DDS033-「我們的地球有幾個月亮？（補遺）」

〔附記：中國「嫦娥三號」登月探測任務，於 12 月 14 日晩 9 時 11 分，成功著陸於月表高緯度（北緯 43^o）的「虹灣（Sinus Iridium）」）漥地，雖然此舉和 1970 年代美、蘇的登月探測，己睽違了近半世紀，但也標幟著近年來中國航天探測科技的不斷躍進和空前成就。「科學」不分種族，也沒有國界，是人類集體文明的結晶，因此，也寄望在不久的將來，有更多來自「玉兔」的探測成果報告問世，能讓我們對這個「月球」有更多的了解。〕

前文 DDS024 和 DDS025 中，就我們「月亮」，諸多有趣的相關科學問題，做了初步的介紹和說明。其中提到，目前科學家咸信，我們地球這個「月亮」是來自於「撞擊說（the Giant Impact Hypothesis）」，也針對此說法，提出了各種直接、間接的佐證。無獨有偶，今年 9 月 9 日，在倫敦舉辦的「歐洲行星科學會議（European Planetary Science Congress）」上，Jessica Barnes 和其同僚（論文題目為：Investigating the H₂O content and H isotopic composition of the primitive lunar magma ocean (LMO) cumulates），分析來自「阿波羅（Apollo）」探月任務，所採岩石標本（見下圖；credit：Tom Story, Arizona State University）中的磷灰石礦物（apatite；為來自岩漿熱液火成岩礦物，其主要的化學組成為磷酸鈣），其所含的結晶水，發現這些水的氫同位素（hydrogen isotope）組成，和地球以及「含碳的球粒狀石（carbonaceous chondrite meteorites）」的氫同位素值相似，表示地球和月球兩者的水應屬同源（common origin），進而也佐證了月球，應是來自地球在 45 億年前，所遭受的巨大撞擊而來〔即「撞擊說（the giant impact hypothesis）」；見前文DDS024〕。

儘管如此，在該會議上，美國加州理工學院（Caltech, USA）的 Dave Stevenson教授，針對「月亮」起源的「撞擊說（the giant impact theory）」，提出另一種看法：我們這個「月亮」，是否可能是「地球」向「金星（Venus）」偷來的？他的論點很有意思，他指出：就太陽系行星的「月亮」個數而言，我們「地球」有一個，「火星（Mars）」有兩個，「木星（Jupiter）」有近 50 個，而「金星」卻一個也沒有，因此，他認為我們這個「月亮」很可能是，「地球」從「金星」運轉軌道上硬拉過來的。事實上，這種看法也並非全無可能，首先，因為我們這個「月亮」的體積，相對於其他行星和其月亮的體積大小比而言，實在是太大了〔註一：我們「月亮」的體積約為「地球」的四分之一；註二：事實上，也就是因為它太大了，我們這個「月亮」並不是真正繞「地球」旋轉，而是繞著所謂「月球-地球」系統的「質量中心（barycenter）」運轉，此「質量中心」的位置，約在地表下 1600 公里，離地心約 4,800 公里處；註三：另外，不要忘了，「太陽」雖然離「月亮」更遠，但它對「月亮」的引力，較「地球」為大，造成「月亮」繞「太陽」運行的奇特軌道（參考前文 DDS024 的說明和圖）〕。

同樣地，也是因為它體積太大了，要是依照「撞擊說」的理論，當時（45 億年前）兩個星體碰撞時，兩者不但要有非常高的速度，而且必須在一特定的角度上撞擊，才能造成我們今日所見的「月球-地球」系統，要不然，兩者間的這種撞擊力道和其引發的爆炸能量，早就讓它們粉身碎骨、煙消霧散了。所以，依照 Stevenson 教授的說法：假如「金星」和「地球」的形成方式相似，那為什麼「地球」就有一個「月亮」，而「金星」卻沒有呢？當然，Stevenson教授以上這種說法（即地球從金星把月球偷/搶來的霸佔「惡行」），目前只能說是一種臆測，尚未有其他具體的科學上的事證。

另外，美國航太總署的「月球礦物描繪探測儀（Moon Mineralogy Mapper）」，最近發現在近月球赤道處，有一大小橫跨約 60 公里的凹陷（見下圖；credit：NASA），其中曝露出的硬化岩漿中，含有大量的「氫氧根（hydroxyl）」物質，雖然並非真正的「水」，但也表示月球原始岩漿中的水份（magmatic water）。假如真的是如此，這一「岩漿水」的存在，可能進一步影響科學家目前對月球起源的看法。科學就是這麼惱人，新的事證，改變甚或推翻舊的看法，有人甚至說：「科學不是要去發現新的事物，而是要去推翻舊的看法」，宏觀來看整個科學史，的確是如此。

其次，前文 DDS024 也解釋了，由於「潮汐鎖定」的原因，使得「月亮」永遠只有一面朝向地球。也因此，過去出版有關「月球」的照片，都是以其面向地球的一面為主，間或偶有其背面的圖像，從未有過由東、西、南、北四個不同方向拍攝的照片。下圖即是補此不足，依順時鐘方向由左上至右下，分別呈現的是：「月球」面對我們地球的一面、「月球」的東半面、背離地球的一面和它的西半面（credit：NASA/GSFC/Arizona State University）。因此，一個有趣的問題是：假如「月亮」不被「地球」鎖定，也能自轉的話，那它看起來是如何呢？針對此好奇，美國航太總署（NASA）的科學團隊，將過去歷年來，由 Lunar Reconnaissance Orbiter（LRO） 繞月拍攝所得的照片，剪接濃縮成此一難得的 24 秒動畫短片，讓我們能分享其況，有興趣的讀者，不妨逕自上該網站觀賞：http://www.youtube.com/watch?v=sNUNB6CMnE8&feature=player_embedded#t=0。

最後，假如 45 億年前沒那個大撞擊，那今天我們的地球就沒有月亮，而沒有月亮，對地球（特別是我們人類）又有什麼影響呢？首先，你可直覺想到的是：（一）夜晚可沒現在這麼亮了（雖然即使滿月時的亮度，也只有白天日照亮度的四十萬分之一）；（二）潮汐就沒那麼壯觀了（大概只剩目前的 40%）；（三）也沒有所謂的日、月蝕了；（四）對咱們中國人來說，那些有關月亮的傳說和神話故事，也就不存在了，更慘的是，上班族就沒「中秋節」例假日可放了；（五）我們地球自轉軸的傾斜（axial tilt）角度（見下圖；credit：Center for Mars Exploration, via http://cmex.ihmc.us/) 將會變動的更大。我們知道，目前我們地球自轉軸的傾角為 23.5 度（即與地球繞日公轉的黃道面角度），而在整個天體運動中，此傾角會隨時間略微改變，但其變化幅度都維持在，23 到 26 度之間〔註：以火星為例，其目前傾角約為 24 度，但其變化範圍卻在 15 至 35 度之間〕。我們地球自轉軸傾角變化幅度之所以這麼小，主要就是因為月球的存在，它對地球的引力作用，穩定了我們本該變動更大的傾角。

