哥吉拉又長大了？要吃多少放射線才能長這麼大！──《空想科學讀本：這部動漫超科學》

• 作者／劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體（三）：哥吉拉雲—流體的不穩定性》

海岸邊的雲層上緣，出現一隻隻如同哥吉拉形狀的雲；原子彈投下後，劇烈爆炸引起的蕈狀雲；土星大氣層內形狀獨特的雲帶……等。這些看似毫無相關的現象，背後其實成因都可以歸納為：流體中的不穩定性。

2020 年在青森縣的海邊，有網友分享了一張雲朵彷彿在進行「哥吉拉大遊行」的照片（圖一左上）；也有飛行員在雲層上分享過類似的照片（圖一右上）；除此之外，天文學家在土星的大氣層也觀察到相似形狀的雲層（圖一下）。這些「哥吉拉」的行動力竟然如此之高，不只在地球上出現，連土星上都有。這是否暗示它們背後其實具有相同的形成機制呢？

在＜千變萬化的流體（一）＞一文中，我們介紹了流體流動的狀態主要可以分成兩種：層流與紊流。層流狀態的流體十分穩定，它可以被視為一層一層獨立的流動來討論；相對的，紊流如同它的名字所表示，流體內部的流動較為混亂，不同層之間的流體會互相混合、影響。而決定是層流還是紊流的關鍵因素便是「不穩定性」^[1]。

在描述天氣系統為甚麼難以預測時，常常會提到「蝴蝶效應」這個小故事：位在大西洋的颶風，其成因可能只是在亞馬遜森林裡面一隻蝴蝶煽動了翅膀，這個初始的小擾動，隨著時間演變，最終形成尺度龐大的結構。不穩定性在流體中扮演的角色也十分相似。起初流體內部隨機的產生十分微小的擾動，若整個流體的不穩定性足夠大，微小的擾動便有機會繼續成長，直到對整個流體都造成影響。流體中具有各式各樣的不穩定性，在本篇文章中，我們將會介紹與哥吉拉雲還有蕈狀雲有關的兩種不穩定性：克耳文-亥姆霍茲不穩定性以及瑞利-泰勒不穩定性。

克耳文-亥姆霍茲不穩定性：哥吉拉雲

這個不穩定性得名於兩位對此現象進行研究的物理學家：發明絕對溫標的克耳文爵士，以及對聲學共振系統做出系統性研究的亥姆霍茲（在＜香檳聲音哪裡來？＞一文中，他曾經登場過）。這個不穩定性發生的條件是：兩層流體之間具有相對速度。

請搭配圖二，讓我們一起來理解這個不穩定性是如何產生哥吉拉雲的。假設有兩層流體，分別向左與向右運動。當它們彼此完美平行時，一切無事，如圖二（a）。但這個狀態其實並不穩定，任何的擾動，都可能會破壞這個完美狀態。例如，流體中形成了如圖二（b）的擾動，接下來流體的運動會如何變化呢？

對於淺藍流體來說，A 點的體積較原本略小，因此流動速度較大，如同澆花時，將水管捏住（管徑縮小），水可以噴得更遠。此外，流速較快也會使得 A 點的壓力減小；但對於紅色流體來說，A 點的壓力反而會增大。如此會導致流體內部的壓力分佈形成圖二（c）。兩種流體之間的壓力差，會進一步使擾動長大，如圖二（d）。最後，由於流體本身橫向的速度，使擾動在橫向上出現變形，如圖二（e）。如此一來，哥吉拉形狀是不是就出現了呢？

瑞利-泰勒不穩定性：核爆蘑菇雲

接下來，讓我們來看另一種在生活中沒那麼常見，但是看過就很難忘記的不穩定性現象：核爆產生的蘑菇雲。這種現象的成因，是來自於瑞利-泰勒不穩定性，它會發生於密度較大的流體壓在密度小的流體之上時。核彈爆發會在極短時間內釋放出極大熱量，將爆炸中心的空氣瞬間加溫。我們知道，氣體的溫度越高，密度越低，因此在爆炸中心，會瞬間形成大量的低密度空氣。

