月球小知識:紅月高掛

上兩回的月球小知識,我們討論過月食和月相的成因了。今次,我們就來看看在某些神話、流言裡面惡名昭彰的「血紅月亮」的成因吧!

紅色的月亮的出現大致可以分為以下三個情況:

(1) 在月食的時候,太陽光應該被地球遮住了的 (參考《月球小知識:天狗食月》的圖解),可是我們卻可以看見整個染成血紅色的月亮!

(2) 在太陽還未完全下山時,向東邊地平線看去可以看到剛升起的月球。如果我們細心留意,會發現越接近地平線的月亮顏色就越偏紅;

(3) 在新月前後時期 (即初一前後數天),月球面向地球的一面應該是幾乎沒有太陽光照射到的 (參考《月球小知識:月有陰晴圓缺》的圖解)。可是,在夕陽或早晨太陽光仍未太強的時候,我們也可以看見偏紅色的月球!

其實,血紅月亮的出現並非什麼神祕的現象,與什麼厄運、惡兆一點關係也沒有。其原因原來是太陽光穿過地球大氣層時發生的折射 (refraction) 及散射 (scattering)!

大家都知道,當我們看進去水中,會低估了水深 (這就是為什麼看起來很淺水的地方也會有人遇溺,切記欺山莫欺水)。這是因為光線在穿過不同介質時會發生折射 (介質:水/空氣)。同樣地,太陽光在真空傳播,來到地球上我們的眼睛之前會穿過大氣層 (介質:真空/空氣),所以也會發生折射,如下圖:

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所以在 (1) 的情況下,折射後的太陽光就可以照到正在發生月食的月球上,再反射到地球上。而光線在空氣裡的另一個特性,就是會發生散射。故名思義,散射就是說光線會被空氣向四方八面散射開去。越偏藍的光線就越容易被散射,所以在上圖中,穿過大氣層後仍能夠向著月球前進的光線就只剩下紅光。當這些少量剩下的紅光再經月面反射回到地球上時,我們就會看到一個很詭異的、暗血紅色的月亮了!

在 (2) 的情況,為什麼越接近地平線的月亮看起來會越偏紅呢?其實也是同樣道理:因為越接近地平線的光線所穿過的大氣層越厚,所以散射掉的藍光也越多、月亮也就越紅了。就如下圖所示,月球在 2 的位置比 1 的位置更接近地平線,因而 1 號光線也比 2 號光線更接近地平線,所以會穿過較厚的大氣 (即是 A 的距離比 B 長):

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最後,在情況 (3),我們能夠看到月亮的原因,是因為地球把太陽光反射到月面上,然後再反射回到地球。這個情況有個特別的名稱,叫做地照 (earthshine)。由於光線在反覆反射的過程中會多次穿過地球大氣 (如下圖),所以也會發生比較強的散射現象,我們看到的地照月亮也就因而變成血紅色:

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不過,由於地球的反照率 (albedo) 不高,所以地照月亮看起來很暗。其實不單止地球和月球之間會發生地照,其他行星與它們的衛星也會發生所謂的行星照 (planetshine)。NASA 的行星照教育網頁就有很多漂亮的圖片和詳細解釋。

順帶一提,達文西 (Leonardo da Vinci) 原來早在 16 世紀已經解釋了地照的成因!所以,只要多點動動腦筋、思考一下各種現象背後的科學原因,就會發現其實我們身邊的事物也很科幻、很有趣的呢!

*本文封面圖片來自達文西的地照手繪圖解,嗚謝 Alan Chiu。

伽瑪射線暴121024A:令科學家困惑的圓形偏振 (GRB 121024A – zirkulare Polarisation verblüfft Forscher)

作者:Prof. Jochen Greiner, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany

譯者:Hoi-Fung David Yu (余海峯), Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany

德文原文來自:http://www.mpe.mpg.de/~jcg/GROND/grb121024A_PR.html

以下皆為譯文,所有內容已經作者批准使用。(封面圖片來源:National Science Foundation)

文章內容來源:

Circular polarization in the optical afterglow of GRB 121024A, Klaas Wiersema et al. 2014, Nature, 509, 7499 (「自然」雜誌第509卷7499號,2014年5月8日發行)

http://dx.doi.org/10.1038/nature13237 (電子版於2014年4月30日出版)

摘要

根據目前的標準模型,伽瑪射線暴 (Gamma-Ray Burst, GRB) 源自大質量恆星在其生命終結、塌縮成黑洞時所產生的兩個方向相反的噴流 (jet)。當這些噴流撞擊周圍的星際物質時就會產生餘輝 (afterglow)。測量餘輝的偏振 (polarization) 能夠得知噴流的磁場特性和幾何結構。理論模型預測它們是低線性 (low linear) 和沒有圓形偏振 (circular polarization) 的。

這裡介紹的甚大望遠鏡 (ESO智利) 的測量結果顯示了首個有圓形偏振的伽瑪射線暴餘輝。利用馬克斯.普朗克地外物理研究所 (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, MPE) 的GROND儀器的光度測量,排除其他解釋後發現伽瑪射線暴噴流必定產生圓形偏振。這導致令人震驚的推論:餘輝所產生的電子分佈必須是非常各向異性的 (very anisotropic)、或噴流是空心的並包裹在螺旋磁場之內,兩者都與標準模型的一般假設相左。因此我們需要新的模型來解釋伽瑪射線暴餘輝。

重要發現

一個國際研究小組利用一個很少使用的觀測模式的數據得到了關於伽瑪射線暴性質一些新的、意想不到的結論。

這些結果發表於今天的「自然」雜誌 (Nature) 上,當中包括餘輝的輻射機制和最新的理論模型。

這是首次於伽瑪射線暴餘輝中發現所謂的圓形偏振 (見文章末延伸閱讀)。這些測量結果來自歐洲南方天文台 (ESO) 在智利的8.2米VLT 望遠鏡的FORS2儀器。馬克斯.普朗克協會的拉西拉2.2米望遠鏡 (ESO智利) 的GROND所同時測量的結果亦與此一解釋非常吻合。

文章合作作者Jochen Greiner說:「沒有任何伽瑪射線暴餘輝的理論能夠預測圓形偏振。這次測量到明顯的圓形偏振意味著我們對電子在衝擊波裡的加速和噴流的結構與磁場的認識必須大幅修改。」

甚麼是伽瑪射線暴?

