我們要怎麼接收來自外星文明的微中子通訊呢?

要如何接收微中子?

Netflix 版《三體》預告片中,這個一閃而過,充滿金色圓球,帶有點宗教與科幻風格的大水缸,就是其中的關鍵。

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這個小說中沒有特別提到,但相信觀眾中也有人一眼就看出來。這就是位在日本岐阜縣飛驒市,地表 1,000 公尺之下,由廢棄礦坑改建而成的大型微中子探測器「神岡探測器」。

由廢棄砷礦坑改建而成,深達千米的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande Construction

探測器的主要結構是一個高 41.4 米、直徑 39.3 米的巨大圓柱形的容器。容器的內壁上安裝有 11200 個光電倍增管,用於捕捉微小的訊號。水缸中則需灌滿 5 萬噸的超純水。捕捉微中子的方式是等待微中子穿過整座探測器時,微中子和水中的氫原子和氧原子發生交互作用,產生淡藍色的光芒。這與我們在核電系列中提到,核燃料池中會發出淡藍色光芒的原理一樣,是當粒子在水中超越介質光速時,產生類似音爆的「契忍可夫輻射」。

填水的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande

也就是說,科學家準備一個超大的水缸來與微中子產生反應,並且用超過一萬個光電倍增管,來捕捉微小的契忍可夫輻射訊號。

但這樣的設計十分值得,前面提到的微中子可以在三種「味」中互相轉換,就是在這個水槽中被證實的。

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這座「神岡探測器」在建成後 40 幾年來,讓日本孕育出了 5 位的諾貝爾物理獎得主。

三體影集選在這邊拍攝,真的要說,選得好啊。

話說回來,有了微中子的捕捉方法之後,現實中還真的有人研究起了微中子通訊!

微中子通訊是怎麼做到的?

來自羅徹斯特大學與北卡羅來納州立大學的團隊,在 2012 年發表了一篇文章,說明它們已成功使用微中子,以接近光速的速度將訊息穿過 1 公里的距離,其中有 240 公尺是堅硬的岩石。訊息的內容是「Neutrino」,也就是微中子。

這套設備準備起來也不簡單,用來發射微中子的,是一部強大的粒子加速器 NuMI。質子在加速繞行一個周長 3.3 公里的軌道之後,與一個碳標靶相撞,發出高強度的微中子射束。

用磁場將微中子聚集成束的 NuMI。圖/Fermilab

用來接收微中子的則是邊長約 1.7 公尺,長 5 公尺的六角柱探測器 MINERvA,一樣身處於地底 100 公尺的洞穴中。

當然,這兩套設備的重點都是拿來研究微中子特性,而不是為了通訊設計的。團隊只是趁著主要任務之間的空檔,花了兩小時驗證通訊的可能性。

但微中子那麼難測量,要怎麼拿來通訊呢?團隊換了一個思維,目標只要能傳出0跟1就好,而這裡的0就是沒有發射微中子,而1則是發出微中子,而且是一大堆微中子。多到即使每百億個微中子只有一個會被 MINERvA 偵測到,只要靠著數量暴力,探測器就一定能接收到微中子。最後的實驗結果,平均一秒可以傳 0.1 個位元的訊息,錯誤率 1%。

MINERvA 實驗中的中微子偵測器示意圖。圖/wikimedia

看起來效率並不實用,卻是一個好的開始。

因為微中子「幾乎能穿透所有物體」的特性,即便我們還沒有其他外星文明可以通訊,或許還是有其他作用。例如潛水艇的通訊、或是與礦坑深處的通訊。進一步說,他幾乎可以在地球上的任一兩點建立點對點的直線通訊,完全不用擔心中間的阻礙。而對於現在最夯的太空競賽來說,月球背面的通訊問題,微中子也可以完美解決。

那麼,在微中子的研究上,各國的進度如何了呢?

