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冥王星可能有隱藏的海洋嗎?

臺北天文館_96
・2011/12/07 ・1864字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

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美國航太總署(NASA)的新視界號(New Horizons)太空船目前已經是所有太空任務中離冥王星最近的,它預定將在2015年飛越冥王星期間進行探測,天文學家希望能藉由這番近距離探測,確認冥王星冰凍表層的下方式否有隱藏的液態海洋。

冥王星表面是由氮冰所組成的薄殼層,在其下方則是水冰殼層。美國加州大學聖克魯茲分校的行星科學家Guillaume Robuchon和Francis Nimmo等人計畫探究冥王星冰層下方是否有海洋存在?如果有海洋存在的話,那麼在冥王星表面可能會出現什麼樣的特徵?Robuchon等人利用電腦模擬冥王星的熱能演化模式,看看冥王星表面冰殼會如何隨其下方的海洋而改變。諷刺的是,最容易看出特徵的狀況居然是如果下方沒有海洋存在之時。

搜尋表面特徵

當球形天體自轉時,它們的角動量會使物質向赤道集中,形成凸起。如果冥王星擁有地下海洋。海洋上方的冰層將會流動,進而減低這樣的角動量拉扯所形成的凸起。因此,冥王星維持在自轉速度比較快時所造成的原始比較凸起的外觀,便顯示它缺乏海洋。Nimmo表示:根據他們計算,如果真的維持這種原始凸起外觀的話,那麼它將比冥王星的平均海平面還高10公里左右,以現在的科技而言,可以直接偵測到,當然也可以從新視界號拍攝的冥王星影像直接測量出來。

新視界號於2006年發射,預定將在2015年4月飛掠冥王星,除了測定冥王星的外觀輪廓、表面特徵和組成成分之外,它還將研究冥王星表面溫度、大氣組成、在冥王星附近的太陽風狀況等。由於冥王星距離太陽非常遙遠,且環繞太陽一週長達248年,絕大部分時間都維持在低溫狀態;當溫度稍有改變,就會改變冥王星體積,進而使得表面所受張力或壓力改變。地下有海洋,通常會造成張力增加而使冰被拉扯;若地下是固態的,則通常是受到壓力而被擠縮;這種改變通常是全球性而非局部區域。若冥王星冰殼下有海洋,從冥王星的這些特徵,也可以瞭解冥王星地下是否有海洋。

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不過,這只是「理想上」,因為要進入環繞冥王星的軌道相當複雜,因此新視界號只能從旁飛掠冥王星,所以它無法繪製冥王星整個表面的地圖。只能藉由最接近冥王星的前後約3個月左右,盡可能拍攝冥王星的影像,以供科學家分析。當新視界號最接近冥王星時,距離僅有12,500公里,解析度約為每像素相當於62公尺,所以只要是規模大於80公尺的山脈或山谷都可被解析出來;這數字看起來仍很粗造,但已經比哈柏太空望遠鏡所能得的冥王星表面最佳解析度還高10倍以上了。如果新視界號可以拍到如同土衛二的冰泉這樣的特徵,那就可以更容易地確認冥王星有沒有海洋了。

冰質行星上的水

冥王星到太陽的距離,比地球還遠40倍左右,似乎不太可能擁有海洋,即使在冥王星地底亦然。但如果冥王星有來自內部的熱能,便可能加熱水冰使其融化成海。

來自冥王星內部的熱能來源,最可能的就是放射性同位素的衰變。而在所有放射性同位素中,這些研究人員發現鉀同位素是最重要的。若冥王星核心擁有足夠的鉀同位素,就足以融化其上方的冰層。根據Robuchon等人的計算,只需在早期太陽系形成的隕石中所含有的鉀同位素豐度的1/10,就可以達到融化冰層的目的,因此Robuchon等人認為很有希望是因為這種狀況而使得冥王星擁有地下海洋。

形成海洋與否,其中最關鍵的因素就是冰的黏滯性。黏滯性較低、如融雪般泥濘的冰層較容易吸收來自下方水體的熱能,導致海洋凍結。黏滯性較高、比較堅硬結實的冰殼,則不易吸收下方水體熱能,得以使海洋保持原貌。

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根據Robuchon等人的模擬,遍及全冥王星的海洋,平均深度將可達165公里,包覆在海洋以外的冰殼,厚度也差不多是165公里左右。

