科幻高手

我最愛的電影是與她一起看的《Contact》。

《Contact》是卡爾.薩根 (Carl Sagan) 寫的科幻小說。小說在 1985 年出版,於1997年被拍成電影,由 Judie Foster 主演,可惜趕不及在卡爾.薩根離世前上映。CCTVB 明珠台重播過無數次,成為我最欣賞的電影之一。

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《超時空接觸》電影海報。

《Contact》的香港中文譯名《超時空接觸》譯得不錯,符合物理亦符合劇情,不知是有心或無意。卡爾.薩根作為天文學家與科學普及工作者,出自其手筆的這部小說能夠成為科幻小說的經典及模範,實不足為奇。

科幻與吹水其實只有一線之差。一個好的科幻作家並不需要把幻想世界裡的每個現象寫得與現實世界的物理定律一樣,否則就不是科「幻」了。科幻作品之中高手與低手的分別,以我看來就在於內容的一致性。好的科幻故事裡,作者不會打破自己定下的法則。他會按照早先定下的科幻世界定律去描述故事,不會為了故事的發展而不斷創造新的東西。反之,低手往往為了故事流暢或可觀性不斷描寫新的東西。

高手重視科幻劇情的一致性,這是源於對讀者的尊重,也是對自己作品的尊重。他們知道「科」幻包含著科學精神。可對低手來說,一致性是無必要的,因為他們沉迷於科「幻」,只要迎合大眾對於刺激劇情的追求就夠了。他們喜歡沉迷在幻覺世界裡。

作為讀者,我認為科幻作品的一致性比劇情刺激與否來得更重要。《超時空接觸》出自科學家之手,而科學家對一致性的追求和執著、對科學精神的堅持,很多時候卻被一般人看成固執。高手尊重「科」也喜愛「幻」,因為對未知事物的好奇心就是科學精神的源頭,是科學研究的推動力。就如登上月球一樣,很多昨日的科幻,都變成了今天的科技。

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《Contact》原著第一版封面。

更重要的是,《超時空接觸》內容描寫的大部分都不在「科」亦不在「幻」,而在人心。假若人類有一天真的發現了外星文明送來地球的訊息,地球的文化、政治、宗教等領域會如何變化?我們會如何理解這發現的意義?這會對我們的文明帶來甚麼衝擊?對於首次與外星文明接觸,人類應該如何、又會如何應對?

我建議大家可先觀看電影,然後再看原著。這個次序,會令你驚嘆這部作品程度之高,也了解電影如何無法取代文字。我深信,在擠迫的地鐵車廂看書,既可省去不少漫無目的地掃芒而浪費的手機電力,也能為這個文化沙漠種植幾棵小樹苗吧。

=== 本文原刊於星匯點 2012 年 6 月號會員通訊 ===

延伸閱讀:

科研解碼:宇宙文明的歷史與未來》 – 余海峯

從外星生命淺談天文》 – 余海峯

科學家巡禮:我們都是星塵.卡爾.薩根 (Carl Sagan)》 – 余海峯

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這是屬於發現的時代

卡爾.薩根:「我們幾乎沒有注意到,我們已經進入自文藝復興以來史無前例的探索和發現的時代。」

“We have entered, almost without noticing, an age of exploration and discovery unparalleled since the Renaissance.” – Carl Sagan

卡爾.薩根 (1934 – 1996) 在他的書中這樣寫道。

過去幾十年,我們發現了 DNA 的構造、醫治了許多從前的不治之症、派遣了幾十架人造衝星探訪太陽系各成員、探險車好奇號發現火星有水流過的痕跡、新視野號剛探訪冥王星,而今天 LISA 重力波探測器就要升空了。如果卡爾.薩根仍然在生,他會是何等的興奮和感動呢?

可惜的是,我們眼看周遭,眼下盡是人類自相殘殺、破壞環境、迷信未除、謠言未止。人為的溫室效應導致的全球升溫,數據是如此擺在眼前,但我們仍然未開始反應。我不確定我們仍來得及扭轉這個局面。

諷刺的是,在卡爾.薩根的時代出發的航行者 1 號和 2 號太空船,現正飛越太陽系的邊界,向著未知的星際空間進發。它們仍然努力地向地球上的人類回傳珍貴的科學數據。

作為生於這個世代的我們,是何其有幸!若人類免於自我滅亡,這個時代的科學進程必定佔據未來科學教科書之中極其重要的一頁。

身在此世代而不自知的我們,能否避免於自我毀滅的命運,就掌握在我們這一個世代的手中。

費曼和薩根都說過,這是一個不科學的時代。我衷心希望,藉著普及科學,我們仍有一絲希望,踏進未知的未來世界,繼續探索。

封面圖片為航行者 1 號,取自 NASA Voyager Mission 網站

恆星的死亡筆記

每當我們仰望天際,除了高樓大廈和比 IFC 更高的樓價外 (例如把 1000 萬港幣全部換成 10 蚊銀,疊起來有 7 座 IFC 那麼高),我們看到天空。 天空中、雲層外,人類只古以來,每天都會看到一個發光的球體。這個球體每天環繞地球轉一個圈,照亮我們的大地,為地球上所有的生命提供能量。

這個發光的球體,就是太陽。

自我們在森林中生活的祖先以來,這個太陽日復一復、年復一年,從未間斷地照耀著。我們很自然會好奇:「太陽是否永恆不變?」

太陽是一顆星。星的英文 star,中文正式名稱叫「恆星」。用上永恆的恆,因為恆星的壽命與人類或其他所有動植物比起來,就如永恆一樣的長。可是,就連宇宙的壽命也不是無限永恆的,恆星也有其壽終正寢的一天。

