74 太空 天文與生命的起源 太空 天文與生命的起源 李羅權 壹 太空科學在我們的地球之外是否有生命的存在? 在無盡的宇宙中, 地球上的生物與有高等智慧的人類是否是唯一的存在? 諸如此類問題, 數千年以來一直困惑著科學家與哲學家 人類對於未知的外太空一直存在有強大的好奇心, 不斷的運用地面光學與無線電望遠鏡及發射衛星去探索, 揭開外太空神秘的面紗 本文將介紹太空科學 我國的衛星計畫及人類探索外太空生命所做的努力, 並從愛因斯坦的相對論來探討生命的起源 一 前言 1957 年 10 月第一顆人造衛星 Sputnik 1 發射上空, 為人類太空時代之濫觴 而人類第一次登陸月球, 在 1969 年由阿波羅十一號實現 自此遨遊太空不再只是人類的夢想 人造衛星可以廣泛地被應用在許多方面, 如科學研究 商業通訊 軍事用途以及地面遙測等等不同領域上 我們使用電視 大哥大 及網路等, 均與太空科技相關 有鑑於太空科技的發展對民生工業與國防工業都具有相當重大的影響, 行政院於 1991 年成立 國家太空中心 ( 簡稱 NSPO), 用以推動我國的太空計畫 其主要目標是 : 完成兼具實用與科學研究任務的衛星系統 ; 發展並建立衛星科技的核心技術 ; 培養衛星科技及

75 大型系統設計發展的人才 ; 加強太空科技研究, 促進國際學術交流與合作 ; 奠定國內太空產業發展的基礎, 促進產業升級, 以塑造我國在國際太空市場及相關產業上有利的競爭條件 太空科學即是要研究太陽活動與地球的關係, 隨著高科技系統的發展, 太空環境的變動對人類影響日益增大, 對太空天氣的研究成為二十一世紀不可忽視的一個領域 世界各國的太空科學家正全力於太空天氣的研究, 積極觀測太陽的活動與其對地球磁層的影響, 藉以了解太陽風暴的行為 二 太陽活動對地球的影響太陽活動除了產生可見光外, 尚有其他強烈的電磁輻射 太陽風及高能粒子皆會對地球產生影響 一般所說的太空天氣災害, 主要是指太陽的異常活動所爆發出的能量與物質, 吹襲到地球, 而對人類生活造成重大損失 太陽是一個以氫為主要成分的氣體球, 由中心的熱核反應釋出能源 從核心產生的光子在輻射層中不斷與正負離子及中子碰撞而被吸收 再發射, 之後經過對流層的渦旋運動, 當它好不容易在光球層冒出頭來至少已歷經 100 萬年, 而後 8 分鐘直射地球 太陽溫度由中心往外遞減, 到了色球層再回昇 太陽大氣與地球大氣不同, 它不是靜止的, 而是向外連續噴射 高能量的氣體粒子以每秒 400-800 公里以上的高速向外噴射, 並將太陽表面的磁場帶出來而布滿整個太陽系空間, 稱之太陽風 太陽風與地球磁場的作用, 會造成地球磁層的形成, 會產生漂亮的極光與地球千米波輻射, 並造成地球磁層的擾動 此外, 太陽表面不定時發生的異常能量活動, 如日珥的爆發, 會伴隨

76 太空 天文與生命的起源 著大量的日冕物質噴射 (Corona Mass Ejection, 簡稱 CME) 及高能粒子團的噴射進入行星際空間 有時會構成一大團電漿雲, 尺度常常超過十個地球半徑, 其前方通常會生成一道震波 當這團帶電粒子掠過地球時, 除了會對軌道衛星的電子系統造成影響, 還會使地球大氣內部的磁場發生急遽變化而造成特大磁暴, 其強大的電流脈衝可損壞地面的電力系統 三 太空環境異常所造成的損壞 1. 人造衛星 : 人造衛星長期在太空環境中運作, 暴露在輻射及粒子流中, 容易使衛星的電子系統 太陽能板與衛星材料等的損壞 在磁暴發生時, 人造衛星本體會產生充電與放電的現象, 不但導致材料的毀損, 還會使衛星的電子系統產生異常訊號而無法正常運作, 導致地面站失去對衛星的控制 1997 年 1 月 11 日, 一顆負責播送全美電視節目的 AT&T 通訊衛星 (Telestar 401) 遭到太陽磁暴的永久摧毀, 在這同時也有幾顆其它的衛星遭受不同程度的破壞 2. 供電系統 : 在磁暴發生期間, 地面的電力系統會受太空中的的強大電流影響, 而產生感應電流 此電流會使電力輸送系統超過負荷而中斷或使得變壓器過熱而損壞 例如 1989 年三月, 巨大的磁暴便使得加拿大魁北克省的整個電力系統癱瘓 3. 通訊系統 : 越洋通訊要靠電離層的反射作用 日焰的紫外線與 X 射線爆發 太陽的高能粒子會使電離層的電子密度擾動變大, 而使訊號嚴重衰減, 最後導致通訊中斷 4. 導航系統 : 全球定位系統 (GPS) 現今被廣泛的使用, 尤其在飛機與船隻的導航方面的應用更為普遍 磁暴造成的電離層變動, 使得訊號穿越電離層的時間有所差異, 會影響 GPS 系統的定位的精確度