讓我們用簡單的模型來看看，這種不穩定性是如何造成蘑菇雲的。圖三（a）中有兩種流體，密度較高的在上，此時整個流體系統處於不穩定態，只要有一點擾動 ，如圖三（b） ，不穩定性就會使擾動擴大。由於密度差異，重力使得密度小的流體上升，密度大的下降，使不穩定度振幅逐漸增大。此外，由於壓力差與密度差的方向並不平行，會導致流體的邊界形成渦旋，如圖三（c）。以上這些效應疊加在一起後^[2]，流體邊界處便會逐漸形成如蘑菇狀的特徵，如圖三（d）。

以上兩種流體不穩定性，其實在我們生活中也存在，例如：點燃的線香。由於線香燃燒處的溫度上升，空氣密度下降，此時就滿足瑞利-泰勒不穩定性的條件；當熱空氣上升時，和兩側靜止的空氣有一相對速度，也滿足了克爾文-亥姆霍茲不穩定性條件。只是由於規模較小，發生速度較快，肉眼未必可以清楚的看到如前文中提到的明顯特徵。儘管如此，各位讀者在了解這些不穩定性之後，若是試著觀察看看生活中的各種流體，也許也能找到隱藏起來的「蕈狀雲」喔！

註解

[1] 更詳盡的說明可以參考 CASE＜上下顛倒漂浮船＞一文
[2] 實際上，形成蘑菇狀構造還與流體在三維條件下的非線性效應有關，數學模型較為複雜，此處只是簡單概述其成因。

參考資料

1. Kelvin–Helmholtz instability
2. Rayleigh–Taylor instability
3. “Single mode hydrodynamic instabilities” draft from Hideaki Takabe.

A 編按：最近的《哥吉拉大戰金剛》用了「地球空心說」，將地心作為泰坦巨獸的故鄉，可你知道嗎？「地球空心說」可是由著名天文學家艾德蒙．哈雷提出的！這個猜想不只有其道理，也帶動人類探索地心的秘密。

《一切都是泛科學的陰謀》專題與你一同挖掘各種陰謀論的脈絡！「地球空心說」並不是陰謀論，但其衍生出的各種說法，卻比陰謀論還要精采，而美國也真的派出過探險隊，試圖找到極地的地心入口。

有科學腦的人，應該很討厭陰謀論吧？有些有趣又無厘頭，有些很認真的讓你皺眉頭並且開始懷疑自己。你可能會問「這些想法為什麼會存在？」但是不管在哪個時代，陰謀論都會存在來挑戰充滿證據的事實，而我們能作的除了不斷的完整事實和理論的樣貌，還能從這些陰謀論反問自己「這背後有什麼道理嗎？」

如果把「地球空心說」放到現代，絕對會被大家嘲笑吧！但是在330年前，就連最偉大的天文學家也對此深信不疑。

過去，人類對於地球的內部構造並沒有定論，各種說法存在於神話、信仰之中。而第一位有憑有據猜測地球內部構造的人，是十七世紀末，大名鼎鼎的英國天文學家艾德蒙．哈雷，大膽提出了「地球其實是空心」的理論。

哈雷的浪漫猜測

哈雷發現地球的磁場其實並沒有想像中的「穩定」，在接近極區的地方，指南針並沒有辦法準確的指向，為了解釋這個現象，他大膽地假設地球的中心是中空的……更詳細一點的描述，其實地球內部是一個大空腔，裡面裝著有 3 個不互相接觸的同心球，由外到內大小分別參考金星、火星、水星，像俄羅斯娃娃一樣套在地球中，哈雷還參考土星環的原理，推斷這些球殼靠著離心力和重力懸空且不會相撞，而就是這些浮空的內部球殼造成地球磁場的變化。

面對這多層的地球，只有最外層有住生物嗎？哈雷大膽地說：「這些內部球殼上還有生命存在，整個地球結構就像上帝創造的多層建築一樣，不同樓層有不一樣的生命。」（事實上怪物宇宙系列電影也是以此為設定，這些地方就是泰坦巨獸的家鄉）

