彗星帶來希望的……喔不，是生命的種子

彗星送水論？地球的水是從哪來？

想知道古地球如何得到水的行星科學家將矛頭指向大泥球。似乎數十億年前曾有彗星雨落下，為我們帶來大量的水。

但，彗星又來自何方？

科學家長期認為彗星誕生於比火星更遠的寒冷區域。一九九〇年代，學者更進一步認定大部分彗星已經被日益成長的行星吸收。然而荷蘭天文學家揚．歐特（Jan Oort）提出不同見解，主張可以有數以兆計的彗星在太陽系邊緣存活，它們距離行星太遠所以沒被重力拉扯，最終圍繞太陽系形成巨大球形外殼，現在將該區域稱為歐特雲。歐特雲的大量彗星可以填滿地球海洋，問題是它們太遠，是地日距離的數千倍，實在不大可能到得了。

於是又有研究者懷疑部分彗星在太陽系較內側存活，或許是土星軌道外，這樣也比歐特雲近了一千倍。然而僅僅停留在臆測，因為想要在那麼遠的地方找到直徑不過數十英里或更小的彗星太困難，大家沒有傻到去做這種嘗試。

唯二例外是年輕的麻省理工學院教授戴夫．朱維特（Dave Jewitt）和他的研究生盧珍（Jane Luu）。裘伊特頭頂高聳，笑容可掬，性格充滿英國式幽默，父母是倫敦的工廠工人和電話操作員。童年時偶然在夜空看見流星勾起他對天文學的迷戀。

從天文學觀測到重水比例：揭開水的宇宙密碼

一九八五年，他突發奇想將新的數位型光感測器 CCD（譯按：感光耦合元件）連接到望遠鏡，藉此在太陽系遙遠角落尋找彗星這種小天體。朱維特認為我們看不見不代表不存在，但研究需要資金，只可惜多數人都不相信，所以計畫案一次一次被拒絕。三十多年後，回憶起當初遭受的輕蔑他依舊義憤填膺。「最常得到的回答是『無法證明計畫裡的測量實際可行』，」他說：「我的天，這是什麼蠢邏輯？整個計畫的意義就是去做一些以前沒做過的嘗試。就算最後真的不可行又怎麼樣呢，重點不就是得試試看嗎？」批判他的人可能陷入了「現有工具檢測不到就代表不存在」的認知偏誤，習慣性地假設科學家尚未找到就代表目標處什麼也沒有。

朱維特和盧珍拒絕放棄，偷偷從其他研究案借用望遠鏡時間尋找數十億英里外可疑的微小物體。

很長時間毫無收穫。一年又一年，然後四年五年六年。直到一九九二年夏夜，他們在夏威夷大島茂納凱亞天文臺工作。那時候他們心灰意冷，覺得五年多光陰白費了，卻沒想到忽然發現了非常微弱的光點。察覺這個點微微移動時，朱維特還暗忖「不可能是真的」，但它確實存在。兩人找到的天體位於海王星外的軌道，後來進一步證實那邊還有數百萬顆彗星。該區域被命名為古柏帶，淵源是最早提出此概念的荷蘭天文學家³⁰，他在一九五〇年代就探討了這個可能（諷刺的是他本人不相信）。

科學家在古柏帶找到大量彗星，人體內的水看似已經確定來源。地球形成後不久，彗星從古柏帶，或許一部分從更遠的歐特雲抵達，送來覆蓋這顆行星表面的水。彗星堪稱飛行的冰山，攜帶的水量確實足以填滿地球海洋。理論很快得到多數人接納及傳播，謎題終於得到解答。

小行星的貢獻：來自太空岩石的生命之源

真的嗎？一九九五年，波瀾再起。亞利桑那州鳳凰城附近一場觀星派對上，輪到混凝土供應公司零件經理湯瑪斯．博普（Thomas Bopp）借用朋友的望遠鏡，他留意到視野角落有個模糊光點。同一天晚上，新墨西哥州克勞德克羅夫特村天文學家艾倫．海爾在家中發現同樣物體。這顆新發現的彗星，是有史以來見過最亮的，命名為稱為海爾─博普彗星。