77 此外尚有地磁感應電流造成輸油管線的腐蝕 地磁擾動影響地磁探勘 準確度以及人類暴露在輻射下所造成的健康危機, 種種的問題顯示出太空 氣象預報的重要性與急迫性 四 台灣的衛星計畫台灣在科學研究方面, 發表列入 SCI 雜誌的論文數目不少, 但較少具有尖端性 突破性的研究成果. 為了使台灣的科學研究在國際上佔有一席之位, 我們規劃福爾摩沙衛星的科學研究計畫時, 就重視其尖端性及突破性 在福爾摩沙二號衛星上, 我們將以高空大氣閃電影像儀, 來研究高空大氣閃電, 包含紅色精靈 (Red Sprite) 紅色精靈是由對流層中的帶電雲團放電所致, 當帶電雲團向下放電, 即為眾所皆知的閃電 ; 若帶電雲團向上往 100 公里高的電離層放電, 就形成紅色精靈 這個現象於 1994 年首次由飛機上之攝影機確認, 被太空科學界宣稱是近十年來自然奇景的最大發現 福爾摩沙衛星二號是第一個量測紅色精靈的衛星, 可得到高空大氣閃電的完全光譜, 以及全球分佈數據等珍貴研究資料 同時福爾摩沙衛星三號將由六顆微衛星構成衛星星系, 其所建立的全球大氣即時觀測資料, 在大氣及電離層的研究上亦具有突破性, 於 2006 年 4 月發射成功, 接收大量的資料, 已有 35 個國家使用福衛二號的資料 貳 福爾摩沙二號衛星福爾摩沙二號衛星為低軌道太陽同步衛星, 已於 2004 年 5 月 21 的發射升空, 其高度為 891 公里 衛星上裝設 光電遙測酬載, 對台灣陸地進行近即時之大氣 海洋及陸地遙測作業 另外, 在科學酬載上裝置了 高空大氣閃電影像儀, 將進行大氣層高空向上閃電 ( 紅色精靈 ) 現象的科學觀

78 太空 天文與生命的起源 測, 並增進國內太空級的光電系統製造能力 一 福爾摩沙二號衛星本體與遙測酬載福爾摩沙二號衛星本體是一顆具有三軸穩定的低軌道小型衛星 ( 如圖 1) 它的重量約 741 公斤, 並以高度約 891 公里, 傾角為 98.99 度的太陽同步軌道繞地運行 衛星本體每天繞地球 14 圈, 並固定在約早上十點與晚上十點時, 經過台灣上空各一次 圖 1 福爾摩沙二號衛星 遙測酬載是以 全色及多頻段的光電相機, 地面解析度為二米, 對台灣陸地及海域進行即時的大氣 海洋及陸地遙測作業 它的主要功能是 : 1. 促進土地利用的規劃 : 可提供最新的地理資訊系統 (GIS) 的基本圖檔資料 ; 也可提供台灣的最新地形地貌資料供地圖製作使用 ; 更可對台灣現有的土地運用之規劃提供最新的參考資料, 它的應用領域

