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文科生立委為何卯起來要讓台灣上太空、拼量子?——專訪蘇巧慧

鄭國威 Portnoy_96
・2021/04/21 ・6227字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

我在台北市青島東路的立法院外等同事到齊,十分鐘內就看到多張中常出現在新聞的面孔,有些是某某部會的官員,有些是記者,當然也有立法委員。他們不是手機緊貼臉頰、就是跟身旁的人密切交談。我很難克制自己不豎耳,總覺得能偷聽到一些國家大事。

這個國會議員與國家政策的產地,對台灣人來說,既熟悉又陌生。熟悉,是因為在台灣的選舉制度跟媒體環境中,立法委員跟明星一樣有高知名度,人人都能隨口談論。陌生,則是因為就算我們上過公民課,通常還是不了解民意最高殿堂到底是怎樣運作的,腦中出現的關鍵詞不是「黑箱」、「作秀」,就是亂成一團打鬧不休。這樣的刻板印象(甚至是唯一印象)對公民社會卻不是好現象。

去年訪問過多個政府行政機關後,「科學傳播 X 公部門」專題今年首度前進立法院,希望能了解立法委員怎麼看待科學傳播、在工作上如何消化複雜的科學議題、對未來的科學科技發展又有哪些想法?

第一站,我們來到立法委員蘇巧慧的辦公室,打開門便看見兩面並排書牆,陳列著許多科普書、哲學書、文創作品與漫畫,更看見福衛五號的發射紀念模型。我們就坐在書牆旁的大桌展開訪問。

福衛五號的發射紀念模型。圖/泛科學拍攝。

身為美國賓州大學法律碩士,曾執業律師的蘇巧慧,在 2016 年首次當選立委(第 9 屆),並在 2020 年連任(第 10 屆)。從「教育及文化委員會」到「社會福利及衛生環境委員會」,她曾主提多個「很科學」的提案,像是「太空發展法草案」、「量子科技研究及發展條例草案」、「原生植物保育法草案」、「公共衛生師法草案」、「國民營養及健康飲食促進法草案」等等,這樣的紀錄讓她成為我們特別想採訪的對象。

立法委員蘇巧慧。圖/泛科學拍攝。

再複雜的議題都可以分三階段處理

一開頭,我想知道,求學階段一路都是標準文科生的蘇巧慧,在當上立委後是如何讓自己掌握這些多科學與技術議題的內涵呢?因為從我自己的經驗來說,這件事真的不簡單。

她說,用立法跟修法來補足社會規範之不足,就是立法委員、國會議員的工作。因此社會有多大,立法委員得關心、了解的範圍就有多大,自然得花大量的時間精力在吸收知識、處理問題。

儘管如此,「很多時候當然也要處理選服、跑攤。但現在第六年了,我也不排斥這些事。」

跟各行各業接觸,對她而言也是快速掌握行業 Know How 的方式之一,正如她一邊接受我們採訪,也反過來問了我們很多關於科學傳播產業的事情。

「真正深入他的生活,才能知道他的問題,所有立法跟修法才不會跟人民斷裂。」她說。

不過只是花時間聽意見並不夠。受過律師訓練的她,認為這門專業對擔任立法委員來說很有幫助,讓她能嫻熟、高效地以「三步驟」處理各式議題:掌握事實、釐清爭點、價值判斷

說起來簡單,但一開始的「掌握事實」就不容易。以減塑跟減碳議題來說,雖然已是全民共識、國家方針,但產業端也有不同說法。蘇巧慧說:「他們(塑膠產業公會)告訴我說,現在因為垃圾裡面塑膠變少、被回收了,焚化爐的燃燒溫度就不夠高,溫度不夠高就要添加煤,碳排反而升高,燃燒塑膠的問題是會產生戴奧辛,但如果溫度夠高就不會有這個狀況。」當獲得這樣的「說法」,她就得回頭檢視已知的事實,並與相關單位、專家再次確認這種說法是否正確跟精確、是否該納入考量,才能進一步釐清爭點。

圖/泛科學拍攝。

她再以現在正熱的疫苗議題為例,「我一定把所有的 data、文獻都拿到手,各方正反意見都先收集一輪。」接著她就像律師協助當事人一樣,「把枝枝節節先排除掉,然後就是問題 1、問題 2、問題 3。」她認為要用哪一國出產的疫苗、哪些族群先打等都是科學議題,也強調執政黨「不是逢中必反好嗎?是要安全跟有效!拿 Data 出來看,那一個疫苗達標,那一個比較弱,清清楚楚。防疫就該奠基在科學上。」

但她也明白,除了科學之外,她自己與每位民眾也考量著其他因素,這就是價值判斷。

「就是看你敢不敢為你的判斷負責任」。在價值判斷這階段,世代差異、成長背景、信仰等因素影響巨大,就如同一件衣料,有的人看起來是棋盤、也有的人看起來是稿紙或綠豆糕(編:這哽會不會太老)。她認為選民可觀察一位立委做事的經歷,看這個人在掌握事實跟釐清爭點上是否合乎科學理性,但價值判斷就存乎於心了。

在台灣,國族認同往往是關鍵,而對人權、民主等價值的態度,也影響甚巨。以推動同婚合法化為例,蘇巧慧坦言面對當時的社會氛圍與壓力,身為執政黨一份子的她,亦明白做下去會失去過半選民的支持,「賭上的也是我們的政治生命」。不過她說:「我相信我相信的、我守護我守護的。奠基於前面理性的討論之後,我做了價值取捨,最後結局就是我承擔嘛!」

然而,「政治人物的成敗不是自己說的,是歷史給的。」她有感而發地補充,這是她讀了日本前總理菅直人新書《核災下的首相告白》後的深刻感觸。

信任專業,但要懂得如何選擇專家

正如核能令人愛恨交織,新科技總是同時帶來機會跟風險,決定國家方向的立法委員要如何綜合評量新科技的兩面?有哪些國家值得台灣借鏡呢?