為了完善「地球空心說」，哈雷又提出球殼內部含有「鹽水」，靠著類似玻璃的粒子阻擋來讓地面的海洋不流到底下，又在 1716 年提出影響現代地球空心說的假設，極光就是從兩極地區的大洞下噴出的發光蒸氣。

神奇的地球空心說就此誕生，甚至連哈雷本人都有點難以置信，他在 1692 年的紀錄中寫到：「講出這麼誇張又浪漫的假設，讀者可能會立刻譴責，直到我找到足夠的證據支持這個假說。」

哈雷當時剛剛好和好朋友艾薩克·牛頓撰寫科學名著「自然哲學的數學原理」(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica)，和「自然哲學的數學原理」這本近代科學研究的基石寶典相比，哈雷在沒有足夠實驗方法下提出的地球空心說，某種程度上也算是近代科學史上第一個預測性質的假說，這稱不上是「陰謀論」，畢竟裡面沒有什麼違反當時認知事實的陰謀，只是一個科學家的大腦洞。

博物學家的瞎掰

但老實說，地球空心說並不是哈雷獨有的想法，例如同一時期在日耳曼地區，一位名叫阿塔納奇歐斯·基爾學（Athansius Kircher）的全才博物學家也出版過一本書叫作 “Mundus Subterraneus“ （姑且翻譯為: 世界之下），內容提到地球中間其實有個大窟窿，可能就像鐘乳石洞般，裡面除了地下湖泊外，還有岩漿和火焰，而北極有一個漩渦將海水吸入地球內部，加熱後從南極噴出。

和哈雷相比，基爾學連支撐他故事的理論都沒有。儘管現在知道哈雷錯得離譜，但是當時的科學認知和技術已經知道轉動的金屬會產生的磁場，所以如果地球磁場會有不同，可能表示地球中間不是堅硬的石頭，而是有會旋轉的岩石、金屬體吧？而且，因為磁力與引力相比影響更大，所以內部的球殼一定要處於一個絕妙的平衡來保持球殼不會崩壞。

當然在哈雷的版本中，還是有許多無法解決的問題，例如生命都需要的陽光怎麼達到內部？哈雷試著自圓其說，表示地底可能有許多凹面鏡，反射兩極製造出跟太陽一樣耀眼的光芒。

不過哈雷的地球空心說並沒有讓大家為之瘋狂，大部分人的回應是「恩，我知道了，這樣喔」，而哈雷也沒有再針對這個說法提出解釋或補強。但這也不代表他完全放棄了，事實上，他還執筆親手畫出了 3 個地殼的假設圖，成為地球空心說最標誌的圖像之一。

雖然不被廣泛討論或承認，但在缺乏任何證據的情況下，與哈雷類似的地球空心說在 18、19 世紀偶爾會再重新出現一下，並帶著新的推論和假說。

數學大師也瘋狂

在 18 世紀，地球空心說被兩個數學家研究過，他們是大名鼎鼎的李昂哈德·尤拉（Leonhard Euler）和約翰·萊斯利（John Leslie）。

在微積分、幾何學有莫大貢獻的數學大師尤拉，曾假設空心的地球內有一個直徑將近 10000 公里的溫暖球殼，然後上面住著高科技的種族；萊斯利則是相信地底下有兩個同心球殼，內部還有兩顆恆星提供光線，他將這兩顆莫名其妙出現在地球內的恆星取名為 Pluto 和 Proserpine，也就是羅馬神話的冥王和冥后。

推廣地球空心說的辣個男人——希姆斯

19世紀地球空心說最大的推崇者是美國人約翰·克里夫·西姆斯（John Cleves Symmes），在美國紐澤西誕生的他熱愛研讀自然歷史相關書籍，在 1818 年他出版自己的地球空心說：

「我主張地球是空心的，內部有無數同心球殼而且適宜居住，地球在南北極還有成12~16度的開口已獲得陽光。我發誓要證明這件事，也準備好前往地球內部探險，希望世界能夠支持我。」