DDS032-「引力挹注」

    前兩文（DDS030 和 DDS031）就「航海家」衛星，在人類探測太空史上所代表的諸多創舉和成果，做了簡要的介紹，其中牽涉到一個有趣的相關科學議題是：這些「遠距」的外太空探測，科學家是如何做到的？因為要飛那麼遠，需要更多燃料，但過多燃料，又使得火箭發射時的荷載過重，不利於發射，為解決此一「跟蛋」的問題，科學家們利用一種稱為「引力挹注（gravity assist）」的方法，予以完成。該方法主要是，利用「衛星」飛越不同「行星」時，借由該行星的「引力」，將「衛星」的飛行速度予以加速或減速（視探測任務的不同而定），如此有如跳板，由內而外，經由不同行星，而逐步將「衛星」送往欲探測的星體，甚至遠到太陽系之外。此外，若藉助此種「引力挹注」來加速「衛星」的飛行速度，其好處是可以大幅縮減探測任務所需的時間，進而降低人力、物力的成本。

下圖（credit: Nathan Bergey of http://psas.pdx.edu/orbit_intro/）即是以地球引力為例，任一物體欲脫離或墜落地表，所需位能（gravitational potential energy；圖中縱軸）的增減改變情形。就發射衛星而言，當然以火箭速度為首要，因為速度愈大，動能（1/2 mv²）愈大，位能也就愈高。由圖所示，也可看出離地表愈遠，所需「單位高度（橫軸）的位能（即動能）」愈大，之後隨高度的增加，由於引力逐漸減小，所需「單位高度的位能」也漸減，最後到了離地表約 150 公里後，火箭速度轉換而來的動能，就接近脫離地心引力所需的位能，因而使火箭所載衛星，得以脫離地球，持續向外太空飛行而去。在下墜時，則依反向進行，把兩者並列繪在圖上，有如一口井狀，天文學上稱之為「引力井（gravity well）」。

以歷年來的各項衛星探測任務為例，如「Voyager 2」衛星，即是利用這種「引力挹注」，方能分別飛越造訪了木星、土星、天王星和海王星（太陽系中的四大外行星），而「Voyager 1」則在飛越了土星，藉由其引力加速後，就和「Voyager 2」分道揚鑣，直奔太陽系之外而去，「Cassini」探測衛星則是利用了金星、地球和木星的引力到達土星，「New Horizons」探測衛星也是藉由木星的引力加持，預計於 2015 飛抵冥王星，「Messenger」衛星則是藉助水星、金星和地球的引力（這次不是加速，而是減速），飛抵水星，而就在今年 10 月 9 日，「Juno」衛星就是利用了地球的引力，繼續飛向木星。下圖（credit：Image credit: NASA (original), this work from Wikimedia Commons user Hazmat2）所示，即是「航海家一號」和「航海家二號」，自當年發射升空後，在不同時間，藉助飛越過不同行星時的「引力挹注」，完成迄今遠離「太陽系」的路逕圖。

   下圖所示 (source and credit: David Shortt; http://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/2013/20130926-gravity-assist.html)，即是以「航海家二號」為例，其飛行速率（圖中的藍色線條），藉由「引力挹注」的方式，逐步加速的實際情形。要注意的是，圖中縱軸是以太陽為基準的速率（heliocentric speed；km/sec），而橫軸為距太陽的距離，以 AU（太陽至地球的距離）為單位。另外，圖中的紅色線，則是針對太陽「引力」的「脫逃速度（escape velocity）」，即在不同距離處，為了脫離「太陽系（solar system）」的引力牽制，所必要的最低速度。由圖可見，「航海家二號」在發射升空後，固然脫離了地球的引力，但在未抵達木星前，它並沒有足夠的速度脫離太陽的引力（即圖中的藍色線在紅色線之下），一直要等到它飛越過木星時，藉由其引力的挹注，才獲得了足夠的速度，使它能脫離太陽的引力（此時圖中的藍色線已在紅色線之上）。依圖中藍色線的梯階狀改變可看出，「航海家二號」飛越木星時，藉由其「引力挹注」，速率增加了約 10 km/sec，經過土星時，速率增加了約 5 km/sec，而在飛越天王星時，速率又略增了約 2 km/sec，但在行經海王星時，其速率卻減緩了約 2 km/sec。就是藉由在飛越各不同行星時的「引力」加持，迄今年九月，「航海家二號」和「航海家一號」分別能以 15 km/sec 和 17 km/sec 的速率（由於兩者飛行途徑的些微不同）脫離了我們的太陽系，直奔星際而去。

以上僅就如何藉由其他行星各自引力的挹注，把自地球發射的人造載具，持續不斷地加速送入外太空，進行遠距的探測任務，做了一個概念上的說明。雖然如此，用心的讀者，可能會問說：這其中的原理又是如何？因為「能量」應是守恆的（conserved），那使得衛星持續加速的「動能」又由何而來？當它飛向行星時，由於該行星的引力，速度加快，但是當它遠離該行星，不是以同樣的速度減速嗎？又如何能如前所言，每飛越一個行星，即能得以持續不斷地加速前進呢？你這個問題問的好，算是問到骨髓裡去了，我也就試著回答你這個「深奧」的好問題。

要回答你這個「大哉問」，首先我們必需要知道，在此種遠距太空探測中，存在著兩種不同的「參考架構（reference frame）」，估稱之為：「行星架構（planet frame）」和「太陽架構（sun frame）」，前者視「行星」為靜止（still）的，而後者則將「太陽」視為靜止的，此意味著「行星」在此「太陽架構」中，是移動的（即行星繞太陽公轉的速度）。先說前者，當衛星（以「航海家」為例）飛經木星時，由於木星的質量約為「航海家」衛星質量的 10²⁴ 倍，兩者的質量中心，幾乎就是木星的質量中心，因此，對此外來訪客（即「航海家」衛星），木星可以說是「無感」的（即幾乎沒有任何物理上的反應），因此，當「航海家」衛星飛近木星時，所有因「引力」加速而產生的動能和位能改變（見前「引力井」），均存留在「航海家」衛星身上，當它遠離木星時，如你所料，所有增加的動能又漸失去，使得「航海家」衛星，在飛越木星之前和之後的速度，幾乎保持一樣。

這個時候，整個問題的「關鍵」來了，那就是「能量」固然相同，但是方向可以不同，也就是說，衛星接近和遠離行星的飛行角度可以不同，利用兩者這種角度的差異，即可將衛星予以加速或減速。要進一步了解這點，這時你就必需從「行星架構」轉換到「太陽架構」上來看，因為後者和前者之差異僅在於，「太陽架構」中的行星和衛星都增加了一個「行星繞日公轉」的速度，在物理動力學上，此速度以「向量（vector）」來表示，也因為是「向量」，方向就顯得格外重要，科學家們即是利用，衛星飛向和遠離行星時方向的不同，得以讓衛星加速或減速。

下圖（Image credit: NASA / JPL-Caltech / Cassini Mission）所示，即是上述原理的示意圖，褐、黑、藍色箭頭，分別代表行星繞日公轉、衛星進入或脫離行星引力範疇、最終遠離行星時的向量速度，由圖可知，只要調整衛星接近（或脫離）任一行星的方向（即黑色箭頭的方向），你就可以得到任一你要的速度（即得以加速或減速）。以上述「Juno」衛星為例，即是於今年 10 月 9 日，藉由地球引力的挹注，以預先設定的彈射（slingshot）角度，使其在脫離地球引力時，能加速至每小時 26,280 公里，俾於 2016 年 7 月 4 日，精準地進入木星的兩極軌道（polar orbit）進行探測。

質言之，只要有衛星、行星、太陽這三位一體的引力作用系統的存在，依牛頓力學的引力原理，我們人類所發射的「衛星」，只要一度能脫離地球的引力後，即不再需要任何額外的燃料，只要藉由「引力挹注」的神妙作用，就可以把任何「人造物體」，送往太空中任何遙遠之處！