我們的太陽現在大約有 50 億歲,天文學家估計它仍可繼續發光另一個 50 億年。為什麼太陽的壽命可以有 100 億年那麼長呢?而其他恆星的壽命又會否不同?

nasa-pleiades-star-cluster在晴朗的夜空,我們可以看到很多星星。這些星星其實就是別的太陽。如果我們細心看,可以觀察到不同的星星有不同的顏色。我們的太陽當然是橙色的了,而有一些星星是藍色的,另外一些看上去則比太陽更偏紅。

為什麼恆星會有不同的顏色?顏色與溫度有直接關係:藍光的能量比紅光高,所以如果大家有入過廚房,就會發現越熱的火越偏藍色。同樣,恆星的顏色也代表了他們的表面溫度 (注意只是「表面」的溫度,因為我們只能看到恆星的表面發出來的光)。所以當我們看到一顆藍色的星星,就可以知道這是一顆比太陽溫度高的恆星;相反,當我們看到一顆比太陽更偏紅的星星,就知道它比太陽溫度低了。

說到這裡,究竟我們的太陽有多熱?其實太陽的表面溫度並沒有你想像的那麼熱,只有約 6000 度。在恆星的家族之中,太陽是一顆中等偏低質量的恆星。而一些藍色的星星,其表面溫度可達幾萬度,這些恆星的質量比太陽的高很多 (大約 10 – 100 倍),天文學家叫它們做「巨星」或「超巨星」。而比太陽輕的恆星,就是那些偏紅的星星,表面溫度只有大約幾千度,質量可低至約 0.08 倍太陽質量,天文學家叫它們做「矮星」。

但究竟溫度與恆星的壽命有什麼關係啊?天文學家又是如何知道恆星的壽命有多長?地球的壽命比太陽短 (這是當然的,因為太陽比地球早形成),生存在地球上的我們當然不可能有足夠長的壽命去觀察太陽的一生。天文學家不能與星星鬥長命,但我們發現到一個事實:原來恆星在其一生的不同時間,外觀都是不同的,就像人類會經歷生老病死一般。所以,計算恆星的壽命、恆星如何演化等等,就有如做人口普查!

試想像:我們是外星人,坐飛船來到地球。我們看到一種叫「人類」的動物,牠們有很多不同「形態」:有些看上去很壯碩、有些滿頭白髮、有些體型細小、有些卻很高大。我們如何知道牠們究竟是如一個物種在其生命週期的不同階段,還是根本是不同的物種呢?

如果我們把地球上不同地方的「人類」做統計,例如把每 100 萬人分開來,看看他們的身高、外觀等等參數的分布。地球上有大約 70 億人,所以我們可以做 700 次這樣的統計。結果我們會發現,這 700 次裡面的大部分,都包含著上述不同的「形態」,而且不同「形態」之間的比例有不同地方會有差別。這就告訴了我們一個非常明顯的事實:極有可能「人類」是同一個物種,而不同「形態」之間的不同比例代表了該區域的人口老化程度!

其實,天文學家就好像這些外星統計學者。天文學家就是透過觀察不同恆星的集合,看看他們的光度和溫度之間的關係。事實上,很多恆星都不像我們的太陽這麼孤單,很多恆星都是屬於雙星、三星、甚至多星系統之中。一個介乎幾個至幾十萬個恆星的多星系統,我們叫叫「星團」。很多很多個星團聚集在一起,就形成了宇宙間一個一個星系了。

650137main_pia15416b-43_full如果我們觀察這些星團、星系,數數看他們每一個裡面的恆星成員,看看它們的光度和溫度,就會發現不同的星團、星系會有不同的比例,就好像人口普查的結果。所以,天文學家就知道恆星會演化了。

當我們知道恆星會演化,下一步就是要知道它們如何演化。天體物理學家使用我們已知的物理定律,建構出各種不同的恆星模型。在愛因斯坦的時代,人類還不清楚究竟太陽是如何發光的,他們不明白為何太陽能夠持續並非常穩定地釋放出這麼巨大的能量!

那時候,物理學家還未知道有核能這種能源。有一些科學家說太陽的能量來自化學能、另一些則說太陽能源是因為向太陽落下的隕石所釋放出來的重力勢能…… 可是全部這些能量都不足以維持 50 億年:只需要簡單地計算一下,莫說是地球生命起源的大概 40 億年前了,單靠化學能、重力勢能,太陽就連發光幾千年也成問題!

最後,當然是由於人類終於發現了核能,同時結合量子力學和愛因斯坦的 E = mc^2,科學界才對恆星的能量來源有了定案:恆星之所以能夠持續釋放出這麼巨大的能量,是因為恆星上的原子核結合在一起的過程會釋出非常多的能量 (叫做核聚變反應),這些能量變成光、熱,形成一種向外的壓力,與恆星本身的重力抵消,所以恆星可以穩定地照耀億萬年之久。

情況就好像一個熱氣球。一個熱氣球就是依靠裡面的熱能使氣體膨脹,形成向外的壓力,與氣球向內的張力抵消,使之能夠保持球狀。這不是甚麼神奇的物理理論,只是小學也會學到的熱脹冷縮!

利用一些很簡單的假設,天體物理學家能夠計算出在特定的條件下,一顆恆星會如何演化。換句話說,即是我們能夠把恆星的一生案件重組,而無須親眼看見它們經歷誕生、演化、死亡!

