DDS060-「哈爾遜」和「格斯」博士（II）

（承前文）另外有一個發生在他身上的真實故事。有天他突然接到「基金委」的電話，告訴他有兩位加州大學柏克萊分校的學生，讀了他發表有關在南極「微中子」的論文後，佯裝應徵他們鑽探冰層的工作，在鑽探工作結束後，偷取了一些光學上的偵測小儀器。「基金委」的人認為，他一定是幕後的嗾使者，經他再三解釋，他根本不認識這兩位學生。過了一會，打電話這個人（其實是美國「極區研究計畫（polar program）」的負責官員）跟他説：「我覺得這個研究其實相當有意思」，並約他到華府一見。他依約前往，到了該官員的辦公室後，先閒聊了下他的構想，並同時問該官員：「我需要寫個計畫申請書嗎？」該官員回說：「嗯，不用，因為你這種計畫，要是依一般程序審查的話，絕對是不可能通過的。我們給你一㸃小錢（5 萬美元），你就去做便是。」之後又給了他 8 萬美元，他的南極計畫就是這樣開始的。至於那兩位學生，一位工作了相當長的時間後，離職他就，另一位目前則任教於加州大學。

針對「基礎科學（basic science）」和「應用科學（applied science）」研究，孰輕孰重？他也有自己的獨到看法。以手機為例，假如一個國家只強調「應用科學」，最終這個國家頂多只能成為，手機最大的製造國，但絶不可能是手機的研發大國（大家都知道，手機的原理和功能使用，還是來自那些所謂「基礎科學」的研究成果）。日本和美國早已認知到「基礎科學」對「應用科學」的重要性，例如美國政府近年來，已把科研預算（包括「基金委」）提高了一倍。他認為，刪減「基礎科學」預算，是最愚蠢和短視的決策，「基礎科學」的影響成效，絕對遠遠超過對它投資。最後，以他叧外一句名言，做為介紹他的結束：「從事科研工作的人，不太可能致富，因此，需要的是一種熱情（passion）。」

（二）接下來，讓我們再來看看「格斯」的一些生活和工作中的軼事。由於他早年的「宇宙遽膨/劇脹（cosmic inflation）」理論，以及日漸明朗的「引力波（gravitational waves）」觀測成果（參見前文DDS045-「引力波（II）」），物理學界咸信，他遲早會獲頒「諾貝爾獎物理學獎」的。對於目前有關 BICEP2 團隊觀測到「引力波」的種種紛擾，他在接受媒體訪問時，也不願多談，只淡淡地說：「他這輩子從沒想到能看到這一天」。

他出身於一個傳統的猶太人家庭，父母都沒上過大學，家裡先是開了間雜貨店，後來因火災把店燒了，改開了一家乾洗店。當時一般家庭的父母，都是希望孩子能上大學，他當然也不例外，高中畢業後，進了美國麻州理工學院（MIT）。有人後來問他，為什麼不進哈佛大學，他說：「因為當時他姊姊的男朋友是 MIT 的」。他自高中開始，就深對科學著迷，因為他認為科學能有助於了解事物背後的道理，而物理學正是其一，因此他就決定主修物理學，並完成了博士學位。之後，他前後在普林斯頓（Princeton）、哥倫比亞（Columbia）和康乃爾（Cornell）大學擔任了九年的博士後（postdoctoral）研究工作，他後來回顧時，認為這正是他的資產，因為這讓他認識了更多傑出的同行。

談到他的「遽膨/劇脹」理論，他認為主要是來自 1978 年，他在普林斯頓大學時聽了一個演講，其中提到宇宙的膨脹速率，必須要精準到小數㸃第 14 位數，才能如今天我們所觀測到的大小，要是膨脹速率稍大一㸃，整個宇宙就炸開了（blasted itself apart），要是稍小一㸃，則宇宙根本就因引力作用而崩塌了（fallen in on itself）。隔年，他又聽了另外兩個有關宇宙「大爆炸」的演講（由諾貝爾物理學獎得主 Steven Weinberg 所給），腦海中就逐漸地浮現了，後來在「遽膨/劇脹」理論中「遽膨/劇脹」這個的字。加上之前，他在康乃爾的同事 Henry Tye，有次要他幫忙看看，宇宙源自「大爆炸」的説法，還有那些問題未決？經他研究後，發現其中問題可真不少，要能部分解決這些問題，宇宙的年齡大約只能有 1 萬年左右，但大家都知道宇宙年齡有 138 億年之久，因此這裡面一定「大有文章」。另外，他也發現，假如宇宙當時開始膨脹的溫度，只有目前所知的十萬分之一的話，目前存在的問題就可大大地減少，因為這樣就可以替宇宙形成的瞬間（10^-32 秒）爭取到一㸃㸃時間，來修補這些問題。這個念頭的出現，他自承是他後來「遽膨/劇脹」説發現的最重要時刻（"This was a eureka moment" ）。後來，他也了解到他的「遽膨/劇脹」理論，也可以用來說明，「宇宙是平的」以及「宇宙是均質的」，這兩個科學家們長久以來，一直困惑不解的問題。

