1

13
2

文字

分享

1
13
2

什麼是「可變性原則」?它如何讓 SpaceX 一飛沖天?——《造局者:思考框架的威力》

天下文化_96
・2021/10/02 ・2256字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者/庫基耶(Kenneth Cukier)、麥爾荀伯格(Viktor Mayer-Schönberger)、德菲爾利科德(Francis de Véricourt)
  • 譯者/林俊宏

企業家伊隆.馬斯克(Elon Musk)於 2002 年創辦 SpaceX,為達成火星殖民的目標,開發一系列火箭和太空船,甚至領先世界各國航太技術,享譽全球。到底是什麼樣的思維模式,造就 SpaceX 這般豐功偉業呢?答案就藏在《造局者》這本書中,趕快來搶先閱讀吧!

「思考框架」三大原則:可變性原則

馬斯克(Elon Musk)創辦的 SpaceX,就是一家把可變性原則應用得爐火純青的企業。SpaceX 是研發可回收火箭的先驅。可回收火箭一直是航太工程師的夢想,也是科幻小說裡的常見載具。但在 1960 年代和 1970 年代,航太總署(NASA)科學家的想法是讓火箭加上機翼,如此一來,就能在返回地球之後,像飛機一樣著陸。當時所假設的限制條件是「火箭的回歸需要靠空氣動力學的升力」。這種想法也就催生了外形類似飛機的太空梭—後來更催生了懸掛式滑翔機,相關技術是由航太總署的工程師羅加洛(Francis Rogallo)於 1960 年前後發明,起初,是做為將太空艙帶回地球的方式。

然而,這些機翼巨大而沉重,空氣動力學的升力大小,又得視機翼的尺寸而定。機翼愈大,雖然升力也愈大,但在發射時,也會增加重量、體積和阻力。考量到這一切限制後,最後的太空梭系統是個有問題的折衷方案,需要有一個附加在外的巨大油箱,只能使用一次,而且太空梭主體的滑翔能力也相當有限。航太總署受限於空氣動力學升力的條件下,也就只能想像出很傳統的機翼與降落傘的設計,並相應帶來了所有缺點。

相較之下,由於各種創新突破(特別是在感測器與運算能力方面),SpaceX 的想像不再限於空氣動力學的升力。雖然也效仿航太總署,以減緩火箭的下降速度為目標,但是 SpaceX 改了方法,希望能重新點燃第一節火箭的發動機,採直立方式降落。SpaceX 的想法是:別再管空氣動力學的升力了,就靠火箭的動力吧!這件事的大膽之處在於需要重新點燃引擎,也得保留足夠的燃料,來減緩火箭下降的速度(而且燃料很重,所以不能保留太多),並且還得有控制系統,以利穩定著陸過程。

太空梭本身的實體結構十分複雜,而 SpaceX 獵鷹火箭的第一節實體結構相對簡單,卻搭載了複雜得多的控制系統。而且,也是由於科技的進步,才能夠做到如此先進的控制。

祕訣在於:要瞭解哪些限制是可變的。雖然 SpaceX 也接受「火箭降回地球時必須減速」這項設定,但選擇了不同的處理方式—不是靠機翼,而是使用內建的火箭引擎。正因為 SpaceX 的工程師鬆開了其中一套可變的限制,才看到了新的可能,並研發出獵鷹系列的可回收火箭。

資料來源/SpaceX

可變性原則的優勢:幫助我們看到選項並採取行動

像 SpaceX 火箭控制系統這樣的科技革新,就可能讓過去無可改變的限制,擁有可變性(雖然科技本身也是思考框架的產物)。要選擇改變哪些限制的時候,根據可變性原則,應該要先挑出各種我們能夠影響的要素。如果希望反事實能發揮作用、讓夢想成真,該調整的並不是那些我們本來就該遵守的限制(例如:經理手頭的預算,或是主廚能運用的烹調時間),而是調整那些能透過行為或選擇而改變的限制。這樣一來,夢想成為現實的可能性也就更高。

可變性原則並不完美。對於哪些事情可變、哪些又不可變,我們可能會誤判。然而,這套原則有一個很大的優勢:能讓我們把推理的焦點,放在那些我們有能力影響、更改、或塑造的事物上,幫助我們看到選項,採取行動。像是要趕到城市另一邊開會,卻又快遲到的時候,我們只會認真考慮該搭地鐵還是計程車,而不會想像什麼很科幻的懸浮列車。對 SpaceX 來說,他們就是認真考慮該用怎樣的工程方案,以減緩下降速度。對以色列指揮官尚龍准將(Lt. Gen. Dan Shomron)來說,恩德培行動(Operation Entebbe)就是必須準備「遭遇烏干達部隊的阻撓時,該如何作戰」的方案,而不會打算在戰火正盛的時候,去說服對方棄械投誠。

我們常常認為人類的行動具備可變性,那是因為,就因果認知觀點來看,我們相信人類具有能動性,也就代表人類能控制自己的行動。同樣的,我們也相信人類的行為是會改變的,而且認為我們能夠形塑他人的行為與行動。我們的思考框架,就是會這樣關注著人們的各種行動,而這點是利而非弊。如果能注意有哪些限制條件是操縱在我們手中(也就是那些條件具備可變性),也就有助於我們找出調整起來最有利的限制。

實驗中,研究人員發現了一種有趣的小麻煩。我們或許以為人類的活動有很大的彈性空間,但在做反事實思考的時候,你想像得到的行為改變,多半都還是落在多數人所接受的社會規範以內。像是開會要遲到了,但等計程車的人大排長龍,這時候,我們或許比較會想到掏出手機,改叫 Uber,而比較不會想到要直接插隊到最前面。

當然,至少在原則上,社會規範是能夠改變的,而且確實也會隨著時間慢慢改變。但在我們的反事實心理實驗室裡,那些反事實卻常常受到約束,我們常會覺得規範都是固定不變的,而且自己無力改變。原因可能出自人類的社交本質:為了合群,就會讓我們不去想像那些會讓自己遭到排斥的行為。於是,我們還是乖乖排隊等計程車。

——本文摘自《 造局者:思考框架的威力 》,2021 年 7 月,天下文化


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
所有討論 1
天下文化_96
85 篇文章 ・ 569 位粉絲
天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。


0

24
4

文字

分享

0
24
4

極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

Tiger Hsiao_96
29 篇文章 ・ 26 位粉絲
現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。