我們發現,恆星可以根據它們的質量來區分。為方便我們的討論,略去一些細節,恆星大概可簡單分為:

  1. 極低質量恆星
  2. 低質量恆星
  3. 高質量恆星

極低質量恆星

極低質量恆星介乎 10 至 80 倍木星質量之間,即大約只有 3 千至 2 萬 4 千個地球那麼重。它們不會像我們的太陽放出這麼耀眼的光芒,而只是放出非常暗淡的紅外光,緩慢地變成棕矮星,在寒冷、黑暗無邊的宇宙中孤寂地用盡燃料。

這種星星的一生,相對低質量和高質量恆星而言,可說是毫無趣味。不過,它們的壽命非常非常非常長,可以比宇宙的年齡更長!所以,天文學家認為現在的宇宙中根本還未有任何極低質量恆星變成了棕矮星。

我們的直覺會以為,越重的恆星,等於它的核燃料越多,理應壽命越長。可是,這就好像一輛重型貨櫃車,雖然它的油箱比小型私家車大很多,但是因為它消耗燃料的速率快很多,所以更快耗盡燃料。恆星也是一樣,因為核聚變的速率以指數上升,所以只要是稍重一點點的恆星,其壽命已經比稍輕一點點的恆星短非常之多!

所以這些極低質量恆星的壽命長得這樣不可思議,就是因為它們中心的核聚變反應速率非常之低。亦因為如此,它們都是很小、很冷的恆星,其核心溫度只有不足 30 萬度,只能夠把少量的氫變成氦。

低質量恆星

PIA03149低質量恆星介乎 0.8 至 8 倍太陽質量,即大約有 26 萬至 260 萬個地球那麼重。我們的太陽就是其中一員。這類低質量恆星的壽命大概為 100 億年左右。當它們接近生命終點時,會開不斷膨脹、脈動,把自己的外殼一層又一層的拋向黑暗的太空深處,最後變成白矮星,被豔麗的「行星狀星雲」包裹著而慢慢地死去。

由於低質量恆星不夠重,其中心溫度只有大約 100 萬度,進行的只有所謂的質子-質子連鎖反應和碳氮氧循環連鎖反應。它們把氫變成氦的之餘,也能夠合成碳、氮、氧等等比較重的元素。

以我們的太陽為例。太陽現正處於一種天文學家稱為「主序星」的狀態,可以理解為恆星的壯年期。主序星能夠穩定地釋放能量,其大小、光度、溫度等等參數都非常穩定。質子-質子連鎖反應和碳循環連鎖反應所產生的向外的壓力,與其自身重力互相平衡,核心每秒鐘大約把 6 千億公斤的氫變成氦,即相當於大概每秒鐘輸出 9 萬 2 千億黃色炸藥爆炸時的能量!

幾十億年後,當太陽核心的氫 (即質子) 耗盡以後,核心裡的核反應就會停止。由於核心停止產生能量,變成所謂的量子簡併狀態,溫度大約為 1 億度。在量子簡併狀態下的物質,就由壓力比較低的簡併壓力 (degenerate pressure) 代替理想氣體壓力 (ideal gas pressure),所以就會收縮。這個狀態叫做後主序星。

由於核心收縮了,恆星的外殼也會收縮。可是,這樣一來反而令本來沒有核反應的中間殼層也能夠開始核反應。結果就是由於恆星內部收縮,令到核心溫度不跌反升,昇高了的溫度令核反應加速,加速的核反應又令溫度越升越高…… 這樣的一個循環,最終溫度會上昇到能夠令中心的氦簡併核心突然變回理想氣體狀態,發生「氦閃」,即是氦會以非常猛烈的方式進行核聚變反應!這個核反應叫做三氦核連鎖反應,比質子-質子連鎖反應和碳氮氧循環連鎖反應的效率高非常非常之多。

[質子-質子連鎖反應效率正比於溫度的 4 次方、碳氮氧循環連鎖反應效率正比於溫度的 16 次方、三氦核連鎖反應效率正比於溫度的 40 次方!]

由於核心和外層殼層輸出能量的速率不同,所以到了這個階段的恆星就會開始不斷膨脹、收縮、膨脹、收縮,天文學家稱之為 AGB 恆星。AGB 恆星的這種脈動,會把其自身的殼層一層一層好像洋蔥般向外太空拋出,大約每年可以拋走 10 萬分之一個太陽質量。恆星從主序星到 AGB 恆星的過程中會不斷變大,最後變成了 AGB 恆星的太陽會變得比地球軌道更大,所以無論到時地球上還有沒有生命存在也好 (例如因為太陽變得太大太熱,使地球離開了所謂的「適居帶」,可以參考我的另一篇科普文章《從外星生命淺談天文》),地球也必定「玩完」了。

最後,當連氦也燒完了,太陽就會變成一顆與地球差不多大小的、處於簡併狀態的星體,叫做白矮星。而其外圍,就會被先前所拋出的殼層形成的「行星狀星雲」(注意行星狀星雲的命名只是歷史原因,與行星一點關係也沒有) 包圍,失去光芒。

高質量恆星

高質量恆星的死亡方式非常華麗。它們的壽命雖然只有幾百萬至幾千萬年,但它們會變成所謂的「超新星」,以超新星爆炸的形式結束其短暫的一生 (沒錯,對於天文學家而言,幾千萬年是非常「短暫」的時間……)。