由於他這「遽膨/劇脹論」的發軔，一夕間他變成炙手可熱，對他而言，這是好事一椿，因為他還只是「博士後」，他需要一份固定的工作。但他自知有兩個麻煩，一是他寫科學論文的速度太慢，二是他只知道「遽膨/劇脹」如何開始，但並不知道它如何結束。1980年一月，他受邀到哈佛大學演講，遇上貴人（哈佛著名物理學家 Sidney Coleman），大加讚賞他的理論，並四處替他宣揚，自此之後，工作機會也隨之而來。四月間，他到馬里蘭大學（University of Maryland）面試，晩間學校循例招待他在一家中國餐館用餐，餐後他拿了個幸運餅（fortune cookie），打開一看上面寫著：「鼓起勇氣，好運正等著你（An exciting opportunity awaits you if you are not too timid）」。於是他寫了一信給他在 MIT 的舊識，跟他說，我知道你們並不在找新教授，但是假如你們提供我一個職缺，我會非常樂意到你們那工作。隔天，MIT 打來電話，同意聘任他，一直到現在。他自嘲說，自己出道慢（當了近十年「博士後」研究工作），而後來的工作生涯（MIT 教授）的發軔，靠的居然是中國餐館的幸運餅。

從 1980 年「格斯」教授提出「宇宙遽膨/劇脹」的理論，到現在已整整超過了三十年，其間也歷經了近十年的沉寂，後來因其他相關研究的一再證實（如宇宙持續膨脹、宇宙微波輻射及最近引力波的偵測等），使得他的「遽膨/劇脹論」，已成為討論宇宙起源，不可或缺的一環。為表彰他對「宇宙遽膨/劇脹」理論的貢獻，今年九月他和其他兩位學者Andrei Linde 和 Alexei Starobinsky，共同獲得由挪威國王親自頒發的「卡夫里奬（Kavli Prize）」（見下圖中最左邊第一人；此獎被認為是和「諾貝爾獎」打對台的最高學術榮譽獎；from: http://www.kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2014-kavli-prize-laureates-astrophysics）。（全文完）

〔敬告讀者：時間真的過的很快，2014 歲末腳歩已近，在此先預祝大家新的一年，健康快樂、圓滿成功。這篇短文是我近兩年來，為文「部落格」的第 60 篇，也是今年的最後一篇。由於個人因素，這篇短文也是我的「封筆」之作，藉此機會，再三感謝所有讀者過去對我貼文的喜愛和支持，在此就和各位別過，還請大家攝自珍重。〕

DDS059-「哈爾遜」和「格斯」博士（I）

為了給大家來㸃不一樣的震撼教育，這次我先把「哈爾遜（Francis Halzen）」和「格斯（Alan Guth）」兩位教授的近照分別附示於下（上幅為「哈爾遜」，下幅為「格斯」；照片來源見文末之參考文獻）。各位讀者從其照片中的神態，可以發現兩人有一個共同的特徴，那就是：沈穏厚重又充滿自信，也就是說，他們具備了真正偉大科學家或知名學者，所應有的人格特質。我常説：要成為一個成功的「科研工作者」其實不難，因為只要你肯努力、專注、有恆，而且要耐得了寂寞，不出十到二十年，你一定可以達到的，但是要成為一個受人敬重的「學者」，那除了以上條件外，你還得設法，讓自己脫胎換骨，沛然匯成一種你自個兒的人格特質，也就是這種特有的人格特質，區分了「科研工作者」和「學者」，就如同「教授」和「先生」之不同，「教授」是你的職稱，「先生」可是蘊含了千百年來的歷史文化積澱。不容易，我知道，但不開始，那是絕不可能達到的，特別是年輕學者，這是我能給你的唯一箴言，也是我對你的深深期許。

其次，該兩幅照片，其背景皆佈滿了深奧的數學方程式，那又是我常說的：一個好的科學，必須從好的數理邏輯出發，不是說你的工作必須一定要有數學，但是你的科研成果，必須能經得起數理邏輯的檢驗。其實，數學才是真正的基礎科學，其他科學，主要靠的是實驗和觀測，而數學是邏輯的推理，這也就是為什麼，近代物理學幾乎全都是數學。另外一個癥結在於，實驗和觀測必須看得到、摸得到，但數理邏輯的推理，卻可以帶你走向另外一個完全不同的視野之外，要不是這樣（比方說），哪來的「相對論」和「量子力學」呢？因此，我苦口婆心，總是告誡大家，你要嘛不做科學，要做科學，一定要把數學學好，要不，你遲早會落得像我這樣，一輩子苦哈哈的！

好了，該說的也說了，接下來就給大家介紹「哈爾遜」和「格斯」這兩位學者，重點不在他們了不起的科學成就（請分別參閱前文DDS054-「微中子（I）」和 DDS055-「微中子（II）」以及 DDS045-「引力波（II）」 ），而是看看他們的一些成長歷練和生活軼事。

（一）先說「哈爾遜」教授（如上照片所示），當他面對你時，總是雙眼正視著你，雙臂盤在胸前，面露微笑，態度優雅、和善、自信又深具威嚴。他是備受學界敬重的理論物理學家，也是發現星際間「微中子（neutrinos）」的第一人，由於他的奔走策劃，催生了目前正在南極偵測「微中子」望遠鏡的建造和後繼研究（即前文DDS055-「微中子（II）」的 IceCube 計畫），也兼任該研究計畫的發言人。他的研究被評選為 2013 年度，最重大的科學發現之一，雖然如此，他永遠把功勞（credits）歸諸同僚，而且鉅細靡遺指出每一個人在不同環節上的貢獻。