DDS031-「航海家一號，你到底在哪？（II）」

承前文，為了要判定「航海家一號」衛星，是否已真正飛離了我們太陽系，科學家認為，必需要能有符合以下的三種證據：（一）「太陽風」的影響不見了、（二）開始遭到「宇宙射線」的襲擊、（三）磁場方向開始改變（因不再受到太陽磁場的影響，而是依循著其他星際間磁場的方向）。

今年七月中旬，天文學者在「科學（Science）」期刊上，連續發表了三篇，有關該衛星傳回數據之研究報告，結果證實該等數據確呈現了前兩項情況，唯獨第三項的磁場方向，似乎還尚未完全脫離太陽磁場的影響，也就是說，「航海家一號」尚在太陽系的邊緣上，並未完全飛離我們的太陽系，甚至推估，要到 2017 年，「航海家一號」才會飛抵「太陽鞘」的位置。但是，緊接著九月間，又有其他科學家，在天文物理學期刊（Astrophysical Journal）上著文，認為以上作者，對磁場的數據研判可能有誤，因而認為，早在前年（2012） 7 月 27 日，「航海家一號」就已離開了太陽系，並以每秒約 17 公里的速度，往星際間直奔而去。

總之，不論「航海家一號」衛星，是否還在「太陽鞘」的範圍內，抑或已經離開了太陽系，進入了銀河的星際裡，它都是人類探測太空史上的一項偉大成就和新的里程碑。對於以上不同科學家的論辯，主管「航海家一號和二號」衛星探測計畫的「美國航太總署」，立場反而顯得非常保守，僅宣稱：「航海家一號」已到了一個，我們人類從未到過的地方，我們期望有更多的數據，陸續從它傳送回來（你看，四平八穩，這種調調，才是當官的料！志在官場的年青讀者朋友，可好好學著！）

不管如何，科學家們咸信，「航海家一號」應有足夠的電力，可以繼續維持和地球的通訊，直到 2020 （甚或 2025）年，因此，可能再過幾個月或幾年後，我們就可以明確知道，「航海家一號」到底在哪了？之後，它當然就和地球「失聯」了，但相信應該還是在我們的銀河（the Milk Way）裡繼續往前飛行，預估 4 萬年後，它將在離我們太陽大約 2 光年的距離處。

然而，就在陸續捜集了更多由「航海家一號」傳回的資訊數據，美國太空總署（NASA），終於在 9 月 12 日，正式宣告：「航海家一號」，已遠離我們的太陽系，進入深邃的「星際（interstellar space）」了！也從此，「航海家一號」將正式代表我們地球的人類，無悔地向浩瀚無涯的宇宙前行，有如古代勇士們出征時，那種「壯士一去不復返」的雄偉和壯烈。我們在此也深深祝福：航海家一號，一路平安（bon voyage, Voyager 1）！

下圖（source and credit: http://news.nationalpost.com/2012/06/22/graphic-voyager-1-space-probe-exits-the-solar-system/ ）是我最喜歡的一張，有關「航海家一號」，其「海報」式的圖片說明。上半部主要是針對它的整個外貎圖相、所擕帶的鍍金唱片（參見前文DDS030）以及其上配置的各種探測儀器（具不同功能）的簡要說明，有興趣的讀者，可自行放大來閱讀。圖的下半部則是完整標示出，其目前所在之處以及其與太陽系的相對位置，也清楚標記出天文學上，用來界定我們太陽系向外至鄰近宇宙，所在不同空間的專用名詞術語（如：Heliosphere、Heliosheath、Heliopause、Termination Shock 和 Interstellar Winds 等），有了這些標記，相信讀者在閱讀時，就更易了解科學家們近一年來，對「航海家一號」所在確切位置，之所以有各種爭辯的由來。

前文提到，在「航海家一號」漫長的飛行途中，所拍攝傳回的照片，一直是最為人所津津樂道的，謹以下面三幅照片，與讀者分享。上面那張新月形的「木星」照片，攝於 1977 年 3 月 7 日（credit：NASA/JPL/color composite by Emily Lakdawalla ），中間那幅照片，則是攝於 1980 年 12 月 15 日，當它離開「土星（Saturn）」時的最後一瞥（credit：NASA/JPL/ color composite by Gordan Ugarkovic），下面那張新月形的「天王星（Uranus）」照片，則攝於 1986 年 2 月 1 日（credit：NASA/JPL/ Emily Lakdawalla）。

最後，以下圖片（credit：NASA/JPL）是 1990 年 2 月 14 日時，「航海家一號」，在離地球 60 億公里時，回過頭來拍攝我們太陽系的照片，讀者千萬別小看此照片，它可是大名鼎鼎、如假包換，被暱稱為「淡藍點（the Pale Blue Dot）」的最聞名太空照片之一。照片右邊的泛紅細帶，就是我們的太陽系，而在該紅細帶中的小藍點（在黃色圈內），即是我們的地球。針對這個小藍點，已故著名天文學家 Carl Sagan（1934 - 1996）在他膾炙人口的暢銷書中（Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space；1995），就說過此句名言：「就是這裡，那就是我們的家，那就是我們（That's here. That's home. That's us.）」。這張照片，也提醒著我們：我們人類（何況每一個人）其實是多麼的渺小！（全文完）

DDS030-「航海家一號，你到底在哪？（I）」

近來在人類探測太空史上，有個有趣但又頗富爭議的話題是：「航海家一號（Voyager 1；見下圖，credit：NASA）」衛星，現在到底在哪裡？讀者不要輕忽這個問題，它可是太空學者們，魂牽夢縈，記掛最深的一顆「人造」衛星，因為將來有一天，當我們太陽，成為一個「紅巨星（red giant star）」時，這「航海家一號」衛星，很可能就是「宇宙」中，唯一能代表「來自地球」的殘存證物，證明我們「地球」在宇宙的演化過程中，的的確確存在過。聽起來很驚悚吧？但你放心，總有這麼一天，只是那是很久很久以後的事了！〔註：依天文學家的看法，「宇宙」間的所有星系或星體，在「宇宙」的演化過程中，都是「生生滅滅」的，就我們的太陽而言，再過個幾十億年，將會逐漸老化死亡（dying），成為一個「紅巨星」，然後把目前太陽系中的內行星（包括地球），整個吞噬殆盡。〕

話說這「航海家一號」衛星和它的雙胞胎兄弟（或姊妹，為了尊重女性讀者）「航海家二號（Voyager 2）」衛星，目前是人類探測太空的諸多衛星中，離我們地球最遙遠的一對衛星；「航海家一號」目前離「地球」約 180 億公里，而「航海家二號」離「地球」約 150 億公里。你要是對這個數字代表的距離無感的話，那你知道我們「地球」，離「太陽」總算夠遠了吧！但這也不過只有 1 億 5 千萬公里而已。或者，換個角度來說，你知道光以每秒約 30 萬公里的速度行進，因此，太陽光從「太陽」傳到「地球」約需 500 秒，即約 8 分鐘，但「航海家一號」的訊號（以電磁波傳遞，其速度等同光速），傳到「地球」需要 16 個多小時，也就是說，你早上起床後，8 點撥通電話給「航海家一號」，它要到深夜 12 點才聽到你的鈴聲，中國俗話形容一個人做事、反應慢，稱之為「慢半拍」，我不知道，像這樣該算慢幾「拍」？