蘇巧慧認為,其實民主國家的立法模式大同小異,我國也有一套完整的方式。不管是立法委員的提案,還是行政院的「院版」,都會各自經過「法規政策影響評估」,除了科技,也會從法治、人文、環境、國際等各面向評估,這個環節在美國、日本等很多國家都有,「只是看有沒有執行徹底」。她遞給我一份由立法院法制局完成的太空發展法草案評估報告,「寫得好不好是另一回事」她笑說。

為了讓法案完備,「我要掌握事實,但誰是事實?誰是事實的提供者?為什麼會選它當作事實的提供者?」蘇巧慧再次提及「議題處理三階段」,認為面對高度複雜議題,在「掌握事實」的階段,任何人都不太可能靠自己研究出所有事實、或閱讀完所有文獻,因此事實提供者的角色與選擇就是關鍵。

而就選擇「事實提供者」上,她有三個判斷標準:第一是過往的信用,第二是「你跟他的親近度、友好度、是不是有利益衝突或交換?」第三就是「鑑古知今」,從歷史案例中了解偏聽的可怕,所以「要刻意地選擇同溫層外的資訊來判斷。」

圖/泛科學拍攝。

「就像我明天要處理職災保險法(指〈勞工職業災害保險及保護法草案〉),真的爆難的。我真正的想法還是相信專家,他們能教我如何參與這個議題。」她說,政策要不要改、什麼時候改,在她做判斷前,得仰賴專家要告訴她計算出來的結果是什麼。但如果任何一個高層決策者還要去搞懂最基礎的算式,也會被批評顧小不顧大。

「有本書不是叫《專業之死》嗎?但我還是很相信專家。」她說:「我看過施振榮在一本書中寫,未來只有兩種人,一種人是位於專業的頂尖,另一種人則是通才,把各種專業串起來,能轉譯。」而如今擔任立法委員的她,認為自己就是把專業串起來的角色。

面對偽科學、假訊息–孩子思辨需陪伴,立法管制得謹慎

雖然我不是立委,但作為一個知識轉譯長工,我頗能理會。然而,錯假資訊、偽科學依舊盛行,內容零把關的內容農場佔據網路搜尋結果,社群媒體充滿帶風向的陷阱。我好奇,若以母親身份來看,她會建議其他家長怎麼做?若以立委身份來看,覺得政府又該怎麼做?

「我昨天才跟女兒在討論迪麗熱巴。」迪麗熱巴是中國當紅女演員,出身自新疆。有一對女兒的蘇巧慧知道,很多臺灣年輕孩子透過追小說跟改編戲劇,迷上迪麗熱巴。而近期新疆人權議題備受關注,「新疆棉」生產涉嫌強制勞動,更成為熱門話題,因此她便藉機與兩位女兒開啟對話,先問她們:「你知道迪麗熱巴是新疆人嗎?」她開始講述新疆這塊土地與民族的歷史。

「然後他們就自己問:那最近新疆棉是怎樣?我就說:迪麗熱巴已經切割愛迪達、不代言了;她就問迪麗熱巴為什麼不代言愛迪達了?就會提到可能有勞動剝削的問題,以及愛國情操的問題,以及迪麗熱巴作為新疆代表,紅遍中國,也有辛苦的部分。」她說。

「我也沒有去過新疆調查,但我看很多報導跟資料,一邊是 BBC 跟紐約時報等專業媒體的調查報導,另一邊是說才沒這回事的中國政府……」她在與女兒的對話中,分享自己判斷的根據,也鼓勵孩子自己判斷。

然而「……家長必須做很大量的陪伴工作,但家長有這樣的空閒嗎?我覺得這才是關鍵。」她坦言「陪伴」需要一定的條件;此外,她身為政治工作者,頻繁接觸這些議題,才能解釋至一定程度。

因此,立委的她也很關注網路資訊造成的問題。政府在去年初疫情蔓延的時候,用梗圖去繁化簡,把大量的資訊濃縮在一張圖,用 LINE 等社群媒體傳播,並規定部會要在很短的時間回應錯假訊息。然而她觀察到了去年年底,「對手」也開始用幾乎同樣的方式來攻擊。

政府部門將大量的資訊濃縮在一張圖澄清假消息。圖/衛生福利部

「……所以可能也要想新的方式吧!我必須承認這是一個很難的問題。我們也有很多成功的作法,不過過沒多久對手也會推陳出新。」她說。

隨著數位發展部創建、國家通訊傳播委員會(NCC)的管轄範圍也會調整。蘇巧慧說產業將由數位發展部負責,管制則會放在 NCC,「但要低度管制,」她特別強調立法跟行政部門都希望避免侵犯言論自由,所以管制應該針對平台建立規則,而非針對個人。「例如在性隱私侵害防制條例草案,若有人被上傳不雅照,應該要有機制能要求平台在 24 小時內快速下架,因為不雅照比較容易定義。」

要替台灣科學與技術目標設定大方向

前面提到,跟言論自由有關的法規,要立要修都傷透腦筋,快不起來。那麼,哪些改革是大家都想快點推動的呢?身為掌握國會多數席次之執政黨的立法委員,她認為有哪些與科技、科學有關的改革,是台灣目前迫切需要的?