伽瑪射線暴是宇宙中最強大的爆炸。通常在人造衛星上的科學實驗每天會偵測到一次這類以秒鐘計的伽瑪射線閃光。傳統認為這些閃光來自遙遠星系的大質量恆星 (約30至50倍太陽質量) 在其生命終結、塌縮變成黑洞的時候。它們塌縮時會產兩束方向相反的噴流並與周圍的星際物質碰撞──即所謂的餘輝碰撞──在一定程度上會於爆炸地點產生餘輝。餘輝在包括可見光內的所有波長上會持續好幾天。電子在衝擊波中會被加速至極高能量,這些電子會以接近光速飛行,在衝擊波的磁場內以同步輻射 (synchrotron radiation) 的方式產生餘輝。

加速過程的細節仍然是個謎。等效的實驗無法在地球上進行,也很難用電腦模擬去研究。因此,研究人員試圖測量來自餘輝的輻射的所有性質──關於偏振的研究亦越來越多。

我們有很多種電子加速和餘輝輻射機制的理論。所有這些模型都預測線性偏振而非圓形偏振。

「我們的合作是世界首個意識到這個困難測量的重要性、並系統地等待著特別合適的 (擁有明亮餘輝的) 伽瑪射線暴的研究,以盡可能低的極限去測量。」這項研究的主要作者、英國萊斯特大學的荷蘭天文學家Klaas Wiersema說。出乎意料之外,我們都測量到比預期更強的圓形偏振。

GROND的觀測結果支持這個理論

在解釋偏振數據之前,特別是在區分不同理論模型的時候,我們需要知道噴流的結構以及伽瑪射線暴周圍環境的資訊,這些訊息都會隨著輻射而來。當中兩個參數尤其重要:

一、在什麼時候能夠看到來自整個噴流的輻射?這可以從噴流物質的膨脹速度與噴流的延展角度的比值來確定。這個時間點的一個經典特徵是伽瑪射線暴的光變曲線的彎曲程度 (圖四),我們可以參考GROND進行的、直到伽瑪射線暴爆發後3.7×104秒之連續幾個晚上的觀測。

二、有多少塵埃位於我們和伽瑪射線暴的視線之間?這種測量通常很困難,但GROND就是為此而設的:以七個波段同時觀察餘輝就可以測量塵埃量並準確至百分之幾。塵埃會在光譜能量分佈 (spectral energy distribution) 中產生獨特的構造,塵埃量越多構造就越明顯 (見圖五)。

「縱使GROND已經運作七年,它獲得的數據仍是獨一無二的,可以為這些偏振性質提供決定性的解釋。如果沒有這些額外信息,這項工作是不可能完成的,因為我們有成打不同的解釋。」GROND的發明和建造者、加興 (Garching) MPE的Jochen Greiner說。

觀測結果何以解釋?

圓形偏振可有多種成因,包括法拉第轉換 (Faraday conversion,即塵埃散射導致線性偏振變成圓形偏振)、或一直線上的塵埃粒子的多重散射。但所有這些其他解釋都需要比GROND所測定的多很多的塵埃量去解釋圓形偏振,因此都被排除了。其他產生圓形偏振的理論則暗示所有線性偏振都源自散射──從而亦被排除了,因為第一晚與第二晚所觀察到的偏振角度之間相差了九十度。因此,我們可以排除圓形偏振源自伽瑪射線暴噴流以外地點、即圓形偏振只會在伽瑪射線從發射源到地球之間產生的此一解釋。因此相反地,觀測到的圓形偏振一定源自伽瑪射線暴噴流本身。

圓形偏振的這種性質導致一個非常有趣的結論:既然不能在一個電子-正電子電漿中產生圓形偏振,伽瑪射線暴噴流之中必定存在質子-電子電漿。這是非常有趣的結論,因為最近的IceCube實驗並未觀察到來自伽瑪射線暴的中微子 (neutrino),所以對伽瑪射線暴噴流中存在中微子的懷疑已經漸漸變得強烈。

「在GRB 121024A中發現圓形偏振是新的希望,IceCube實驗在未來仍然可能觀察到期待已久的中微子。」Jochen Greiner說。

GRB 121024A的可見光餘輝的圓形偏振的起源是一個令人興奮的謎題。星際介質衝擊波內的偏振應該與混沌運動的電子的洛倫茲因子 (Lorentz factor) 成反比──假設相對於噴流膨脹方向的電子分佈是各向同性的 (isotropic)。因此,觀察到的強圓形偏振代表極小的電子洛倫茲因子,這與餘輝的標準模型完全不一致。這個結論獨立於磁場的影響範圍 (圖六),因為隨機分佈的磁場對線性和圓形偏振的影響應該相等。

由GROND的數據和對線性與圓形偏振的同時測量,根據目前所知只能有兩種可能的解釋:

一、電子的角擴散是各向異性的。這也與標準模型的通常假設相違背,但這已經因為伽瑪射線暴的其他未解性質而被提出過,卻從未發現任何觀測證據。

二、噴流是非同質的 (not homogeneous),但是空心的並包裹在螺旋磁場之內 (圖七),形狀像一個開瓶器,直徑越轉越闊。過去已經有人提出過中空噴流的可能性,但一直未有任何證據支持。

就目前所知,只有這兩個可能性能夠解釋觀測到的圓形偏振。每種情況都有其無可避免的推論,所以我們必須系統地檢驗各式各樣的觀測結果。因為這個測量,新一輪伽瑪射線暴餘輝標準模型的迭代經已展開,我們可以預期越來越豐富的變化。

「這一發現再次證明了小型望遠鏡對解釋來自大型望遠鏡如VLT, ESO的數據的重要性。」此研究的合作作者兼GROND團隊的成員、圖林根國家天文台 (Landessternwarte Thüringen) 的Sylvio Klose說。

圖片

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圖一:線性偏振在餘輝時間內 (約兩天) 的變化。上圖以百份比顯示偏振光的比例,下圖則顯示偏振角度。

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圖二:在GRB 121024A中測量到的圓形偏振 (左圖) 與 GRB 091018的沒有圓形偏振的結果 (右圖) 作比較。圓形偏振以所謂的Stokes V/I參數的百份比顯示。

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圖三:不同的伽瑪射線暴之中測量到的線性與圓形偏振。一些類星體 (quasar) 也在圖中以作比較。很高興見到GRB 121024A以其相對較高的圓形偏振度脫穎而出。

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圖四:七個不同波段的GRB 121024A餘輝的可見光/近紅外線 (來自GROND,中間圖) 和X光 (來自Swift人造衛星,上圖) 的光變曲線。可以見到在伽瑪射線暴加速後時間t = 10小時 (tbreak) 的時候亮度開始下降,這是平行噴流的明顯證據。

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圖五:爆發後三小時的GRB 121024A餘輝,由可見光/近紅外線 (來自GROND,藍色點) 到X光 (來自Swift人造衛星,紅色點) 的光譜能量分佈。GROND數據 (藍色點) 偏離直線的微小偏差代表塵埃的存在,因此由塵埃引起的偏振也被包含於圖中。虛線分別顯示塵埃消光模型 (dust extinction model,左邊) 以及氣體吸收模型 (gas absorption model,右邊)。

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圖六:伽瑪射線暴噴流的素描 (只顯示了兩支噴流之一),噴錐內完全充滿物質 (圖左)。圖中間和圖右顯示從右邊看會看到的噴流內部,其中的磁場結構有兩個可能性:或者磁場是有序的 (圖中間),或者它是混沌的 (圖右)。但在每種情況下,我們僅看到少量來自不同時刻的變化中的細小噴流結構 (黃色圓圈),而非噴流的巨觀結構 (紫色圓圈)。

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圖七:一個中空的伽瑪射線暴噴流的素描,以及一個包圍在外的螺旋磁場 (紅色和綠色線)。

附加資料

什麼是偏振光?