適居區增加

科學家一向認為水是目前已知生物最必須的物質,所以當搜尋恆星周圍的適居區時,著眼的就是恆星周圍的溫度恰好使液態水存在於岩質行星的區域。

在我們太陽系中,適居區約包含金星、地球到火星軌道的範圍,但天文學家已經證明液態水也可以存在於適居區外。例如:木星衛星中的木衛二(歐羅巴,Europa)、木衛三(加尼米德,Ganymede)和木衛四(卡利斯多,Callisto)就可能在其冰殼下方有海洋存在;土星衛星中的土衛六(泰坦,Titan)也出現似有地下海洋的特徵。

根據Nimmo的說法,即使冥王星有海洋也不太可能存在生命,因為生命所需的有機營養素在許多年前就已被過濾掉了。不過,如果像冥王星這樣的矮行星可以擁有地下海洋,那麼在冥王星軌道附近的古柏帶(Kuiper belt)中,很可能有其他類似天體可能不僅有地下海洋而且還有有機營養素,是個適合生物生存的地方;如此一來,太陽系中的「適居區」數量將遠超過科學家原本的猜想,也將改變目前天文生物學尋找外星生命的目標。

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資料來源:Pluto’s Hidden Ocean[2011.11.17]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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海洋盛宴——抹香鯨落
黑潮海洋文教基金會_96
・2023/11/05 ・3099字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文 胡潔曦|黑潮海洋文教基金會 鯨豚保育研究員
  • 本文轉載自黑潮海洋文化基金會《海洋盛宴——抹香鯨落》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持黑潮喔!
圖一、抹香鯨舉尾下潛

編按:本文主要內容與圖片摘錄、翻譯自文獻Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan,期望在頻繁目擊抹香鯨的 7 月,跟大家分享抹香鯨落的研究。

生存在深海中並非容易的事,由於深海裡缺乏陽光與有機物質,許多生物是藉著海水表層落入深海的有機物質維生。當鯨豚死亡後沉入海底,這段過程、遺體以及過程中所形成的生態系均可被稱為「鯨落」。鯨落可以說是生命的延續之源,而這些殞落至海底的鯨豚有如「金山銀山」,不僅能提供大量的有機物,同時也將許多硫化物帶入海底,造福許多海洋生命,因此也有一句話說:「鯨落,萬物生」。這篇文章透過閱讀國外文獻與整理,希望跟大家分享抹香鯨死亡之後的貢獻!

圖二、世界目前已知的鯨落位置,Implant=人工鯨落  Fossil=鯨落化石  Natural=自然鯨落(Li et al. 2022

故事的開始——集體擱淺在日本的抹香鯨

在 2002 年 1 月,日本的西南海岸發生了一起集體擱淺,共發現了 14 隻抹香鯨,而其中 12 隻抹香鯨被綁上水泥塊後,被當地政府沉入了 Nomamisaki 岬角周邊深度大約兩、三百公尺的海裡,形成了多座人工鯨落。當時有許多學者對於抹香鯨落感到好奇,究竟牠們會吸引來哪些生物?而抹香鯨龐大的遺體會需要花費多長時間分解呢?透過這項研究,或許能讓人們對大型齒鯨落的分解過程更加瞭解。

圖三、編號 12 之抹香鯨在 2003 年之手繪插圖(Fujiwara et al. 2007

事實上,在 2002 年以前,多數的鯨落研究出自於美國的加利福尼亞州外海,並以鬚鯨為主要研究對象,而這些鯨落的深度幾乎都落在一、兩千公尺深,比起這次抹香鯨落群的深度深了非常多。而這次大量出現在日本西南海域的多座人工鯨落有著種種獨特性,包含了:深度淺、是大型齒鯨的鯨落等等,也讓學者們充滿好奇心。

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究竟要如何長期觀察抹香鯨落呢?