我以為她會回答自己參與過的許多提案中的某一項(例如太空或量子),但蘇巧慧卻說「才不是!」

「我們辦公室經過討論,如果有機會的話,我們最想推的、覺得台灣最欠的,是最上層的『科技前瞻預測機制』。」

那是什麼?她拿出一疊英文文件,是美國國會提出的無盡前瞻法案 (Endless Frontier Act)。該法案於 2020 年五月由跨黨派參議員提案,打算從 2021 起的 5 年內,投入 1000 億美元資金,將 NSF 美國國家科學基金會改組為 NSTF 美國國家科學與技術基金會,同時列出十大科技重點發展方向,包括 1. 人工智慧、2. 半導體、3. 量子計算、4. 機器人技術、5. 災害預防、6. 先進通訊技術、7. 生物科技、8. 資訊安全、9. 先進能源、以及 10. 與上述九項有關的材料跟工程科學等。

蘇巧慧說,美國也好、日本也好,都會先確認國家的科技大方向,不管是太空還是 AI 都只是其中一部分。「這樣的話才知道未來的預算怎麼分配。」去年年底, 11 屆全國科技會議舉辦期間,她曾跟科技部長吳政忠討論過此議題,就是因為覺得臺灣還沒有這樣的架構。

第11屆全國科技會議會議開幕全場合影。圖/科技部

舉例來說,為了推動太空發展法,她積極遊說同僚與行政院相關單位,強調我國在太空領域應有的實力,而現階段能否整合出國家隊,關鍵在於產業上中下是否串連起來,若能盡快有一部可依循之法規,建立起遊戲規則,資金將更願意投入……單單提一個案,她與團隊就花了很多工夫,但「任何一個法案都只是一個領域。你說智慧醫療不重要嗎?太空、AI、量子都重要啊!如果沒有推動,那我們永遠只能照別人的遊戲規則做代工,甚至連代工都做不到。」因此,她認為國家需要科技前瞻預測機制這樣高層次的架構,並由科技部改組後的「國家科學與技術委員會」來負責,才能綱舉而目張。

身為區域立委,經營選區是必要任務,可是推動這些上太空、玩量子的前沿科技法案,能回應在地選民需求嗎?她認為立委的工作有一大部分也是知識轉譯,因此溝通時要能找出議題對目標對象的切身性。

「我選區隨便進一間工廠,老闆就很熱情跟我說『我這螺絲有上太空的捏』、『我有幫波音代工喔』」為了對傳產頭家解釋為何要推動許多科技味十足、很不接地氣的法案,她學會放下國會語言,換個方式切入:「政府說『好啦!現在國家要往這個方向去,會用國家的錢來做研究,升級技術,之後再技轉給你,這樣我們的中小企業就可以產業升級啦。』」

在立法院本會期屬於衛環委員會成員的她,自己期待也預備投入更多力氣建立這樣的架構。「(在衛環委員會)可以談永續、可以談很多新科技,包括藥物研發、生物科技等」,但她話鋒一轉,有點無力坦言目前為止「都還沒有機會討論」,因為上個會期到這個會期,都被美豬美牛進口與疫苗採購議題佔滿了。

若是一位理科人?

訪談到最後,我問蘇巧慧:「如果不是念法律,而是走上理科之路,覺得自己最適合、或最想成為哪一個領域的理科人?」

圖/泛科學拍攝。

她笑答自己數學「爛到不可思議,從小學開始爛,雖然國小國中還算平安度過了,高中真的不行,什麼 COS、SIN。當時唸北一女,(數學)考 60 分以下是常態,唸北一女之前都是全校前幾名,進北一女之後就再也沒有考過前面的名次了。」

她清楚記得高中時班上有 58 個人,但自己三年來最好的名次只有班上 42 名。「第一次段考回來,數學好像 33 分吧,覺得好丟臉。」

她笑說:「第二天清晨,在傳真機收到一張傳真,上面寫著:『其實我在高中的時候,考試數學也是常常不及格….是爸爸 (蘇貞昌) 從屏東傳來的。就差沒有寫個父字。」這也是她轉變為成長心態的開始。

後來她在從政前,便以「讓孩子看見未來」為目標,透過主持的超越基金會策劃各種職場「達人」介紹、學習活動,讓年輕人能在學校之外,看見各種多元專業的光芒,希望能讓這些光芒引領孩子學習,而不只是考試跟升學。

回到開頭的問題,她說若自己是理科人,此刻最想做跟永續、環保有關的科技,「因為實在是太有趣了」。由於碳排放影響了生活環境,因此要發展管制標準,調整產業發展方向,而「我的選區都是中小企業、都是工廠,很多都驕傲跟我說:我是 Apple 的供應商,所以要完全符合綠色標準、碳排標準了,所以要怎麼輔導他們,就會很有趣。」不過如今雖然不是理科人,她也以立委的角色正在做這些工作。

永續發展是世界各國最重要的課題,超越了從小在課本上學的理科或文科的分野,得統整知識、從解決日常生活問題做起,「這就是我為何贊成 108 課綱!108 課綱就是從提出問題、了解問題,然後找出解答,而且還要能夠互相溝通跟驗證。」她也笑著說,常常在立法院忙了一整天,回到家還要陪女兒一起挑戰很生活化的數學題。小時候沒挑戰成功的數學,現在再來一次!

辛苦蘇委員了,不過,我想應該比處理法案來得簡單一點吧?

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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 887 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

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寵物過敏原有很多種,避免飲食過敏困擾,可選擇單一/特殊肉種寵物飼料
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/06/06 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 新萃 Nutri Source 委託,泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢,或是身上出現不明紅疹?當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣,也會有過敏反應,過敏可依照「來源」分為三種:吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

寵物的過敏源有哪些?