線性偏振光: 

除了時下越來越廣泛應用在電視技術之中,在業餘和專業攝影界偏振濾光片的好處早已眾所周知,而且來自例如水或玻璃的、令人困擾的反射也被成功地壓抑了。線性偏振濾光片具有特殊的光學玻璃或金屬箔,其方向對應於濾光片的晶體結構。其產物就是線性偏振光,即是僅在同一個方向振動的光波。

圓形偏振光:

圓形偏振光可以被想象為沿著非固定方向振動的光波,其振動平面沿波的傳播方向螺旋形地轉動,並且振幅恆等。

在我們星球上發生的例子:

在我們的天然環境中,當光波被非常小的顆粒以特定角度反射或散射時就會產生線性偏振光。例如藍色天空就是線性偏振光的結果。圓形偏振光是不常見的自然性質。不過它仍可能出現在以適當角度經過多重反射的光。此外,某些有機材料也能發射圓形偏振光。然而,圓形偏振光經常用於3D電影來創造有關於景深的幻覺:透過特殊的眼鏡能使每隻眼睛看到不同的畫面。

什麼是GROND?

GROND代表「伽瑪射線暴可見光近紅外線探測器」(Gamma-Ray Burst Optical Near-Infrared Detector)。這是一個與圖林根國家天文台 (Thüringer Landessternwarte Tautenburg) 合作、在馬克斯.普朗克地外物理研究所 (MPE) 製造的儀器。GROND使用光分器把光分開成七個波段,因此這是世上首個能同時拍攝從可見光到近紅外線、約400至2300納米波長的天文相機。您可以想像GROND為一個同時拍攝彩虹七色的相機。

在其技術規範之內 (視野、控制軟件、遙距操控),GROND被特別設計成專門用於追踪伽瑪射線暴變化的儀器。GROND一直追踪那些自2004年底NASA的Swift人造衛星在伽瑪射線頻譜就已經探測到的伽瑪射線暴餘輝。GROND會以可見光/近紅外線追踪那些Swift人造衛星在軌道上探測到的伽瑪射線暴餘輝。同時觀測七個波段的光變曲線就可以闡明當中物理過程的細節。

自2007年夏天以來GROND就一直在智利安第斯山脈的馬克斯.普朗克協會2.2米望遠鏡運作,至今其仍然高度可靠地運作著。GROND每年觀測大約五十到一百個伽瑪射線暴。GROND團隊至今仍在分析許多夜間觀測結果,而且會以電子通告方式公告於天文科學界。無論在星期日或公眾假期GROND都未曾停頓,並已成為世界上生產最多數據、最快速的伽瑪射線暴後續觀察儀器。

友情鏈接/網誌/網上新聞稿

(見原文網頁)

聯絡人

Jochen Greiner

馬克斯.普朗克地外物理研究所

81379加興

電話:089-30000-3847

電郵:jcg@mpe.mpg.de

Karla Varela

馬克斯.普朗克地外物理研究所

81379加興

電話:089-30000-3359

電郵:kvarela@mpe.mpg.de

Sylvio Klose

圖林根國家天文台

07778陶滕堡

電話:036427-863-53

電郵:klose@tls-tautenburg.de

科研解碼:淺談伽瑪射線暴

一直有朋友問我可否寫我自己的研究題目。趁著剛寫好一篇論文,現在往布拉格開會的巴士上,就嘗試簡單的寫一寫。

我做的研究題目是伽瑪射線暴 (gamma-ray burst)。什麼是伽瑪射線暴?簡單地說,就是一種會突然放出伽瑪射線的天體,因為其爆發時間很短,一般從零點幾秒到幾百秒不等 (也有一些長達幾十分鐘的),所以叫做伽瑪射線「暴」。

宇宙中存在非常多種會在各種波段「發光」的天體。有些會放出射電電波 (即收音機頻率的非常低能量的電波),也有主要在紅外、可見光、X 光波段等較高能量發光的天體。例如我們的太陽,就是一種主要在可見光波段發光的天體,所以地球上的生物才會對可見光最敏感。我的專長是高能量天體物理學之中,再比較高能量的伽瑪射線天體物理學,專門研究能量比 X 光更高的伽瑪射線源。

天文學家在 1967 年首次探測到伽瑪射線暴 [1]。當時正值美蘇軍備競賽,美國發射了很多探測伽瑪射線的人造衛星,看看蘇聯有沒有進行核試。結果,其中一個人造衛星探測到不明的伽瑪射線爆發現象,令美國政府以為是蘇聯的核試。可是經過再三定位後,卻發現這些伽瑪射線來源方向不是蘇聯、也不是從地球上任何一個地方而來,而是從外太空而來!

其實,地球無時無刻都正受到各種極高能量的宇宙射線「攻擊」,其中有 X 光、伽瑪射線、各種高能量粒子等等。不過,由於地球有大氣層和磁場保護,這些幅射是不能到達地面的。亦因此,地球才得以孕育出生命。所以,只有在大氣層外的人造衛星,才能探測到這些來自遙遠天體的高能量幅射。

從發現第一個伽瑪射線暴源以來,天文學家已經研究了這種天文現象將近 50 年了。可是,伽瑪射線暴仍然是天文學其中一個最神祕的未解之謎。我們對於伽瑪射線暴的了解,到今時今日依然不多:

一、我們觀察到它們來源的方向是「各向同性的」 (isotropic, 即不是來自宇宙特定某個方向) [2,3,4]。

二、我們發現它們的爆發時間長度,大致可以分為兩個類別:長伽瑪射線暴 (兩秒以上) 和短伽瑪射線暴 (兩秒以下) [3]。

三、透過觀察它們的可見光「餘輝」(afterglow, 在上世紀 90 年代首次發現 [5,6] 伽瑪射線暴在放出伽瑪射線後也會放出可見光),天文學家就可以量度它們的宇宙紅移。紅移數值越高,表示該天體離地球越遠,也代表它們是在越久遠的時候爆發的,因為伽瑪射線需要更多的時間走過更長的距離才能到達地球。我們發現,伽瑪射線暴距離我們非常非常遠,從約 1 億 4 千萬光年 (紅移 = 0.01) 到 3 千 5 百億光年 (紅移 = 10) 都有,即大約爆發於 1.5 億年前到 133 億年前。

[有物理底的讀者會發現,上面所講的距離與時間並不遵守簡單的公式「距離 = 光速 x 時間」。這是因為宇宙膨脹,在計算距離和時間時需要用到廣義相對論的宇宙模型去修改]

我們的宇宙只有 135 億歲。如果把 135 億年濃縮到 100 年的話,透過研究伽瑪射線暴就可以知道宇宙只有 3 歲時的模樣,比其他所有觀察到的天體都要早、都要遠!

四、這是我的研究重點,就是伽瑪射線暴的伽瑪射線光譜特徵。我們發現差不多所有伽瑪射線暴的光譜,在幾百個 keV (千電子伏特,高能天體物理一個常用的能量單位) 有個峰值,如下圖所示:

fig1

(我忘記了加標籤:縱軸是 \nu F_\nu (energy / area / time),橫軸是能量或頻率。Both in log scale and arbitrary units. 下一幅圖都一樣。)

可是直到今天,天文學家仍未有定論:究竟是什麼過程製造出這個光譜的?換句話說,我們仍然未知道,究竟伽瑪射線暴是什麼東西?其中的物理過程是什麼?

天文學家希望用物理學當中基本的幅射過程去解釋觀察到的現象。例如我們的太陽發射的可見光,就是所謂的黑體幅射 (blackbody radiation)。在物理學中,黑體幅射是「熱的」(thermal),意思即是該物體的幅射表面處於熱平衡狀態;再簡單一點說,就是太陽的表面溫度是均衡的。

有熱的幅射過程,當然也會有一些「非熱的」(non-thermal) 幅射過程。例如一顆光子可以被帶電粒子 (例如電子) 散射,這叫做康普頓幅射 (Compton radiation);一顆電子也可以在磁場之中旋轉,並以幅射的方式流失能量,我們叫做同步幅射 (synchrotron radiation);也可以是正反物質互相碰撞湮滅時把質量全部變成能量釋放出去 (即 E = mc^2)。

在 20 紀 80 年代,一些天文學家提出了所謂的「火球」模型 [7,8,9,10,11,12,13] (“fireball” model)。由於伽瑪射線暴的時間很短,而且同一個源只會爆發一次,所以天文界普遍認為它們是高密度、高質量恆星死亡爆炸變成黑洞引起的。當恆星爆炸變成了黑洞後,強大的引力就會將爆炸時拋出去的物質吸回來。這些物質會環繞黑洞旋轉,以極高速和極高溫落入黑洞。而根據角動量守恆定律,在這個旋轉的物質盤的兩極就會形成兩道方向相反的噴流,把一部分物質 (包含電子和各種粒子) 以非常接近光速發射出去。這些一團團被噴射出去的物質,就是所謂的「火球」了。

可以想像,每個火球的速度都不同。當速度較快的火球撞上前面速度比較慢的火球時,就會在物質團裡產生衝擊波。其中一個主流解釋伽瑪射線暴光譜的理論就是說,衝撃波會使火球中的電子加速,這些得到能量的電子在火球的磁場中旋轉,把這些動能轉變成同步幅射。換句話說,主流解釋是伽瑪射線暴的光譜是同步幅射產生的。

我的上一篇論文中 [14],主要探討這種同步幅射的可行性。我們發現,同步幅射的確可以解釋一些伽瑪射線暴的光譜,可是需要在一些特別條件下才可以:(1) 有時候需要一個額外的黑體幅射;(2) 有時候需要一個衰變的磁場 (這是合理的猜測);(3) 某些來自完全不同物理過程的物理參數需要經過精密微調。

其實在千禧年左右,很多人 [15,16,17,18] 已經發現,無論是同步幅射還是黑體幅射,都不能簡單地描述伽瑪射線暴的光譜,因為同步幅射的光譜太闊、黑體幅射的卻又太窄,如下圖:

fig2

在我即將發表的論文中,我們證明絕大部分的伽瑪射線暴光譜都不能夠以同步幅射解釋。換句話說,即使在火球之中同步幅射是存在的,它不會是唯一一種幅射過程。我們發現,在這情況下,同步幅射大約佔光譜峰值能量的 30% 至 70%。

除了同步幅射和簡單的黑體幅射,也有很多人嘗試用其他幅射過程去解釋伽瑪射線暴的光譜,例如用相對論性幾何原理修改過的黑體幅射、反康普頓散射、強子碰撞幅射等等。可是這些理論涉及的數學都比較複雜,現階段只能以電腦模擬的結果去與觀測結果間接比較。

我在我的科普文章中不斷強調,科學是一門「找錯誤」的專業。透過找出錯誤,我們才得以改進知識,這也是人類文明進步的主因。我的研究題目是一個好例子,經過幾十年的研究,本來以為同步幅射能夠解釋伽瑪射線暴光譜,但新的天文望遠鏡的觀測結果卻不斷推翻科學家長久以來的解釋。

可是,這並不等於我們一無所知。相反地,我們知道了如何更加謹慎地去解釋大自然的各種現象、如何去發問更精確的問題、如果去得到更精確的解答。我見過有些人,他們認為科學是自大和驕傲的。相反地,在科學之中,我看到的是客觀和謙虛。因為在科學中,我們必須承認無知的價值。勇於面對無知、勇於發問,才是增長知識和智慧的方法。

延伸閱讀:

無知的價值》- 余海峯

論人、論學問》- 余海峯

引用文獻:

[1] Klebesadel, R. W., Strong, I. B., & Olson, R. A. 1973, ApJ, 182, L85

[2] Briggs, M. S., Paciesas, W. S., Pendleton, G. N., et al. 1996, ApJ, 459, 40

[3] Hakkila, J., Meegan, C. A., Pendleton, G. N., et al. 1994, ApJ, 422, 659

[4] Tegmark, M., Hartmann, D. H., Briggs, M. S., & Meegan, C. A. 1996, ApJ, 468, 214

[5] Metzger, M. R., Djorgovski, S. G., Kulkarni, S. R., et al. 1997, Nature, 387, 878

