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光的過去現在與未來:光學簡史

劉珈均
・2015/02/02 ・1674字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 587 ・九年級
光學簡史
(圖:維基)

早在我們祖先的祖先還只是個單細胞生物時,就開始利用光的能量生存。人類無時無刻不受光的影響,對光的本質感到好奇,許多的哲學家、科學家也提出了各種假設來描述光的性質,人類對光的了解足跡,引領著文明進程。

到了17世紀,人們對於光的反射、折射等幾何性質已經相當了解,發展出光學儀器。1609年,伽利略使用自己改良的望遠鏡第一次看向夜空,觀測到木星的四大衛星以及月亮的表面坑洞。當時,人們普遍相信光的傳播不需要時間,但 1676 年丹麥天文學家奧勒.羅默(Ole Romer)利用木星遠離地球及接近地球時,木衛一的公轉週期變化測出了光的概略速度,同時證實了光的速度是有限的。

  • 編按:1676 年 12 月 7 日奧勒.羅默(Ole Romer)測定光速的研究發表在《學者期刊》(Journal des sçavans),證實光速是有限的,而非無限。雖然羅默測量出的光速仍不是相當準確,但他是第一個想出如何測量光速的科學家。
source:google doodle
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望遠鏡打開人類的宇宙視野,同時代的虎克(Robert Hooke)則製作了顯微鏡,看到了「細胞」,為後來的微生物學奠下重要基礎;虎克的「死對頭」牛頓使用了稜鏡將光「分離」成不同顏色的色光,發展出光譜概念,光譜於19世紀開始應用在化學元素的發現以及天文學方面,至今仍是各項科學重要的分析工具,牛頓將自己對於光的研究著成了《光學》一書,其中的光微粒在17、18世紀成為了主流理論。在這之前,人們之所以沒有接受光的波動性概念,即是因為沒有確切地發現光的繞射及干涉性質,一直到托馬斯‧楊格(Thomas Young)的雙狹縫實驗才證實了光的波動性,同時測定了不同色光的波長,而光的干涉性質到了現在依然應用在許多高精度的測量上面。

在1865年,馬克士威(James Clerk Maxwell)發表《電磁場的動力學理論》,馬克士威方程組不只成功地用數學表達電磁的性質,更推導出電磁波的速度等同於光速。不過,此時出現了一個問題,所有波動的速度是相對於他們的介質而言,而光的介質為何?當時認為,光的介質是一種未被發現的物體稱為「乙太」,然而1887麥克生-莫雷實驗(Michelson-Morley Experiment)發現,即便地球本身正在高速運動,從任何方向測到的光速都是相等的,而這也是愛因斯坦相對論一項重要的基本條件。對於任何觀察者來說,所有的物理定律都是成立的,包含電磁波的速度,既然光速是固定的,意味著時間必須改變,這代表著要放棄「時間是絕對的」概念。

19世紀末,人們開始進行真空管與一連串的放射性實驗,因而發現了許多未知的輻射線,而這些輻射線對於20世紀的原子結構研究相當重要,特別是X射線。倫琴(Wilhelm Röntgen)實驗時無意中發現了X光,並發現它可穿透人體組織,留下骨頭的陰影圖像。但大家對X光的特性仍不甚了解,直至20世紀初,德國物理學家勞厄(Max von Laue)的晶格繞射實驗,確認它是一種波長極短的電磁波,其高穿透性現在仍廣泛用於醫療與探測功能。在勞厄之後,人們可以透過觀察X光通過物體時的繞射圖形推測結構,對生物學、化學等影響重大,例如1953年華生(James Dewey Watson)和克里克(Francis Harry Compton Crick)就是通過X射線繞射方法得到DNA分子的雙螺旋結構。

20世紀之前,人們已經普遍接受用波動的概念描述光的行為,但卻沒辦法解釋金屬被紫外線照射時放出電子的光電效應,一直到1905年愛因斯坦提出光的粒子性才解決這個問題,認為光的能量和它的頻率有關,這個突破性的想法不只解決了光電效應的難題,更催生出了量子理論。而光電效應也大量用於光電二極體、太陽能、雷射等科技上。

光與天文學幾乎密不可分,20世紀初期,人們依據光譜學觀測到了「螺旋星雲」的紅移現象,並且用都卜勒效應解釋這些「星雲」的運動,但當時並沒有辦法知道這些天體的距離,直到哈伯觀測到這些星系上的造父變星的光度變化,估測出了距離,發現距離我們越遠的星系,遠離我們的速度越快,進而推測出宇宙正在膨脹。而到了20世紀中期,藉由電波望遠鏡的發展,也發現了中子星、類星體、宇宙微波背景輻射以及星際間的有機分子,對於宇宙的歷史與結構才能有更深了解。

我們生活在一個離開不了光的世界。

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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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