79 包括大面積的區域發展規劃 縣市綜合開發規劃 土地使用分類與變化等 2. 瞭解農林環境 : 可提供台灣內陸農作物的生長面積 種類等資訊, 用以預估農作物的產量 也可提供台灣內陸林木的生長面積 種類以及森林防火巷的維護等資訊, 以瞭解國有林地的變化情形, 並監控台灣山坡地的使用情形, 如開發 坍陷 墾植等 更可以針對農作物 林木的生長狀況與健康情形提供最新資料, 以供分析與預防之用 3. 即時的災害評估 : 於天然與人為災害發生後, 對台灣陸地及附近海域受災地點的發現, 以及受災面積和嚴重程度的評估, 可提供快速的分析資料, 以作為監控災情與進行救災與復建的參考 4. 監控生態環境 : 可監控水源區 河川 水庫的蓄水量, 以掌握台灣水資源的供應狀況 也可監控國家公園 自然生態環境保護區的環境變遷, 更可以監控垃圾 工業廢棄物 廢土等的棄置狀態 二 科學酬載 : 高空向上閃電儀福爾摩沙二號衛星的另一科學儀器為高空大氣閃電影像儀 高空大氣閃電是一種在對流層雲團上發生的自然現象, 由對流層中的帶電雲團放電所致, 若帶電雲團向下放電, 即為眾所皆知的閃電 ; 若帶電雲團向上往 100 公里高的電離層放電, 就形成高空大氣閃電 高空大氣閃電現象通常發生在雷電區上空, 高度在 15 至 100 公里範圍, 目前已觀測到的有四種 : 紅色精靈 藍色噴流 巨大噴流與淘氣精靈 ( 如圖 2) 目前紅色精靈的研究僅能由地面或飛機觀測而得, 而福爾摩沙二號衛星為第一顆人造衛星對紅色精靈有系統的觀測, 可避免大氣層吸收高空閃電發生之光能而得到完全光譜, 並可得到全球性之數據

80 太空 天文與生命的起源 圖 2 高空向上閃電示意圖 在 19 世紀末的科學文獻中, 就曾有一些觀測報告, 報導了一些在雷電區的上空中, 自雲層頂端向高空放電的閃電事件 另外, 在 80 年代有些飛機駕駛員報告了看到類似鬼魅般的紅色閃光 由於這些放電或閃光事件的光度很弱, 而且一閃而過, 很難獲得確切的觀測記錄 直到 1990 年 Franz 等人用攝影機拍下第一個在雷雨雲上層有向上閃電的影像時, 才有正式的觀測記錄 然而這畢竟是個偶發事件, 雖然非常令人驚奇, 但仍有待進一步釐清 兩年之後,Vaughan 等人報告太空梭不經意地錄下了 20 多個類似事件 真正有系統性地確認是由 Sentman 等人, 於 1994 年, 藉由多次飛機駛入雷雨區雲層上端直接攝影才得以完成 由於這些詭異向上閃電現象會發出紅色閃光, 因此被 Sentman 等人命名為紅色精靈 (Red Sprite) 紅色精靈是高空中向上閃電所產生的紅色發光體, 其中的紅光為大氣中氮氣被激發後所發出的光線 它通常發生於高空中 30 90 km 處, 發生後, 持續時間約 10-20 毫秒 整個紅色發光體的結構可分為髮狀體 (Hair) 頭狀體(Head) 卷鬚體(Tendrils) 三部分 紅色精靈經常會成群

81 的出現, 一般認為與中尺度的雷雨系統有關 與紅色精靈相關的高空向上閃電的現象有藍色噴流 (Blue Jets) 巨大噴流(Gigantic Jets) 及淘氣精靈 (Elves) 藍色噴流的第一次觀測記錄, 是在 1994 年由 Sentman 和 Wescott 這組科學家在飛機上拍攝到的 藍色噴流從正在閃電的雷雨雲雲頂, 以每秒 100km 的速度垂直噴出, 最後止於 40 50 公里的高空 它的形狀為漏斗型, 持續時間約 200 300 毫秒 所發出的藍光, 可能是氮分子受高速粒子激發所產生的 巨大噴流則是在 2002 年 7 月 22 日夜, 由成功大學的 紅色精靈研究團隊 對一個發生在南海呂宋島西方的海洋性雷雨雲進行觀測所發現, 可以很清楚地得知巨大噴流是從雲層的頂端 ( 約 15 公里高處 ) 向上噴出, 直達約 90 公里高的電離層, 建立了從雲層直達電離層的連通光路 由於它的最大長度約為 75 公里, 最大寬度約為 40 公里, 可持續噴出 500 毫秒, 又是向上噴發, 因此稱之為巨大噴流 淘氣精靈是發生於雷雨雲上空的大氣輝光 (airglow) 發生時的高度約 75 105 公里, 寬幅約 100-300 公里 發生後的持續時間很短, 約小於 1 毫秒, 亮度大約為 1 MR 另一個與高空向上閃電有關的現象, 是在 1994 年由康普伽瑪射線觀測衛星 (Compton Gamma-Ray Observatory) 在探測宇宙中伽瑪射線源 (γray bursts) 時, 才意外的發現地球也有伽瑪射線源 根據觀測的結果, 這些地球上的伽瑪射線源與雷雨系統中心的閃電有關 由於衛星的高度高, 可避免大氣層與臭氧層對高空向上閃電所產生的光線之吸收, 也可提供全球性的高空向上閃電觀測資料 衛星量測將會提供高空向上閃電現象觀測的重要數據 福爾摩沙二號衛星的 高空大氣閃