Screen Shot 2015-04-17 at 14.33.59高質量恆星泛指質量比太陽重約 10 倍或以上的恆星。它們由於太重、核心溫度太高,所以在燒完氫時不會發生氦閃,而會順利地燃燒氦。這個過程能夠一直進行下去,由氫的核反應開始,慢慢點燃氦、碳、氖、氧、矽…… 等等的重元素的核反應,直到鐵。最終就會變成一個洋蔥一樣的恆星,最外面殼層進行氫的核反應、最裡面的核心則是鐵的簡併狀態。

因為鐵是所有元素之中最穩定的,所以無論恆星如何重、核心溫度如何高,也不可能合成比鐵更加重的元素。因為要是想把鐵核強行熔合起來,就不會放出能量,反而需要從外部注入能量。所以大家可能會問:「那麼地球上、我們身體裡的一切比鐵更重的元素,究竟是從哪裡來的?」

答案就是超新星爆炸!一顆高質量恆星死亡的時候,其收縮速率非常非常之快,快到接近光速,所以在內部不同殼層之間的物質就會非常猛烈地碰撞,產生非常強烈的衝擊波,把整個恆星炸得粉碎!這個過程就是所謂的超新星爆炸了。超新星爆炸的時候,會產生極其巨大的能量,一個超新星爆炸所釋放出的能量,比一整個星系裡幾百億顆恆星放出的能量更多!

由於這麼恐怖的巨量能量,先前所合成的一切元素就會被光子打得粉碎,全部打回原形變成氫 (即質子),天文學家叫這過程做光分解。光分解完結後,這些質子的能量依然非常非常的高,以致在極短的時間內又會重新合成氦、碳、氖、氧、矽、鐵,和其他一些比鐵更重的元素。新星爆炸後,在超新星的殘骸中,可能會留下一顆中子星或者一個黑洞。而超新星爆炸所拋出的物質,就會成為下一代恆星與行星的物質。所以,天文學家卡爾.薩根 (Carl Sagan, 1934 – 1996) 的名句:「我們都是星塵」並不是比喻,而是事實。

我們都是星的兒女。我們不單止與其他人緊密連繫、與地球上所有動植物擁有共同祖先,我們與天上的星星、整個宇宙,都是密不可分的。卡爾.薩根說過:「我們是宇宙認識自己的過程。」

“We are a way for the cosmos to know itself.”

誰說科學不浪漫?

最後,希望與大家分享這一段卡爾.薩根在《宇宙:個人遊記》(Cosmos: A Personal Voyage) 裡的片段。

上面提到的各個專有名詞,例如行星狀星雲、白矮星、中子星、黑洞等等,我都未有這這篇文章裡詳細解釋,留待以後慢慢跟各位讀者討論。寫完恆星的死亡筆記,下一次我們就來討論恆星是如何誕生的吧!

* 本文封面圖片為指環星雲 (Ring Nebula),是低質量恆星死亡後遺留下來的行星狀星雲,中間的白色光點就是已經死亡的恆星變成的白矮星。Image Credit: NASA, ESA

從外星生命淺談天文

講到行星科學、生命演化的時候,常會聽到這一句話:「地球是生命的搖籃。」很多年來,天文學家都努力尋找類似地球的行星,希望找到外星生命的證據。

我們可以用什麼方法找尋外星生命呢?

Pioneer10-plaque_tilt最直接的方法,當然是飛過去看看吧。人類的人造衛星已經探訪過包括冥王星在內的所有太陽系裡的行星了,其中旅行者一號和二號更在飛出太陽系的旅程中。不過,就算是不需帶備供人類使用的維持生命的物資和裝置,這些無人探測器也得花上好幾年的時間才能飛越太陽系的行星軌道,更不用說去探訪外太陽系的行星了。

在這些探索當中,最為人熟悉的應該是火星無人探索車好奇號吧。好奇號上配備了多個科學儀器,用以探測火星的土壤裡有沒有生命。而最簡單的方法,就是看看泥土之中有沒有某些由生命製造出來的有機化合物。不過至今結果都是:還未發現火星上有生命存在。

不過,有些科學家覺得,我們可能一直問錯問題。為什麼呢?首先,為什麼我們認為生命必然會製造出好奇號的儀器找尋的那幾種化合物?當然,這是經過科學家嚴謹考慮過的,因為好奇號能夠帶上火星的儀器有限,不可能把所有可能的化合物都一一尋找。而且,人類的數據當中,只有一個星球上的生命形態可以作為參考:地球。所以,好奇號的結果,其實並非「火星沒有生命存在」,而是「火星沒有會產生某幾種類化合物的生命存在」。

已經有越來越多人估計,外星生命的形態很有可能與我們地球上熟悉的形態非常不同。當然,其實我們對地球上的生命形態也不是很熟悉的:平均每天都有新品種被發現,其中大部分都是一些我們會稱之為「奇形怪狀」的深海生物。

就算是地球上的生命形式,牠們所使用的生存方法也可以非常不同、非常極端。例如人類,我們吸取氧氣,吃富含營養的食物,透過呼吸作用把食物中的能量抽取出來,以糖的形式儲存在身體之中。而我們熟悉的植物其實已經是使用非常不同的形式來提取能量:它們能夠以光合作用,直接把陽光從光能變成化學能,吸取二氧化碳來把養份變成澱粉 (讀 DSE 生物學的同學,以上的東西你應該要比我更清楚!)。而另外一些更極端的微生物,連海底火山口的高溫也能抵抗,牠們能以火山口的高熱作為能源。

地球上的生命形式雖然非常豐富、千奇百怪、應有盡有,但地球上所有生命都是用同一種方法繁殖:遺傳因子 DNA。至現時,從未發現一種生物的細胞內沒有 DNA。所以,你也可以說,地球上的生命形式其實也很單調。可是,人類連自己的行星上的生命都並不是那樣熟悉,我們對外星生命的推測也應該不會準確到哪裡去吧。

不過事實上又是不是這樣呢?