他指導研究生的名言是：「少讀書，多做事（Don’t read too many books, do things!）」，他説這話可是其來有自的，讀者不要馬上就斷章取義，先耐心看下去。話說當年他剛滿 15 歲時，有本「水和冰的光學（The optics of water and ice）」的標準教科書，論及光在冰中的穿透性和水中相比差了許多，最多只能達 30 公尺遠（或深）。假如當時他看了那本書，也相信書中所說，他就不可能提出目前正在南極的研究計畫了（見前文DDS055-「微中子（II）」），而事實上，在南極冰中，光的穿透可深達 200 公尺以上，而且和原來水的純淨度有關，愈純透光性愈好。另外，該書也說，冰下 400 公尺，就沒有氣泡，但結果是 1400 公尺下才沒有。這個光在冰中的「穿透深度」和「氣泡存留深度」，是決定他南極實驗成敗，兩個最重要的因素，所以他一直認為自己很幸運，就是因為當時沒讀那本書，要不怎麼可能提出現在正在進行的 IceCube 計畫。因此，他的深意是：「盡信書，不如無書」。

另外，他也回顧當年他申請「美國科學基金委員會（NSF）」計畫的過程，其中有頗多值得我們深思的地方。當時（現在依然如此）「基金委」，保留一小部分經費，專門用來支助一些，有風險但又可能會有重大突破的研究，當時的主委名為 Ken Lane，他非常支持這種政策，甚至認為：「大科學多少要有㸃賭性才行（Great science could need a bit of gambling）」。剛開始時，他的這個 IceCube 計畫，當然就是屬於這一類，讓他最讚賞的是，這一類計畫，完全沒有制式的審查程序（如書面審查、召開審查委員會等等），任何人都可以提出任何種計畫，只要一旦他們決定支助你，就把錢給你，更不會要求你要做什麼，反正就是把鈔票給你，讓你去賭就是！

他想要強調的重㸃是：「基金委」要是連鷄毛蒜皮的事都要管（如計畫進度、成果報告、論文發表篇數等等），只會讓計畫執行者，提出那種沒有風險的計畫，因為這樣對正在執行中的計畫成果較有把握，而且也有利於接下來計畫的申請。但是，就是因為沒有風險，當然就不可能有任何驚人的重大發現，就這㸃而言，「奚氏玻子（Higgs Bosons；見前文DDS003-2013年的「Pi Day」）」的研究是屬於買了保險的研究，但「微中子」的偵測，則算是賭性堅強了。他的另一句名言：「你不敢去賭，你怎麼知道是幸還是不幸？」他還有另外一句名言，那就是：「發表研究論文的人有兩種，一種是探討他自己深信的科學問題，另一種只是想告訴你，他有多聰明。」他自承他早期的論文，屬於第二種，有夠坦白的吧？！對於有人誇讚他，能把南極團隊領導管理這麽好，他的回應是：「科學家的平均心理年齡只有 12 歲，要讓大家各盡其職，但又能通力合作，成為一個有效率的團隊，確是不易。」（待續）

參考文獻：

1. Francis Halzen: I always advise to my students ‘don’t read too many books, do things!； http://www.jotdown.es/2014/05/francis-halzen-i-always-advise-to-my-students-dont-read-too-many-books-do-things/

2. Alan Guth: Waiting for the Big Bang； http://news.nationalgeographic.com/news/innovators/2014/06/140630-alan-guth-profile-inflation-cosmology-science/?sf3535113=1

DDS058-「慧星探測任務（III）」

（承前文）迨至十一月十五日，就在「Philae」登陸「67P/C-G」彗星後不到三天，果如預期，「歐洲太空總署」任務小組證實，「Philae」探測小艇，因自備電池的電力已耗盡，且又無法借助日照充電，於工作 64 小時後，已進入休眠狀態，目前的探測工作也因而暫時停擺，所幸所有預訂的探測任務（特別是鑽探工作）均已完成，所得資料也安全傳抵任務中心，目前科學家們只能期望，至少待到明年八月時，當它繞太陽軌道運行至距太陽最近處，那時較強的日照，能使其上太陽板的充電能力增強，進而讓「Philae」復甦回來，繼續完成更多的探測工作。

此外，初步分析結果證實，彗星表面結滿了硬冰（但也混雜著塵土），溫度約為攝氏零下 153 度，也就是因為這表層硬冰的存在，使得目前鑽探的深度僅能達到 10 至 20 公分左右。另外，也初步「嗅」得其表層溢出氣體中，存在著含碳的分子，但這到底是氨氣（ammonia ）或甲醇（methanol）等單純的有機分子，還是氨基酸（amino acid）的複雜有機組成，還有待進一步的分析確認，未來若有進一步重大突破或具體成果時，我當再擇機向讀者老爺你們彙報。當然，這些冰（即水）和有機碳分子的存在，並不令科學家們感到太大意外，因為先前不同的探測，已多少間接偵知它們的可能存在，只是這次能登上彗星，直接在現場（in situ）具體印證它們的存在，可是莫大的不易，也是這次任務讓人讚嘆的原因之一。

另外，在「Philae」探測小艇電力耗盡前，網路 tweet tête-à-tête 上（http://blogs.discovery.com/inscider/2014/11/rosetta-philae-twitter-conversation.html?mkcpgn=twsci1），發佈了它和母船「Rosetta」衛星間之三段對話，更是懾人心弦，不揣簡陋翻譯如下：