閒話表過，回歸主題。此雙胞胎衛星，是由美國航太總署（NASA），分別於 1977 年 8 月 20 日（「航海家二號」）和 9 月 5 日（「航海家一號」）發射升空的，其目的主要是，針對太陽系的四個外行星（即木星、土星、天王星和海王星），進行探測，「航海家一號」原本是該先發射的，但因發射時，點燃系統發生故障，因而延至「航海家二號」發射升空後，才發射的，說起來，兩者距其發射升空迄今，已歷經了 36 個年頭，也是人類發射所有的探測衛星中，至今存活最久的。兩者在規劃當時，即設定依不同的軌道和速度，進行此遠距的探測，「航海家二號」以四大外「行星」為標的，而「航海家一號」則是以「木星」和「土星」為主（主要是因原來的預算經費被刪減）。

儘管「航海家一號」後發射，但它反而率先飛越「木星」和「土星」，當時它傳回來的許多珍貴照片，一直被各類相關教科書所採用，甚至也是各報章、雜誌、媒體，爭相報導的頭條訊息〔註：它拍攝的首張「木星」照片，於 1978 年 4 月傳回地球，那時它距「地球」約 1 億 6 千 5 百萬公里，比「地球」至「太陽」的距離還遠；見我下一篇 DDS031 文中，更多的珍貴照片〕。另外，由於此種預期的遠距飛行，它們自備的電力，很難能維持這麼久，因此它們也荷載了，以放射核種「鈽（plutonium）」為燃料的電池，即使如此，在飛行途中，它們還是得借助，每 176 年才碰上一次的，各外行星的一種特殊連線位置（alignment），以跳板方式，利用前一個行星的「引力」，彈跳至下一個「行星」，最終才能飛越至，離太陽最遠的兩個外「行星」處，也才能抵達目前的位置。有關此種借助其他行星「引力」，以利人類遠距太空探測的原理（稱之為「引力挹注（gravity assist）」），請見我後文 DDS032-「引力挹注」之詳盡說明。

其次，由於當時的探測任務，也考慮到在其離開我們這個太陽系後，可能會遭遇到，存在其他外星球上的有智商生物，因此，在此兩衛星上，也各自擕帶著，一直徑為 12 英吋（30.5 公分）、鍍金的銅質唱片（見下圖；credit：NASA），上面錄製著各種自然（如風、雨、火山噴發）和動物的聲音，外加 117 張地表景觀圖片以及以 54 種不同語言的問候語（包括時任美國總統的「卡特」和聯合國秘書長 Kurt Waldheim 先生的信息）。另外，在其表面也蝕刻著（全部以「二進制碼（binary code）」記註），我們地球和太陽系在鄰近星河的位置，以便「外星生物」（假如真有的話），能知道我們在哪？說不定哪天，也能來造訪我們。

至此，聰明的讀者，可能會質疑說：你在文前一開始，就已明明說「航海家一號」目前的位置，在距太陽 180 億公里處，那又何來「你在哪裡？」這個「笨」問題？還裝腔做勢，自問自答，把我們當白癡啊！讀者老爺，你質疑的好，首先給你行個禮，說聲「對不起」，我也常自覺自己確是比較「笨」，但也就是因為「笨」，我才必須加倍努力，把我不懂的搞懂，算是「勤能補拙」吧！或者，臭屁一點，那就是有如「愛因斯坦」說過的名言：「不是因為我聰明，而是因為我對問題待的比較久（it's not that I'm so smart. It's just that I stay with problems longer.）」其實，不是這個 180 億公里的數字嚇人，而是這個距離正好落在我們太陽系的邊緣上，因此，這個問題更精準的問法是，「它到底是在太陽系之內呢？還是已經跑到大陽系外邊了？」不管如何，這可是人類有史以來，第一次能把「地球製造」的飛行器，送到這麼遠，而且可能還突破了太陽系的疆界，進入了我們銀河（Milk Way）中的星際空間（interstellar space），你說這該不該，像當年人類首度登陸月球時那樣，也值得大書特書呢？

事實上，說「航海家」衛星，是人類探測太空史上迄今最偉大的「創舉」，誠非虛言，在有些太空科學家們的心目中，它目前已有的成就，早已超越了「人類首度登陸月球」的壯舉，這主要是因為，它是人類探測太空，有史以來離我們地球最遠（超過 180 億公里）的人造載具，而且是「離開了我們的太陽系」〔註：任何其他的「人造衛星」，都是在太陽系之內進行探測，即使是 1983 年發射的「先鋒 10 號（Pioneer）」衛星，也不過只是跨越了太陽系最外行星（即「海王星（Neptune））而已〕。再以人類探測太空史所歷經的時間來計算，它自 1977 年發射迄今，已近 36 個年頭，足足佔了整個太空史的 64 % ，若依估計，它的電池壽命，可維持到 2025 年，屆時它可是佔了人類探測太空史的 71 %。

依天文學的了解，我們整個太陽系，都是籠罩在太陽的磁場及其散射出來的各種粒子（即「太陽風（solar wind）」）的影響下，這整個空間範圍，稱之為「太陽圈（heliosphere）」，而這「太陽圈」的外圍，包裹著的即是「太陽鞘（heliosheath）」。這「太陽鞘」咸被認為，就是區隔太陽系和其他銀河星系的疆界，換句話說，它就是我們太陽系，往外的最後一道防線（例如，因為有了它，我們太陽系才不致飽受「宇宙射線（cosmic ray）」的襲害），過了這個分界，就進入真正的「星際空間（interstellar space）」了。

下圖（credit：ScienceNews: October 19, 2013）則是以「太陽至地球的距離（1 億 5 千萬公里）」為單位（astronomic unit；AU），來說明「航海家一號（Voyager 1）」和以上這些專有名詞，離太陽的位置：目前「航海家一號」離我們的太陽距離約為 126 AU；離「heliopause（為太陽圈（heliosphere）和星際（interstellar space）間的界線」約 122 AU ；離「terminal shock（為太陽風（solar wind）急遽減弱的處）」為 90 AU；「太陽風」指的是由太陽熾射出來的次原子粒子（subatomic particles），速度高達每小時 1 百 50 萬公里，一般以太陽風所及之處為太陽系的最外邊界；「Kuiper Belt」約在離太陽 30 至 100 AU，為當初太陽系形成時，未能形成行星的殘留物體；由於我們整個太陽系（含太陽圈），以每小時 83,000 公里的速度，繞行我們的銀河系，形成一有如「尾巴」之拖曳狀外貌，稱之為「尾巴（Tail）」。（待續）

DDS029-「宇宙的三維立體圖」

在前面㡬篇「部落格」短文中，我先後分別針對「宇宙」的「大小和形狀」（DDS023-「宇宙有多大？」），「膨脹說」（DDS027-「宇宙膨脹說」）以及「多重宇宙」（DDS028-「我們只有一個宇宙嗎？」），給讀者做了一些簡介和說明，接下來，好學的讀者，你或許會問，以上說了半天，那「宇宙」到底看起來像什麼樣子？是不是也有可能，如同我們平時看「地圖」時那樣，也能有個稍微具體的「宇宙輿圖（cosmography）」可以瞧瞧？