82 太空 天文與生命的起源 電影像儀 觀測高空向上閃電現象, 將是首次用衛星有系統的量測 福爾摩沙衛星二號升空後, 我們觀測到四種不同的向上閃電及其光譜性質, 並量到它們的全球分佈 圖 3 為福衛二號在非洲上空照到的紅色精靈 圖 3 非洲上空排狀紅色精靈 參 福爾摩沙三號衛星 福爾摩沙三號衛星 是由國家太空中心(NSPO) 與美國國家氣象研究中心 (UCAR) 共同合作執行, 將從事氣象觀測 地球大氣及電離層的研究 計畫目標在以極經濟快速之方式, 建立多顆衛星的全球大氣量測衛星星系, 接收全球定位系統 (GPS) 訊號, 用以推算全球即時氣象參數 在參與國際太空計畫中, 將可促進國內科技研究升級, 建立微衛星星系發展能力, 並提升國內太空產業技術 福爾摩沙三號衛星為全世界第一個用來做科學研究的衛星星系 福爾摩沙三號衛星為由六顆微衛星構成之星系, 已於 2006 年 4 月 15 日發射升空, 並接收 24 顆 GPS 衛星之定位信號 ( 如圖 4) 每顆衛星重量約

83 為 62 公斤 ( 如圖 5), 將搭載三個科學酬載, 分別為氣象用全球定位系統接收器 (GPS/MET) 小型電離層光測器(TIP) 及三頻指標信號儀 (Tri-Band Beacon), 藉此來建立全球大氣重要參數之即時觀測作業網, 並將觀測結果作為數值天氣預報 氣候變遷研究 太空天氣預報及電離層動態監控等相關用途 圖 4 低軌道的星系, 由福爾摩沙三號衛 星的六顆衛星組成, 而高軌道的星系由 二十四顆 GPS 衛星組成 圖 5 福爾摩沙三號衛星是 由六顆如圖所示的微衛星 組成的星系

84 太空 天文與生命的起源 福爾摩沙三號衛星又稱 氣象 電離層及氣候星系觀測系統 (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate, COSMIC), 由六顆低軌道微衛星組成之衛星星系 福爾摩沙三號衛星主要酬載為安裝於每顆衛星上的 GPS 接收器, 用以接收現有之 24 顆 GPS 衛星的訊號 由於 GPS 訊號傳播在穿過地球大氣電離層及對流層時, 會因大氣所產生的折射現象造成接收信號的時間延遲 ; 由實際量到的訊號之時間延遲量或傳播路徑之折射角度, 利用模式反演推算出訊號所穿過之電離層電子密度及大氣層之溫度 壓力及水氣含量等資料, 並配合天氣預報作業, 提供更新資料, 供數值天氣預報模式使用 觀測南極平流層渦旋與臭氧洞掌握福衛三號觀測的優越性, 中央大學大氣科學系王國英教授與林松錦教授成功觀測到南極平流層大氣溫度變化, 擺脫以往科學家必須遠赴極難到達 且十分酷寒的南極施放探空氣球的困境 同時證明福衛三號能提供比一般探空氣球在空間上更大範圍 時間上更連續的極區平流層觀測資料 王國英教授指出, 極區平流層的溫度為預測每年南極上空臭氧洞大小的重要氣象參數, 研究每年冬季至初春季節發生在極區低平流層 ( 高度在 15 至 25 公里間 ) 位置的臭氧急速減少現象 ( 臭氧洞 ), 是探討全球氣候變遷的重要工作 極區平流層的臭氧洞現象是說明人為汙染物排放行為對大氣造成直接影響的最佳例子 王國英進一步研究發現, 每年冬季時, 南極極區上空由於低溫的發展加上極區冬季缺少太陽加熱大氣的來源, 會存在一個非常強勁的極區渦漩 ( 如圖 4) 極區渦漩扮演一個類似 熱絕緣體 的角色, 使得渦漩內部的空氣在整個極區冬季時間不會與極區渦漩外部的