不管是哪一種過敏反應,在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理,如果是接觸性或吸入性過敏,即使你把家裡打掃得很乾淨,還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此,對飼主來說,最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢?其實,「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」(Adverse Food Reaction, 簡稱AFR)(Jackson, H. , 2009),指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏(Food Allergy)和食物不耐受(Food Intolerances)兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》,你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應,因此全名為「過分敏感」;而食物不耐受則並非免疫性反應,而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒,例如狗不能吃洋蔥或巧克力,否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權,只能吃飼主提供的食物,如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分,就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外,最明顯的外在症狀就是皮膚問題,包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病,讓許多飼主狂跑獸醫院的同時,獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏(Ermel, R et al.,1997),但最新的研究卻發現,無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源(Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019),甚至會造成偽陽性誤判。因此,目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」(Food Elimination Method)。

以食物排除法,找出毛孩的食物過敏原!

食物排除法的原理相當簡單粗暴,類似我們過去在學校做的實驗一樣,抓出「控制組與對照組」。首先,將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質;同時嚴格限制牠對其他食物接觸,包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意,此為「對照組」,如此持續 8~12 週,觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善,那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」,在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原(例如常見的牛肉、雞蛋等),有如「控制組」,等到症狀又出現,就可以確認哪種食物成分是過敏原,未來就可以在飼料中排除,讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄,不僅要在漫長的試驗期,更需要在控制期一一排除所有不可能之後,才能找到答案。而其中最困難的部分,也是實驗的基礎可能是第一步:「提供狗狗牠從未吃過,且肉品單一的蛋白質」,這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務,因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了,搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

飼料成分多而雜,可選單一肉種飼料降低過敏。

那該怎麼進行食物排除法呢?別擔心,沒有找不到的肉品,只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料,新萃推出了一系列低敏肉,包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類,是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外,新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素,能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃,有消化不良症的狗狗也適用。

新萃商品選擇的是單一/特殊肉種的成分,低敏感肉品讓寵物吃了更安心。

參考資料

  1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
  2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
  3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
  4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
  5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
  6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
  7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
  8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服,為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用?
  9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善?小心食物過敏! – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
  10. 寵物知識+/毛孩對什麼食物過敏?獸醫:驗血完全不準!診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
  11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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思考的極限:宇宙創造出「空間」與「時間」? ——宇宙觀的發展史(下篇)|20 世紀後
賴昭正_96
・2023/05/17 ・6928字 ・閱讀時間約 14 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!
  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

空間與時間都根本不存在:它們只是分別用來說明物體間之相對位置與事件間之前後秩序的「語言」而已。沒有物體就沒有空間的必要;沒有事件就沒有時間的必要。
——賴昭正(不可能得到諾貝爾獎的科普作者)

宇宙在十六世紀以前一直被認為是宗教與哲學的範圍。圖/Envato Elements

宇宙的起源、歷史、與結構,在十六世紀以前,一直以人及地球為中心,被認為是屬於宗教與哲學的範圍。1543 年,哥白尼(Nicolaus Copernicus)粉粹了地球為宇宙中心的幻想;約百年後,伽利略(Galileo Galilei)改進了望遠鏡,並將其鏡頭轉向天空,開啟了觀測天文(observational astronomy)之門,並大力支持哥白尼之地球繞日的理論。

慢慢地,科學家不再須要依靠信仰來解決、而是利用科學儀器去「看」宇宙像什麼樣子及如何演化。又再約百年後,牛頓(Isaac Newton)用萬有引力及距離平方反比定律,解釋了一系列以前不相關的天上人間現象,並且可以計算出行星繞太陽的週期,使得天文學正如其它科學訓練一樣,不再是信仰的爭論,而是證據與理論的問題。

當天文學家了解到了人不可能是宇宙的中心時,科學家再沒有任何理由認為我們所處在的地方在宇宙中佔了一個很獨特的地位;同樣地,也沒理由認為我們所處在的時刻是個很特殊的時刻——稱為「宇宙學原理(Cosmology principle)」。顯然地,宇宙應該永遠就是那樣地存在,它沒有開始,也不會有終結。

膨脹的宇宙

如果星星可以自由移動,那麼宇宙還是不是靜態?圖/Envato Elaments

牛頓的力學統領了三百多年的物理學及天文學發展,直到 1905-1915 年間,愛因斯坦(Albert Einstein, 1897-1955)相繼地發表了狹義相對論及廣義相對論後才被修正。

愛因斯坦發表了他的重力場方程式後,當然也在思考著宇宙的問題;但卻發現他場方程式的解不可能是一個靜態的宇宙!為了符合當時的宇宙觀,二十世紀近代物理學革命先鋒的愛因斯坦竟然屈服於「共識」,修改其方程式來取得靜態解。

事實上早在 1718 年,英國天文學家哈雷(Edmond Halley,1656-1742)就發現了三顆明亮的恆星不再處於古代觀測所確定的位置,嚴重地質疑恆星固定位置的假設。而如果星星可以像正常的物理物體一樣地自由移動,那麼宇宙是不是靜態呢?