問的好，下圖即是今年，由法國里昂大學和美國夏威夷大學研究團隊，發佈的最新「宇宙輿圖」（credit: Helene Courtois from the University of Lyon and researchers from the University of Hawaii，以下均同），要注意的是，該輿圖代表的只是整個「宇宙」中極小的一部分（僅佔全宇宙的 0.32%），因為它是以地球為觀測點，向外延伸 3 億光年距離，所能測繪出來，各大、小星體和銀河系的圖像。圖中顏色的深淺，代表的是它們與地球間的不同距離〔註：此處的距離以速度表示，因為「宇宙」是一直在持續加速膨脹的，離地球愈遠的星系，速度愈快。〕；藍色代表距地球近，紅色代表距地球遠。

既使這樣，由於該圖還只是一幅平面圖，很難在視覺上，讓人感受到「宇宙」的立體形貌，為此，該團隊就更進一步，透過其自行研發的電腦模擬軟件，將其轉換繪製成「宇宙的三維立體圖」〔見下圖（上）〕。令人驚嘆的是，該團隊甚至繪製出一張「宇宙流場」圖〔見下圖（下）〕，該圖有如我們習見的海洋流場圖（ocean current map），它顕示各大、小銀河系（以圖中的大、小白色圓點為代表），在「宇宙」中流動的情形（the current of galaxies in the universe）。圖中左上角紅黃色區塊，代表的是衆多銀河齊聚集中之處（稱之為 the Great Attractor region），由於其超巨大的質量和引力，使得其他鄰近各個大、小銀河系，如同漂浮在海面上的腐木枯枝，隨著水流方向，向其流去，而深藍色區域，則代表該處水流強度較低，甚或是靜止的。

雖然如此，以上所描繪的圖像，仍只是「現在」這個時間點的圖像，就「時間」的角度而言，「宇宙」自「大爆炸」形成之後，在過去的不同時間點，又像什麼樣子呢？或者說，「宇宙」在四維時空（三維空間和一維時間）裡，看起來又是如何呢？針對這個問題，最近日本和英國的研究團隊，發佈了一幅最新的「宇宙」在不同時間的三維立體圖（下圖；Credit: NAOJ, SDSS, CFHT），該圖的左下方插圖，標示著該圖的觀測範圍，共涵括了總數超過 1,000 個的銀河，而這些銀河系的年齡，均介於 80-100 億年之間。

細心的讀者或許馬上就發現，該立體圖橫軸的距離（即離地球觀測者的距離），為 120 至 145 億光年，這到底是什麼回事？怎麼有可能呢？因為，這些星系的年齡只有 80-100 億年，若以光速行進的話，最多也只能有 80-100 億光年的距離而已，怎麼會有 120-145 億光年的距離呢？你問的好，但是不要忘了，「宇宙」是在膨脹的，而且膨脹的速度是愈來愈快（請參閱前文DDS027-「宇宙膨脹論」的說明），也就是說，離我們愈遠的星系，離我們而去的速度愈快，為了把這個因素納入，該圖的橫軸即以「共同移動距離（co-moving distance）」來表示，而非一般慣用的「光年（light year）」距離。

此外，你也發現，圖上方有一系列的橫截面，上面標示著不同數值的 "z"。這個 "z" 值，來自「宇宙紅移（cosmological redshift）」現象，其之所以造成，即是因為「宇宙」自「大爆炸」後，持續在膨脹，使得光在行進時的「波長（wavelength）」被拉長了，因而向光譜紅色一端移動。天文學家們，即利用光熾射出來時的「波長」，和我們觀測到的「波長」，兩者間的差異，取其比例得到 "z" 值，此 "z" 值的大小，就代表我們觀測到的光線，已歷經了多少「紅移」，數值愈高，表示「紅移」愈多，也就是離我們地球的距離愈遠。例如，圖中 "z = 1.52"，代表的是「它目前離地球的距離，是當時它熾射出光來時距離的 1.52 倍」（餘類推）。

最後，在該圖的右下方，有一「星體形成速率（star formation rate）」的小插圖，圖中不同的顏色，代表著不同的「形成速率」，其單位則以每年生成多少個等同太陽的質量來標記（solar mass/yr）〔註：1 solar mass = 1.9891 × 10³⁰ kg；即太陽的質量〕。這是因為，我們「宇宙」從「大爆炸（Big Bang）」開始，在形成過程中，就一直不斷地，有新的星體形成，這小插圖的色彩，就直接告訴你當時的「宇宙」，有多少星體（以一個太陽質量為單位）形成。這種新的星體的形成，即使在今天，也還是在持續進行著。事實上，「宇宙」中的各種星體，永遠是生生滅滅的，例如，就以我們所在的銀河系而言，自其形成迄今，至少有過約 2 億個星體爆炸、重生，這包括發生在西元 1604 年被「刻卜勒（Johannes Kepler；1571 - 1630；德國人；17 世紀最偉大的天文學家之一）」所親眼目睹、觀測到的「超級新星（supernova）」。

DDS028-「我們只有一個宇宙嗎？」

〔註：早在今年4 月 8 日，我在「部落格」一文中（DDS003-「2013 年的 Pi Day」），即慎重的推介了「奚氏玻子（Higgs Boson）」的發現和證實，以及其在物理學上的重大意義。果不其然，事隔半年，今年 10 月 8 日，諾貝爾獎委員會宣佈，François Englert and Peter W. Higgs 兩位學者，因為對「奚氏玻子」的研究和貢獻，共同列名今年「諾貝爾物理學獎」的得主，有興趣的讀者，可回頭參閱該文（DDS003）。想說的是，當初我闢此「部落格」的主要目的，即是希望能為讀者及時介紹，最新和最重要的科學知識和訊息，以此次「諾貝爾物理學獎」為例，希望讀者們，能感受到我的「用心」，也希望能得到你們的支持和認同。〕

在前兩篇部落格文中（DDS023-「宇宙有多大？」和DDS027-「宇宙膨脹說」），我就人類自古以來，充滿好奇的有關「宇宙」大小、形狀以及其是否膨脹的問題，向讀者你做了一些說明。接下來，讓我們再提出一個更「勁爆」的問題，那就是：「我們只有一個宇宙嗎？」因為，依常理、機率或邏輯來說，假如我們存在的「宇宙」，是來自當初（約 138 億年前），在自然界中的一個偶然的「大爆炸（Big Bang）」，那就沒有道理認為，我們的「宇宙」就是那麼幸運，是全自然界中的「唯一」，難道同樣的情況（指的是如「大爆炸」事件），不會在不同的「時」、「空」裡發生嗎？

同樣的念頭，同樣的好奇，也激發了天文學者，想試著去進一步探索，這樣的一個問題〔註：「好奇（curiosity）」是一切科學之源。對從事科研工作的朋友，有句英文名言：「curiosity survives」，譯成中文為：「只有好奇，才能讓你在這個行業存活」，絶非虛言。〕迄今為止，科學家們普遍認為，自然界中的確應有「多重宇宙（multiverse）」，而不是「單一宇宙（universe）」（注意 universe 和 multiverse 這兩個「英文字」的不同），有人甚至逕呼：再見，「單一宇宙」，歡迎，「多重宇宙」！（Goodbye Universe, Hello Multiverse!）。當然，科學的確需要某種程度的「衝動」，但也不能「情緒」，一切還是要回到「證據」上來，「胡適」先生曾說過：「有幾分證據，說幾分話，有七分證據，不能說八分話。」誠哉斯言！