這樣就要靠另一個尋外星生命的方法,就是用強大的天文望遠鏡去找尋其他環繞太陽系的行星。我們稱這些行星為外太陽系行星。

首先你會問:「如何看得到外太陽系行星?」問得好,其實以現時的科技,我們是直接「看」不到這些行星的。最接近我們的太陽系的一個恆星系統 (即另一個太陽系) 叫做半人馬座 α,距離地球大約 4.2 光年。

光年是距離的單位,意思是光在 1 年內能夠到達的距離。光在 1 秒鐘內已經可以環繞地球跑 7 個半圈 (大約 30 萬公里)、1 秒鐘可以從地球到達月球、大陽光在 8 分鐘內可以到達地球 (所以我們看見的太陽其實是 8 分鐘前的太陽!)、在 4 小時內到達海王星的軌道 (所以如果你坐太空船飛出去,與地球上的人通訊時的延誤會越來越大,這可不是因為 lag 機,而是因為通訊電波也只能以光速傳播)。

hubble_in_orbit1光已經這樣快了,可仍然要跑 4.2 年才能到達最接近的另一個太陽系!事實上,半人馬座 α 並非只有一顆星,而是三顆!只是因為 4.2 光年的距離太遠,看上來三顆星就重疊在一起,要用高倍率的天文望遠鏡才能夠把它們分辨開來。可想而知,要看恆星已經這樣難了,何況不會發光的行星?而且,天文學家仍然未能夠「看」到恆星,用現時最強的哈勃太空望遠鏡看半人馬座 α,也只能看到三個光點,不能夠像看我們的太陽一樣,看到一個球體。

所以我們其實是「看」不到這些外太陽系行星的。天文學家其實是利用幾種不同的方法,間接的「看」這些行星。簡單來說,可以想像:為什麼看不到這些行星?當然是因為它們的恆星太光了,而行星只能靠反射恆星的光作為光源,所以被其恆星的光芒淹蓋。所以首先我們會看恆星來推斷有沒有行星系統存在。比起恆星,行星的質量雖小,但它們的引力也會對恆星造成一些非常細微的影響。天文學家如果看到恆星軌道有週期性的擾動,就知道一定是有一些「看不見」的行星在附近了。所以至少可以得知該行星的公轉週期之類的資訊。

然後,就是如果好運,行星公轉的軌道平面剛好在與地球的視線上,那麼當行星繞到恆星前面時,一部分的光就會被行星遮住了。所以除了公轉週期,天文學家也可以計算出該行星的大小和質量等資訊。

除此以外,試想像:如果該行星有大氣層,當行星剛好繞到恆星前面,行星的邊緣剛剛接觸恆星的邊緣時,恆星的光就會穿過行星的大氣層才飛到地球。當光線穿過大氣層時,就會與大氣層裡的份子互動,會被散射、吸收等等。與未有穿過大氣層的光比較,就可以知道大氣層的化學成份及其比例了!原理就是中學化學學到的光譜學,天文學家從這些光的光譜中的發射線和吸收線辨認出各式各樣的化學份子。

天文學家對外星生命的遺傳因子、提取能量的方法等等,老老實實,都只能「靠估」。不過,當我們知道一個星球的參數,例如大小、質量、化學成份 (好運才有……)、公轉週期等等,其實已經可以作出很多合理的推測了。

根據開普勒行星運動定律,知道行星公轉週期加上恆星的質量 (可以由其他方法計算出來,我會在以後其他文章中講解) 就等於知道行星的軌道資訊比如半徑和離心率等。如果你給天文學家這些數據,還是可以對該行星會否有生命、生命生存的形式之類,有個大概的合理推測。

首先,就是行星是否位於所謂的「適居帶」。當然, 適居與否也只是人類以我們的主觀經驗去推斷,不過應該都是一個很合理的猜測:就是看看行星距離恆星是否剛剛好可以令水以液態存在。為什麼要液態水呢?水是一種頗為穩定的化學物質,它可以在生物體內擔當溶劑、潤滑、恆溫等等的作用。當然,就像前面提到,外星生命不一定使用液態水去做上述的功能 (而且也可能不需要這些功能),但以存在液態水的前提去尋找外星生命,能夠提供一定保證。所以,適居帶的大小和行星軌道就很重要了:離恆星太近,水就會蒸發掉;太遠,水就會結成冰。

其次,就是行星的軌道離心率。離心率越接近 0 (例如地球),其軌道就越接近正圓形 (正圓形是剛好等於 0)。圓形軌道有什麼好處?就是行星與恆星的距離穩定,一旦在適居帶內就不會離開,所以在一年內不會太熱也不會太冷。這樣對生命的持續演化很有幫助。試想像,如果一個行星在其公轉一週時,有時候與恆星距離很近、有時候則很遠 (即是高離心率),行星上的生命也會對如此極端的氣候感到無所適從吧。