85 空氣混合 因此極區渦漩內部的低溫就成為平流層臭氧減少啟動的重要條件 福爾摩沙三號衛星每一天可提供約 2500 個穿透大氣層之折射事件資料, 這些折射事件均勻地分佈於全球 因傳統量測方法不易取得海面上之資料, 這些資料對於區域性或全球性之數值天氣預報極為重要 此外由於福爾摩沙三號衛星所量得數據之精密度較現有其他觀測法高, 且不受儀器性能老化 改變等因素之影響, 將有助於研究細微和長時間之氣候變遷現象, 亦可對電離層進行觀測, 並且有助於地球重力分佈之研究, 可為台灣在國際氣象及電離層研究上佔有一席之地 圖 6 福爾摩沙三號衛星在南 極上空所觀測到的極區渦旋 ( 王國英教授提供 ) 肆 尋找外太空文明 一 太陽系內火星上的生命 1975 年, 美國太空總署發射海盜 (Pirate )1 號 2 號太空船升空,1976 年安全地降落在火星表面, 開始進行是否有生物能行光合作用或有機物分解的實驗, 實驗進行了約兩百天後, 科學家們對外宣稱在火星並沒有類似

86 太空 天文與生命的起源 地球的生命現象存在 在火星上的稀薄大氣含有微量的氧, 表面也留有水痕, 這顯示火星過去的環境, 遠較現在適合生命成長, 科學家對火星生命的存在, 一直有著相當的期望, 但 1976 年經海盜 1 號與 2 號的生命跡象探測後並無所得 ; 根據 1976 年相關的火星探測証據推論, 科學家已經排除火星上住有火星人 不過它們仍然不排除, 在火星表層之下, 可能有低等的微生物存活著, 不過要更直接的証實, 有待往後有更進一步的火星生命證據才能有定論 直到 1996 年 8 月, 對於探索火星生命的研究, 出現了相當戲劇性的新發現, 美國太空總署 (NASA) 的一個研究群, 由 1 萬 3 千年前掉落到地球的火星隕石, 找到了早期火星, 可能有微生物存在的間接証據 ( 如圖 7), 圖片中心蚯蚓狀的突起物的寬度約是人髮的百分之一, 而學者確信它是火星微生物的化石, 假使這個新發現, 能夠更進一步的檢驗與証實, 將可大大的確定外太空生命的存在性 圖 7 火星隕石所拍的電 子顯微鏡照片

87 二 尋找太陽系外的行星 天文學家使用高解析度的視向速度測量的光譜方法搜尋太陽系以外的行星, 經由地球看出去, 行星的質心運動, 其光譜會因恆星靠近和遠離我們產生可被偵測的都卜勒位移 我們在日常生活中會發現, 當高速的火車靠近時, 火車的鳴叫聲顯得尖銳刺耳, 而當火車離你而去時, 就顯得平和, 這就是都卜勒效應 同樣道理, 當恆星向我們接近時, 它的光譜線就會向紫光方向偏移, 當恆星離我們遠去時, 光譜線就會向紅光偏移 天文學家在 1997 年底利用放在太空裡的哈柏太空望遠鏡, 第一次直接拍攝到了可能是行星的影像 ( 如圖 8), 這顆行星原來屬於一個雙星系統 ( 也就是兩顆恆星互相繞著旋轉 ), 位於天空一塊稱為 金牛座 的區域當中, 距離我們約 450 光年 ; 太陽的年齡已經有五十億年, 而此雙星系統的年齡則大概只有三十萬年, 所以是一個極年輕的系統, 也因此在周圍還殘留了一些製造恆星與行星後剩下的雲氣, 如這顆行星的質量大約是木星的 2 到 3 倍, 這和恆星比起來小很多, 因此在這種環境之下, 這顆行星就被雙星系統拋了出來, 距離原恆星大約二十小時的光程, 也由於已經跟原恆星有著相當的距離, 我們才能看得到這顆行星 圖 8 哈柏望遠鏡發現一對形成不久的雙星 ( 圖中上方 ) 拋射出一顆行星 ( 下方偏 左 )