作為一名多產的作家和演講者，西姆斯非常勤奮地到處宣傳他的假說，包括根據整個理論提出著作 “Symzonia: Voyage of Discovery” （姑且能譯為《西姆斯：發現之旅》），還四處募款，試圖前往兩極探險。他的主張「兩極有空洞，為地心帶來光明」的假說基礎是最廣為人知的空心說版本，也是在極地探險成真之前，眾多對兩極的幻想之一。

一波三折的南極探險計畫

西姆斯的努力吸引了幾位關鍵人物的注意，一位名為詹姆斯．麥可布萊德（James McBride）的俄亥俄州有錢人，他不只寫文章支援這個假說，還遊說肯塔基的議員理查．M．強森（Richard M. Johnson）支持前往南極的探險，沒想到理查還真的說服了當時的美國總統約翰．昆西．亞當斯（John Quincy Adams），但草案卻被國會駁回，直到下一任總統安德魯．傑克森（Andrew Jackson）上任之後，一個截然不同的南極探險計畫在 1836 年才被重新提出，但西姆斯已於 1829 年去世，無緣參與這場南極遠征。

西姆斯死後，地球空心說的代言人由俄亥俄州的一位新聞記者——傑瑞曼亞．雷諾茲（Jeremiah Reynolds）繼承。為了前往南極一探究竟，1829 年雷諾茲加入狩獵船隊，爭取前往南極的機會，但旅途一波三折，不只遭遇叛變，還被同伴流放，經歷了九死一生的冒險才回到美國。隨後 1836 年雷諾茲在國會中演講，大力推崇當時尚未定案的美國南極探險隊，他強調這將會為國家帶來光榮並加強國際事務，但是在籌劃階段他因為不滿進度和內容，所以從計畫中被開除了。

這場探險成功在傑克森總統卸任後 2 年出發，稱為 1838~1842 美國探勘船隊，由查爾斯．威爾克斯（Charles Wilkes）領導，這其實是一次非常正式的探險船隊，目的包括建立海圖、建立航線、收集科學及物種資訊……等，船隊從美國東岸出發繞過南美洲後前進太平洋，並在去程的倒數第二站造訪了南極，但是在希姆斯猜測有大洞的位置什麼都沒找到。

對地球空心說的狂熱並未停止

到此為止地球空心說可以說是正式破解了，但一直以來只要有機會，這個理論就會被丟出來解釋科學發現。例如 1846 年在西伯利亞冰原發現了猛瑪象遺骨，當下就有人懷疑它是不是從北極的大洞內部遊蕩出來、因為找食物而被困在西伯利亞，因為在猛瑪象的肚子內找到未消化的毬果，而死亡又這麼突然。

在 1864 年，還有一位大人物也出手了，也就是現代科幻小說之父凡爾納，他的作品之一《地心歷險記》就是描述一群人從冰島火山進入地心的世界探險，地心中還有大海和古生物。

1869 年一位美國煉金術士賽勒斯．提德（Cyrus Reed Teed）可以說是地球空心說的狂人，而且非常特別，在他的著作 “The Cellular Cosmogony, or The Earth, A Concave Sphere” 中，大膽的假設我們所居住的世界其實是地球的內凹面，我們頭上的天空其實是地球中心，而在我們地殼對面住著一支文明，但是因為濃霧的關係無法發現它們存在，而我們看到的月亮其實是另一個地球內部球殼。

提德還改了姓名、創立了名為 Koreshanity 的宗教，並發行雜誌來吸引信徒，為了證明我們所居住的地球面是向內凹，還使用儀器丈量地表！最後，他在佛羅里達還擁有一塊 300 英畝的土地，他和將近 250 名信徒一同活在那裡直到 1940 年。

1873 年，一位神祕學家愛德華．鮑沃爾—利頓（Edward Bulwer-Lytton）完成了 “The Coming Race”，內容有關一群住在地球內部的文明，因為發現神秘的能量來源而科技發達。