翌年，戴夫．朱維特隨學者團隊返回茂納凱亞觀測站，這次以強大的電波望遠鏡觀測海爾─博普彗星。他們在海拔一萬四千英尺（約四千兩百六十七公尺）的稀薄空氣中每十三至十六小時輪班一次測量夜間光譜，試圖比較彗星中一種罕見的水形式比例是否與地球海洋相符。

或許有些人還不知道其實水分子有不同形式。大部分水由氫原子組成，核心只有一個質子。但還有別種水存在，由於重量多出一成所以稱為重水，其氫原子是同位素，核心除質子外還包含一個中子。重水很罕見，在地球海洋中每六千四百個水分子只有一個是重水。因此，茂納凱亞團隊準備測量海爾─博普彗星時原本很有信心會找到相同比例的重水，畢竟地球的水應該來自彗星。

然而觀測結果並非如此。海爾─博普彗星重水含量是地球海洋兩倍。這就麻煩了，先前天文學家在哈雷彗星發現類似的高比例重水，當初只視為異常案例，然而後來在百武二號彗星又測量到相同數據。三次觀測結果一致成為難以忽視的證據，顯示彗星並不吻合地球海洋的水分子組成。

「天文學家對海爾─博普的觀測結果作何反應？」我問。

「嚇壞了。」朱維特的意思是指數據背後的涵義：「有點像新時代運動³¹的意識覺醒之類。」他笑了笑又說：「好像不該說這種話才對。」但顯而易見，學界頗受震撼，一夕間又不能靠融化彗星形成海洋了。雖然惠普爾沒說錯，彗星確實充滿水，但海洋來自太陽系其他地方。具體究竟是哪兒？

朱維特和其他許多學者一樣，注意力轉向飄浮在太空中的巨大岩石，即所謂小行星。

從石頭榨水，乍聽很無稽，但事實上有些岩石確實可以。如果加熱隕石，也就是從小行星落到地球的碎片，困在晶體結構內的水分子就能變成水蒸氣。多年前科學家已經知道小行星含水，這些岩石含水量差異很大。多數靠近太陽形成的小行星幾乎不含水，但在火星之外冰冷區域形成者水分含量則可高達百分之十三。

朱維特等人的想法是：如果撞擊地球的小行星夠大就會帶來豐沛的水。此外，天文學家還知道火星木星之間軌道上有一大群小行星，並將該區域稱為小行星帶。而且，小行星中重水與彗星不同，吻合地球海洋和人體。各種線索指向我們這兒的水應該來自宇宙岩石。

感覺好像結案了，但其實小行星帶距離地球三億英里遠。從那種距離要一桿進洞得有多高明的技術？有足夠數量的小行星算準角度飛向地球以水覆蓋地表，這個現象發生機率有多高？人類又如何進一步理解？

——本文摘自《你的身體怎麼來的？從大霹靂到昨日晚餐，解密人體原子的故事》，2025 年 01 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

在這個充滿光與生命的宇宙中，我們的存在其實與一種看不見的力量密切相關，那就是量子力學。沒有量子力學，太陽將不會發光，地球上的生命將無法誕生，甚至整個宇宙的運行規則都會截然不同。這些微觀層次的奧秘深深影響了我們日常生活的方方面面。

其中，量子穿隧效應是一個看似違背直覺但至關重要的現象，從太陽的核融合反應到基因的突變，這種效應無處不在，甚至還牽動著當今的高科技產業。

什麼是量子穿隧效應？

我們可以將量子穿隧效應比作一個奇妙的穿牆術。想像一下，你身處一個被高牆包圍的城市，牆外是未知的世界。通常，如果你要越過這道牆，需要極大的力量來翻越它，或者用工具打破它。然而，在量子的世界裡，情況並不如此。