因此，自然界中，除了我們自個兒這個「宇宙」外，還有其他「宇宙」的說法，依據在哪？這就是本文，要和你探討的重點。但這次我的寫法不同，先告訴你，這所謂的「多重宇宙（multiverse）」，到底可能是個什麼樣子，然後再告訴你，目前的證據（直接或間接）在哪裡？主要是因為各種「多重宇宙」的相關示意「圖片」，實在太生動漂亮了，要是慢一分鐘與你分享，都會讓我覺得，對不起你！何况，先有這種視覺上的感受，接下來我在下面的解釋，也就更容易讓你理解。

承前所言，科學家們普遍認同，我們所在的「宇宙（universe）」，應是自然界中無數個「宇宙」之一。迄今為止，依不同學者的研究結果，至少這「多重宇宙（multiverse）」，可能以以下五種不同的形式，呈現在自然界中：

（一）「無限宇宙（Infinite Universes）」（見下圖，credit: Shutterstock/R.T. Wohlstadter）。雖然我們迄今還是無法百分之百的確認，「宇宙時空（space-time）」的形狀，但咸信它應是「平」的，且向外無限的延伸（stretches out infinitely）（見前部落格文 DDS023-「宇宙有多大？」），因此，這個「無限宇宙」，看起來就像是由無數個大小相似的方格布，縫成的大被套一樣。

（二）「泡泡宇宙（Bubble Universes）」（見下圖，credit: Shutterstock/Victor Habbick）。這種看法，主要是源自「宇宙遽脹說（cosmic inflation）」，該學說認為，「宇宙」在「大爆炸」的瞬間之後，以比光速還快的速度急遽膨脹（只持續了約 10 至36 秒），然後就以我們目前熟知的膨脹（expansion）速率和方式，持續至今。在這樣的過程中，有些部分的「空間（space）」在某一時間點，就停止膨脹，甚至終止，以致形成了各種今日所見的銀河、星系，而另外有些部分的「空間」則繼續膨脹，最終形成許多大小不一的「宇宙」，這種情形，就如同我們小時候，吹肥皀泡沬那樣，空中佈滿著，各式大小不一的肥皀泡泡。

（三）「平行宇宙（Parallel Universes）」（見下圖，credit: Shutterstock/Sandy MacKenzie）。這個看法，主要是依據「弦論（string theory）」而來，因為該理論認為自然界中，不止只有我慣常所認知的「三維空間」和「時間」而已，其實還有更多維的空間存在〔註：依目前「弦論（String Theory）」的論證，我們的「宇宙」空間，可達「十維」〕，而我們的「三維空間宇宙」，只是漂浮（float）在此更多維的空間裡而已。

其次，（四）「鸞生女宇宙（Daughter Universes）」，這個說法，主要是從「量子力學（quantum mechanics）」的角度出發，因為「量子力學」描繪「次原子粒子（subatomic particles）」的各種性質時，是以「機率（probabilities）」為主，因此，既然我們知道有我們這個「宇宙」的存在，那就「機率」而言，當然可能有另外多個不同「宇宙」的存在。

最後，（五）「數學宇宙（Mathematical Universes）」，事實上，科學家們一直在爭辯的一個有趣話題是：「數學」只是一個，單純用來描述，我們物理世界（在此可視為「宇宙」）的工具呢？還是它本身就是一種「真實的存在（fundamental reality）」。假如是後者的話，那麼我們今天用來理解，我們存在「宇宙」的所有「數學結構（mathematical structure）」，應該只是諸多選項之一而已，因此你當然可以期待，在不同的「數學結構」下，可以有不同於我們的其他「宇宙」的存在。

事實上，有關「多重宇宙（multiverse）」這類議題的探討，在科學界至少已延燒了三十年以上，但卻始終苦無證據，用來支持這種看法。然而，今年六、七月間，當科學家們再次重新檢視，由「卜朗克」衛星（Planck satellite ）拍攝所得的「宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background）」圖時，赫然發現，該圖的「輻射」強度（即溫度），呈現一「南北分佈不均」的情形，南邊明顯較北邊強，而且還有些區塊，其溫度低於平均值〔見下圖，該圖以「溫度通量（temperature flux）」表之，橘紅色代表溫度髙於平均值，藍色則表低於平均值，圖中的粗曲線是用來區隔上北、下南兩部分，在南半部的深藍區塊，由於其溫度最低，稱之為「冷點（cold spot）」；credit: ESA and the Planck Collaboration〕。〔註一：「宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background）」圖，是「宇宙」在「大爆炸」後約  37 萬年時，所熾射出來的光芒，在歷經了約 138 億年後，才到達地球而被我們觀測到的；註二：有關此「宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background）」圖的詳盡說明，請參閱我之前的部落格文 DDS008-「宇宙微波背景」輻射圖。〕

依據「大爆炸」理論，這些被偵測到的「背景輻射（background radiation）」值，理應均勻分佈在「宇宙」間，但該圖呈現的並非如此，其中可能的原因之一，就是當我們這個「宇宙」，在「大爆炸」窄始形成的過程中，曾受到當時另外一個「宇宙」的引力拉扯所致，據此，科學家們一致認為，這種溫度明顯分佈不一的「異常」現象，適足為「多重宇宙（multiverse）」的理論，提供了迄今為止，最為具體、最為直接，而且最具有說服力的證據。另一個目前科學家們，還在繼續探究，但尚無定論的證據是，最近才被證實存在於我們「宇宙」中的「暗流（dark flow）」，該「暗流」（由數億個星球匯集而成）在 「半人馬（Centaurus）」和「船帆（Vela）」 兩星座間，以每秒約 800 公里的速度，朝著天體的某一固定方向流去，這個現象意味著，我們「宇宙」的近鄰，似乎存在著另外一個，看不見的其他「宇宙」，正在牽引/吸引著它們而去。

DDS027-「宇宙膨脹說」

前文（DDS023-「宇宙有多大？」）針對「宇宙」的大小以及其形貌，做了扼要的說明。接下來，對「宇宙」這個科學議題，有興趣的讀者，可能會追著問，「宇宙」從「大爆炸（Big Bang）」的瞬間之後，就是這麼大嗎？還是它是隨著時間，由小逐漸變大的？假如是這樣的話，它還在持續變大下去嗎？而且最終會變成什麼樣子？就這樣無窮盡的，繼續變大下去嗎？坦白說，要回答你這一連串的問題，真的是會累死我的，但是既然你肯問，我也只好打起精神，「勉為其難」的試著回答你〔註：主要是因為，這些科學知識，並非我的專業，算是我自己惹來的，怪不了誰，是「命苦」也好，是「業障」也好，反正每個人總要學會「承擔」，當然其中容或有解釋不周，甚或謬誤的地方，也請方家不吝惠予指正。〕

其實，你這一連串問題，也正是「宇宙膨脹（cosmological expansion）」學說的主要內容和範疇，我常說：「做科研不難，難的是，你要問對問題，只要問對了問題，好的成果自然就出來了。」單就這一點來說，你算是初步「達陣」了，也給你自己按個「讚」吧！

早在 1920 年代後期，哈伯（Edwin  Hubble）教授首度發現，在地表上觀測，來自我們鄰近各銀河系的光線，其所造成的不同「紅移（redshift）」現象和該等銀河離我們地球的距離，存在著一個良好的比例關係（此關係現今通稱為「哈伯定律（Hubble Law）」）。自此之後，幾經修正演變，就形成了，現今天文學界普遍接受的「宇宙膨脹說」的基礎。邇至近來，科學家進而發現，「宇宙」不但自「大爆炸（Big Bang；見我部落格前文DDS006 和 DDS007）」以來持續膨脹，而且其膨脹速率愈來愈快，也就是說，我們現今的「宇宙」，正在持續不斷的加速膨脹中。下圖（from: http://majikphil.blogspot.tw/2012/03/how-big-is-universe.html）所示即是「宇宙膨脹說」的示意圖。