[6] Waxman, E. 1997, ApJ, 489, L33

[7] Goodman, J. 1986, ApJ, 308, L47

[8] Meszaros, P., Laguna, P., & Rees, M. J. 1993, ApJ, 415, 181

[9] Meszaros, P. & Rees, M. J. 1993, ApJ, 418, L59

[10] Rees, M. J. & Meszaros, P. 1992, MNRAS, 258, 41P

[11] Rees, M. J. & Meszaros, P. 1994, ApJ, 430, L93

[12] Tavani, M. 1996, ApJ, 466, 768

[13] Piran, T. 1999, Phys. Rep., 314, 575

[14] Yu, H.-F., Greiner, J., van Eerten, H., et al. 2015, A&A, 573, A81

[15] Katz, J. I. 1994, ApJ, 432, L107

[16] Preece, R. D., Briggs, M. S., Mallozzi, R. S., et al. 1998, ApJ, 506, L23

[17] Preece, R. D., Briggs, M. S., Giblin, T. W., et al. 2002, ApJ, 581, 1248

[18] Tavani, M. 1995, Ap&SS, 231, 181

封面圖片來源:NASA

如何令科學家相信 UFO

這篇文章的方法不單止適用於 UFO (不明飛行物體),還適用於所有偽科學,例如:智慧設計/創造論 (intelligent design/creationism)、靈異事件、另類療法 (alternative medicine)、和所有 New Age 理論之類等等。

很簡單,真的很簡單。當我們要別人相信我們,當然要拿出證據。只要拿出有力證據,我敢說,世界上所有科學家會即時相信。

首先,很多這類聲稱的理據都是「我不知道這個現象是什麼!這是我們從未見過的,所以一定是 UFO!」真是天才,剛說完「我不知道這個現象是什麼」卻又可以得出結論「所以一定是 UFO」。知道「我不知道這個現象是什麼」的結論是什麼嗎?是沒有結論!是我們應該謹慎查證這個現象的成因,而不是立即說「我不知道,所以一定是某東西」!

第二,我們要注意,說「我真的親眼看見了!」並不算證據。為什麼?我雖然講不出什麼大道理,但我用小例子去解釋:如果我對你說我今天野生捕獲了發哥,但只是說「我真的親眼看見了!」你會信嗎?也許你會信,但大家也知道「傾計冇相冇計傾」。捕獲一個人人皆知真實存在的發哥也如此,現在你說你看見了不知道是否存在的 UFO,一張相也沒有,你話你去咗坐銀河鐵路 999 見埋千年女王食埋個 tea 再坐時光機返嚟仲趕得切睇尋晚場歐聯都得㗎啦!

支持這類聲稱的人,也會說網絡上已經很多照片,只是科學家不去理會!(被害妄想症?) 為什麼科學家不關注這些所謂「證據」?這是因為他們拍的東西都是科學家已經觀察了很很很很很久的東西!例如金星、木星、雲朵、或是大廈、山頂上供飛機導航的燈塔等等,難道我日日夜夜都看著這些東西工作,又要跟你說嗎?兄台,你知道你拍的這顆在天空中會發光、會移動的不是 UFO,是金星嗎?(不要笑,印度軍隊兩年前真的以為金星和木星是中國的間諜飛機) 朋友,你又知道你這張拍的是一朵被夕陽照亮了的雲嗎?因為在雲層的高度,太陽比在地面上看較遲下山。也曾有很多人把科學家使用的天文或氣象氣球誤認為 UFO

Extraordinary claim demands extraordinary evidence. 就算是交通意外這種天天發生的小事,也不是憑一張模糊不清、要召喚梁議員「張相唔好再大啲」就可以了事吧!

然後他們或者會說「你如何證明這相拍的不是 UFO?」OMG, 這跟我說我是上帝,再說「你如何證明我不是上帝?」邏輯有何分別?舉證責任一定是在提出聲稱的那方。

那麼,究竟科學家要看到怎樣的證據才算數?不要把科學家的要求想像得好像離開日常生活很遠似的,其實科學家用的科學方法,都只是正常不過的要求:

一,不止少數幾人看見:如果 UFO 降落在鬧市中心,我第一個舉腳相信。如果我是外星人,飛了幾萬光年、幾經辛苦來到地球,並有能力避開地球上空所有國家的監視衛星,但卻想給人類一個信息之類什麼的,我為什麼要偷偷摸摸、很不小心的只是給這些連業餘天文知識也沒有的人看見?我一定降落在市中心,或者發一個電郵給 Stephen Hawking,然後叫不信有 UFO 的地球人幫我的太空船洗廁所!

二,可以重複的觀察:如果 UFO 因為某些原因,不想降落 (別說 UFO 需要什麼特別跑道才能降落,人類都能夠把無人探險車降落到火星上了,回去你的星球找個降落技術好一點的人再回來地球!),那至少也請 UFO 的發現者提供坐標、時間等資料給科學家去驗證吧。如果世界各地的科學家都真的可以憑這些資料剔除所有已知天體的可能性、再證明這是近地物體、然後再知道這並非政府的秘密軍事飛機,我保證這 UFO 的發現者一定名垂千古。什麼?這麼多程序很煩?歡迎來到現實世界。

就是這樣簡單。我已說過,不單止 UFO 這個議題,包括上面提到的所有偽科學,如果能夠通過「不止少數幾人看見」和「可以重複的觀察」,我 100% 賭丁保證,從此沒有科學家會說這是偽科學。

很多偽科學研究都會 cherry picking:一些在大量統計、眾多研究樣本中只是隨機的 false positive,他們就會只挑這個個案大造文章。如果科學家們根本沒有時間、也許已經廢事回應,他們就會說科學界接受了;可是當科學家真的出來證明他們是錯的,他們就會說到自己的「研究」不受接納,好像被「保守的」「傳統」科學界迫害似的。

其實我這文章已經寫得很溫和,平時我是這樣的:

其實科學家是最容易改變的人,只要一個有力證據就足以令他們 180 度改變看法。很多時候,是那些在腦海中已有既定立場,想證明自己是對的人,才是根本不願改變、不肯接受事實的人。

科學是一門「找錯誤」的專業。科學知識,是靠著不斷發現錯誤、承認錯誤、再去改進錯誤,才成就了我們今天看見的人類文明。

科學,是根據不斷的觀察,不斷地去調整對世界的認知的學問。科學家堅持科學方法並不是「保守」,而是謹慎。相反,某些不斷聲稱科學家思想不開放、覺得科學家不肯相信他們的片面聲稱、科學家不肯接受「其他解釋」的那些人,才是真正的保守。因為他們寧願主觀地相信證據不足的事情,也不願接納透過科學方法得出的客觀結果。

這種「輸打贏要」的態度,在現今香港社會中,大家已經屢見不鮮。我再不厭其煩地在這文章中重複又重複,因為這種態度,就是令科學、甚至整個社會沉淪的原因之一。

延伸閱讀:

2015星座命理拆解》- 思前想後 thinkpsyc.