除了前面提到的超級神岡,世界上還有幾個有趣的微中子探測器,例如位於加拿大的薩德伯里微中子觀測站(SNO),它有特殊的球體設計並且改為填充重水,專門用來觀測來自太陽的微中子。

薩德伯里中微子探測器。圖/wikimedia

而位於南極的冰立方微中子觀測站,則是將探測器直接埋在南極 1450 到 2450 公尺的冰層底下,將上方的冰層直接作為捕捉微中子的水。非常聰明的設計,這也讓冰立方成為地球上最大的微中子探測器。

除了已經在使用的這幾個探測器之外,美、中、日也即將打造更先進、更強大的探測器。

預計在美國打造的國際計畫——地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment),預計成為世界上最大的低溫粒子偵測器。接收器位於南達科他州的地底一公里深處,用作研究的微中子訊號源則來自 1300 公里外的費米實驗室,百萬瓦等級的質子加速器,將產生有史以來最強的微中子束。這台地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment)的縮寫非常有趣,就是 DUNE,沙丘。

中國呢,則預計在廣東的江門市,用 2 萬支 51 公分光電倍增管和 2 萬 5000 支 7.6 公分光電倍增管,在地底 700 公尺深處,打造巨大球形的微中子探測器-江門中微子實驗室,內部可以填充兩萬噸的純水。最新的消息是預計 2024 年就能啟用。

最後,經典的超級神岡探測器也不會就此原地踏步,日本預計打造更大的超巨型神岡探測器。容積將提升 5.2 倍、光電管從 11200 個變成 4 萬個,進一步研究微中子與反微中子之間的震盪。

超巨型神岡探測器設計圖。圖/Hyper-Kamiokande

結論

這些微中子探測器的研究目標必然是微中子本身的特性。但既然微中子通訊是有可能的,在任務之餘研究一下這個可能性,也不是說不行吧。

雖然我們現在還沒連繫上我們的好鄰居,但很難說明天就有哪個外星文明終於接收到我們對外宣傳的訊息,發出微中子通訊問候,甚至按圖索驥跑來地球。

至於那時我們應該怎麼辦呢?我們的網站上有幾篇文章,包括介紹黑暗森林法則,以及從《異星入境》看我們要如何與語言不通的外星文明溝通。有興趣的朋友,可以點擊資訊欄的連結觀看。在外星人降臨之前,也不妨參考我們的科學小物哦。

最後問問大家,你覺得我們應該主動聯繫外星文明嗎?

  1. 當然要,我相信探索一定是好的,我覺得引力波通訊更有機會!
  2. 先不要,我已經可以想像被外星文明奴役的未來了!
  3. 為了維繫美中之間的平衡,由台灣來率先接觸外星人,當仁不讓啊!

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延伸閱讀

參考資料

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「倘若那天……」平行時空的你過得怎麼樣?——《超次元.聖戰.多重宇宙》
2046出版
・2024/02/10 ・1920字 ・閱讀時間約 4 分鐘

從無法逆轉的抉擇,到平行時空

但人總喜愛想像,現實世界中無法「重頭來過」,但小說和電影的虛擬世界當然可以。在好萊塢電影《今天暫時停止》(Groundhog Day, 1993;港譯:《偷天情緣》)之中,男主角最先猶如惡夢般不斷在同一天的清晨醒來,後來卻利用這個機會不斷改善他的追求技倆(不但 take two,更take three、take four……),最後贏得美人歸。

電影為觀眾帶來了美滿的結局。但筆者最早領略「如果」作為小說創作中的奇思妙想,卻令我傷感不已。話說筆者自初中已經愛上科幻小說。大概是中三、四那年,我在公共圖書館借了一本英文的短篇科幻小說集,其中一個以「如果」為題的故事(名稱早已忘記)令我畢生難忘。

故事中,一對恩愛的小夫妻駕車外出,丈夫有點兒不適所以改由太太開車。不幸途中遇上車禍,坐在司機位的太太重傷身亡。丈夫悲痛不已終日借酒澆愁,揮之不去的自責是「如果我那天沒有跟她對調位置……」。

一天,他在拾理太太的遺物時,竟然發現她的日記簿中有新的記事!讀將下來,原來在另一時空裡,兩人當天的確沒有對調位置,所以因車禍去世的是他而不是愛妻!