在微觀的量子力學世界中，粒子同時具有波的特性，這意味著它們並不完全受限於傳統物理的規則。當一個微觀粒子遇到能量障礙時，即使它沒有足夠的能量直接穿過障礙，卻仍有一定機率能出現在障礙的另一邊，這就是「量子穿隧效應」。粒子彷彿直接在牆上挖了一條隧道，然後穿越過去。

這聽起來像魔法，但它背後有深刻的物理學道理。這個現象的發生取決於量子粒子的波動性質以及能量障礙的高度和寬度。如果障礙較矮且較窄，粒子穿隧的機率就較高；反之，障礙越高或越寬，穿隧的機率則會降低。

太陽發光：核融合與量子穿隧效應的結合

量子穿隧效應的存在，讓我們能夠理解恆星如何持續發光。以太陽為例，太陽內部的高溫環境為核融合反應提供了所需的能量。在這個過程中，氫原子核（質子）需要克服極大的電磁排斥力，才能彼此靠近，進而融合成為氦原子核。

然而，單靠溫度提供的能量並不足以讓所有質子進行核融合。根據科學家的計算，只有約10的 434 次方個質子中，才有一對具備足夠的能量進行核融合。這是一個極小的機率。如果沒有量子穿隧效應，這種反應幾乎不可能發生。

幸好，量子穿隧效應在這裡發揮了關鍵作用。由於量子粒子具有波動性，即便質子沒有足夠的能量直接跨越能量障礙，它們仍然能透過穿隧效應，以一定機率克服電磁排斥力，完成核融合反應。這就是為什麼太陽內部的核融合能夠源源不斷地發生，並且持續產生光與熱，讓地球成為適合生命生存的家園。

量子穿隧效應與生命的演化

除了恆星的發光之外，量子穿隧效應還對生命的誕生和演化起到了關鍵作用。地球上物種的多樣性，很大一部分源於基因突變，而量子穿隧效應則幫助了這一過程。

DNA 分子是攜帶遺傳訊息的載體，但它的結構並不穩定，容易在外界因素影響下發生變異。然而，即使沒有外界因素的干擾，科學家發現 DNA 仍會自發性地發生「點突變」，這是一種單一核苷酸替換另一種核苷酸的突變形式。

量子穿隧效應讓氫原子隨時可能在 DNA 結構中進行位置轉換，從而導致鹼基對的錯位，這在 DNA 複製過程中，可能會引發突變。這些突變若保留下來，就會傳遞給下一代，最終豐富了基因與物種的多樣性。

半導體技術中的量子穿隧效應

除了在宇宙和生命中發揮作用，量子穿隧效應還影響著我們的日常生活，尤其在現代科技中。隨著半導體技術的發展，電子設備的體積不斷縮小，這也讓電子元件的性能面臨更大的挑戰。

在微小的電子元件中，量子穿隧效應會導致電子穿過元件中的障礙，產生不必要的漏電流。這種現象對電晶體的性能帶來了負面影響，因此設計師們需要找到方法來減少穿隧效應的發生，以確保元件的穩定性。

雖然這是我們不希望見到的量子效應，但它再次證明了量子力學在我們生活中的深遠影響。設計更有效的半導體元件，必須考慮到量子穿隧效應，這讓科學家與工程師們需要不斷創新。

量子力學是我們宇宙的隱藏力量

量子穿隧效應看似深奧難懂，但它對宇宙的運作和生命的誕生至關重要。從太陽的核融合反應到基因突變，甚至現代科技中的半導體設計，量子力學影響著我們生活的方方面面。

在這個充滿未知的微觀世界裡，量子現象帶來的影響是我們難以想像的。正是這些看似不可思議的現象，塑造了我們的宇宙，讓生命得以誕生，科技得以發展。當我們仰望星空時，別忘了，那閃耀的光芒，背後藏著的是量子力學的奇妙力量。