無知的價值》 – 余海峯

請尊重事實:有些文章,可看,但請別 share》- 余海峯

好奇心和誠實:理查.費曼 (Richard P. Feynman)

費曼是我最尊敬的科學家,今天 5 月 11 號是他的生日,我一定要寫寫介紹他。可以說,如果不是看了關於費曼的書,我也不會對物理學有這麼大的興趣,可能我也不會在此寫科學。我這篇文章,一如我以往的風格,只會與大家分享費曼的一些小故事,希望感染到各位從而自己去多看看這位科學家的事蹟和貢獻。

費曼小時候就很喜歡動手做小科學實驗,例如那些電路實驗、拆收音機之類。相比起他們,其實我有一點慚愧,我本人從來沒有做過這些事情,我的科學興趣也不是從小就有的。不過,我想說的,反而是他的父母。根據費曼回憶,他的父母雖然不是什麼教授老師,但他覺得是因為他的父母的教導他才會成為一個科學家的。

有一次,費曼在家中房間中做他的電路實驗。他媽媽和朋友們在客廳中,聽到費曼做實驗傳來的聲音 (可能是爆炸?小朋友不要學……),就問費曼媽媽這樣給費曼做實驗好嗎?不怕他破壞了屋嗎?費曼媽媽的回答大概就是說,她認為這樣是值得的。

費曼回憶,在那個時候的美國,很多家庭都會在暑假期間一起去某個地點度假,而男人們就會在週中往城裡去繼續工作,只會在週末時到度假地點陪伴家人。所以,在週中的時候,很多時就只有小朋友們自己出去玩。有一次,費曼和其他小朋友們一起到林裡去,他們看到很多不同種類的鳥。費曼說,那時候小朋友們都會互相比較誰懂得的鳥類名稱最多,看看誰的爸爸教他們知識最多。

當費曼被問到鳥類的名稱時,他說他不知道。那些小朋友就會說,難道你的爸爸什麼也沒有教你嗎?可是,費曼心裡知道他自己的爸爸教他的東西,比所有這些人的爸爸教的都多。費曼說,有一次他的爸爸帶他到林中散步,看到一隻鳥。他爸爸說:「理查,你知道這鳥的名稱嗎?我可以告訴你這鳥在不同語言中的名稱,但其實除了發音外,對於那隻鳥你其實什麼也不知道。我們不如來細心看看這隻鳥類的生活習性,例如牠的身體外形、特徵、吃什麼等等。」

有一次,費曼問他爸爸,為什麼把一個球放在玩具貨車上,如果把玩具貨車往前拉,球反而會向後滾。他爸爸說:「如果你細心看,那球沒有向後滾,而是停在原處。」費曼回去再做一次,這次他伏在地上,從側面細心看著,果真看見球是停在原處,只是因為玩具貨車向前走而造成球向後滾的錯覺。他爸爸繼續說:「人們叫這個現象做『慣性』,可是沒有人明白為什麼。」費曼覺得他的爸爸雖然只是一個裁縫,但他教會了費曼真正獲得知識的方法:去觀察大自然、並承認自己知識的不足。

費曼說,他的父母對他的影響很大,使他日後有個習慣,就是從不會去記住一個理論的名字。他笑說,其實知道名字也很重要,因為那是和其他人溝通的方式。

費曼有個妹妹叫 Joan。Joan 回憶說,他們小時候,有一天晚上,費曼叫她起床,說要帶她去看一樣很特別的東西。他們走到小山坡上,她和費曼抬頭看著夜空,閃耀著美麗的極光。費曼對她說,這叫做極光,可是沒有人知道極光是怎麼形成的。Joan 就說她長大後也要做一位科學家,研究極光的祕密。

後來,費曼成名後,有一位記者問他知道極光的成因嗎?費曼回答:「我不知道極光的成因。我很有興趣去研究極光的成因,可是我不可以。因為我與我妹妹有個約定,我可以研究世界上所有現象,除了極光,要留給她。」Joan 長大後真的成為了一位天體物理學家,花了一生時間去研究她與她哥哥所珍愛的極光。

費曼很擅長用日常例子去解釋科學概念。例如,我的生日和費曼的一樣是在五月,好像很巧合似的。但其實,平均每 12 個科學家就會有 1 個的生日與費曼的一樣在五月,沒有任何神奇、特別之處。費曼有一次在講課的時候,用以下的說話簡單解釋了人的心理上的對「巧合」的錯誤的感覺:

“You know, the most amazing thing happened to me tonight… I saw a car with the license plate ARW 357. Can you imagine? Of all the millions of license plates in the state, what was the chance that I would see that particular one tonight? Amazing!”

這個例子說明了,我們可能會認為看見車牌編號 “AB 1234” 之類是很難遇見的事,但其實每一個車牌在世界上也只有一個,所以我們遇見每一個車牌編號的機會也是相等的。又例如香港人最熟悉的六合彩,其實出現 1, 2, 3, 4, 5, 6 號碼組合的機會,與其他任何一個組合的機會都是一樣的。換個方式想想,如果六合彩的小球不是以 49 個數字去區分,而是以 49 種顏色去區分,我們就會比較容易理解為什麼任何一個組合的機會都是相等的。

費曼是美國二戰時期研究原子彈的「曼哈頓計劃」的一員。當時他們所有科學家都在美國洛斯阿拉莫斯沙漠中一個軍營裡居住並研發原子彈。由於這原因,所以他的未婚妻 Arline 是不可以進入軍事區域與他一起居住的,而且 Arline 患了嚴重肺癆,需要長期住院,所以費曼安排她到最近的一個城市的醫院居住。他們平常以書信溝通,費曼只能在假期的時候駕車穿過沙漠去見 Arline。

由於是軍事區域,所有書信往來都有一個不明文規定:軍隊負責人會拆開所有信件,確保軍事機密沒有外洩,而且會擅自刪改內容。費曼覺得這是不可以接受的,但在戰爭時期的軍規就算投訴也沒有用。所以他和 Arline 就發明了一種只有他們明白的密碼,為了不讓其他人知道他們的信件內容。但亦因為這個原因,他們的信件經常通過不了軍隊的審查,因為軍隊想要知道他們的密碼有沒有洩漏機密!不過費曼和 Arline 很享受寫這些密碼去刺激軍隊,到最後軍隊會發現他們寫的只是日常購物清單之類,氣得爆炸。