「Philae」：我覺得有㸃累了，你收到我傳回的所有數據嗎？我可能需要小睡片刻。

「Rosetta」：Philae，你已經完成了項了不起的工作，是其他所有太空探測器從來不曾做到的。

「Philae」：謝謝，Rosetta。我總算做到了。我成為第一個能登陸在彗星上並研究它的探測器。但是，工作還沒完呢！

「Rosetta」：確是如此，你傳回的資料還等著進一步的分析。我會繼續跟著「67P/C-G」彗星，朝向太陽前進，同時也研究下它未來還會有什麼改變。

「Philae」：我的探測工作已經開始了，我會儘快告訴你更多有關我新家（彗星）的情況。

「Rosetta」：沒關係，我這兒也正在進行著呢！你就好好休息吧！

此外，關心人類太空探測的讀者，可能會發現對這次「歐洲太空總署（ESA）」主導的「Rosetta 彗星探測」計劃的空前成就，雖然其中有部分探測儀器是由美國 NASA 製造提供，但在美國相關媒體的報導上，似乎相當冷漠，甚至令人有頗吃味的感覺。因為想想在 1960 年代，美國首次完成人類登月的壯舉時，那種令人振奮的風光，這次「Philae」完美成功登上「67P/C-G」彗星，雖然不是人類登陸，但不論就科技面或團隊意志上而言，遠遠超過當年的登月任務，也讓 ESA 在太空探測上拔得了頭籌，美國佬一下子似乎由「老大哥」，變成了「小弟」，真是情何以堪？

以下這幅摘自網路上的卡通自嘲漫畫（from：http://www.usnews.com/opinion/articles/2014/11/17/philae-comet-landing-puts-nasa-in-the-backseat-of-space-exploration），以美式慣用的幽默方式，入木三分地道盡了，美國佬對此次「Rosetta 彗星任務」成功登陸彗星的五味雜陳和不服輸的民族性。該畫描繪的是，美國佬「輸人不輸陣」，也發射了一個遙控玩具飛行器，降落在一美國家庭常用，牌子為「彗星（comet）」的清潔劑罐上。

美國對這整個事件的失落感，說起來也是其來有自的。事實上，早在 25 年前，美國太空科學家也曾積極針對彗星探測，進行過類似的可行性研議，並提出一名為「彗星會合小行星飛越（Comet Rendezvous Asteroid Flyby；簡稱 CRAF）」的計劃，該規劃其實包括兩個部分，其一為針對土星（Saturn）的探測（即 Cassini mission），另一即是此 CRAF 計劃，不幸的是後者遭國會否決，只保留了前者。相反的，「歐洲太空總署」在此期間則鴨子划水，堅定不移地繼續自行研發推進此一艱鉅任務，他們相信，不像其他小行星（Asteroids；見前文 DDS023-「宇宙有多大？」中，有關小行星帶在太陽系中之介紹），因為較接近太陽，飽受太陽高溫及彼此間相互碰撞的影響，此「67P/C-G」彗星更能代表數十億年前，當太陽系初形成時，浩瀚宇宙中迄今保存最好的殘留物。

我們當然不該就此論斷歐、美兩者間的優劣，但不可否認的是，歐、美政府和科學家們，彼此間在文化思維上的不同，歐洲國家就科學新知的探索和追求而言，自古一脈相承，不但能深具遠見，更是能有持續追求夢想的堅持（如探測看似微不足道的彗星），而美國只知追求那種具體又相較不具風險的標的物（如「土星」及其「泰坦（Titan）」衛星），有論者認為，這才是我們更應該省思和關注的焦點。反觀我們的國家、政府和人民，在兩千多年的文化歷史積累中，所投射出來的「科學思維」又是什麼？

最後，「歐洲太空總署」也特地製作了一 7 分鐘的電影短片「Ambition」（下圖即為此短片的片頭首頁），用來說明為何要執行此耗費巨資，但又深具風險的探測任務。該短片由奧斯卡獎名導演 Tomek Baginski 執導，在冰島實地拍攝，訴説人類因科技文明的突飛猛進，未來將演化成半人半神（demigod）的物種，也肩負著對宇宙更多的重責大任。有論者認為，該短片比起 90 分鐘的電影「地心引力（Gravity）」更意味深遠，讀者不妨㸃入該綱頁（Rosetta: The Ambition to turn Science Fiction into Science Fact；Credit: ESA, Illustration-TRR），分享此次「彗星探測任務」所標誌的人類的雄心大志。（全文完）

DDS057-「彗星探測任務（II）」

（承前文）前文就此次「彗星探測任務」中，Rosetta 衛星擕帶著「Philae」探測小艇，由地表發射，歷經十年，終於安然抵達「67P/C-G」彗星，並讓小艇著陸於其上的過程，做了一個概述，特別是讀者若觀賞了前文末的短片，至此應該對此任務有了初步的概括了解。以下謹就該「67P/C-G」彗星的形貎以及「Philae」降落其上的艱辛予以進一步的説明。

首先，我們知道此次探測任務的標的物為「67P/C-G」彗星，其大小長寬只有 4 x 1.2 公里，兩端突出不一，中間凹陷，形如唖鈴（見下圖；credit：ESA）。要提醒讀者的是，因它表面只能反射 4% 的光線，為了讓我們肉眼能更清晰辨識它的外貎，該影像已經人工色相處理，實際上它看起來應是像木炭般的漆黒色。另外，依 Rosetta 上感應器的初步偵測結果顯示，它聞起來夾雜著腐蛋、酒精、馬尿和杏仁的味道。由於目前此彗星正依其運行軌道，朝著太陽方向前進，因此其冰凍的水開始昇華，也夾雜著其他碎石和塵埃，如同噴泉般由其表面逸出，蔚為奇觀（這種情況，也增加了「Philae」小艇登陸的風險和困難度）。