然後,就是行星的大小與質量。行星太小,其重力就會很弱,無法留住厚實的大氣層。大氣層是非常重要的,因為不管外星生命需要大氣裡的什麼成份來生存也好,沒有大氣層就不能抵擋恆星風吹來的高速粒子和高能量幅射。地球擁有頗厚的大氣和磁場,幫助地上的生命阻擋了絕大部分這些危害生命的太陽風和宇宙射線,例如紫外線和帶電粒子等。要是沒有大氣層 (和其中非常重要的臭氧層) 和磁場照顧你們,地球上的生命,早完蛋了。

但是,太重的行星也不行。因為太重的行星,其核心就不會像地球的那麼活躍,所以磁場就會很弱;而且重力太強也會令大氣層變得太厚,陽光無法穿透,地上和海裡的生命就難以吸收能源。當然,牠們也可以從其他途徑取得能量,例如地熱。所以,科學家會推測,在這些大型行星上,如果有生命存在,很可能是在地底深處。

我們還有很多合理的想像空間。該行星如果太大,變成好像我們太陽系裡的木星、土星等的氣態行星,就可能沒有陸地,更不用說海洋了。不過,如果其表面重力、溫度等等條件適中的話,就有可能產生出微生物、甚至好像水母般的生命,牠們浮在半空之中,在其雲層之間尋找食物。有可能嗎?為何不可?也有可能由於行星比地球重,雖然有陸地,但其重力比地球強,所以上面的生命都比較笨重,因為需要較強的體質去支撐身體重量?當然,「笨重」都只是地球科學家的主觀感覺而已。

近年有研究指出,比地球大少許的行星,如果其環繞的恆星比我們的太陽暗一點點,可能更有利於生命的存續和演化。他們認為,一來這樣的恆星比我們的太陽壽命長很多 (是的,越輕越暗的恆星反而更長壽,這一點我會在以後的文章討論),生命就有更多時間慢慢演化。我們的太陽現在約 50 億歲了,天文學家計算它應該仍有足夠核燃料,繼續發光另一個 50 億年。而一顆比太陽輕少許的恆星,壽命更可達幾百億年之久!

二來,由於這樣的行星比地球大少許,其上面就可能不會像地球一樣,形成一個巨大的海洋。更可能的是,上面會是一整個大陸,在陸地上會有很多巨型的湖、河川、溪谷等等的地形。一些生物學家已經指出,這樣的地形更有利於生物多樣化。而生物多樣化的其中一個優點,就是很多生物之間互相依賴更多,食物鏈也就更穩定,較少機會出現像地球上的「一種生物滅絕引起的滅絕連鎖反應」。換句話說,即是該行星上的生物系統不會像地球的那麼脆弱。而種種這些優點,就更有利智慧生命的發展了。

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長久以來,很多人都希望找到外星生命。可能,我們在宇宙之中雖小如微塵,但我們的心靈卻嚮往無垠的宇宙,渴望找到其他文明,一起分擔我們的孤單。

說到這裡,天文學家其實早已計算過,在宇宙中有可能存在多少外星文明。這是一條非常簡單的公式,叫做德雷克公式 (Drake equation)。簡單地說,就是計算行星會發展出生命的機率、生命能夠順利演化的機率、能夠成功演化出智慧生命的機率等等,再把這些機率乘以宇宙之中的行星數量,就是智慧文明的數量了。當然,沒有人知道上述每一個數字的真正數值。不同的人,使用不同的方法去估計這些數字,代入公式後得出的數目都有所不同。但,就算你用非常非常保守的數字去計算,也不難得出「我們並不孤單」的結論。

上面的片段,是我非常尊敬的天文學家卡爾.薩根 (Carl Sagan, 1934 – 1996),在他的電視紀錄片《宇宙:個人遊記》(Cosmos: A Personal Voyage) 之中,關於人類尋找外星生命的一段說話。內容理性、又不失感情,我很喜歡,所以與各位分享。

我還有非常多的天文學可以和讀者分享。下一次,我們就來嘗試看看,一顆恆星的一生究竟是如何演化、而太陽的演化又是如何影響著地球上的生命。

延伸閱讀:

科普:行星.生命.演化

分道揚鑣的天文學和占星術數

在香港,每當提起「天文」,有時會有人把天文學跟占星術數混淆。

香港流行所謂風水算命、外國也流行星座占卜,其所謂理論之中亦包含一點點統計成分,有些更會所謂的「冷讀術」看起來就像讀心術一樣,其實是捉摸受訪者心理的一種心理技巧。夜空中的星斗,真的會影響我們的一生嗎?

事實上,許多文明的神話故事都來自對於星空的幻想:天上的星星聚在一起,組成各種不同的圖案,加上人類豐富的想像力,古人們虛構出一個個浪漫的神話故事。而我們在香港,經常接觸到「紫微斗數」、「時辰八字」等字眼,其由來始於古代華夏文化的天文學。現代天文學變成一門嚴謹的科學,就和占星術數分道揚鑣了。

人類是好奇的動物。數百萬年前,人類的靈長類先祖在原野樹林間露宿。漫漫長夜,當他們仰望天際,發現無數會閃爍的光點,心中可有問道:「夜裡,我們睡在林間。沒甚麼好做,只有看著星空,看著這些無數在日間看不見的小光點,我們叫它們做星星。星星究竟是甚麼?」

當然,那時候未還有文字,語言亦仍未發展出來,他們不太可能表達出複雜、抽象的概念。但是想必在他們當中,會有一些曾不自覺地、潛意識地問及類似問題。自有史記載以來,人類一直渴望了解斗轉星移的原因和意義,天文學可謂現代科學的起源,星空可能是人類最早探索的地方。另一方面,我們不單只對大自然感到好奇,我們也對自己感到好奇:我們希望了解自己生命的過去、現在、未來。畢竟這比星星更貼近日常生活。而我們唯一不確定的就是未來,因此我們對預知自己的「命運」有很大的渴求。