1922 年至 1924 年間,俄國數學家佛里曼(Alexander Friedmann,1888-1925)假設宇宙中物體的分佈是均勻(宇宙學原理),解廣義相對論場方程式,發現這些物質在空間的分佈只有三種可能:
從開始的一點,空間隨著時間增大而

  1. 慢慢趨近到一個定值;
  2. 永遠繼續膨脹增大;
  3. 膨脹一段時間後開始收縮。
圖/作者提供

1927 年,比利時魯汶天主教大學(Catholic University of Louvain)教授勒梅特(Georges Lemaître,1894-1966,麻省理工學院物理博士)神父也獨立地發現了佛里曼解;但因他對其物理意義比較感興趣,從中預測了真實的星系宇宙膨脹,得出距離我們越遠的星群後退速率應越快、但沒有人在意的革命性結論——愛因斯坦接受了他的數學,但拒絕了他的物理解釋。

1929 年,美國天文學家哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)分析了一些從遙遠星群傳來之光譜的測量結果,發現其頻率很有系統地往頻率較低之紅色位移(red shift),其位移值隨星球離我們之距離的增加而加大。顯然地,遙遠星群是依一定的規則在遠離我們:距離我們越遠,後退速率越快——稱為「哈柏—勒梅特定律」(Hubble-Lemaître law)。

這無可避免的結論是:宇宙正處於一膨脹狀態!此一完全出乎意外的發現,改變了宇宙論這一研究的整個面貌!可惜在哈柏去世前,天文學顯然還是被認為是屬於宗教與哲學的範圍,因此他從未得到諾貝爾獎。

宇宙的開始

一個膨脹的宇宙是一個在改變的宇宙,因此應該具有生命的歷史。1931 年,勒梅特開始追溯宇宙的足跡,得出了他所謂的「原始原子假說」(primeval atom),在《自然》雜誌上發表了一篇 457 字的短文謂:

「如果我們回到過去,我們必須找到越來越少的量子,直到我們發現宇宙的所有能量都包含在幾個——甚或是一個獨特的——量子中。……,如果世界始於一個單一的量子,那麼空間和時間的概念在開始時完全沒有任何意義。……,我們可以以一個獨特原子的形式設想宇宙的開始,其原子量是宇宙的總質量。」

無神論宇宙學家霍伊爾(Fred Hoyle,1915-2001)因為不相信「原始原子假說」,在 1949 年諷刺地稱它為「大霹靂」(big bang),沒想到這一名詞竟然廣為科學家所接受的,稱勒梅特的宇宙觀為「大霹靂宇宙論」。

1979 年 12 月,麻省理工學院古士(Alan Guth,1947-)教授突然心血來潮,懷疑他的研究——超冷(supercooled)的希格斯場(Higgs field)——或許也適用於宇宙論。

美國理論物理學、宇宙學家 Alan Harvey Guth 亦是暴脹模型的創立者。圖/維基百科

古士的研究顯示,如果當初宇宙充滿了稱為急脹子(inflaton)的希格斯場,則在慢慢膨脹而冷卻下來時,這急脹子可能被困在一能量不為零的非常不穩定之超冷狀態。此狀態的急脹子因具負內壓,可以提供非常強大的排斥力,促成瞬間非常巨大的膨脹(「大霹靂」的原因)。

但因此一狀態非常不穩定,因此急脹只維持了大約 10-35 秒之久;但在這期間宇宙膨脹率隨著時間而急速加快的!在此之後,宇宙的膨脹率才因重力的關係又恢復到其越來越小的正常狀態!

此一巨大迅速加速膨脹不但能解釋為何現今的宇宙是如此地均勻;它甚至還告訴了我們現今我們所觀測到的宇宙,事實上只是整個宇宙中非常小的一部份!這正又說明了為什麼我們現今觀測到的宇宙是平的——正如大球表面上的一個小面積看起來是平的一樣。此一偶然發現,一下子解決了宇宙大霹靂論的三大謎題(詳見愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數)!在大約 10-35 秒後,此一大霹靂才停止,急脹子才放出其多餘的超冷能量,產生我們現今所看到的一般物質與能量。

科學家稱此一改良的大霹靂宇宙論為「急脹宇宙論」(inflationary cosmology),原來之大霹靂宇宙論為「標準大霹靂宇宙論」(standard cosmological Big Bang model)。

宇宙沒有邊緣

一個以獨特原子「大霹靂」出來的時空當然應該是有界限的,有界限的時空當然應該是有邊緣的。可是如果有邊緣,那應該有很獨特的中心點,這不違反了「宇宙學原理」嗎?還有,邊緣的外面是什麼?如果是空間,那應該是「大霹靂」造出來的,應該是宇宙的一部分,所以宇宙應該是沒有邊緣的。

沒有邊緣的宇宙不一定必須是無限大的:愛因斯坦 1917 年提出的宇宙就是一個沒有邊界的有限宇宙:生活在二度球面上的怪人,它們生活的球面是有限的,但卻沒有邊界。球面不平,故可以彎回形成一個封閉的無邊緣空間;但如果宇宙的幾何是平的,不能彎回來,那麼宇宙便應該是無限大的,沒有邊緣的;儘管如此,宇宙的膨脹還是在繼續製造空間的,所以空間隨著時間變成「更無限大」。

圖/作者提供

時空的膨脹

我們對「膨脹」的了解都是置身事外、隔岸觀火的:像看正在膨脹的氣球,只見其體積越來越大。但是宇宙只有一個,我們不可能置身事外;而如果宇宙是無限大的,則不管我們在哪裡,都會覺得我們正處於膨脹中心點,正像球面上的任何一點,發現其它各點離我們之速率與其距離成正比(這正是哈柏的發現)。

還有,隔岸觀火讓我們可以看到氣球外的膨脹空間,我們可以量得在膨脹時氣球上任何一點對地球的「運動」速度;但如果我們置身正在膨脹的宇宙中,當然看不到宇宙外的膨脹空間。

不,等一等,宇宙是無限的,它怎麼還有「外面」讓它膨脹呢?當然沒有!所以現在的物理學家認為空間像氣球的表面一樣,是膨脹——不是運動——「製造」出來的!兩個物體的空間距離因膨脹——不是相對運動——而加大。

萊布尼茲(Gottfried Leibniz,1646-1716)終於戰勝了牛頓:沒有物質的地方就沒有空間,空間根本不存在,空間只是用說明物體之間的相對位置的「語言」而已。所以哈柏所測到的遙遠星群有系統地離開我們,並不是因為星群「運動」的結果——星群並沒有在牛頓之「絕對空間」中運動。

如果空間是被製造出來的想法很難接受,相信時間就容易瞭解多了!想一想:「現在」根本沒有「明天」,「明天」是在明天的「現在」才出現的,所以「明天」是製造出來的;「時間」是在膨脹,往現在不存在之「明天」膨脹;「現在」與「明天」之間沒有界限,所以時間應該沒有邊緣;沒有邊緣就沒有邊緣外是啥的問題!