其次，要注意的是，以上所說的「宇宙膨脹」，指的是目前、當下的情況，在未來，隨著時間的繼續增進，「宇宙」還是會像現在這樣，持續加速膨脹下去嗎？還是到了未來某個時間點，它將以等速膨脹下去呢？甚至，是否有可能反而以減速的方式，開始收縮了呢？針對這三種可能的情形，天文學家們也提出了三個不同的可能模式（possible models of the expanding universe；參見下圖，credit: NASA and ESA）。注意該圖中的縱軸為時間，黃色箭頭所指的位置，即是目前「宇宙」的大小狀態，最右邊的圖，代表的是「繼續加速的宇宙（accelerating universe）」，中間的圖，代表的是「以等速率繼續加速的宇宙（coasting universe）」，最左邊的兩個圖，則代表「宇宙」將以減速的方式進行下去（即「減速的宇宙（decelerating universe」），後者又可分為兩種可能情形，一是持續減速，整個「宇宙」最終又回到如「大爆炸（Big Bang）」初始時一樣，另一則是，「宇宙」減速到了未來某個時間點後，又以等速繼續無限延持下去。這些不同的「模式」，有個最根本的不同點，那就是「宇宙」由初始演化到現今，所歷經的時間不同：「加速的宇宙（accelerating universe)」歷時最久，「等速的宇宙（coasting universe)」居次，而「減速的宇宙（decelerating universe)」為時最短，也就是說，依各不同模式，推算的「宇宙」年齡各有不同〔註：目前科學家咸認同的「宇宙」年齡為 138.2 億年；見我部落格前文DDS006-「大爆炸理論 (I)」〕。

此外，更要注意的是，「宇宙膨脹說」的精義指的是，「宇宙」中含有的各種大小不一銀河系的空間（space），基本上是靜止不動的（stationary），但彼此間卻隨著「宇宙」的持續膨脹，而相互遠離而去。在這裡，容我特別提醒讀者，千萬不要被誤導，以為「宇宙膨脹說」指的是各個星體，因為「宇宙」膨脹，而相互日漸遠離，要真是這樣的話，那我們地球和太陽或月亮的距離，不是會相距愈來愈遠嗎？你知道，事實上，並不是這樣的，我們銀河系（包括我們的太陽系）的空間，是靜止不動的，只是它和其他鄰近銀河的距離，相距愈來愈遠而己！換句話說，你要能清楚的區別，「空間（space）」和「宇宙（universe）」，這兩個字意上的不同，更清楚說，那就是「空間」是不會膨脹的，膨脹的只是「宇宙」而已。下圖（credit: Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli & Rocky Kolb）以氣球為例，希望能有助於你，對這個概念的釐清和了解，該圖中的氣球代表「宇宙」，而氣球表面的白斑點，代表的是不同的銀河系，當氣球變得愈大時（表「宇宙」不斷膨脹），氣球表面的各個白斑點，基本上，並沒改變（即變大），但其與其他各白斑點的距離，卻變得愈來相距愈遠了。

以上即然談到了「宇宙膨脹說」，接下來的問題，當然不外是，「宇宙」的「膨脹速率（rate of expansion）」到底有多快？要回答這個問題，就不得不再進一步了解，所謂的「哈伯定律（Hubble Law）」，因為「膨脹速率」通常均以「哈伯常數（Hubble Constaant）」來表示。依據「哈伯」定律的公式：v = H_o x d，其中 v 是任一銀河系離我們地球而去的速度（以 km/sec 表之），d 是兩者間的距離（在天文學上以 Megaparsec (Mpc) 表之，每一個 Mpc 等於 326 萬光年，也就是等於 3.09 x 10¹⁹ 公里），而比例常數 H_o 即為「哈伯常數」，其單位為(km/sec)/Mpc（kilometers per second per Megaparsec）。這個簡單的公式，清楚的告訴我們，離我們愈遠的銀河系（galaxy），其遠離我們而去的速度愈快〔請參見下圖中，各銀河系（共有 1,355 個）離地球的「距離」與其個別「速度」的線性關係，該圖來自實際的觀測結果，因而也證實了「哈伯定律」的正確性；from: “Introduction to Modern Cosmology” by A. Liddle〕。

在過去數十年間，不同的天文學者，依據不同觀測工具所得的數據結果，推估此「哈伯常數」的值，介於 50 (km/sec)/Mpc 到 100 (km/sec)/Mpc 之間，目前大家公認最佳的實測值為 73.8 (km/sec)/Mpc （含約 3% 的誤差），但今年 3 月 21 日，「卜朗刻（Planck）」衛星，測得的最新數據為 67.80 ± 0.77 (km/sec)/Mpc。這些不斷更新的數值，彰顯了測量「宇宙」膨脹速度之困難，主要是因為它一直在持續加速膨脹中，你根本無法找到一個絶對靜止的參考座標去觀測，不管如何，依目前所得的「哈伯常數」而言，「宇宙」中各不同銀河系，依其距地球遠近的距離，大約以 70 (km/sec)/Mpc 的速度遠離我們而去。

最後，必需一提的是，即使如此，但是迄今還是有些學者，並不完全苟同此種看法。例如，Christof Wetterich（德國海德堡大學的理論天文物理學家），今年 7 月 16 日，就在Nature News（doi:10.1038/nature.2013.13379）上，提出他的不同論點：我們慣常之所以認為「宇宙」在膨脹，主要是因為，當我們觀測來自不同銀河星系，其所熾射出來的光時，這些光的「頻率（frequency）」，會偏向光譜上低頻（即紅色）的方向偏移（即所謂的「紅移（redshift）」現象）。但是，因為熾射出這些光的原子（atoms），其組成粒子（particles）的「質量」，也能影響到其光的「頻率」（「質量」愈重，「頻率」愈高），因此，當我們觀測來自遠方星系的光時，若其組成粒子（特別是電子）的「質量」，在「宇宙」窄始時較輕，但隨著「宇宙」年齡的增加，逐漸變得較重，這也能讓我們觀測者，偵測到同樣的「紅移（redshift）」現象，進而誤以為是遠方的星系，正在遠離我們而去。當然，這是另一種新的看法，還有待日後更多的科學印證〔註：有人認為Wetterich教授的這種看法，若未來能証實是正確的，那將是天文學上，自哥白尼（Nicolaus Copernicus；西元1473-1543年）、伽俐略（Galileo Galilei；西元 1564-1642年）、刻卜勒（Johannes Kepler；西元 1571-1630年）、牛頓（Issac Newton；西元 1642-11727年）、愛因斯坦（Albert Einstein；西元 1879-1955年）、哈伯（Edwin Hubble；西元 1889-1953年）後，又一次的大革命〕。

DDS026-「地球的呼吸變大了？」

「呼吸（breath）」是人（當然包括所有動物）的生理本能之一，甚至是辨別一個人是否有生命跡象的準則之一。這裡先來段小插曲，記得當年我在美國教書時，有次參加在美國亞利桑那州鳳凰城（Phoenix, Arizona, USA）舉辦的學術研討會，晚間與他校教授，共進晚餐，席間談到各校招生的困境，因為那時正逢石油業最不景氣的年代（1980 年代中期），油價跌到谷底，每桶只要 16 美元，各校所有和「石油」相關的科系，都有了招生困難的問題。有位教授說，他們學校的「石油工程學系」，大學部的本科生，從過去近千人，驟減至十位數，另一位教授則說，他們學校「地質系」的招生標準已降到，只要你能「呼吸」，就可以入學。後者當然是戲謔之言，但也讓我印象深刻，原來「呼吸」也可以用來做為，大學入學的「衡量」標準。