閱讀至此,不知道讀者們是否有一項疑問?在兩三百公尺深的海裡,既缺乏可見光,同時也承受著數十倍的大氣壓,在這樣的條件下到底要如何觀察抹香鯨落呢?「ROV——水下探測載具」即是這個研究的一大助手,能夠幫助科學家們突破這些困難,不僅能在深海中蒐集珍貴的影像,也可以完成採集的工作。而在團隊耗費了 3 年運用水下載具追蹤其中的五隻抹香鯨後,他們也有了些有趣的收穫,透過圖四可以看到這段時間抹香鯨的外觀變化。

圖四、編號 12 之抹香鯨 a. 2003 年 7 月  b. 2004 年 7 月  c. 2005 年 7 月利用水下探測載具拍攝影像(Fujiwara et al. 2007

經過數年的追蹤後,研究團隊發現,抹香鯨落歷經分解的速度堪稱飛快!根據 2003 年的鯨落研究,學者將鯨豚分解的過程定義為下述四個階段(Smith and Baco 2003),而第一個階段到最後階段可能會歷時數年甚至到數十年,當鯨豚的遺體越大,可能耗時越長:

  1. 移動清道夫階段(Mobile-scavenger):生物會快速消耗掉鯨豚體表上的肉與脂肪。
  2. 機會主義者階段(Enrichment opportunist):生物開始進駐鯨豚裸露的骨頭及周邊富含營養的底層泥沙上。
  3. 化能自養階段(Sulphophilic):骨骼釋放硫化物,供養海洋中依靠硫化物維生的生物。
  4. 骨礁階段(Reef):在所有有機物質被消耗之後,即會進入骨礁的階段。

註解:上述中文名詞翻譯參考自國家地理頻道及國立海洋科技博物館 鯨落展區。

鯨落最快被消耗掉的部分是身上的肉跟脂肪,而這份文獻研究的 5 座抹香鯨落,肉跟脂肪在經過 1 年之後已幾乎被消耗殆盡;經過 1.5 年之後,抹香鯨落已進入化能自養階段,骨骼開始釋放硫化物質;有些大型鯨落從化能自養階段轉為骨礁期要歷經數十年,根據這項研究發現,部分抹香鯨落竟在 3 年後就能夠進入骨礁期,身上所有的有機質都被消耗殆盡,而這樣的進度相較於過去鬚鯨落的研究是非常快的!研究人員初步推測,可能是因為此處的平均水溫相較其他鯨落研究的海域高,生物分解的速度比較快。

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抹香鯨落上意想不到的生物多樣性

這次的研究共有發現超過百種生物聚集在抹香鯨落周邊,包含軟體動物門、多毛綱與甲殼綱的生物等,在 1.5 年後,貽貝是抹香鯨骨骼上最為豐富的生物類群(圖五)。而抹香鯨落整體的生物多樣性在到達 3.5 年時來到高峰,紀錄中共有八十多種生物出現。

圖五、位在抹香鯨脊椎骨的貽貝(Fujiwara et al. 2007

除了確認抹香鯨的腐化速度之外,研究人員也會在探測載具每次下海時採集底部的泥沙,經分析發現,抹香鯨身體下方泥沙中的硫化物濃度,隨著鯨落分解的時間越久,濃度也會逐漸提高,並吸引來大量仰賴硫化物生存的生物。為了進一步確認周遭環境的生物是否與抹香鯨身上的有差異,研究人員也將抹香鯨 10 米以內與外的生物做了比較,發現鯨落 10 米以外的物種與鯨落上的生物完全沒有重疊,也證明了鯨落的出現確實吸引來許多的生物。

鯨落,萬物生

鯨落的各個分解階段吸引了許多生物造訪,肉與脂肪等在幾個月內快速地被消耗掉,有機碎屑也能讓周邊海底的富含養分,而抹香鯨骨能釋放硫化物數年,部分大型鯨甚至可能長達數十年。「鯨落,萬物生」,在鯨豚生命的最後一章,牠們的身體緩緩沉入海底,成為了大量生物的食物來源。至 2022 年為止,目前世界已知鯨落共有約 160 座,也希望隨科技進步,人們能更深入認識鯨落為環境帶來的影響。