費曼又由於發現了軍隊中使用的夾萬根本不安全,為了提高眾人的保密意識,就有了他自學開鎖技巧的傳奇故事,連專業開鎖師傅也認為他的技巧是大師級別的!他經常以開玩笑的方式偷偷打開其他人的夾萬,偷走他們的文件,嚇他們一大跳,最後連將軍的夾萬他也打開了 (其實只是因為將軍根本懶得改夾萬的預設密碼)。他以為這樣做可以使所有人提高軍中的安全意識,誰知道最後將軍的命令竟然是「要提防費曼!」而不是叫大家做好防範。費曼認為這顯示出軍隊做事的不合理。

費曼知道 Arline 不可能康復出院,所以他在醫院的小教堂裡娶了 Arline 為妻。事實上,Arline 的真正病情是費曼自己去圖書館研究她的病徵而發現的,因為一開始 Arline 的醫生認為她的病只是一般小事。

當 Arline 快不行的時候,醫院打電話給費曼,叫他快來醫院。費曼就借了朋友的車子,極速向醫院開去,但在途中車子又壞了幾次,幾經波折才趕到醫院,可惜已經來不及見 Arline 最後一面。費曼回憶說,他當時很傷心,可是卻沒有哭出來。他也看到 Arline 床邊的手錶,竟然停在 Arline 的死亡時間。他說,他第一個意識是 Arline 想留給他的信息,可是他知道應該不是。他說,這錶是 Arline 送他的禮物,曾經壞過幾次,都是費曼把它修好。所以,費曼知道應該是護士拿起手錶記錄 Arline 的死亡時間時,不小心再次弄停了它。

費曼回憶說,直到很多個月後,他在街上看見一間時裝店的一條裙,心想覺得 Arline 一定會喜歡,才哭不成聲。

費曼最值得我們學習的地方,並不是他的科學成就,而是他對世界上每一件事物的好奇和求真的心。他有一位畫家朋友,所以費曼就跟他約定,每一個週末輪流教導對方。費曼會教他朋友物理學,而他朋友會教他畫畫。費曼回憶,他的朋友認為科學家把世界變成了冷冰冰的科學,把世界的美麗都除去了。可是,費曼並不這樣認為,他說:

“The beauty that is there for you is also available for me, too. But I see a deeper beauty that isn’t so readily available to others. I can see the complicated interactions of the flower. The color of the flower is red. Does the fact that the plant has color mean that it evolved to attract insects? This adds a further question. Can insects see color? Do they have an aesthetic sense? And so on. I don’t see how studying a flower ever detracts from its beauty. It only adds. I don’t understand how it subtracts.”

世界的美麗是每個人都可以看見的。但透過科學,除了世界外表上的美,我們更可以看見大自然運作的美麗。

我很希望能夠像費曼一樣,學會欣賞世界上每一件事物的美麗之處。費曼身為一個理論物理學家,竟然去學畫畫,還能夠開辦個人畫展,有人曾出高價買他的作品;他自學非洲鼓,竟然能夠在去度假的時候,與當地的專業音樂隊一起在大街巡遊時公開表演,嚇了他住的酒店的侍應生一大跳;他曾試圖破解古瑪雅文明的文字,而且是在他再婚度蜜月的時候 (這一點各位男士最好不要學……);他曾經因為好奇而去研究心理學和夢境,練習如何控制自己的夢;他因為對生物學感興趣,當時已經是大學教授的他,竟然去要求生物系的教授讓他與其他學生一起上課,一起做實驗、功課,沒有半點教授的架子。

費曼討論科學問題的時候,從不會介意對方的身分,管他是知名大教授還是黃毛小子,一視同仁。量子力學大師、物理學界無人不識的波耳 (Niels Bohr) 曾經說過,他每一次要和別人討論之前,必定請費曼先來與他私下討論,因為費曼是「唯一一個不怕他、不會對他唯唯諾諾的人」。費曼回憶說,他學術生涯的第一個研究報告,座上竟然有愛因斯坦 (Albert Einstein) 和馮諾曼 (John von Neuman, 數學家、計算機科學之父)!他說他一開始很害怕,可是當他開始講物理的時候,就彷彿進入了忘我境界,不再害怕了。

費曼的著名《費曼物理學講義》(The Feynman Lectures on Physics) 源自他當年在加州理工大學的講義。費曼講課生動,深受學生喜愛。他也非常關心美國的科學教育,他曾經成為美國教育部的顧問,負責幫中學選擇教材。他認真把書單上的教科書一一看完,然後指出這些教科書的問題,可是他最後卻發現,顧問之中只有他一人曾經認真看過這些教材。費曼向教育部提出這些問題,可是政府根本不聽他的意見。所以最後他就放棄了這個工作。

[加州理工學院現已把所有《費曼物理學講義》免費放在網上,任何人也可以讀到費曼教的物理學:http://www.feynmanlectures.caltech.edu]

他雖然是諾貝爾獎得主,可是他從不喜歡這個獎,他認為變得出名只會為他帶來煩惱。在他得獎的那天,諾貝爾獎委員會從斯德哥爾摩打電話給他,當時是美國半夜時間。當對方恭喜他得到諾貝爾獎時,他的反應竟然是問對方知不知道現在幾點?明天早上再打來!就掛了電話。然後很多記者一個一個打電話給他,使得他要把電話線拔掉。他很苦惱,就問他的妻子,他應不應該接受這個獎。他妻子就說:「如果你不接受這個獎,你會更加出名。」於是,他無可奈何地就接受了諾貝爾獎。

費曼從不喜歡「榮譽」。他認為他在做研究的過程已經得到了最大的榮譽:就是找尋大自然定律的快樂 (the pleasure of finding things out),費曼認為不需要由其他人所決定的一個獎去決定一個人的工作的成就。他說,他知道其他科學家會使用他的研究結果,就是他的成就。費曼對於榮譽、獎項的態度,真的非常值得我們學習。

費曼是 1986 年美國太空穿梭機挑戰者號升空爆炸意外的調查委員會的成員。他本來不肯加入的,因為他覺得他已經受夠了政府的無理。可是他的妻子對他說:「如果你不去做,就永遠沒有人能夠發現這意外的真相。」最終,費曼調查出了事故原因 (其實是委員會中的一位軍隊將領故意「提水」給他,事後費曼曾一度嬲了這個軍中的唯一朋友),並在記者會上突然公開做實驗,證明他的理論:

可是,事後再一次證明費曼對政府的態度是正確的。委員會覺得費曼不應該在未事先通知的情況下向記者和公眾發表這件事 (這也是那軍隊將領故意令費曼成為英雄的原因),所以一開始拒絕在向總統的報告中加入費曼寫的調查結果。費曼就要脅說,如果不加入他的報告,他就不會在報告書上簽名,報告書就會失去效力。最後,雙方妥協把費曼的報告放在報告書的附錄之中。費曼就在他的報告的最後一句,寫下了這著名的格言:

“For a successful technology, reality must take precedence over public relation, for Nature cannot be fooled.”