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這兩個「平行時空」原本不會重疊,卻不知怎的透過這本日記簿接通了。結果,「陰陽相隔」的倆人藉著日記互訴衷情。

圖/envato

這本已是十分淒美的情節,但後來日記中的字樣變得愈來愈模糊,最後完全消失,表示兩個「平行宇宙」最終分離而回到互不相通的狀態。筆者當年雖然只有十五、六歲,被觸動的哀愁卻是久久不能平復……。

年少的我已經深深感受到,人生中充滿了無數偶然的變數,而一個簡單的決定,足以改變一生。

多年後,我看到另一部電影《雙面情人》(Sliding Doors, 1998;港譯:《緣分兩面睇》),發覺也是用上了同一意念:女主角每天搭地鐵上班,但某天因事遲了一點而趕不上平日搭的那班車。電影基於「趕得及」和「趕不及」兩種情況,描述了女主角往後出現的兩種截然不同的人生。(我後來才知道,這乃改編自一部一九八一年的波蘭電影。)

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歷年來,運用這類意念創作的小說和電影可謂不少,近年流行的好萊塢「超級英雄」電影中,《奇異博士》(Doctor Strange, 2016)和它的續集《奇異博士 2:失控多重宇宙 》(Doctor Strange in the Multiverse of Madness, 2022;港譯:《奇異博士 2:失控多元宇宙》)更將「平行時空」的意念延伸為「多重宇宙」(Multiverse)。陣容更為龐大的《復仇者聯盟 3:無限之戰》(Avengers 3: theInfinity War, 2018)和《復仇者聯盟 4:終局之戰》(Avengers 4: Endgame, 2019)皆以同樣的意念作為故事主軸。當然,這些電影都由漫畫改編,亦即這些意念的出現時間比電影還要早得多。

《媽的多重宇宙》將平行時空的意念發揮得淋漓盡致。圖/giphy

但將這個意念發揮至極的,毫無疑問是二○二三年橫掃奧斯卡最佳電影、最佳導演、最佳編劇多項大獎的「怪雞」1 電影《媽的多重宇宙》(Everything, Everywhere All At Once,縮寫是 EEAAO;港譯:《神奇女俠玩救宇宙》)。華裔演員楊紫瓊(1962-)更因此而封后(最佳女演員);同樣是華裔的關繼威(1971-)以及潔美.李.寇蒂斯(Jamie Lee Curtis, 1958-)則分別獲得最佳男、女配角的殊榮。電影由兩位導演掌舵,雖然兩個都叫 Daniel,但一個是香港人關家永(Daniel M. Kwan, 1988-),一個是美國人丹尼爾.舒奈特(Daniel Scheinert, 1987-)。2 囊括了這麼多大獎,電影的風頭可謂一時無兩。由於有這麼多華人參與其間,全球絕大部分華人皆感到與有榮焉。

外國的評論幾乎一面倒地對這部電影讚譽有加,包括其中所包含的深刻人生哲理、愛情與理想之間的抉擇、亞裔移民在美國所遇到的生活困難、世代之間的價值矛盾、同性戀(非主流性取向)的社會認同問題,以及貫穿電影的、最重要的母、女之情。不少網友更留言說看至結局時感動流涕。反倒在華人世界,包括不少筆者所認識的朋友,皆對電影甚有保留,認為它寫情的部分毫無新意,而「科幻」的主題和情節則過於胡鬧不知云。(一些更認為電影被大肆吹捧,是近年席捲西方的「政治正確主義」的結果。他們更為另一位最佳女主角競逐者凱特.布蘭琪(Cate Blanchett, 1969-)不值。但那是另一篇文章的主題,暫且按下不表。)

註解

  1. 粵語,意指奇怪、荒謬。
  2. 因二人名字皆為「Daniel」,而被合稱為「Daniels」。

——本文摘自《超次元.聖戰.多重宇宙》,2023 年 11 月,二○四六出版,未經同意請勿轉載。

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