而沒有邊緣、又是「我的青春小鳥一去不回來」(註一)的時間不應是無限大嗎……,所以宇宙的膨脹事實上不止製造了空間,同時也製造了時間!

西漢(公元前 202 年-公元 8 年)《淮南子》的首篇《原道訓》謂上下四方為之「宇」,古往今來為之「宙」;這句話闡明了「宇」就是空間,「宙」就是時間;宇宙就是時空,宇宙歷史就是製造時空的歷史!

宇宙歷史就是製造時空的歷史!圖/Envato Elements

宇宙年齡與黑暗夜空

如果時間是因為大霹靂而製造出來的,那現在的宇宙到底都老了?精確測量的「遙遠星系的速度及其距離比」(稱為「哈柏常數」)估計現在的宇宙年齡為 138 ± 10 億年。

2013 年,歐洲航天局的普朗克太空望遠鏡繪製了一張詳細的宇宙微波背景溫度之波動圖,估計宇宙的年齡為 138.2 ± 0.5 億年。去年 3 月 30 日,由約翰霍普金斯大學韋爾奇(Brian Welch)博士領導的一群天文學家宣布發現了有史以來最遠和最早的恆星:一個在 129 億年前(大霹靂之後 9 億年時)發出的光點。

哈柏對星系系統性紅外移的發現終於讓我們解決了牛頓之無限宇宙論與宗教之有限宇宙論間的衝突。

起初人們認為僅紅移效應就足以解釋為什麼夜晚的天空是黑暗的:來自遙遠星系中恆星的光會被紅移到可見光範圍之外的長波長。然而,現在共識是,宇宙的有限年齡是一個更重要的影響。即使宇宙在空間上是無限的,但由於光速及重力傳播速有限,來自遙遠星系的光子或重力根本還沒有足夠時間抵達到地球。

如果現在宇宙的年齡是 138 億年,那麼我們將感覺不到距離地球 138 億光年外的光或重力,而認為宇宙是有限的。我們稱這個半徑 138 億光年的球面內宇宙為「可觀測宇宙」(observable universe)。在這個宇宙視界內的星數大約 2 萬億個,太少了,無法使夜空明亮或將地球撕裂。

還有,如果牛頓當時知道宇宙是在膨脹,他根本不需要一種「無限而永恆」的神力來防止星雲被拉到一起。

獵戶座大星雲揭示了恆星與行星系統的形成過程。圖/維基百科

思想的貧乏

如果時空是大霹靂製造出來的,那在這之前根本沒有時空!沒有時空?那這大霹靂在什麼「地方」發生的?又為了解釋如果爆炸有中心點,那便違反了「宇宙學原理」,有些理論天文學家甚至提出大霹靂是「到處」同時發生的!可是「到處」不是空間嗎?……這不正是「先有雞還是先有蛋」的矛盾問題嗎?

儘管哲學家盧梭(Jean-Jacques Rousseau, 1712-1778)認為:「現實的世界是有止境的,幻想的世界則是無垠的」,但在寫這一節時,筆者還是一個頭兩個大!

紐約州立大學石溪分校的天體物理學家舒特兒(Paul Sutter)在去年 2 月 25 號的宇宙之外有什麼東西嗎?一篇文章結尾說:「如果這一切聽起來複雜而令人困惑,請不要擔心。……,這就是現代宇宙學的力量之一:它(數學)使我們能夠研究難以想像的事物。」

恐怕我們所能做的就是接受這些悖論並努力去適應它,就像前面提到之萬有引力,當初不是被認為是「魔法、神秘、非科學」嗎?但現在已經沒有人懷疑這種力之存在了。同樣地,近代的物理(相對論、量子力學)裡不也是充滿了很多違反我們日常生活邏輯的奇怪觀點嗎?

宇宙又再次加速膨脹

1998 年加州大學伯克萊分校(University of California, Berkeley)的波米特兒(Saul Perlmutter)及澳洲國立大學(Australia National University)的思密特(Brian Schmidt)相繼宣佈超級新星 la 型的數據顯示,在大霹靂後的 70 億年,宇宙的膨脹率又再次加速了!約翰霍普斯金大學(Johns Hopkins University)的雷斯(Adam Riess)於 2006 年再次肯定了這些觀查結果。

此一發現再次重寫了人類對宇宙演化的看法,因此諾貝爾獎委員會將 2011 年的物理獎發給這三位科學家。

真是一波剛平,一波又起!好不容易物理學家總算了解了大霹靂的原因,在它之後宇宙的膨脹因為萬有引力的關係應該逐漸慢下來,怎麼現在它的膨脹又加速了?牛頓重力只有相吸的作用,因此要解釋此一加速膨脹,看來只有求助於愛因斯坦那修改方程式內之「宇宙論常數」(cosmological constant)了。

不錯,波米特兒及思密特思考著:在大霹靂(急脹)後,宇宙靠大霹靂時的衝力(物理學上稱為慣性)而繼續膨脹,但因萬有引力的關係,膨脹速率將越來越慢;可是如果真有愛因斯坦的宇宙論常數,則因其排斥強度不會隨宇宙膨脹而降低(萬有引力則會因宇宙膨脹而降低),它總有一天它會強過萬有引力,使宇宙的膨脹率由減速再次變成加速!這一天顯然就發生在他們所發現之大霹靂後約 70 億年時!