依原先的任務規劃，「Philae」探測小艇的登陸地㸃（命名為 Agilkia）位在彗星右側約一百公尺見方的平坦處，另為周全計，該任務也規劃了一備用地㸃「C」（參考下圖；credit：ESA）。另外，我們知道該彗星因體積質量，和其他天體（如月球或火星）相較，簡直微不足道，因此其引力幾乎是不存在的，這也使得要讓「Philae」登陸小艇，能安然降落其上備極艱辛，也變成幾乎是項不可能的任務。例如，在登陸小艇和衛星分離前 12 小時，控制中心的科學家，才下達了五個分離的選項指令，因為此時衛星已趨近彗星上空約 10 公里處，而所有傳回的彗星表面圖像，都顯示比原先研判的地形還要崎嶇複雜，直到格林威治時間 12 日上午 9 時 03 分，才決定下達分離的最後指令。接下來就是所謂的「恐怖七小時（terror of 7 hours）」，讓「Philae」登陸小艇，在無任何推進器的助力下，自行以每秒約 1 公尺的速度，緩慢下降並選取合宜的著陸㸃。其中最大的不確定性在於，彗星仍在不停旋轉移動中，任何其表面的瞬間變化，完全無法事先預期，何況由於其距地球實在太遠了，傳回的影像需時約 28 分鐘後，才能被我們接收到，來回往返的訊息傳輸就足足遲緩了一小時。

果不其然，雖然「Philae」還是安然成功登陸在慧星上，但是其傳回來的第一個訊息顯示，它的著陸噴射器因為無法適時啓動，「Philae」著陸後彈跳了兩次，偏離了其原先設定的著陸位置，約一公里處，才靜止下來。其中第一次彈離了表面約一千公尺高，懸浮了約兩個小時後，才又碰觸地面，然後又再彈起約二十公尺，最後才靜止在目前的位置上。下圖即是由母船「Rosetta」衛星（它一直繞著彗星軌道運轉），拍攝到「Philae」的一系列位移圖像（credit：ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA）。

  

由於該位置為一陡坡，其中三個支架只有兩個能支撐在地面，另外最麻煩的是，此斜坡正好遮擋了太陽的光線（即背光面，請注意「67P/C-G」彗星是朝向太陽而去），使得其上的太陽能板無法進行充電（因為，限於電池壽命，「Philae」登陸小艇的自備電力最多只能維持不到三天之運作），下圖即是其原先預定的著陸㸃（十字形線）和目前所在的陰影處（白色橢圓形）。

讀者可能會好奇，這次「歐洲太空總署」大費周章，耗資不貲（14 億歐元），又歷時 10 年，只是為了要能登陸在此「67P/C-G」彗星上，而且整個探測工作也只能維持短短的 64 小時，值得嗎？（依照台灣政客、名嘴的説法，那可是可以提供多少學童的營養午餐啊？！）要回答你的問題，我只能說，科學的探索是人類文明演進的基石，因此是無價的。何況依據我們對太陽系形成理論的理解，彗星為我們太陽系形成過程中，殘留下來的最原始物體，就此次探測任務而言，它的主要科學目的是希望，藉由「Philae」登陸小艇的鑚探取樣及分析其組成之結果，來進一步解答，科學家們對我們太陽系形成過程中，一些迄今仍困惑未解的問題，特別是攸關地球上水的來源，甚至生命的起源。

有關科學家們對我們地球上地表水（包括河流、湖泊、海洋和兩極的冰原），可能來自彗星的理論，讀者不妨㸃入以下網站（Everything You Thought You Knew about a Comet - Might Kill Us! from Sciencechannel），觀看此短片的説明〔註：修習過我十年前開授「海洋學導論」和「現代海洋學」兩門課的同學，應該已能了解此概念之由來。〕（待續）

〔附記：由於此次「登陸彗星探測」史無前例，又是發生在這過去兩周內的太空大事，為了給讀者做一及時的動態報導，我不得不和時間賽跑儘速完成.....，敬請期待下文。〕

DDS056-「彗星探測任務（I）」

今年十月不是一個平靜的月份。首先在台灣，海洋科學中心（Taiwan Ocean Research Institute；TORI）的最新型多功能研究船「海研五號」，不幸於十日晚間八時三十分，在澎湖外海四海里處，觸礁瞬間沉沒，釀成二死多人受輕重傷的意外悲劇。二十八日，在美國維吉尼亞州的火箭發射場，一艘由美國私人「軌道科學公司（Orbital Science）」負責設計建造的「安塔瑞斯（Antares）」號運載火箭，於升空六秒後於美國東岸標準時間晩間六時二十二分爆炸墜毀，幸無人員傷亡（見下圖；credit：NASA）。緊接著，十月三十一日，在美國加州東北方上空一萬五千公尺處，美國「維京銀河（Virgin Galactic）」公司的商用「宇宙飛船二號（SpaceShip Two）」，在脫離其載機「白色騎士二號（WhiteKnight Two）」後爆炸墜毀，造成一死一重傷，載機則倖免於難，隨後安全降落地面。

這些接二連三的國內外惡耗說明的是：「任何探測工作都是有風險的，海洋或太空的探測尤甚。」但是，整體人類科學知識之所以能不斷推進，靠的就是這些先賢志士們的犧牲和奉獻才能有以致之，做為從事這類工作的我們，此時此刻，不但不應退縮，更應積極面對，意外的發生固然是一種「挫敗（setback）」，但絶不是「失敗（failure）」，愛因斯坦説的好：「只有那些不願去嚐試的人，才不曾失敗過。」歷史一再告訴我們：「成功永遠是屬於那些有信心、有勇氣的人」，科學的探討自不例外。此時此刻，讓我們共同拾起信心，鼔足勇氣，同心協力，以我們的志業為榮，再創新猶。

