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【Gene思書齋】讀完這本書,你會再看一次《星際效應》

Gene Ng_96
・2015/05/27 ・3473字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

克里斯多福.諾蘭(Christopher Nolan)的《星際效應》(Interstellar)一生至少要看兩次!一次是在讀了基普.索恩(Kip Thorne)的好書《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》The Science of Interstellar)之前,另一次是之後。

即使沒有任何的物理常識,也不折損《星際效應》的觀影,因為克里斯多福.諾蘭的導演功力是毋庸質疑的,他出道後,只有兩部執導的電影沒有排進IMDb前250大!他的《記憶拼圖》(Memento)、《頂尖對決》(The Prestige)、「黑暗騎士三部曲」(The Dark Knight Trilogy)、《全面啟動》(Inception)和《星際效應》(Interstellar)全都排進IMDb前250大,而且也一而再、再而三引爆許多話題。《星際效應》編劇強納森.諾蘭(Jonathan Nolan)和他哥哥的超強默契,在影史上也是段佳話。

《星際效應》可說是部頗硬的科幻電影,不僅其中大部分現象有紮實的理論根據,連特效都是用真正的科學方程式跑出來的。

儘管有硬度,可是《星際效應》卻還是極為叫好又叫座,我有不少朋友看完《星際效應》,哭得稀哩花啦的。

除了感人肺腑的劇情和超強的劇情張力,《星際效應》引爆最多的話題,就是關於其背後科學理論的詢問和討論,引發了許多大眾的好奇。於是網路上有一些的科普文章試圖為影迷解謎,如〈偉哉諾蘭!星際效應的十大謎團解答!-DailyView 網路溫度計〉〈五件事讓你的「星際效應」更好看(劇情討論) – 左撇子的電影博物館〉〈《星際效應》的最後結局是… – 火星軍情局- udn部落格〉

臺大科學教育發展中心還特別舉辦了《星際效應,有影無?》科普演講,邀請了臺大物理系高涌泉教授暢談星際知識:

還有網友的物理理論解說:

這些的優異科普文章和影片,幫助我們瞭解《星際效應》有多麼了不起,更錦上添花的是,索恩的好書《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》終於有了中文版!電子書也很快推出!讓索恩這位始作俑者,來爆第一手的料!《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》讓我們更完整地見識了電影的緣起、構思、理論和想像的過程,是所有《星際效應》迷人手一本的好書!

基普•索恩是加州理工學院的費曼理論物理學教授,是當今世界上研究廣義相對論下的天體物理學領域的領導者之一,他的主要貢獻在於重力物理和天體物理學領域。很多活躍於相關領域的新一代科學家都曾經過他的栽培和訓練。索恩和英國物理學家史蒂芬•霍金(Stephen W. Hawking),以及美國天文學家、科普作家、科幻小說作家卡爾•薩根(Carl E. Sagan,1934-1996)保持了長期的好友和同事關係。書中還透露了他和霍金打的賭,以及薩根在創作《接觸未來》(Contact)時,他給的建議。

索恩在《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》提到他和好萊塢的好友是如何產生一個用紮實的科學理論拍攝電影的構想。一位了不起的偉大科學家,本來就不會畫地自限地把自己鎖在象牙塔裡。像英國傳奇物理學家史蒂芬•霍金(Stephen W. Hawking)於1988年的科普書《時間簡史:從大爆炸到黑洞》(A Brief History of Time: from the Big Bang to Black Holes)就是出版界的奇蹟,共被翻譯成40多種語言,全球銷售超過一千萬冊!他傳奇的愛情故事,去年也被搬上大銀幕,拍成叫好又叫座的電影《愛的萬物論》(The Theory of Everything)。無獨有偶,去年電腦之父艾倫•圖靈(Alan M. Turing,1912-1954)的傳奇一生也被改編成電影《模仿遊戲》(The Imitation Game)。

這一再顯示,即使科學理論不好消化,大眾對科學和科學家,仍有強烈的好奇,只是學界要有有心人把科學當一個有趣的事物推廣給大眾。要不是《星際效應》,許多有趣的科學理論仍躺在教科書和學術論文供少數人孤芳自賞而已。看了《星際效應》,許多影迷都迫切想要知道什麼是蟲洞、黑洞、相對論、奇點、重力彈弓、五次元等等有趣的物理現象吧?

《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》內容非常豐富,結合了索恩的學術生涯、理論發展史、電影構想、科幻想像等等。在書中我們也同時見證了索恩對物理的熱情!從中也能見識一位物理大師,對理論和影像的精確性吹毛求疵的講究。從來沒有人見過巨人黑洞,可是索恩和特效團隊卻還是賣力忠實地打造了巨人黑洞驚人的視覺效果。

《星際效應》是團隊合作的極致表現,索恩在書中重現了製作過程中各領域頂尖專家的腦力激盪,他也面對不少編導丟給他的難題,解答過程甚至讓他可能多寫幾篇學術論文。雖然為了戲劇張力,犧牲了部分科學的精確性,可是《星際效應》已經盡心盡力忠於科學了!和科學事實及理論不符的部分,索恩在書中也作了詳盡的解說。

《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》很明確地把各章節標上清楚的符號。區分什麼是真理(T)、什麼是有根據的推測(E、G),以及什麼是想像臆測(S),非常負責任。《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》也讓大眾瞭解到科學理論的發展是怎麼一回事,許多原本確立的科學理論,如何一再被異例挑戰而需要作出修正。

儘管有許多科學理論非常匪所思夷,天馬行空的地步甚至比電影還扯,但科學和偽科學最大的差異是,即使許多理論物理學家的理論暫時還不能被當時和現在的實驗技術驗證,仍需要有嚴謹的數學根據。所以理論科學家天馬行空的難度是很高的,這也是科學迷人之處!

《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》書中幾乎沒有任何一條數學方程式,可是每個理論背後,都有極其複雜的數學方程式,連天才理論物理學家都要費盡腦力才解得出來,還需要一再讓其他同儕反覆驗證。不像偽科學的提倡者,是懶惰無能的傢伙,自以為是地要挑戰即有理論,卻不在乎科學事實和提供數學根據,把科幻元素當科學賣弄欺騙外行。《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》能讓大眾見識真正的科學。

因為受到了電影和科學的感動,我把《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》一口氣讀完,就像看電影賞析一樣。我是個物理白癡,近代物理幾乎沒有在課堂上學過,一丁點的相關知識都是從科普書來的,可是讀起《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》,即使有多處仍不見得都懂,卻仍不太妨礙,因為《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》寫得頗生動,而且結合有趣的電影劇情。更重要的,我是把《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》裡的科學理論當作藝術品來欣賞,就像欣賞畫作不一定需要清楚作畫的所有技法、聽音樂不見得要完全懂樂理和技法,雖然更進階專業的知識肯定會讓人有更多收獲和樂趣。

讀了《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》,好好把《星際效應》再看一遍吧!

延伸閱讀:

塑造「巨人」的形象─《星際效應》| PanSci 泛科學

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本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋


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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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