可是愛因斯坦的宇宙論常數是啥東西呢?沒有人知道,但一定不是普通的物質,否則早就應該被發現了——因此科學家稱它為「暗能量」(dark energy)。物理學家及天文學家正努力地在尋找此一充滿了宇宙、及必須具有負內壓的怪物。

宇宙膨脹的藝術構想圖。 圖/維基百科

結論

今日大部分的天文學家都認為宇宙是平的(佛里曼解 1),是在膨脹、沒有界限、無限大的。黑洞及重力波的相繼發現鞏固了廣義相對論在現今宇宙研究的理論地位。我們現在所看到的宇宙只是整個宇宙之一小部分而已;138 億年前離我們最遠那些星群因為宇宙加速膨脹的關係,事實上現在都已經離我們 460 億光年了(因為不是運動造成的,它們可以以大於光速的速度遠離我們)。

很難想像一個沒有邊緣、無限大的空間是什麼樣子?在那裡又如何能不停地製造出空間來?……,這些無法理解的「矛盾」邏輯或許正是羅素(Bertrand Russel,1872-1970)所說的「認為事物必須有一個開始(邊緣、大小、結束、……)的想法,實際上是由於我們思想的貧乏」?或普朗克(Max Planck,1858-1947)所說的:「科學無法解開自然界的終極奧秘,因為歸根結底,我們自己是我們試圖解開的謎團的一部分」?

這使筆者想到:人工智慧是人類製造出來的,它能像我們一樣創造出牛頓力學、相對論、量子力學嗎[註2]?甚或超越人類創造出一個沒有「矛盾」的宇宙觀嗎?

筆者在「日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI」一文裡最後提到:或許筆者下篇文章已經不是自己寫的了。讀者認為本文是人工智慧代寫的嗎?為什麼?

註解

  1. 黃駱賓:《青春舞曲》
  2. 筆者覺得不可能,因為筆者認為創造是屬於靈感和直覺的非理性活動,無法表達的;愛因斯坦曾謂:「我很少用語言思考。(雖然)一個想法出現了,我可能會嘗試用文字來表達它」。當我們無意識地思考時,邏輯及演繹推理就被拋在腦後;愛因斯坦曾謂:「我從來沒有通過理性思考的過程做出任何發現」。
    人工智慧有能夠有靈感、直覺、或無意識的思考嗎?還有,科學上不少大發現都是意外的,例如注意到胰臟被割除之狗,小便過的地板上蒼蠅特別多而發現了胰島素,忘了收拾細菌培養皿就去度假而發現了盤尼西林,錯誤的假設發現了量子統計力學等等。人工智慧如何「學習」或碰到這種運氣呢?

延伸閱讀

  1. 賴昭正:《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號),「牛頓的水桶」(科學月刊,2011 年 8 月號),「愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數」(科學月刊,2011 年 12 月號) ,「暗物體與暗能量」(科學月刊,2014 年 6 月號),「愛因斯坦其實沒那麼神?」(泛科學,2016/03/16)。
  2. 50年的追尋-宇宙之演化(科學月刊,2019 年 8 月號)。
  3. 宇宙是靜態還是在膨脹?又是誰先發現宇宙微波背景輻射?(泛科學,2022/04/22) 。
  4. 從圓周率與無理數,談數學也有其無法理解、不精確、和不確定性(泛科學,2019/06/03)。
  5. 賴昭正譯(P.C.W. Davies 原著):《近代宇宙觀中的空間與時間》(新竹國興出版社,1981 年 8 月出版)。
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賴昭正_96
38 篇文章 ・ 42 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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Starship 試射雖敗猶榮?萬眾矚目的星艦還有哪些新設計?
PanSci_96
・2023/05/07 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

你有看到幾天前馬斯克的超大火箭爆炸新聞嗎?怎麼火箭快速非計畫解體了,SpaceX 的員工們還歡聲雷動、雀躍不已呢?

就讓我們來一起認識乘載 SpaceX 火星夢的下一代超重型運載火箭:星艦 Starship!

雖敗猶榮的首飛

萬眾矚目的 Starship 首次飛行於 2023 年 4 月 20 日登場。

倒數三秒開始,超級重型的三十三顆引擎在六秒內依序點火。在七千噸強大推力激起的漫天煙塵中,世界最大的火箭開始緩緩升空,並在幾秒後成功離開發射台,在朝陽中飛向深藍的天空。

但此時其實從直播畫面中就可以看到,並不是三十三顆引擎都成功點燃,其中有三顆一開始就沒有正常運作。但這不是什麼大問題,得益於先進的當代飛控以及火箭設計時保留的推力冗餘,星艦本來就可以在有幾個引擎失效的情況下繼續飛行。

升空後一分十八秒,即使陸陸續續有引擎故障等問題,火箭還是通過了最大動壓點(MAX-Q)。可以想像成火箭在飛行過程中,其箭身結構承受最大壓力、也就是最可能出現結構問題的時候。通過 MAX-Q 對任何一款新火箭都是重要的里程碑,這代表無論其他部分如何,至少火箭的整體結構設計是達標的。