1906年，作家威廉．里德（William Reed）出版了一書 “The Phantom of the Poles”，表示其實可以搭船從地球外面到達地球內部，因為重力的作用讓他們在經過反轉時完全無感，而且很多水手其實去過了只是沒有發現。

就算是在 1913 年，此時人類已經成功到達並記錄了北極點，一位叫作馬歇爾·佳德爾（Marshall Gardner）的作家還是出版的一本叫作 “A Journey to the Earth’s Interior, or Have the Poles Really Been Discovered?” 的書質疑這件事，書中表示許多已經滅絕的生物其實都住在地球內部，因為地球誕生時，離心力形成了最外層的地殼，但是內部還有一個較重的殼，並持續接收地心的熱度。

但是隨著我們對地球越來越瞭解，我們知道這些假說真的都是空穴來風，而在事實確認之下，已經是陰謀論的等級了。

終結地球空心說的女科學家——英厄．萊曼

20 世紀中期，第一位飛行橫跨南北極的人：理查德．伯德(Richard E. Byrd)在他的飛行紀錄回報中完全沒有提到任何大洞；1959 年一艘美國潛水艇從北極圈冰山下鑽過然後在北極地區重新出現，表示沒有大洞；儘管到今天我們在兩極都有觀測站了，還是沒有大洞存在。

1929 年，丹麥的地科學家英厄．雷曼（Inge Lehmann）藉由測量地震產生各種不同的波，推斷地球內有較靠近外部的液態構造和最裡面的固體核心，而這些液態物質的攪動、流動造成了磁場和變化，之後經過無數的實驗和驗證我們總算可以斷定……地球內部不是空的，但是某種程度上哈雷講的也沒有錯，因為我們的地球內部的結構的確有很多不同的層，包括地殼、地函、地心……等。

儘管錯得離譜，哈雷的地球空心說讓大家發現了一個可能從來沒問過的問題，激起了後來科學家們研究這件事的興趣，作為啟蒙時代的起步者，這可以說是一個有益於後代進步的有趣陰謀論，科學有趣的地方在於它的反覆驗證、質疑並且修正的特性，我們可以從錯誤的主張，逐漸導出正確的路。

參考資料：

• Fantastically Wrong: The Legendary Scientist Who Swore Our Planet Is Hollow
• Lockhaven.edu: Turning the Universe Inside-Out.
• encyclopedia.com-philosophy and religion-hollow earth
• The Origin of the Hollow Earth Theory

• 活動紀錄/簡克志

2019 年的泛知識節，我們邀請到陳國偉老師，現任國立中興大學台灣文學與跨國文化研究所副教授，請深耕科幻領域的他一同來與我們分享科幻文學的定義、影響又有哪些？

科幻，一種邁向未來的文類

首先，陳國偉介紹了科幻的定義。知名科幻小說家兼科學家艾西莫夫認為：「科幻小說可以被定義為文學的一個分支，它涉及人類如何反應了科學和技術的變遷。」另外一方面，海萊因則認為：「科幻小說乃根據真實世界足夠的知識與對自然和科學方法完整的認知，『寫實地』推測可能發生的事物。」

陳國偉因此認為科幻小說可以說是一種「邁向未來」的文類。

再來，陳國偉引用葉李華對科幻的定義^註，科幻＝科與幻＝「科學」＋「幻想」。科學是指科幻裡面有關技術層面的描寫，幻想是指科幻裡面虛構的想像。接著國偉老師引用研究科幻小說的蘇恩文，蘇恩文認為科幻小說具有「抽離」與「認知」兩種特質，並且將其運用在具有「新奇（novum）」元素的敘事上。「抽離」是指科技與時空的落差，科幻小說的科技常常是現在無法實現，但未來有可能實現的科技。「認知」則涉及了反省與批判現實，看完科幻小說之後，讀者往往會回過來反思現在。那是因為「新奇」讓讀者對現實產生了一種陌生化效果，得以用新的視角重新省視當下的現實。