• 文／C 編、Heidi
• 本文編譯自《The Real Science Behind the Movie “Don’t Look Up”》

2021 年底在 Netflix 上架的《千萬別抬頭》（Don’t Look Up）講的是一個彗星撞地球的故事，但這並不是一部普通的科幻災難片，而是帶有黑色幽默的諷刺電影，用來嘲諷拒絕科學、對科學冷漠的社會大眾。雖然製作團隊原先是想諷刺那些否認全球暖化的言論，但在 COVID-19 疫情肆虐的現在，恰巧也能影射抵制口罩和疫苗的行為、煽動對立的政治操作，以及人們對於社交媒體的過度依賴。即使整部電影看似穿插了不少笑點，仍能從中感受到一股壓抑和無力感。

《千萬別抬頭》還請來了星光熠熠的卡司陣容，包括李奧納多．狄卡皮歐、珍妮佛．勞倫斯、喬納．希爾和凱特．布蘭琪等多位奧斯卡得主。飾演美國總統的梅莉．史翠普更表示這是她拍過最重要的電影！

製作人亞當．麥凱（Adam McKay）希望這部電影能夠如實描繪科學事實以及科學家面臨的挑戰，於是，他邀請知名天文學家艾米．邁因策爾博士（Dr. Amy Mainzer）擔任電影的科學顧問。

邁因策爾博士現為亞利桑那大學月球與行星實驗室的教授、全球頂尖的小行星探測和行星防禦專家，以及 NASA NEOWISE（Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer）計畫的首席研究員，負責監督這項史上規模最大的小行星探測計畫。在 2020 年 3 月，計劃內的一名天文學家成功發現了一顆新的彗星，並且將它命名為 NEOWISE，就跟計畫名稱一樣。

科學家眼中的災難片

本片的科學顧問邁因策爾博士與北美天文學新聞網站《今日宇宙》（Universe Today）的編輯南西．阿特金森（Nancy Atkinson）聊了《千萬別抬頭》這部片，以及電影中的科學。

邁因策爾博士醉心於彗星和小行星的研究，所以她表示，自己非常喜歡隕石浩劫這類電影題材！非常開心能看到以彗星為主題的電影，也十分慶幸能夠成為災難電影的科學顧問。

雖然目前實際上沒有任何小行星或彗星運行在可能撞擊地球的軌道上，也沒有任何一顆即將撞上地球。但本片畢竟是科幻電影，需要設定一顆真的即將撞上地球的彗星，更像是「拋磚引玉」的功能。邁因策爾博士以「科學實在論」打造故事框架，希望觀眾重視科學家的警告，不再相信虛假的謠言。

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而《千萬別抬頭》之所以涵蓋這麼多科學知識，是因為製作團隊對科學深感興趣，非常重視電影中的科學。因此電影畫面中，團隊設計的彗星既要符合電影的視覺需求，又要符合科學上真實彗星的樣貌。劇情不僅描述了發現彗星的過程，包括如何識別、確定彗星軌跡，還刻畫了科學家在探索未知事物時的反應。這不只描繪了科學家的形象，也告訴觀眾科學家是什麼樣的人，還有他們是如何傳播科學知識——有時很順利，但有時真的困難重重。

這部電影讓《今日宇宙》編輯印象最深刻的是，科學家試圖警告災難，卻沒有被當一回事。若是套用在氣候變遷和傳染病肆虐等全球議題上，這種冷漠的態度似乎有點太寫實了。

邁因策爾博士也認為，這齣電影想強調人們對於科學新聞的態度。就像《今日宇宙》編輯平時所從事的科普工作，將複雜的概念轉化為淺顯易懂的文字是很困難的，因為科學家慣用的詞語與日常生活中的用詞完全不同。

例如，「不確定性」（Uncertainty）代表測量結果是一個可能的數值範圍，而不是指我們不確定自己測量的是什麼。在不同的情境下，詞語意思也會不一樣，確實有可能造成溝通障礙——這只是其中一個例子而已。

對邁因策爾博士來說，這部電影講述的是科學家如何傳播知識，如何讓眾人瞭解這些知識，還有如何根據科學做出明智的決定。這樣的題材很有挑戰性，因為這是一部喜劇，希望觀眾可以在笑著看完的同時，能夠更加理解科學家們多麼努力想做到這些事，「可是也請容許我們偶爾做不到。」