升空後兩分二十一秒,火箭的飛行高度來到 28 公里,速度約兩馬赫。

此時也許是因為控制火箭推力方向的液壓系統故障,火箭的姿態開始明顯出現偏移,並漸漸失去控制,開始在空中翻滾。最終在翻滾六圈後,火箭的飛行終止系統(FTS)啟動,將火箭自行炸毀以降低火箭碎片造成傷害的風險。於是星艦與超級重型就在加勒比海上空,化成了一片超大型煙火。星艦的首次試射,帷幕就此落下。

Starship 試射影片。/
SpaceX YouTube

關於這場試射中火箭為何失控?達成多少測試目標?這些問題還有待 SpaceX 正式發布報告才能清楚知道。但無論如何,本次發射無疑是 Starship 開發的重大里程碑。對很多人來說,能夠飛離發射台、通過最大動壓,就已經是了不起的成功了。

SpaceX 的可重複使用之路

說到 SpaceX,大家首先想到的應該就是他們舉世唯一的可重複使用火箭——獵鷹九號(Falcon 9)。藉由在每次發射之後,讓第一節自行降落並重複使用在多次任務上,SpaceX 得以大幅降低每一次發射任務的成本,並在過去幾年中橫掃全世界的商業太空發射市場。

然而受限於先天設計,獵鷹九號只是一款「部分可重複使用」的發射系統。雖然火箭的第一節和前端的整流罩可以回收使用,但每一次發射,都還是會消耗一枚第二節火箭。

多年來,SpaceX 研究過各式各樣的方法,試圖把第二節火箭也帶回來。包括在火箭前端安裝隔熱盾,讓火箭可以承受高速重返大氣層產生的高溫;又或是異想天開地在火箭上安裝巨大氣球,讓第二節火箭可以在稀薄的大氣中盡可能減速,以降低火箭重返大氣層時會產生的熱量;但這些想法,最終都因為技術和成本上的考量而作罷。

獵應九號以星際大戰系列中的「千年鷹(Millennium Falcon)」,和第一節擁有的 9 個引擎作為命名依據。圖/維基百科

SpaceX 最終決定,放棄升級獵鷹九號,直接開發一款更大、更強而且完全可重複使用的次世代運載火箭。這就是我們今天的主角——星艦 Starship 。

星艦的設計理念

星艦的概念首度於 2016 年出現在世人面前。當時,馬斯克在國際太空航空會議(IAC)上宣布 SpaceX 將打造一款全新的運載火箭,以達成讓人類走出地球、成為跨行星物種(Multiplanetary Species)的理想,而火星就是第一個目標。

為了達成這個理想,這款火箭必須具備四大特色:

  1. 完全可重複使用;於每次執行任務後,整支火箭都必須可以回收再利用,才有辦法大幅降低發射成本。
  2. 能夠在軌道上重新加入推進劑(以下簡稱在軌加油);如此一來火箭可以先滿載貨物進入地球軌道,然後藉由多次的在軌加油把推進劑補滿,再出發前往目的地。
  3. 使用的推進劑必須能在火星製造;如此一來火箭就不需要攜帶回程的推進劑,從而攜帶更多的貨物。
  4. 必須使用正確地推進劑組合;除了要能在火星製造之外,推進劑最好便宜、容易儲存和傳輸。

針對這四項要求,SpaceX 最終開發出一款由不鏽鋼打造,使用甲烷與液態氧作為推進劑的兩節式超重型運載火箭。

火箭的第一節稱為「超級重型 Super Heavy」,其底部裝有 33 顆 SpaceX 開發的「猛禽 Raptor」火箭引擎,總共能夠輸出近 7600 公噸的推力,比冷戰時代送人上月球的農神五號火箭還要高一倍。

第二節則稱為「星艦 Starship」,高度 50 公尺底部裝有六顆猛禽引擎,並有兩對機翼可以在大氣層中控制火箭的姿態。能在重複使用的前提之下,將 100 至 150 公噸的酬載送入近地軌道,是人類歷史上最大、最強的運載火箭。

星艦(Starship)與超重型推進器(Super Heavy)原型機。圖/維基百科

不過,要注意的是,火箭的第二節叫做 Starship,但整個火箭系統(第一節+第二節)也稱為 Starship,有時要仔細聽上下文,才知道說的是整支火箭,還是只有單指第二節而已。

Starship 將怎麼完成 SpaceX 的火星夢?

假設今天 Starship 已經開發完成了,它將怎麼幫助人類完成未來的火星任務呢?

Starship 的全套系統運作原則如下:

火箭從地球升空後,第一節會像獵鷹九號一樣可以自行重返大氣層,並精確地回到發射台降落。而第二節則會帶著貨物與太空人先停泊於近地軌道,等待後續發射的多艘加油版星艦(Tanker)與它會合,把它的推進劑槽補滿。接著,星艦就可以啟程前往火星。

而在登陸火星後,太空人可以將火星上的二氧化碳與水轉變成甲烷與液態氧。利用這些火星製造的推進劑,太空人就能再次搭上星艦返回地球。

除了前進火星之外,還有許多重要任務也已經預訂要由 Starship 執行。

舉例來說,SpaceX 將開發一款「月球特化版 Starship」,用於在 NASA 的阿提密斯三號以及後續的登月任務中,負責將太空人從月球軌道帶到月球表面。Starship 也將用於發射數以萬計的第二代星鏈衛星,提供更強大的通訊服務。星鏈的成功,將為 SpaceX 帶來比發射火箭更多更穩定的收入。

隨著 Starship 逐漸成熟,其強大的運輸能力和低發射成本,將進一步將太空工程師們,從當前嚴苛的成本和重量限制中解放出來,得以放手設計更強大的衛星、太空船、太空望遠鏡,造福人類文明的各個領域。

當人類為了成為跨行星物種邁出第一步時,希望 Starship 已替那一步提供堅固的墊腳石。

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PanSci_96
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