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是微中子比光還快?還是媒體錯誤報導傳播更快?

鄭國威 Portnoy_96
・2011/09/24 ・1775字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 552 ・八年級
閃電俠:比光還快很簡單啊!

最近最大的科學焦點議題除了墜落的衛星,當然就是「比光還快的微中子」了。然而此消息一出,許多媒體開始扯時空旅行可能實現之類的。科學社群其實很審慎看待這件事,就連發現這現象的科學家也認為自己大概是出錯,而要求其他科學家協助驗證,該研究論文已經公佈,歡迎下載閱讀。以下整理數篇相關網摘,若有興趣的伙伴可以自行閱讀全文。

首先,ScientificAmerican的Basic Space部落格作者Kelly Oakes用簡明易懂的方式先將這次CERN公佈的,來自OPERA experiment的實驗結果陳述一遍(因為有很多媒體詳細刊登了實驗結果,我在此就不重複了),然後指出兩個關鍵問題:第1是這個結果違反了因果定律,有因才有果這件事將被打破。好吧,或許這對許多人來說是個好消息;第2個問題則是這樣的觀測結果與最近超新星SN1987A爆發時觀測並完整紀錄的結果不一致。當時爆發後傳到地球的微中子以光速前進,卻比光提前了3小時到達地球。這是因為光子被超新星爆發後的殘餘遮擋了(這個說法其實並不夠正確,因為可見光在衝擊波到達恆星表面時才發生,因此比微中子晚出發)。因為微中子幾乎不會跟任何物質起作用,直接穿透,所以準時到達。如果照這次OPERA計劃觀測到的「比光快60奈秒」的數據來推算,那麼SN1987A爆發後的微中子應該比光提早4.14年就到達地球才對,然而事實上並非如此。

當然,科學永遠可以推翻,Oakes也認為如果微中子真的比光子快,那會「很有趣」,但就目前的情況來說,她選擇把賭注壓在愛因斯坦這邊。說到愛因斯坦,很多媒體除了鬼扯「時光旅行即將到來」之外,更常見的用語則是「推翻愛因斯坦」或「推翻相對論」…Discover magazine部落格Cosmic Variance作者Sean認為假使這研究結論是正確的,那當然是超級有意思,但非常非常非常可能是研究有誤。他並非要批評研究者,畢竟這些科學家都是最頂尖的高手,而是這研究實在太困難了,魔鬼藏在細節中,就算出錯也不奇怪,系統性的錯誤的確可能存在。如果研究結果能被其他獨立實驗重複驗證,到時候再跳上桌子大叫也不遲。

事實上,就連研究者OPERA計劃的發言人 Antonio Ereditato都立即否認所謂「推翻愛因斯坦」或「推翻相對論」的說法,他在Science的採訪中表示研究團隊必須誠實面對實驗結果,不能把這個發現掃進地毯下,公開的目的是希望其他研究單位協助驗證。Sean也提到這研究結論與SN 1987A觀測結果有違的事情,不過他強調,1987A紀錄到的微中子是微中子三種類型中的「電子微中子」,其能量比這次OPERA觀測到的「渺子微中子」低,因此能量有可能是關鍵。另外一個可能的解釋是「違反勞侖茲協變性」,也就是打破質能守恆定律,不過我是外行人,這個有待高手近一步解釋。DiscoverMagazine的另外一位部落客,Bad Astronomy的Phil Plait則在他的文章中解釋了這研究觀測的複雜性跟困難程度。DiscoveryNews的Jennifer Ouellette 用大篇幅分析了這則發現,其中很大一部份跟本文的主旨一樣,希望大家不要相信過度渲染的報導(還不到那時候)。

Starts with a Bang部落格作者Ethan Siegel也同樣持高度質疑態度,並圖文並茂地在文章中解釋如何製造微中子束、如何捕捉微中子,還有1987A超新星爆發時科學家是如何紀錄事件的。如果你之前幾篇沒時間看,這篇一定要看,更要看看下頭的迴響。

最後,即使大多科學家都還審慎看待,並認為極有可能是OPERA出錯,但這世界上是否真的有比光更快的東西呢?Dr.Kaku在他的部落格中列舉了四種可能(很可惜不包括閃電俠),其中他認為最有可能的是利用反物質折疊空間然後透過蟲洞…然而既然弦理論專家的Dr. Kaku也說他還沒有想通,那我也不亂講了。如果你也對於「比光還快」的訊息有興趣,可以先看看維基百科上詳細的條目,並請先不要隨著媒體亂報起舞,我們靜觀幾個月吧!

(P.S. 我好期待閃電俠的電影喔,怎麼不趕快開拍!)

update(09250107): 根據臉書上Ic Shen的意見,將「中微子」改為更恰當的「微中子」

延伸閱讀:
比光速還快的粒子略過愛因斯坦?

Interview with CERN neutrino study authors
http://www.youtube.com/watch?v=8pdsOGRqblY

文章難易度
所有討論 2
鄭國威 Portnoy_96
241 篇文章 ・ 343 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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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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