很多時間,人類對自然和自身的好奇心反映在各種文明的神話裡。面對經驗不能解釋的自然現象時,我們傾向以一些比我們能力更高的「存在」去解釋,這些超越人類能力的存在一般被稱為神、神仙或精靈等等。我們傾向以這些「存在」對世界的干預來解釋各種憑人類經驗未能解釋的現象,人類可以說是害怕無知的動物:我們不知道閃電是甚麼,就說這是神的憤怒;我們不知道滂沱大雨從何而來,就說這是神的哀傷;為甚麼會有火山爆發、大地震、洪水等災難?這是神對人類的懲罰。

我們當中有些人認為這些「存在」是神祕的、無常的、莫測的,是人類所不能了解的。可是,當中也有些人希望得知住這些「存在」的計劃。神的計劃當然寫在天上。因此我們就開始觀察星星、月亮、太陽、行星等天體的運行規律。而天體的運行規律並不簡單。所以人類很早就開始記載天體軌跡。當累積了一定程度的數據後,人類開始嘗試以各式各樣的模型和理論去解釋宇宙如何運行。

我們的祖先們發現了太陽的週日運動造成了日與夜;月亮盈虧週期與女性生理週期相近;潮汐也與月亮的運行有關;太陽的週年運行跟四季更迭、作物收成等關係密切。這一切使人類感覺大自然與自身有著深刻的關聯。我們希望與天體相連結,這使我們感覺不孤單。因此,人類漸漸認為天上的星星也與地球上的生死有關,我們把自己放了在宇宙的中心。我們認為宇宙是為人類而存在的,認為斗轉星移是人類活動的反映。這是何等驕傲、又何等自卑的想法!

天文學家卡爾.薩根 (Carl Sagan) 在他著名的科普 Cosmos 中,曾就占星術數對人類文明的影響有過這樣的討論:

“We today recognize the antiquity of astrology in words disaster, which is Greek for ‘bad star,’ influenza, Italian for (astral) ‘influence’; mazeltov, Hebrew — and, ultimately, Babylonian — for ‘good constellation,’ or the Yiddish word shlamazel, applied to someone plagues by relentless ill-fortune, which again traces to the Babylonian astronomical lexicon. According to Pliny, there were Romans considered sideratio, ‘planet-struck.’ Planets were widely thought to be a direct cause of death. Or consider consider: it means ‘with the planets,’ evidently a prerequisite for serious reflection.”

可見在西方、中東等地的文明對天體的崇拜是普遍的。在中國亦有不少例子,如「天子」就是一例。「替天行道」、「日月可鑒」等成語都顯示中國人相信天體與天空存在明辨是非的智慧。然而,卡爾.薩根用雙生子來說明占星術數的不合理:

“Astrology can be tested by the lives of twins. There are many cases in which one twin is killed in childhood, in a riding accident, say, or struck by lightning, while the other lives to a prosperous old age. Each was born in precisely the same place and within minute of the other. Exactly the same planets were rising at their births. If astrology were valid, how could two such twins have such profoundly different fates?”

我聽過有些人會用相對論裡的雙生子悖論來辯護,但當我嘗試與他們溝通的時候,我發現其實他們根本不理解相對論講的是甚麼。不懂相對論原本沒有問題,問題是我們不應該利用一個自己不理解的概念去為其他概念辯護。

事實上,不是科學專業出身的人可能很難分辨天文科學和占星術數。但重要的是我們應該要有批判思考的習慣,避免盲目相信一些未加舉證的見解,包括我這稿文章,我也希望讀者要自己細心思考。最後有一點我想提到的,是卡爾.薩根指出了古代占星家與現代占星家的異同:

“… Ptolemy [古希臘天文及占星學家] believed not only that behavior patterns were influenced by the planets and the stars but also that questions of stature, complexion, national character and even congenital physical abnormalities were determined by the stars… But modern astrologers have forgotten about the precession of the equinoxes, which Ptolemy understood. They ignore atmospheric refraction, about which Ptolemy wrote. They pay almost no attention to all the moons and planets, asteroids and comets, quasars and pulsars, exploding galaxies, symbiotic stars, cataclysmic variables and X-ray sources that have been discovered since Ptolemy’s time.”

他指出現代越來越多占星家只會找出對自己有利的資料,而對其他大部分不利自己學說的資料卻選擇性失明。卡爾.薩根在書中繼續說:

“Astronomy is a science — the study of the universe as it is. Astrology is a pseudoscience — a claim, in the absence of good evidence, that the other planets affect our everyday lives. In Ptolemy’s time the distinction between astronomy and astrology was not clear. Today it is.”