揮别十月，進入十一月。直到上周三（十一月十二日），總算捎來全球矚目、令人振奮的好消息，那就是由「歐洲太空總署（European Space Agency；ESA）」主導的「Rosetta 彗星任務」（Rosetta's comet mission）」，圓滿完成登陸彗星的壯舉，為人類太空探測史創下了新的里程碑。下圖（上）（credit：ESA）即是「Philae」探測器於格林威治標準時間 2014 年 11 月 12 日下午 4 時 03  分安全降落，登陸在彗星表面上的景象，而下圖（下）（credit：ESA）則是此次任務的最佳組合寫照，其中左上方為 Rosetta 衛星，其大小如同一輛汽車，兩側各有一長 14 公尺的太陽能板、右下方為一大小僅有 4 公里長的「67P/Churyumov-Gerasimenko」彗星（簡稱67P/C-G）、中間則為大小有如一台洗衣機般，重約 100 公斤的「Philae」登陸探測器，圖片描繪的景象是，「Philae」登陸小艇，脫離母船「Rosetta」衛星後，緩緩（共耗時 7 小時）朝向「67P/C-G」彗星降落中。

總計此次探測任務共耗資 14 億歐元，自2004 年 3 月 2 日衛星發射升空迄今，歷經了整整 10 年 8 個月的時間，在太陽系中繞行了逾 60 億公里，其間曾多次藉助飛越地球、火星和小行星帶軌道時的「引力挹注（Gravity assist）」效應，才得以如此長途跋涉，抵達該彗星所在之位置〔註：有關此「引力挹注」的原理，可參考前文 DDS032-「引力挹注」的說明〕。此外，為確保其有足夠的電能，以進行接下來各項任務的執行，其間也歷經了近三年（自2011 年 6 月 8 日至 2014 年 1 月 20 日）的休眠狀態，於今年年初才復甦過來。下圖（credit：ESA）即是 Rosetta 衛星，過去 10年在太陽系間所飛越的完整旅程圖，圖中的淡藍色粗線，為 Rosetta 衛星的飛行路徑，而深藍色細線則為「67P/C-G」彗星繞行太陽的軌道，直到今年 8 月 6 日，兩者才相會整合。

俗話說，外行看熱鬧，內行看門道。這次任務的圓滿成功，你説是創舉也罷，是完成一項令人窒息的不可能任務也罷，你不得不佩服太空探測科技的突飛猛進，以及科學家們的意志力、決斷力和團隊精神。首先，我們知道，除了高風險外，所有太空探測任務都是高難度的。就其「難度（difficulty）」而言，可概分為三個等級：（1）若只是發射衛星，「飛越（flyby）」一個探測標的物（如月球、火星等不同天體），進行遠距拍攝或分析，僅屬「困難（difficult）」等級；（2）若要讓衛星準確切切入該標的物的軌道運行，甚至進行登陸探測，則屬「非常困難（very difficult）」等級（因為，若稍有差錯，要不就被彈脫消逝於天穹中或是直接墜毀）；（3）但要能登陸在一體積小而又高速旋轉移動的標的物上，則屬於「不可思議的困難（ridiculously difficult）」。

顯而易見，此次「Rosetta 彗星登陸任務」的困難度，當屬於最後一類，因為過去我們熟知的太空探測載具，都是降落在個體碩大的天體上（如月球或火星），從來沒有如此次「Philae」必須精準的降落在一大小僅有 4 公里長，且以每小時  64,000 公里移動（也同時旋轉）的彗星上，也就是因為這種高難度，它才被視為人類太空探測史上，迄今最為傲人的成就。有關此次探測任務中，「Philae」小艇脫離「Rosetta」衛星後，著陸於「67P/C-G」彗星表面的完整模擬過程，讀者務請㸃入以下網站（https://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=W8bVOGN9jSg）觀賞。（待續）

DDS055-「微中子（II）」

（承前文）一直到了 1987 年，科學家們更是利用分別位在日本和美國的觀測站，偵測到了離我們更遠，來自我們鄰近銀河系（the Large Magellanic Cloud）中，其一超級新星（supernova）爆發後的「微中子」。至此，歷經了幾乎半個世紀的探索和研究，科學家不但確認了「微中子」的存在，更相信它們漫佈在整個宇宙之中，而且從「大爆炸」初始之時既已存在，最新的觀測和研究，甚至認為它們可能還是「暗物質（dark matter）」的主要成分之一。也就是因為這些觀測成果，益加增添了天文物理學家們，探索來自宇宙星際更遠方「微中子」的信念，以及興建更大型「微中子」觀測站的迫切需求。

又歷經了約20 年，直到本世紀初（2003 年），以美國為首的科學團隊，才開始在南極建造一名為「IceCube」的微中子觀測站（見下圖；credit：Sven Lidstrom, Icecube/NSF）。該測站耗資 2 億 7 千萬美元，歷經七年於 2010 年完工，可說是世上最奇特的實驗室，因為它建在一立方公里的南極冰中，而且不同於一般天文望遠鏡，以觀測來自不同波長的光子（含無線電波、可見光、X光和珈瑪射線）為主，「IceCube」則是用來偵測宇宙中的「微中子」為主。就此而言，要注意的是「微中子」和「光子」最大的不同在於，「光子」行進時會被物體摭擋（如日常所見的陰影），但「微中子」卻能自由穿梭過任何物體，這也就是為什麼，在深達一公里以上的冰中，仍能偵測到它們的存在。其次，雖然每秒有上兆個「微中子」穿梭過 IceCube，但能撞擊到冰中水分子原子核的機率卻幾乎是零，目前 IceCube 的光學感應器，每天大約只能偵測到 30 次的撞擊。