科幻被區分為硬科幻與軟科幻，硬科幻就是比較專注自然科學邏輯和知識設定的作品，例如：《2001 太空漫遊》或《三體》。而軟科幻是運用比較多社會學、政治學或人類學等元素的科幻作品，比較不會去詳細解釋想像出來的科技或科學現象，例如：《科學怪人》或《星際大戰》。

陳國偉進一步提到，一般人認為的科幻，通常是未來人類文明的進步景觀，或是涉及未來人類的終極命運。不過，實際上的科幻視角，多為科學樂觀主義的反省或轉向，透過末日題材來反思科學的有限性與科技失控的後果，例如：《明天過後》、《末路浩劫》、《機械公敵》或《我是傳奇》。科幻小說很多時候都是人與世界或人與其他物種關係的反省。

後人類：未來的「人」有哪些可能？

既然科幻作品中人的關係如此重要，那麼未來的「人」有哪些可能？國偉老師繼續進入「後人類」的話題。Hayles 在 1999 年的著作《我們如何成為後人類？》裡面，探討了後人類的可能形式。而林建光《賽伯格與後人類主義》裡面，認為生命的本質不在於身體，而在於資訊模式。也就是肉身可能會消滅，但是意識或記憶則可以透過資訊的形式一直保存下來。

在後人類的概念裡，人與機械的界線是模糊的，因為人是以賽伯格（Cyborg，模控生物體）的形式存在。而科幻作品裡面，通常會去探討人類與後人類之間的互動之中，什麼是「人性」？「人性」如何透過後人類展現？例如：電影《AI 人工智慧》與《攻殼機動隊》。

以科幻作品討論創傷的衝擊與忘卻

最後，陳國偉認為在亞洲（特別是日本），科幻作品其實還乘載著記憶與遺忘的交互辯證，是忘卻與記憶的政治裝置。日本在 2011 年發生 311 災害的傷痛，是三重末日恐懼的創傷，包括核災與戰爭的連結，讓日本人回憶起 WW II 的原子彈爆炸。還有歷年來對地震的恐懼，則呼應小松左京著作的日本科幻小說《日本沉沒》。例如：《新世紀福音戰士》劇場版裡面的第三次衝擊，就像是為了回應日本 311 災害，因為 311 就是日本百年來的第三次大地震，庵野秀明期望在末日的災難裡面找回人與人情感的連結。

陳國偉又舉了《哥吉拉》和《你的名字》為例。2016 年電影《哥吉拉》為何比《你的名字》更受到學院派和電影專業人士的歡迎？《你的名字》裡面有許多和 311 災難的巧合，例如在祭典裡面做緊急逃難廣播的女生名字和 311 受難者相同。不過在《你的名字》裡面，許多人都沒有關於隕石滅村災難的記憶，國偉老師認為劇情暗示著日本人希望忘記福島災難。但《哥吉拉》卻是對 311 災難記憶的批判。現實對於虛構，就像日本對於哥吉拉，哥吉拉就像是上述三重創傷忘卻的召喚，把創傷召喚回來。

哥吉拉是海底的核廢料所催生的，正對應福島核災。電影裡面美國主張以核彈去摧毀哥吉拉，又要把核彈丟在日本。同時，哥吉拉也批判了日本官僚主義的顢頇，也呼應 311 災難中日本官方的低效率作為。《哥吉拉》作為科幻故事的載體，連結到現實日本社會的當下，不斷地提醒著人們已經忘記或想要忘記的事情。

科幻作品有著銘刻歷史記憶的功能，讓現在的人得以反思過去和勇於面對，也正是科幻文學可以教我們的事。

• 註 1：其實葉李華在2018年的泛科學院課程〈科幻的實用定義與基本精神〉中，已經修正這種將科幻看成科與幻的定義。葉李華認為科幻難以定義。科幻（Science fiction）必須視為一個整體，不可拆開成科學（Science）加上幻想（fiction）。

只看活動記錄不過癮嗎？當天的現場影像記錄可至泛科學院免費觀賞：【線上影音】2019 泛．知識節-當哥吉拉遺忘你的名字：科幻文學教我們的事