(費曼的報告公開於 NASA 的網頁,所有人也可以看到:http://history.nasa.gov/rogersrep/v2appf.htm)

費曼的有趣事蹟多不勝數,再寫下去相信寫到下年也寫不完。就讓我以他人生最後一個歷險故事來作結。

費曼有一次和他的好友在世界地圖上發現了一個地方叫做克孜勒 (Kyzyl)。費曼覺得這個地方一定很有趣,因為這個地方的拼音裡完全沒有響音。他們多年來不斷寫信去當時蘇聯,希望可以得到簽證前往這個神祕的國度。由於當年美蘇的關係,一般美國人是很難可以得到簽證的。對方說,如果費曼以諾貝爾獎得主的身分去蘇聯的大學演講,就可以獲得特權去克孜勒。可是,費曼一生討厭特權,他拒絕用這個方法得到簽證。為此,他們研究了克孜勒的文化,以普通平民身分與很多專家交流、舉辦展覽,介紹這個地方的文化,希望以此換取簽證去克孜勒。

最終,簽證終於送到了費曼的家,可是在三天以前,費曼已經過身了。費曼患的是癌症,因為當年他在曼哈頓計劃時接觸過太多放射性幅射。費曼知道自己未必能夠等到簽證去完成他最後的這一個心願,仍然堅持原則,不使用任何特權。他覺得,在追尋結果的過程,才是學習到最多的過程。

費曼對世界的看法,很簡單,也很深刻。他接受大自然就是如此,從不會因為個人情感對事物妄下判斷。他覺得,知道自己並不知道,比起以為自己知道但卻是錯的答案,更有趣:

“I can live with doubt, and uncertainty, and not knowing. I think it is much more interesting to live not knowing than have answers which might be wrong.”

費曼一生都覺得世界是有趣的,以純真的好奇心去看這個宇宙。他臨終前的最後一句說話,也許亦是他這一生歷險的最佳結語:

“I’d hate to die twice. It’s so boring.”

費曼,謝謝你,帶我進入科學這個有趣的國度,使我對世界的眼界大開。祝你生日快樂。

March 1983, Los Angeles, California, USA --- Nobel Prize winning physicist Richard Feynman stands in front of a blackboard strewn with notation in his lab in Los Angeles, Californina. --- Image by © Kevin Fleming/CORBIS
March 1983, Los Angeles, California, USA — Nobel Prize winning physicist Richard Feynman stands in front of a blackboard strewn with notation in his lab in Los Angeles, Californina. — Image by © Kevin Fleming/CORBIS

廷伸閱讀:

以下是我個人非常推薦的有關費曼的著作:

《別鬧了!費曼先生》(Surely You’re Joking, Mr. Feynman!)

《你管別人怎麼想》(What Do You Care What Other People Think?)

《費曼物理學講義》(The Feynman Lectures on Physics)

《費曼手札:不休止的鼓聲》(舊書名)/《出人意表,情理之中:費曼書信集》(新書名) (Perfectly Reasonable Deviation from the Beaten Track: The Letters of Richard P. Feynman)

《這個不科學的年代》(The Meaning of It All: Thoughts of a Citizen Scientist)

《費曼的彩虹》(Feynman’s Rainbow: A Search for Beauty in Physics and in Life)

《QED:光和物質的奇異性》(QED: The Strange Theory of Light and Matter)

Tuva or Bust! (費曼的最後歷險故事)

Quantum Man: Richard Feynman’s Life in Science

月球小知識:天狗食月

在上一篇關於月球的文章《月球小知識:月有陰晴圓缺》中,我們討論過月相的成因並不是因為地球的影子了。

另一個關於月球的現象「月食」的成因,才是因為月球運行到了地球後面,被地球遮擋了太陽光。現在,再問大家一條問題:月食有哪幾種呢?

月全食?正確!月偏食?也對!月環食?喔,要小心了,日食才會有「環食」現象,而月食是沒有的。不過,月食也有另一種特別的食法,叫做半影月食。

為什麼月食沒有環食,卻有半影食呢?假如地球投影在月球上的影子不夠月球本身大,就有可能出現環食。但事實上,因為地球的影子比月球大,所以不會有環食現象。下圖我嘗試不按比例地描繪出太陽光照向地球時,是如何被地球遮擋的:

(注意,我沒有畫比本影小的月球。而且實際上這情況是 3D 的,即大家應該想像把下圖把地球和太陽連線,然後在腦海中旋轉 360 度。)

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上圖中的「本影」就是完全沒有太陽光照射到的地方。而這個本影的大小比月球大很多,所以如果月球完全進入本影,就只會發生月全食,不會出現月環食。而寫著「半影」的地方就是地球只遮住了一部分太陽光的地方,如果月球剛好經過本影和半影之間,就會發生月偏食。如果月球完全進入半影地帶,就會發生半影月食。

下面所畫的三個情況中,在 (1) 位置的月球完全進入本影,所以就會發生月全食;在 (2) 位置的月球,部分進入本影、部分進入半影,所以就會是月偏食;在 (3) 位置的月球完全進入半影,發生的就是半影月食了)。

Screen Shot 2015-05-10 at 19.35.57Screen Shot 2015-05-10 at 19.36.06

Screen Shot 2015-05-10 at 19.36.13

上面的三幅圖都是從第三身角度看月食,我再嘗試在下圖畫出在地球上會看見的情況:

Screen Shot 2015-05-10 at 19.39.50

還記得在《月球小知識:月有陰晴圓缺》提到,地球與月球的公轉軌道平面有大約 5 度相差嗎?就是因為這個原因,如果月球經過的軌跡不是上圖所畫的任何一種,而是完全在半影之外的話,就不會發生月食了,而我們就只會看見正常的月相。

最後,送給大家兩張我自己拍攝的月食影片,一張是這文章的封面圖片,是我在 2009 年拍攝的半影月食;另外一張則是我在 2011 年拍攝的月全食,兩張都是在香港拍攝的:

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大家知道為什麼在月食的時候,我們也能夠看到整個月亮,而不是好像日食那樣真的被天狗「食」了一部分?大家知道為什麼在上面的月全食和半影月食中,月球都變成了橙紅色?其實在新月時,我們也可以看見很暗、很紅的月亮,大家又知道為什麼嗎?下一次,我們就來討論一下,紅月亮出現的原因吧!