該計畫的主持人，為目前任教於美國威斯康辛大學麥迪遜校區（University of Wisconsin-Madison）物理系的講座教授 Francis Halzen。該項計畫總共集結了來自世界各國，人數超過數百人的龐大團隊，他親自領導負責該觀測站的建置，其間歷經各項挑戰，包括（1）理論上須先確定冰的光學性質（因之前對此的認知容或有誤）以及（2）由於在南極冰原上，每年只有夏季短短三個月的施工期，因此實務上如何能在最短時間內（前後共花了 4 年的時間），在南極冰原上完成所有 86 個直徑 60 公分，深度達 2.5 公里的鑽井工作（見下圖；credit and source from NSF：http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=32364 ）。〔註：有關其人的生平軼事，和他向美國國家科學基金委員會（NSF），爭取此 IceCube 計畫之始末，請參見後文「DDS058-「哈爾遜」和「格斯」博士（I）」的進一步說明。〕

在這些井洞中，垂直吊掛著總數為 5,160 個的光學偵測器（digital optical modules；每一個井洞懸掛 60 個，總共 86 x 60 = 5160 個），其目的主要是用來偵測，這些來自我們太陽系外的「微中子」，當它們撞擊到冰中水分子的原子核時，所釋放出來的藍色閃光（即「契倫柯夫輻射（Cherenkov radiation）」）。下圖（from :http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2013/11/-evidence-of-neutrinos-discovered-at-antarctica-observatory-the-ghosts-of-the-universe.html）右邊即是這些來自太陽系之外的「微中子」，穿梭進入 IceCube 的示意圖，而圖中左上方所示即是懸吊在每一井洞中的光學偵測器，左下方則是當「微中子」撞擊到冰原子核時，閃射出來的「契倫柯夫輻射」。由於 IceCube 的偵測方式，不同於一般傳統式的天文望遠鏡觀測（「粒子」 vs.「光」），而是以一立方公里的天然冰，做為這些高能量「微中子」的偵測器，也因而開啟了「微中子天文學「Neutrino Astronomy」，這個嶄新天文研究領域的新紀元。

另外要注意的是，上圖左下方的顏色由紅到綠，代表的是那些photomultipliers 記錄到，冰原子核受「微中子」撞擊後，依序所激發岀來的輻射光，也就是說，該圖顕示的是「微中子」從左下方（紅色）進入後，再向右上方（綠色）的方向穿梭而過，藉由此行進方向的軌跡，科學家們即可判斷這些「微中子」來自的方向。這種行進方向的研判（目前可精準到一度），對科學家來説，堪稱「彌足珍貴」，因為對來自太陽系外「宇宙射線（cosmic ray）」的確切來源位置，迄今仍是天文物理學上未解之謎，主要是因為這些「宇宙射線」負有電荷，所以在其行進途中，若遇上磁場，其行進路徑會受該磁場磁力的影響而產生偏離，使得在地球上的觀測，並無法確知它們來自的方向，但與其共生的「微中子」，因不荷電，不受磁力之影響，故可用來回溯其來自的方向，進而揭示了「宇宙射線（cosmic ray）」來源之謎，這也就是 IceCube 的建置完工和觀測結果，對天文物理學上最大的貢獻和突破，也難怪該項成就，被評為2013 年的最重要科學發現之一。

最後，必須予以補充説明的是，「微中子」的發現和存在，固然是粒子物理學上的重大成就，但也對「標準模型（Standard Model）」，帶來了另一嚴峻的考驗。因為在「標準模型」的理論中，「微中子」只有三種而且它們均不具任何質量，但後者卻違反了所有針對「微中子」質量的測量結果，也就是說，它們還是具有質量的，只是非常非常的小（見上文 DDS054-「微中子（I）」之說明）。要能替這個難題解套，而且能讓「大爆炸」理論符合迄今的所有實際觀測結果，科學家們提出一個理論上的「無性微中子（sterile neutrino）」，由於它也如同其他三個已知的「微中子」一樣，不和其他任何粒子反應，故稱之為「無性微中子」，而且由於它看不到，被視為一種「暗粒子（dark particle）」，或被稱為「暗輻射（dark radiation）」。（全文完）

參考文獻：
1. M. Lemoine, “Acceleration and Propagation of Ultrahigh Energy Cosmic Rays,” J. Phys. Conf. Ser. 409, 012007 (2013).

2. M. G. Aartsen and et al. (IceCube Collaboration), “First Observation of PeV-Energy

Neutrinos with IceCube,” Phys. Rev. Lett. 111, 021103 (2013).

3. M. G. Aartsen and et al. (IceCube Collaboration), “Evidence for High-Energy

Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,” Science 342, 6161 (2013).

4. M. G. Aartsen et al. ((IceCube Collaboration)), “Observation of High-Energy Astrophysical Neutrinos in Three Years of IceCube Data,” Phys. Rev. Lett. 113, 101101 (2014).