天文學是嚴謹的科學,而占星術數是偽科學,兩者原本同出一轍,在人類理性之中,分道揚鑣。

*本文封面圖片為 17 世紀荷蘭製圖師 Frederik de Wit 所畫的星圖。

我們都是星塵:卡爾.薩根 (Carl Sagan)

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卡爾.薩根 (Carl Sagan, 1934 – 1996) 是著名的天文學家,同時亦是一位出色的教育家,終生致力向社會推廣科學。儘管大家可能從未聽過他的名字,但其實大部分人都會聽過他所說的名句:「我們都是星塵。」(“We are all star stuff.”) 其實他就是當年一部著名天文科學電影《超時空接觸》(Contact) 原著小說的作者。

卡爾.薩根是芝加哥大學天文物理學博士,曾為康乃爾大學天文學與太空科學鄧肯講座教授,並主持行星研究實驗室。他最重要的科學成就包括金星溫室效應、火星沙塵暴、土衛六有機物質研究等等。他也深入探討過核子戰爭會對環境造成的長期影響以及地球生命起源等等一些在科學和社會中都有重要意義的課題。他參與過多項無人行星探測任務,包括水手號、維京人號、旅行者號和伽俐略號等太空計劃。他亦是最早投入外星智慧生物搜尋工作的研究先驅。

卡爾.薩根一生致力於科學普及和教育工作,著有三十多部作品,曾獲頒普立茲獎。其代表作就是第一代《宇宙:個人遊記》(Cosmos: A Personal Voyage) 系列一共十三集電視紀錄片。第二代《宇宙時空之旅》(Cosmos: A Spacetime Odyssey) 於 2014 年播放,由 Neil deGrasse Tyson 主持,他於節目中講述當年卡爾.薩根如何鼓勵他成為科學家,令人感動。

《宇宙:個人遊記》被編成《宇宙.宇宙》(Cosmos) 一書,筆者也就是這樣認識卡爾.薩根這一個科學教育家。書中從星系、星雲、恆星和太陽系等大尺度的結構開始,以探討生命起源、進化的可能性貫通全書;他沒有把概念和資料強行塞給讀者,而是希望讀者由科學角度自行思考生命的起源與意義,思考人類自身的存在意義;在生物學以至社會大眾的角度探索人類及地球上其他生物如何看待地球這個宇宙中唯一的家;以至於與外星文明溝通時所會遇到的問題;也討論了科學與宗教、道德、核戰等等與我們切身相關的問題,可謂一本不可多得的科普讀物。他示範了如何從理性角度去思考複雜的科學、社會問題,卻又不會流於死板;如何從感性角度欣賞這個富生命力的地球,卻不忘警醒我們必須保護家園,這個上億物種共存的唯一的家。事實上,他的思維方式影響筆者甚深,筆者在講講座、寫文章遇到這些科學或哲學問題時,經常會重新閱讀這本書尋找靈感,而每一次閱讀都總令我感動莫明,帶來新的體會。

他的著作《超時空接觸》在 1997 年被導演 Robert Zemeckis 拍成電影,亦是筆者最愛的電影之一。這套電影講述一個女天文學家 Eille (由 Jodie Foster 飾演) 自小受父親薰陶,在第一次見到金星之後就愛上了天文學。她長大後終於成為天文學家,並努力不懈尋找外星生命;然而包括她的上司在內的絕大部分科學家都認為她只是在浪費時間。然後有一天,她終於發現了外星人傳來地球的訊息,但接下來困擾她的除了訊息解碼以外,卻是政治、道德、宗教等社會問題。她在阿雷西博天文台 (Arecibo Observatory) 工作時認識了一班好同事,更認識到後來任白宮神學顧問的神學研究者 Palmer Joss,兩人有過一夜關係。原來外星人 (電影中說訊號來自 Vega,即織女星) 傳來的是一種宇宙交通工具的設計藍圖,在後來爭取成為地球人代表,上太空與織女星人見面的事件中,Joss 也不斷幫助她。筆者就不再劇透了,有興趣就自己找來看看吧。不過現在全香港只餘下英文版 DVD 有售,有興趣的朋友可以私下詢問筆者。可惜的是,卡爾.薩根未能親眼看到他的電影上映,就因肺炎病逝了。

這套電影的主題雖然環繞地球人與外星人的接觸,但其內容卻遠遠不同於一般科學或科幻電影。卡爾.薩根希望告訴大家,一旦真的發現外星智慧時,人類應該怎麼辦、社會又會有甚麼反應。其實,科學也是社會的一部分,科學家也是人,也會有互相爭取利益的時候;而科學發現與政治、道德、宗教之間往往也有著某種關係。現實中科學不能夠從社會中分裂出來,科學發現實在與全人類都有關係。我們應該時常反思,如何把科學及社會的比例恰當地調整。每個人的取向也不會完全相同,因此要作出一個決定時難免會有爭端、甚至衝突發生。片中描述了科學、政治、宗教之間的互不信任,各有自己的見解,最後更不幸地演變成流血衝突。究竟科學與宗教之間的關係,是互斥,還是互補?科學,講的是證據;而宗教,講的則是信心。兩者真的不可能共存嗎?這真的值得我們細細反思。

卡爾.薩根在故事中寫了這樣一段:Eille 告訴 Joss 她不相信這個宇宙中有神存在,她對Joss 說:「神存在嗎?證明給我看。」Joss 沒有回答,只是反問她:「你愛你的父親嗎?」「當然……」Eille 有些遲疑,因為意料不到他會問這個問題。「證明給我看。」Joss 說。這是個多麼需要我們認真思考的問題!

卡爾.薩根希望大家能夠用開放的心看待未知的事物,這就好像 Eille 保持的那份小孩子般單純的求知的心。這正是科學的特點。然而,人總會長大,在社會中科學也會遇上不同的問題,有些可能會阻礙科學進步,有些卻可能會加速科學的發展。最重要的,還是那顆心、那份信念,一份類似宗教般的信念,但是當中有理性分析,也有感性思維。

「宇宙這麼大,如果只有人類,那真是太浪費地方了。」Eille 的父親說。

====== 此為筆者於星匯點 2009 年 4 月號會訊所撰之文章,經過修改 ======