影片分享:美國於2019年在NOAA保護區發現的深海鯨落

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參考資料

  1. Fujiwara, Y., Kawato, M., Yamamoto, T., Yamanaka, T., Sato-Okoshi, W., Noda, C., Tsuchida, S., Komai, T., Cubelio, S.S., Sasaki, T., Jacobsen, K., Kubokawa, K., Fujikura, K., Maruyama, T., Furushima, Y., Okoshi, K., Miyake, H., Miyazaki, M., Nogi, Y., Yatabe, A. and Okutani, T. (2007), Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan. Marine Ecology, 28: 219-232.
    https://doi.org/10.1111/j.1439-0485.2007.00150.x
  2. Li Q, Liu Y, Li G, Wang Z, Zheng Z, Sun Y, Lei N, Li Q and Zhang W (2022) Review of the Impact of Whale Fall on Biodiversity in Deep-Sea Ecosystems. Front. Ecol. Evol. 10:885572. doi: 10.3389/fevo.2022.885572
  3. https://oceanservice.noaa.gov/facts/whale-fall.html
  4. https://natgeomedia.com/environment/article/content-6001.html
  5. https://www.soest.hawaii.edu/oceanography/faculty/csmith/Files/Smith%20and%20Baco%202003.pdf
  6. http://hi.people.com.cn/BIG5/n2/2020/0409/c228872-33936490.html
黑潮海洋文教基金會_96
4 篇文章 ・ 1 位粉絲
  黑潮海洋文教基金會,1998年於花蓮成立,是臺灣第一個為「鯨豚與海洋」發聲的民間非營利組織。最初以鯨豚調查為開端,多年來深耕於海洋議題、環境教育與科學調查,如同一股陸地上的黑潮洋流溫暖而堅定,期許每個臺灣人的心中都有一片海洋。

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星光,指引地球的未來——《困惑的心》推薦跋
時報出版_96
・2023/07/17 ・4372字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 潘康嫻/中研院環境變遷研究中心博士後研究員

人類是天生的科學家。我們生來就想知道為何星星會閃爍,想知道為何太陽會升起。


加來道雄

地球上有一群人總喜歡抬著頭,看著夜空中點亮大地的星燈,這些星光夾藏著宇宙的祕密,穿透無數個光年,抵達藍色的星球。除了欣賞夜色之美,這一群人更試圖從中看出點端倪,這些熠熠星光是怎麼來的?宇宙是什麼樣子?為什麼會有地球?生命從何而來?還有其他如地球般的星球嗎?那裡也有文明嗎?好多個「為什麼」是大自然帶來的啟發,而人類尋找答案的行動,卻是宇宙裡不可思議的精彩。

好多個「為什麼」是大自然帶來的啟發,而人類尋找答案的行動,卻是宇宙裡不可思議的精彩。圖/envatoelements

向遙遠的星系發送信號 尋找未知的外星文明

人類的世界觀從曾經的地球放眼到太陽系,隨著科學與科技的進步,二十世紀的物理學開創宇宙論的發展,至二十一世紀天文觀測的黃金年代,不停歇地向深邃的星空探索,走出新的視野。近二十多年的諾貝爾物理獎,多達三分之一肯定天文學的貢獻,例如 2019 年獲獎的三位學者,一位建構宇宙大霹靂理論模型,另兩位發現一顆繞著另個太陽類型恆星公轉的系外行星。宏觀的宇宙視野,加上相對微觀的行星視角,近代的天文學一再刷新人類對宇宙演化及地球定位的認知。

天文望遠鏡和太空科技的進展,讓現代的天文學家得以挖掘宇宙暗藏的驚奇,透過紅外線觀測,我們看到隱藏在可見光背後恆星誕生的搖籃,也發現了宇宙考古學的線索。2019 年諾貝爾物理學獎得主之一詹姆士・皮博斯(James Peebles)花費大半輩子,帶領我們梳理宇宙 137 億年演化的歷程,如今我們知曉實質物體的總質量佔宇宙的 5%(其餘為 68% 的暗能量,與 27% 的暗物質)。在這 5% 的質量中,粗略估計大大小小星系中的星點,加總起來約略有 1027 顆恆星。假使每顆恆星誕生時也伴隨著行星系統的發展,在如此龐大的總數下,是否也有另一顆適合生命發展的星球?

放眼望去,茫茫星海,僅吾唯一?以地球人的角度思考外星生命的可能性,德雷克公式(Drake equation)將文字的問號轉成可運算的概念,考慮環境因素和發展文明的可能性,估計銀河系中存在著少則一千,多則一億的文明數量。但這些年,沒有人聯絡我們,我們也沒有找到對方,費米悖論提醒了估算與現實的落差。天文學家藉著太空科技的發展得以主動探尋,1972 年的先鋒號和 1977 年的航海家,帶著人類寫給外星人的科學密碼信函,至今持續在星際間航行。除了寫信,還可以像發電報一樣,1974 年的阿雷西波訊息(Arecibo message),對著遠在 25,000 光年外的 M13 球狀星團發送訊號,寄望能在高齡星團中找到找到高智慧文明存在的可能性。然而,這一去一回,收到回音得等上五萬年,已不知道是人類幾代以後的事了。