DDS054-「微中子（I）」

本文的目的是給讀者介紹有關「微中子（neutrinos）」研究的最新發展。所謂的「微中子」，指的是一種經由「貝他衰變（beta decay）」，所形成的基本粒子，也就是核反應（nuclear reaction；例如核反應爐、太陽，甚至宇宙「大爆炸」）後的一種產物，但它不同於一般核反應後形成的輻射（radiation），而是以粒子（particle）的形態存在。如同其他許多理論物理學上的重大發現，都是先由理論演繹其存在，然後才由實驗予以證實（例如前文的「黑洞」以及「引力波」，甚至後文將介紹的「引力透鏡」），「微中子」的發現當然也不例外。雖然早在 1930 年代，理論物理學家就預期它的存在，但遲至 1953 年時才被具體偵測到，其間過程也充滿曲折，略述於下：

首先，我們知道，一個「中子（neutron）」經「貝他衰變」後，就能形成一個「質子（proton）」和一個「電子（electron）」。依據「能量守恆定律（the law of conservation of energy；即熱力學第一定律）」，自然界中任何反應，在「密閉系統（close system）」中，其反應前和反應後的總動能（momentum and energy）應維持不變（即相同），但當科學家們實際測量「貝他衰變」前後總動能時，卻發現衰變後的總動能較衰變前為少，似乎有些動能在「貝他衰變」過程中消逝了。

就在科學家們為此現象困惑不解時，已故著名物理學家 Wolfgang Pauli（1900-1958） 提出一個當時（1930 年）連他自己也沒有把握的猜想，那就是：「貝他衰變」後的產物，除了當時已知的「質子」和「電子」外，一定還有另外一個粒子被釋射出來，帶走了那缺失的動能，只是以當時儀器的能奈，還無法偵測得到。〔註一：事實上，即使以今天的科技，要偵測到這「微中子」仍是非常困難的，主要是因為它不荷電、幾乎不具質量、以光速行進，而且又不和其他物質產生任何反應；註二：「微中子」的平均質量為 3.7 eV，不到電子質量（約511,000 eV）的十三萬分之一。〕

下圖（from http://andthejoyofdiscovery.wordpress.com/tag/neutrino/）右上角即是 Pauli 的檔案照片，而圖中右下方的黒㸃，即是 Pauli 所猜測，「中子」經「貝他衰變」後，形成「質子」和「電子」時，所釋射出來的「另外一個粒子」。事隔三年後（1933 年），另一位已故的著名物理學家 Enrico Fermi（1901-1954），才替此看不見的粒子正名為「微中子」。這「微中子」名稱，在意大利文的原義上，即是「中性的小傢伙（the little neutral one）」的意思，後來有同事和 Pauli 開玩笑，把它改為「不存在的中性小傢伙（the little neutral one who isn’t there）」，言下之意即是對此「微中子」的是否真正存在，充滿著質疑。

儘管如此，最終藉由其他理論和實驗的證實（見下文），「微中子」不但存在，而且還是形成宇宙各種物質的三種主要基本粒子（參見前文 DDS003-「2013 年的 Pi Day」的説明）。另外，依其旋轉方式的不同，這些「微中子」可概分為三種： electron neutrino（e）、 muon neutrino（μ） 和 tau neutrino（τ）（見下圖左下方的三個藍色格子：from http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/09/18/the-little-bit-of-dark-matter-we-know/）。〔註一：為表彰他們兩人對「微中子」的發現和後繼的相關研究，Pauli 和 Fermi 最終分別獲頒了 1945 和 1938 年的諾貝爾物理學獎。註二：證實「tau neutrino（τ）」存在的 Martin Perl（1927-2014；1995 年諾貝爾物理學獎得主）不幸於上個月（9 月 30 日）逝世，享年 87 歲。〕

至此，就任何一個重大的科學發現而言，既然有了理論上的支撐，也有了正式命名，接下來當然就是看能否真正偵測到它的存在了。首先，當屬 Clyde Cowan 和 Frederick Reines 兩位物理學家，藉由位在美國南卡羅萊那州（South Carolina, USA），剛新建完工的 Savannah River 核能發電廠，其反應爐的核衰變過程，偵測證實了此「微中子」的確切存在。這項重大的成果，給研究「微中子」的科學家們，帶來了莫大的鼓舞，也進一步帶動了後繼「微中子」的各種相關研究。其中之一即是，探索來自宇宙其他恆星的「微中子」，因為它們也可視同一自然界的超巨大核反應爐，也應同樣地能釋射出來更多的「微中子」。對這些來自宇宙天際的「微中子」，在天文物理學上統稱為 cosmic neutrinos，以有別於來自鄰近太陽或地球上的各種核衰變產生的「微中子」。

果不其然，歷經了近三十年的尋尋覓覓，到了 1960 年代，科學家們在加拿大安大略省礦區（Sudbury, Ontario, Canada），一名為 「Sudbury」的微中子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory；簡稱 SNO），首次具體偵測到來自太陽的「微中子」。該觀測站建在地下約兩公里深的礦坑中，偵測器的標靶（target）為一直徑 12 公尺的壓克力圓球（見下圖；from http://www.businessinsider.com/what-is-a-neutrino-2013-12），內中充填了 1000 噸的重水（D₂O），其外層又注滿了一般的水（H₂O），用來遮阻外來的輻射，在其外圍（直徑約 17 公尺）則裝置了約 9600 個「光倍管（photomultiplier tubes；PMTs）」，用來偵測「微中子」撞擊重水分子的原子核時，所釋射出來光（即「契倫柯夫輻射（Cherenkov radiation）」的通量。另外，Raymond Davis 在美國南達科塔州（South Dakota）的一地下金礦區，也同樣證實偵測到了來自太陽「微中子」的存在。〔註：目前世界上所有有關「微中子」的觀測站，都是深埋在地下至少一公里之處，主要是為了避免，其他如核電廠的反應爐或宇宙射缐來源之干擾。〕（待續）