88 太空 天文與生命的起源 三 聯繫外太空文明 1.Pioneer (10 & 11) Plague. 1972 年 3 月 2 日, 美國太空總署發射了一艘先鋒者十號與十一號太空船 ( 如圖 9), 在拜訪過太陽系中最大的木星後, 於 1985 年 6 月 13 日中午, 成功地以每小時 5 萬公里的速度飛越海王星, 成了第一個離開太陽系的人造物體, 在八萬年後, 先鋒者約距地球三光年, 尚未到達最鄰近的星球, 這可稍窺現階段遠程太空探險的困難 先鋒者十號與十一號各載一片宣告地球人類存在的金屬板, 在金屬板的左上圖示代表著以氫原子內自旋躍過的 21 公分線為一單位長度, 右方圖示代表著先鋒號與人體的大小比例圖, 下方圖示代表著太陽系與先鋒號的起源行星, 左方圖示代表著太陽系附近幾顆脈衝星的方向與脈衝週期 先鋒號上之金屬圖片左上 - 以氫原子內自旋躍過的 21 公分線為一單位 Pioneer10&11 長度 ( 先鋒者十號與十一號 ) 右方 - 先鋒號與人體的大小比例圖 (launched:1972&1973) 下方 - 太陽系與先鋒號的起源行星 探測木星及其附近的環境, 行星間物質, 左方 - 太陽系陽近數顆脈衝衛的方向與脈衝週脫離太陽系的首件人造物體 期 八萬年後距太陽系三光年 圖 9 先鋒十號與十一號上載有證明地球文明存在的訊息

89 2. 航海家一號與二號 Voyagers (1 & 2) 航海家一號太空船於 1977 年發射昇空, 在成功地探測木星與土星, 並傳回地球大量的照片與資料後, 就以每秒 19 公里的高速遠離太陽系, 以這樣的速度, 航海家一號每天可飛行約一百六十萬公里, 直至現今大約已飛行了約 一百五十五億公里, 可說是人類目前所製作的飛行器中, 飛離地球最遠的一艘, 航海家一號上的核反應器電力充沛, 只要沒有損壞, 估計可撐到 2020 年沒問題, 它目前已到達太陽系外圍的邊緣地區, 而且會繼續朝著人類從未探測過的外太空, 直飛而去 航海家一號及航海家二號, 可說是首批目的為探測太陽系內巨型氣體行星的太空船 航海家二號功勞最大, 一口氣探測了木星 土星 天王星及海王星 4 個行星, 讓天文學家大開眼界 而航海家一號在 1980 年完成對土星的觀測後, 其主要任務即已完成, 但它仍繼續不斷地朝向外太空航行, 在 1988 年超越第一艘離開太陽系的先鋒者十號太空船 航海家一號 二號, 各載著一張宣告地球人類存在的雷射影碟 ( 如圖 10), 裏面有一百多幅簡介人類衣食住行育樂及文明進展與科技成就的圖片, 另外還有精選音樂 動物的吼聲 大自然的天籟以及五十多種世界主要語言的問候語, 將來航海家號離開太陽系到達另外一個文明被攔截下來時, 對方可以藉此了解地球文明的存在

90 太空 天文與生命的起源 圖 1 0 航海家 1 號 2 號太空船各有著宣告地球人類存在的訊息 3.Arecibo 無線電望遠鏡 1974 年 : 美國康乃爾大學由設置於波多黎各的天文台, 發射出一段長達三分鐘的無線電波, 目標是遙遠的 M13 星團, 內容包括 : 數字 1 到 10 生物體的基本元素 (C H O N P) DNA 分子結構 人體的高度 人類的族群大小 以及太陽系的位置, 希望聰明的外星生物收到後能和我們連繫 在 M13 星團的外太空文明, 如於收訊後立即覆電, 五萬年後, 我們才能收到回電 位於波多黎各之 Arecibo 無線電望遠鏡 ( 如圖 10), 建於 1963 年, 為世上解析度最高的電波望遠鏡, 直徑 300 公尺的碟面可以接收來自外太空的電波訊號, 效能媲美哈伯太空望遠鏡