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1977 年的航海家,帶著人類寫給外星人的科學密碼信函,至今持續在星際間航行。圖/wikipedia

一如 15 至 17 世紀的大航海時代,歐洲船隊面對大海,莫不引頸期盼能在望遠鏡裡看到遠方的陸地。行星猶如當時的目標,由於行星不會自行發光,尋找行星的難度如同在千里之外的明亮燈塔旁邊瞧見一隻蚊子,然而技術的困難並未讓人退卻,科學的精彩就在於想辦法突圍。

更清晰地遙望遠方 用太空望遠鏡在地球上一起遨遊宇宙

1995 年米歇爾・麥耶(Michel Mayor)迪迪爾・奎洛茲(Didier Queloz)藉由分析恆星光譜中的都卜勒效應(目標物遠離觀測者時,其光譜會往長波方向拉長稱作紅移,反之靠近則往短波壓縮稱之藍移),在飛馬座找到繞著太陽類型的恆星公轉的第一顆系外行星飛馬座 51b(51 Pegasi b),為系外行星大發現時代展開序幕,也讓他們在 2019 年共享諾貝爾物理獎的殊榮。至今近 25 年觀測資料的累積,尤其有了克卜勒太空望遠鏡和接續的凌日法系外行星巡天衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS),系外行星數量自 2014 年開始大幅增加,截至今年 2023 年 6 月統計,約有 5,500 顆系外行星,依據型態將系外行星分成四類:氣體巨行星(又稱熱木星)類海王星超級地球類地行星。天文學家從統計數量和行星形成動力學模型中獲得豐富的訊息,也讓太陽系的形成與演化有了更進一步的認識。以一個系統中的行星質量做序列可以分成四種:由小至大(太陽系即為此類)、由大至小、混合、和大小相似,科學家發現像太陽系八大行星的排序反而非常稀有,像 TRAPPIST-1 系統中七顆行星大小雷同的類型倒是常見,人們才驚覺原來太陽系與其八大行星的組合是如此與眾不同。這個獨特也包含太陽系的氣體行星木星,有顆大質量的木星在外,像吸塵器一樣讓闖入太陽系的天體轉向(例如 1994 年的舒梅克-李維彗星撞擊木星事件),減少外來者體撞擊內太陽系的機會,使得位在適居帶的地球有足夠安全的環境與時間孕育生命。原來要有機會誕生生命,先決條件也要天時地利「星」和。

有沒有一種可能,其實有外星訊號,只是現今的科技還無法察覺和解讀? 二十一世紀的新視野多來自百年前科學家所闢的路,例如愛因斯坦在廣義相對論提出對重力的新見解,物體質量造成的空間扭曲,只是改變的幅度之小不易測量,直至 2015 年天文學家終於在絞盡腦汁精細設計之下,成功打造觀測重力波的天文望遠鏡(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO),2017 年人類首次觀測到雙中子合併事件,解開化學元素週期表上的重金屬形成之謎。在天文學的領域,一個計畫從靈感發想、規劃藍圖、開工建造、出發觀測、收集資料到計畫結束,從開始到最後的時間跨度,往往超過科學家本身的職業生涯。科學家年輕時的構思,常須藉由後生晚輩接棒執行,有生之年不一定看得到科學成果,而這一路上牽起了一代又一代的傳承,一起讓科學的進展跑得更遠,跑向遠在未來的新發現。本篇文章談及的計畫,在筆者的學生時代,早已如火如荼地展開,伴隨著計畫的執行和觀測資料的回傳與分析,是前輩們的堅持與努力,也是帶給新生代天文學家的禮物和邀請:現在的成果來自於我們過去的努力,而未來要由現在的你們來開創。

太空望遠鏡的升空協助天文學家得以更清晰地遙望遠方,讓系外行星的發現轉為低風險的冒險之旅,安全地帶著大家想像另一個世界的雛形,正當書中的主角,天文生物學家拜恩教授,為兒子羅賓說起異星見聞時,好似向星空開啟一扇扇門,父子倆得以一起遨遊宇宙。