幕後花絮：真正的 NEOWISE 計畫在做什麼？

其實，現實中新發現的 NEOWISE 彗星就是電影裡那顆彗星的原型。那是一顆長週期彗星，以驚人的速度從遠方朝太陽系飛來。邁因策爾博士在 2020 年 3 月發現 NEOWISE，7 月時它就接近地球了，就真的像電影中的彗星一樣，我們來得及反應的時間非常短。 

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好消息是，我們已經開始監視那些能釀成全球性災難的近地小行星。以超過 1 公里的近地小行星來說，科學家已經找到了其中 90%，而且沒有一個會對地球造成威脅。

但長週期彗星就是另一回事了。比起小行星，長週期彗星相當稀有，但這不代表它們不存在。雖然科學家持續監測，還是無法推估總數到底有多少。在邁因策爾博士看來，任何物體接近地球的機率都不是零，我們需要獲得更多知識，才能做好準備，方法就是不斷尋找彗星和小行星，並且全面性地監測、追蹤。

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邁因策爾博士也花了很多時間和導演討論小行星監測系統。當科學家們發現未知的小行星或彗星時，會透過這個系統比對所有已知的星體，如果確定是未知星體，系統就會公開觀測資訊，讓其他天文學家看見。從科學家的角度來看，他們努力地傳播科學資訊，但問題在於每個人對於科學的接受程度不同，這樣的矛盾在劇情中也有不少著墨。

電影中的科學家發現彗星只是湊巧，他本身並不是研究彗星的專家，但製片團隊仍花了不少時間呈現他們識別彗星、確定軌道，以及將結果轉告其他科學家的過程。雖然這畢竟是電影，多少美化了實際情況，但還是希望能藉此讓觀眾看見科學論證的嚴謹之處。

科學講述事實，但藝術掌管對事實的感受

本片中有許多大咖演員，他們才華洋溢，而且都有自信能展現出科學家感性的一面。他們都熱衷科學、關心科學在日常生活中扮演的角色，也相信如果人們根據科學做決定，就能找到更好的問題解決方法。邁因策爾博士還花了很多時間陪演員練習台詞，因為劇本裡有很多艱澀的科學術語。這麼做還有另一個好處，就是當他們沒有在聽博士講話時，博士可以表達身為科學家的感受，供他們揣摩。

邁因策爾博士一直覺得科學和藝術之間的關係很有趣。科學告訴我們事情的本質，但藝術掌管我們對這些事情的感受。這部電影呈現出科學家和大眾對於科學的看法：科學家想改變社會，以做出基於科學的決定，但也必須設法讓大眾傾聽科學的聲音——這種矛盾和拉扯，就是這部電影的核心所在。

The harmful ramifications of climate change are ongoing and undeniable. It is crucial we take the necessary steps to protect our planet. Visit https://t.co/7Rx6qOmRf0 to get involved. #DontLookUp pic.twitter.com/dkPN9itpQJ

— Leonardo DiCaprio (@LeoDiCaprio) December 27, 2021

科學家有所隱瞞？他們更想說個沒完

那些拒絕科學的大眾普遍認為 NASA 或政府隱瞞了一些事情，可是所有科學家卻都說，如果他們發現太空有危險物體，絕對會爬上屋頂告訴全世界。

如果換成是邁因策爾博士，她也會這樣做！當科學家學到新的酷東西時，就像一班人去了一趟很棒的旅行，回家後，他可能會讓其他人感到厭煩，因為他不斷提起旅行中的所見所聞。大多數科學家不會停止談論自身所學，因為他們熱愛這些知識，也希望其他人知道這些酷東西，或許他們就會因此愛上科學！

邁因策爾博士希望觀眾看完這部電影後，能夠理解科學家也是人，而且和一般人沒什麼兩樣。「作為科學家，我們經常遇到溝通方面的挑戰，但我們正在努力，而且我們不會放棄！」