91 圖 11 位於波多黎各 之 Arecibo 無線電望 遠鏡 美國國立無線電波天文台 (NRAO), 是全世界無線電波最為首要的觀測設備之一, 自 1956 年來, 提供既有功能實用的設備給來自全世界任何國家的無線電波天文學家進行天文和物理的基礎研究,1961 年就開始規劃設立大型的無線電波陣列, 好進行拍照類似光學影像的無線電波之太空影像 NRAO 除了在維基尼亞州 Green Bank 的望遠鏡之外, 還包含在新墨西哥州附近半徑達 20 公里 由 27 座 25 公尺直徑的碟型天線組成 Y 型的巨大陣列 (Very Large Array,VLA) ( 如圖 12), 可模擬鏡面達直徑 36 公里大的無線電波望遠鏡

92 太空 天文與生命的起源 圖 12 位於美國新墨西哥州國立無線電波天文觀測台 地球之外是否有其他生命存在? 地球與人類在浩瀚的宇宙是否是唯一的? 這類的問題, 數千年來一直困惑著哲學家與科學家 宇宙如此遼闊, 很難使人接受只有地球擁有生命現象, 宇宙將近無窮大, 恆星 行星更如恆河之沙那麼多, 所以我們可以做一個合理的假設, 宇宙中除了我們之外, 應該有其他的生命存在 美國國家太空總署 (NASA) 及歐 亞其他國家, 持續推動了許多的太空計畫, 包括布希總統於 2004 年推出的人類登陸月球及火星計畫, 其最終目的都在找尋類似地球的行星, 找尋有無生命的存在, 直到現在科學家們仍竭盡所能的去尋找, 至今尚未能找到另外一顆具有生命的行星

93 伍 愛因斯坦的相對論一 時間和空間不是絕對的愛因斯坦從根本上改變了人類對宇宙的看法 更啟發了後輩的科學家 不斷提出新的理論架構 ; 愛因斯坦提出, 能量 = 質量乘與光速平方, 質量和能量可以互相轉變, 也挑戰了絕對時間和絕對空間為基礎的牛頓力學 愛因斯坦認為, 時間是相對的, 在不同情況下測量得到的時間長度應該是不一樣, 所以天上一日, 世間千年的故事是可能的 也因為如此牛頓的絕對時間論, 被愛因斯坦認為只是一個特例, 只有在速度很慢的時候才適用 二 重力可以影響扭曲時空結構 ( 一 ) 光行進的路線會受重力彎曲廣義相對論中還有提到, 因為時間和空間會因為速度而改變, 所以愛因斯坦以時空來解釋, 在重力部分, 愛因斯坦指出重力會將時空扭曲 ( 如圖 13), 簡單來說, 像是在我們地球上, 你在路上看到一個凹洞, 一顆球會慢慢的滾下去, 然後越陡的話, 滾下去的速度越快, 是因為時空被重力所扭曲了, 重力越大, 被扭曲越明顯, 在我們地球上看來是重力讓他滾下去, 我們知道地球有重力, 但是在太空中, 太多看不見的物質, 卻會對我們可能有重力影響, 愛因斯坦則用這個來解釋在太空中的重力影響, 所以在一次的日蝕當中, 看到光線被太陽的重力所影響, 而產生偏折, 就是因為太陽重力將附近的時空所扭曲了 ( 如圖 14), 光線就沿著這個扭曲的時空來行進

94 太空 天文與生命的起源 圖 13 重力可以影響扭 曲時空結構, 使球體的 路線轉彎 圖 14 光行進的路線會 受重力彎曲 ( 二 ) 黑洞 蟲洞的存在大質量的恆星在演化的末期都會發生超新星爆炸, 引力的塌縮 ( 如圖 15), 大到連中子星這樣極為緊密的結構都支撐不住, 星體就會繼續收縮下去, 直到成為無法想像的緊密成為一點 黑洞 黑洞所包含的物質緊密, 產生的重力也強得無法想像, 強到連光線都跑不出來, 因此而得名 ; 天文學家可藉觀察黑洞周圍物質被吸引時的情況, 找出黑洞位置