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穿越都市的水泥叢林,遠離學校與人群,當我讀到書中拜恩教授帶著羅賓前往國家公園露營,徜徉在大自然的聲音與光影,兩個人在星光下深度傾聽彼此,為人生的焦慮與困惑尋找方向,令我不禁想起,曾經只是為了想看星星,所以去登山的自己,無意間在山林尋回自己的心。臺灣的山勢陡峭地形多變,得要十分專注在腳下的步伐與眼前的山徑,此刻陪伴自己的只有呼吸和心跳。踩著吃力的腳步,一瞬間,世界難得寧靜,只聽得見自己的聲音,「離目標還有些距離,繼續是前進,回頭是放棄。若是堅持,不知還有多少難關?若是放棄,我能接受放棄的自己嗎?難道是走錯路或迷路,所以才這麼難行,那麼路又在何方?」為一睹繁星,在光害日趨嚴重的情況下只得越走越深山,不只用腳感受臺灣地貌的鬼斧神工,還要感官全開地觀察瞬息萬變的天氣,多認識她才能做出適當的應變確保登山安全。白天的路上觀察自然的氣息,與重建內在的自己,晚上終見美麗的星空,走在一條條的山岳路線,整頓人生朝著目標向前行。

書中拜恩教授帶著羅賓前往國家公園露營,徜徉在大自然的聲音與光影,兩個人在星光下深度傾聽彼此,為人生的焦慮與困惑尋找方向。圖/envatoelements

回首看看我們腳下的地球

天文學總是背對著地球往外尋找新的未知,試圖解讀新收到的觀測資料與訊息,然而來自腳下的訊號呢?地球也是行星,是離我們最近的行星,她孕育了這世界的美好,但她的語言,我們真的懂了嗎?羅賓對外界的反應多來自於他所觀察到的地球,作為父親的拜恩教授要怎麼回應孩子呢?

當我們汲汲營營想向外拓展新知識、新世界時,可曾留意腳下正在發燙?若將地球的呼喊換成人類的語言,環境變遷的種種跡象就是地球發燒的訊號。以往科幻災難片當中的賣座奇觀,漸漸成為生活新聞,熱浪、野火、水災旱災、劇烈天氣變化,讓全球不只要解決眼下的困境,也要未雨綢繆地做永續經營的規劃,即刻採取行動已是迫在眉睫。

2021 年,聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)公布第六回的全球氣候變遷評估報告,提及全球暖化現象在冰河面積、海平面上升、全球氣溫,及海洋酸化等等的科學研究報告中,出現許多令人擔憂的新紀錄,並指出二氧化碳與溫室氣體排放量的關聯性,巨變的環境讓各類生物物種面臨生存威脅。因應這場危機,全球達成共識目標於二十一世紀的地球平均氣溫,相比十九世紀最多僅能上升攝氏 1.5 度,並且在 2050 年達成全球淨零碳排放。今日世界各國包含臺灣正積極發展替代能源減少碳排放,同時開發技術增加碳匯,企圖集結眾人的力量把大氣中的碳存回大地。但我們能在有限的時間內力挽狂瀾嗎?假使目標如期達成,是否就高枕無憂了呢?地球和我們的日子就美好了嗎?

二氧化碳與其他溫室氣體排放帶來的環境巨變,讓各類生物物種面臨生存威脅。圖/envatoelements

從人類張開眼睛認識日月星辰,建立了神話、曆法和文明,發展農耕,再到科學與工業革命,一路解析宇宙和地球的起源、歷史、環境、命運。星星帶給人類的啟發,讓人類的足跡已從地球走向太陽系,從更高的視野回頭凝視地球那令人屏息的湛藍,離開地球的探索,讓我們重新看見地球。文化藝術與科技文明的發展一直以來與大自然息息相關,進步固然帶給人類生活和思維的改變,然而過度的開發讓環境失衡,讓現在的我們必須啟動地球生命保衛戰,永續經營之前要先理解,如何理解則引發更多的提問,解答提問的過程中人類將深刻感受地球的脈動,為身為地球人感到驕傲。BE-WILD-ER-MENT 的故事在過去已開始,現在的行動是創造機會、還是命運?未來,讓我們和這顆有心跳的藍色星球一起來回答吧。

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——本文摘自《困惑的心》,2023 年 7 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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宇宙文明演化史(上):能量觀點下的先進文明
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/06/26 ・3182字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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編按:說到星際文明的發展程度,科幻愛好者必定會提到「卡爾達肖夫指數」,以使用的能源多寡,來區分文明發達程度。然而,除了從能源來評斷文明進程,其實還有其他的評判方式。

「宇宙文明演化史」系列,將在上篇回顧「卡爾達肖夫指數」,下篇介紹較少討論的「資訊量」與「微觀尺度」的評斷觀點。

地球數以萬億計的物種中,人類算得上是最具高等智慧的生物。

但假設——遙遠的某顆行星上也有「智慧生命」的存在,那麼,對方是否有可能比我們先進?他們能透過量子力學的應用而發明電子產品嗎?他們能掌握陽光、電磁等能源嗎?他們是否有完善的醫療、教育、經濟、社會結構?又或者,他們是否已然可以達成人類難以觸及的瞬時旅行?