藉此也奉勸下，目前為招生煩惱的同仁（特別在台灣），要知道現在的「大學」，是「資本主義」經濟體制下的產物，「市場」決定一切，君不見「小吃攤」前，大排長龍，「精品店」，因客源不同，老板娘蹺著二郎腿，拿個蒼蠅拍在打蒼蠅，難得有個顧客上門。熱門的產業，薪資好，有願景，就業率高，相關的科系，當然是「趨之若䳱」，人滿為患，而其他那些不景氣行業的科系，當然是「門可羅雀」，招生不易。不願接受這個事實，卻挖空心思，逕想各種花招來招攬學生，最後當然是「事倍功半」，甚至「徒勞無功」，淪為別人的笑談而已。你會問說：「那該怎麼辦？」坦白說，我當然「知道」該怎麼辦，但不好講，一來「不在其位，不謀其政」，二來你聽了也不舒服，那就是，告訴了你，你也不是那塊料，做不來的，還是不要知道比較好。

回到本文的「主題」上來，「呼吸」這個名詞，可不是「動物」的專享，「植物」也能「呼吸」，只是我們人和動物的「呼吸」，是吸入「氧」，呼出「二氧化碳」，而植物卻恰恰相反，是吸收入「二氧化碳」釋放出「氧」。後者指的就是植物的「光合作用（photosynthesis）」，在日光照射下，植物透過葉片的「氣孔（stoma）」，吸入空氣中的「二氧化碳」，再和根部汲取來的水份，合成有機質（即枝葉等），因此，白天時，日照充足，植物透過「光合作用」，得以成長，到了夜晚，沒有日照，植物反向操作，進行所謂的「呼吸作用（respiration）」，把「二氧化碳」釋放回大氣中。

由於每年夏季，溫度高，日照足，為植物的生長季節，植葉繁茂，植物使用大量的「二氧化碳」，到了冬季，枝葉落盡、分解，又把「二氧化碳」釋放到大氣中。以一年的周期來看，地表植物此種「夏-秋」季節的交替，直接反應在大氣中「二氧化碳」氣體濃度的變化，就是「夏低冬高」，如此年復一年，周而復始，有規律的季節性變化，就整個地球而言，有如人一般，擬之為「地球的呼吸（Earth’s breath）」。下圖（credit: NSF and NOAA），即是大氣中「二氧化碳」氣體濃度，在一年間的變化圖，由圖可見，其濃度在夏末（9-11 月間）最低，而冬季過後，在植物生長季來臨前時（5-6 月）最高。

因此，「地球」的「呼吸」，指的是地表大氣中，「二氧化碳」的濃度，隨著季節交替，而呈現的有規律變化，也就是「騏麟曲線（Keeling Curve）」中，所呈現的鋸齒狀的變化（請詳見前文DDS012-「400 ppm CO₂」）。說到「騏麟曲線」，不得不告訴你一些，有關「騏麟先生（Charles Keeling）」的典故。事實上，以上所說的這種大氣中「二氧化碳」的「季節性變化（seasonal variation）」，最早就是 Keeling 發現的，但這一發現，其實也完全是一種巧合和意外。

話說當年（1955），美國正準備開始執行，一項名為「國際地球物理年（International Geophysical Year；IGY）」的計畫，其中需要測定大氣中「二氧化碳」的濃度，也就在這同時，有位英國工程師（Guy Callenda），聲稱人類自工業革命後，所有燃燒化石燃料（石油和煤），所造成的「二氧化碳」，全部都積累在大氣中，由於當時的分析技術還不是非常精準，Roger Randall Dougan Revelle （1909-1991；時任 Scripps Institution of Oceanography 所長，也是 IGY 計畫的主持人）相當質疑該等數據的準確性，也因而並不認同這種看法，因為他深信海水一定也會吸收，部分這些「人造」的「二氧化碳」。

當時他就和 Hans Suess（1909-1993）兩人決定聘請 Keeling，藉重其分析化學的專長（美國西北大學化學博士，加州理工學院博士後），來發展出一套能精確測量大氧「二氧化碳」濃度的方法。在發展設計相關儀器設備的同時，為了驗證他的方法可行，Keeling 就到鄰近各地採集空氣樣品，然後帶回實驗室予以測試，剛開始，他還以為是方法或儀器出了問題，因為他發現，一天裡不同時間採回來的樣品，其「二氧化碳」濃度均不同，而且中午時的濃度最低，接下來，幾乎天天如此，這時他才幡然醒悟，原來他根本不是在測量，大氣中「二氧化碳」的濃度，而是在測量「地球的呼吸」：白天植物行「光合作用」，吸入「二氧化碳」，中午時，光照最強，吸入最多，到了夜間，沒了陽光，植物又把「二氧化碳」，釋回大氣，這樣一「吸」一「吐」，簡直像極了人的「呼吸」一樣！

閱讀到這裡，加上我前文 DDS012-「400 ppm CO₂」的介紹，你該清楚知道，什麼是「騏麟曲線」，而那些每年「鋸齒」狀的上下起伏變化，代表著「地球的呼吸」。但是，事情還沒完呢！就在這個月初（9 月 6 日；Science 341, 1085, 2013; DOI: 10.1126/science.1239207），科學家深入細究，這些「鋸齒」狀的變化時，赫然發現，過去 50 年來，它們變化的幅度，在北半球有逐年漸增的趨勢（見下圖；credit: The Carbon Dioxide Information Analysis Center），也就是說「地球的呼吸」，似乎變「大」了，或者說，「地球」似乎變成在「深呼吸」了，「吸入」更多的「二氧化碳」，也「吐」出更多的「二氧化碳」。此外，他們也發現，此種每年「季節變化的幅度（seasonal amplitude）」，隨著緯度的增加而加大，例如由北緯 45^o 至北極，約增加了 50%，而從北緯 10^o 到 45^o 則僅增加了不到 25%。目前，科學家們還不太了解，造成這種現象的緣由何在？但相信和北半球高緯度地區，陸生植物的生態改變有關。

假如我們把每年大氣中「二氧化碳」濃度隨季節的變化，比喻為地球的「呼吸」，那另一個差可比擬的有規律變化，就是地球「北極」冰原覆蓋面積，隨著四季的「消」、「長」了：在冬季氣溫最低時，冰原面積擴張到最大，在夏季氣溫最高時，冰原面積減縮至最小。最近，有人利用「美國航太總署團隊（ the NASA Visible Earth team）」，拍攝到的地球北極圖像，依月份組合成一連續的動畫（見下圖；credit and source: http://uxblog.idvsolutions.com/2013/07/a-breathing-earth.html ）。我請你一定要上此網址好好的觀賞，它不但生動精美，更可以讓你感受，那「冰原」面積隨四季溫度的「消長」，像極了我們「心臟」的收縮和擴張，我估稱之為「地球的脈動、心跳」。

總結這篇短文的目的，無非是想告訴你：我們這個賴以為生的「地球」，像你我一樣，不但會「呼吸」，還有「脈動、心跳」哩！