95 (a) (b) (c) (d) (e) 圖 15 恆星塌縮後形成一個黑洞的過程 :(a) 恆星開始收縮,(b) 恆星在收縮中仍可看得見,(c) 恆星周圍的時空曲率變得越來越大, 當連它所發出的光也無法逃脫時, 恆星遂隱匿於無形中, 事象地平面於是形成,(d) 恆星繼續在事象地平面虛線範圍內收縮,(e) 當恆星塌縮成一個奇異點時, 恆星的密度及其周圍的時空曲率變成無窮大 蟲洞 (Wormhole), 又稱愛因斯坦 - 羅森橋 ( 如圖 16), 是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道 二十世紀三十年代, 愛因斯坦和物理學家羅森已經發現, 從繁複的引力場方程式中, 宇宙中可能存在連接兩個不同地點的時空隧道, 這種時空結構稱為 愛因斯坦- 羅森橋 蟲洞是理論中一種連接兩處時空的特殊通道 讓人類可以瞬間穿梭宇宙, 甚至作時間旅行 圖 16 蟲洞把宇宙中的某一部份連到另一部份

96 太空 天文與生命的起源 陸 愛因斯坦的夢自 1905 年愛因斯坦發表相對論至今, 整整一百年間, 探討他思想理論或描述其人其事的專書不曾間斷過 有別於其它著作, 愛因斯坦的夢 一書的作者艾倫. 萊特曼 (Alan Lightman)( 譯者 : 童元方 ) 為哈佛大學和麻省理工學院的物理教授, 他嘗試以文學作家的角度切入, 以藝術的手法, 來說明科學中最捉摸難定且最具關鍵地位的概念 時間 萊特曼教授是我在加州理工學院讀研究所時的同學, 我們兩人共用一個小房間, 一起討論功課, 一起做習題 以下引用童元方博士的譯作, 簡單介紹 愛因斯坦的夢 在書中愛因斯坦做了三十個夢 ; 有時是用雕刻的藝術, 把時間凝成永恒的石像 有時用圖畫的藝術, 把時間繪為繽紛的落英 有時用音樂的藝術, 把時間譜為一曲悠揚的歌, 唱來哀樂卻不由自主 有時用燈罩上的蟲蟻來寫輪迴上的時間, 爬了半天, 回到原位 ; 有時用河流中的聚葉, 來寫淤塞的時間, 漩於角落, 再出不來 時間如叢立的鏡面, 影像複製成千, 重映成萬 若時間是曲向自已的一個圓, 而世界重復它自已, 完全準確的, 且是永不止息的 政客們不知道他們會在不停運轉的時間當中無數次地由同樣的講台向下叫囂 父母聽到子女的第一次笑聲與看到第一次笑容 第一次握住情人的手及第一次接吻, 都會再重現 有一個地方的時間是靜止不動的, 雨點凝於大氣中, 不落下來 ; 鐘擺晃盪在半路上, 不擺過去 ; 狗兒伸著頭, 張著嘴, 卻沒有吠出聲來 ; 父母摟著孩子, 這擁抱是凝固的, 永遠放不開的 美麗的女兒永遠不會停止正在展現的這一朵笑靨 這個世界將在某一天結束, 人們一切都變的不計較了 世界結束前幾

97 天, 百業關張, 國會停止了議程 市政府的露天咖啡座上, 人們坐著, 喝著咖啡, 輕鬆地談著他們的生活, 一種自由的感覺在空氣中瀰漫 在一個世界裡, 時間如枝頭的小鳥, 人們想捉而捉不到, 捉到時鳥卻立時死亡 但另一個世界裡, 時間如水流, 偶爾會形成一個渦漩, 會被一截殘絲斷片所推移, 或被一縷飄過的微風所帶動 試想像還有一個世界, 沒有時間, 只有意象 此文章為作者收錄在 < 生命的起源 > 一書之文章再修正稿 ; 本文採用以下單位或書籍的一些資料與圖片 : 國家太空中心 (NSPO), 成功大學物理系之天文學實驗室網站, 愛因斯坦的夢 ( 譯者 / 童元方 ), 霍金 ( 編著 / 鄧湘子 ), 紅色精靈的觀測與回顧 ( 作者 / 吳璧如與許瑞榮 ), 在此致謝