智慧生命的演進

誠如在這篇文章所提過的,碳基生命自發形成的機率極為渺小,從有機分子組合成蛋白質、基因序列、細胞、再到個體的行程,這個機率相當於「一陣龍捲風掃過垃圾場、從中隨機拼湊出一架波音 747」那樣渺茫,更何況是演化成像人類這樣的「智慧生命」。

我們不僅僅具有生物體的基本特徵,還具有思考能力、邏輯、記憶力、甚至是預測與規劃未來的能力,這些可以說是人類與其他生命體最與眾不同之所在。人類之所以成為「智慧生命」,便是因為擁有了自己的語言、文字,使資訊得以保留並傳承。回溯到百萬年前,從演化論的角度來看,當時人類與其他靈長類動物差異並不大;然而,我們的老祖先發現了「火」,並且懂得如何生成並且控制「火」,使得我們不再像其他動物那樣直接生食獵物;另一方面,我們開始懂得用遮羞布、乃至於之後縫製衣服。

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此外,我們能表達自己的情緒,能輕易地展現喜怒哀樂溝通,進行交際活動——這些都是人類得以成為智慧生命的原理。

順帶一提,根據物理學家加來道雄(Michio Kaku)所提出的「穴居人原理」(caveman principle),我們人類依然存有百萬年前老祖宗們「原始慾望」的影子——換句話說,數十萬年來人類雖然不斷演化,然而我們的人格依然保有原始穴居人的基因本質。舉例而言:即使有先進的電腦把文件處理完善,我們仍習慣把文件影印成紙本,之所以如此,係因原始人類捕獵動物時要求「獵殺證明」,習慣取信於親眼所見的事實。

同理,我們傾向於參與音樂會或去電影院體驗現場氛圍,而非一味觀賞電子螢幕前的動態;我們習慣社交與打扮,因此多數重要聚會並不容易被虛擬會議所取代;而在古代社會,小道消息的流通會幫助某些人們知悉高層的行動,因而扮演著一定程度重要性——而這也呼應了我們周遭充斥著娛樂與八卦的報刊,畢竟這些事物總會激起人性深處的好奇心。另一方面,穴居人法則似乎也意味著藝術、娛樂並不會因為科技發展而消失,因為這些事物能滿足人類的需求與愉悅,而這並非科技所能取而代之的。

根據穴居人原理,我們依然保有原始人類的慾望。圖/Mrs J’s science

回歸根本,可以發現,身為智慧生命,必然要有「視力」的存在、而非像螞蟻那樣透過觸角溝通,包含情緒的表達、語言的交流,這方面可以歸功於「大腦」的演化;再者,人類的「腳趾」的演化也是關鍵,這使得人類得以直立行走、改變對世界的視角與行動;此外,「前肢可握物」也扮演著重要角色,亦即靈活的手指——這使得人類可以精準地操作物件、製造工具。

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先進文明的分級

因此,我們假定這些智慧生命都擁有這些生理構造與功能,他們可以溝通、可以發明器物。那麼,有沒有一個指標能告訴我們一個「文明」究竟能多發達?

1964 年,蘇聯科學家卡爾達肖夫(Nikolai Kardashev)提出了一個度量文明先進程度的指標——「卡爾達肖夫指數」(Kardashev Scale)。經由天文學家卡爾.薩根(Carl Sagan)修正過後,可以歸結為下列公式:

其中 K 代表卡爾達肖夫指數,P 代表文明所消耗的總能量。基本上,我們可以將文明依據「駕馭能量」的量級區分成三大類型:

  1. I 型文明(K=1)
    該文明能駕馭 10¹⁶ W 的能量,相當於掌握所處行星的能量,因此又稱「行星文明」。這類型的文明可以控制天氣、調節海洋、並且到地底深處採礦,徹底運用星球資源;並且,這一類文明將能任意造訪附近行星,並在後期發展出接近光速的太空旅行。
  2. II 型文明(K=2)
    該文明能駕馭 10²⁶ W 的能量,相當於掌握所處恆星系統的能量,因此又稱「恆星文明」或「星際文明」。這類型的文明能夠透過戴森球(參見下文)或相關科技、徹底利用恆星系統的能量;他們可在各個行星、恆星之間任意穿梭,並且相繼朝往其他恆星系統殖民。
  3. III 型文明(K=3)
    該文明能駕馭 10³⁶ W 的能量,相當於掌握所處星系的能量,因此又稱「星系文明」。這類型的文明不再受限於附近的恆星系統,他們將能夠隨心所欲駕馭整個星系、甚至宇宙尺度級別的能量,並可以在星系之間來去自如;他們甚至已熟悉時空物理、得以透過蟲洞或先進技術穿越時空。
卡爾達肖夫指數示意圖,由左而右分別是:行星文明(I 型)、恆星文明(II 型)、星系文明(III 型)。圖/http://www.maximusveritas.com/wp-content/uploads/2016/06/

作為宇宙文明的分級,文明所駕馭的總能量可以視為一個標竿。宇宙中的能量是無所不在、甚至可以說是取之不盡用之不竭的。因此,能妥善利用這些能量到什麼程度,便可以視為文明「先進與否」的標準。當然,還有一些人把這列表往下延伸,諸如宇宙文明(IV 型)、多重宇宙文明(V 型)、神靈文明(VI 型)、未知文明(VII 型)等等——不過這些級別距離目前人類還算是遙不可及,我們甚至無法保證在宇宙 137 億這年齡下是否已有這麼先進的文明誕生。

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就目前而言,顯然,人類縱使歷經工業革命、資訊革命,也開發出原子能、得以進行太空探索——但似乎尚未能被列入其中之一——我們尚未有能力操控天氣、就連地底結構也都是透過震波才得以探知的。那麼,人類目前究竟處在哪一階段?讓我們簡單計算一下:根據世界能源消耗量的統計,截至 2021 年底,人類所消耗的能量約為 176,431 TWh(百萬兆瓦時),相當於 20.14 TW(百萬兆瓦),代入卡爾達肖夫指數公式:

可以直接得出卡爾達肖夫指數 K≈0.73 ——因此,人類目前約是落在「0.73 型文明」,依然位在「第零型文明」的階段。

目前人類的能量來源主要仍是石油、煤炭、天然氣;除此之外還有傳統生質能、水力發電、以及核能。在數十年內,風力發電、太陽能、生質能會慢慢取代化石燃料,而核融合技術很可能帶領人類走向 I 型文明。

當人類開始進行太空殖民、並且能妥善運用母恆星(太陽)所供應的能量後,才會慢慢朝向 II 型文明發展;而在 I 型或者 II 型文明階段,另一個能催動科技進展的很可能就是反物質(antimatter)的製造與普及。加來道雄認為,我們有機會在本世紀末或是兩百年內躍升成為 I 型文明;到達 II 型文明需要數千年;至於到達可以隨心所欲駕馭時空的 III 型文明,可能還需要數十萬至百萬年。

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1800 年代至 2021 年的世界能源消耗總量:目前人類消耗能源仍以化石燃料為多數。圖/our world in data

參考文獻 / 延伸閱讀

  1. Kardashev, N.S. (1964). Transmission of information by extraterrestrial civilizations. articles.adsabs.harvard.edu.
  2. 加來道雄,《穿梭超時空》,台北:商周出版,2013
  3. 加來道雄,《平行宇宙》,台北:商周出版,2015
  4. 卡爾.薩根,《宇宙・宇宙》,台北:遠流出版事業股份有限公司,2010
  5. 史蒂芬.霍金,《胡桃裡的宇宙》,台北:大塊文化,2001
Castaly Fan (范欽淨)_96
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科學研究者,1999年生於台北,目前於美國佛羅里達大學(University of Florida)攻讀物理學博士。2022年於美國羅格斯大學(Rutgers University)取得物理學學士學位,當前則致力於學術研究、以及科學知識的傳播發展。 同時也是網路作家、《隨筆天下》網誌創辦人,筆名辰風,業餘發表網誌文章,從事詩詞、小說、以及文學創作。