Anil Ananthaswamy 談如何進行天體物理學的極致研究

Anil Ananthaswamy: What it takes to do extreme astrophysics

遍佈地球的巨大望遠鏡和探測器正尋找(及聆聽)宇宙運行的線索。在INK Conference中,科學作家Anil Ananthaswamy帶領我們觀賞這些驚人的裝置,將我們帶到地球上一些最偏遠和寂靜的地方。

講者介紹

Anil Ananthaswamy

Anil Ananthaswamy是《物理的邊疆》(The Edge of Physics)一書作者。之前擔任軟體工程師的他,在對這個世界狂熱的好奇心驅使下,成為一位科學作家。

Anil Ananthaswamy是倫敦《新科學人》雜誌顧問。自2000年以來,他在該雜誌擔任過多種職位,最近擔任新聞副編輯。他也是國家地理新聞的撰搞者。 Ananthaswamy曾於矽谷擔任軟體工程師,之後在加州大學聖塔克魯茲分校受訓成為一名記者。他是《物理的邊疆》(The Edge of Physics)一書作者,(在印度由企鵝出版社以《理性之邊疆》(The Edge of Reason)為名出版)。

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Anil Ananthaswamy 談如何進行天體物理學的極致研究

  • 我今天想談的是,關於我認為人類已著手進行的最大冒險之一,就是尋求對宇宙的瞭解,以及我們在其中的位置。在這個主題上,我自己的興趣和熱情開始的相當意外。我買了這本書,《宇宙與愛因斯坦博士》,在西雅圖一間二手書店買的平裝二手書。幾年之後,在班加羅爾在一個很難入睡的夜晚,我拿起這本書,以為它會讓我在十分鐘內睡著,而發生的情況是,我從午夜到清晨五點一口氣看完。我心中對於宇宙以及我們盡可能瞭解一切的能力,留下敬畏和興奮的強烈感覺,那份感覺還沒消失。

    那份感覺促使我真正改變我的職業生涯,從一位軟體工程師成為一位科學作家,這樣我就可以浸淫在科學的喜悅,還有與他人交流的喜悅中。這種感覺也使我勉強稱得上成為一個朝聖者,可說是遊遍天涯海角,見識到望遠鏡、探測器,人們為更廣泛、更詳細探索宇宙,而正在建設、或已建成的裝置。所以,這將我從一些地方,如智利,智利的阿塔卡馬沙漠,帶到西伯利亞、地下礦區,還有日本的阿爾卑斯山、北美洲、一直到南極洲,甚至到了南極。

    今天我想與大家分享一些圖片,一些旅行故事點滴。基本上,我花了過去幾年時間,將一些非常勇敢的男性及女性的努力紀錄下來。事實上,他們有時將生命置於險境,在一些非常偏遠、環境惡劣的地方工作,期許能收集到來自宇宙的微弱信號,為了讓我們瞭解這個宇宙。

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  • 我先以一張餅狀圖開始,我保證這是整場演講中唯一一張餅狀圖,但它顯示出我們對宇宙的知識狀態。以我們今天所有物理理論能適當解釋的所謂普通物質,也就是組成我們的東西,佔整個宇宙的百分之四。天文學家、宇宙學家和物理學家認為,宇宙中有一種叫做暗物質的東西,佔了宇宙組成的百分之二十三,某種叫做暗能量的東西,它貫穿時空結構,佔了另外的百分之七十三。所以,如果你看這張餅狀圖,宇宙的百分之九十六,以目前來說,我們對它的探索是未知或不甚理解。大多數實驗,及我所看過的天文望遠鏡,都試圖以某種方式解決這個問題,解決這孿生的暗物質和暗能量之謎。

    首先,我將帶你們到明尼蘇達州北部的地下礦區。人們在那裡尋找所謂暗物質的東西,這裡的想法是,他們尋找著暗物質粒子擊中他們探測器的訊號,他們之所以要深入地底,是因為如果在地球表面進行這個實驗,這樣的實驗可能被一些其他物質引起的信號淹沒,如宇宙射線、周圍無線電的活動、甚至是我們自己的身體。你可能不相信,但即使是我們身體的放射線,就足以干擾這個實驗。所以他們深入礦區,尋找一個寂靜的環境,讓他們能夠聽到暗物質粒子擊中探測器的聲音。

    我去看了其中一個實驗,這事實上是-你幾乎看不到它,原因是,那裡是全然的黑暗。這是一個礦工們留下的洞穴,他們在1960年棄置這個礦坑,物理學家前來並開始使用它,在80年代某個時候。這些礦工在上世紀初,事實上是在燭光下工作。今天,你會在礦區內看到這個景像,在地底半英里處,這是世界上最大的地底實驗室之一。除此之外,他們正尋找著暗物質。

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  • 還有另一種搜尋暗物質的方法,是間接的方式,如果暗物質存在於我們的宇宙、星系,那麼這些粒子應該會一起粉碎,產生其他我們所知的粒子,其中之一是微中子。你可以偵測微中子,藉由它們擊中水分子時留下的痕跡。當一個微中子擊中一個水分子時,會放射出一種藍光,一道藍色的閃光,藉由尋找這種藍光,基本上可以瞭解一些關於微中子的事。然後,間接的,瞭解一些可能製造出這個微中子的暗物質的事。但這需要非常大量的水才能做到這一點,你需要大約千萬噸的水,幾乎是十億噸的水,才有機會捕捉到這個微中子。世界上什麼地方能找到這麼多水?俄國人的後院有個湖,就是貝加爾湖。

    它是世界上最大的湖,有800公里長,約40至50公里寬,大部份地方有一到兩公里深。俄國人正在做的是建造這些探測器,將它浸在湖面下方約一公里處,這樣他們就能觀察這些藍光的閃爍情形。這是我到達那裡時所看到的景像,這是貝加爾湖,在西伯利亞冬天最冷的時候,這座湖完全凍結,你們在背景中所看到成線性排列的黑點,是物理學家進行工作的冰營。他們之所以要在冬季工作,是因為他們沒錢在春季和夏季工作。如果他們要這麼做,將需要船和潛艇來進行工作,因此,他們等到冬天,當湖完全凍結時,他們利用這幾公尺厚的冰層作為一個平台,在其上建造營地來進行工作。

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  • 因此,這是俄國人在冰上工作,在西伯利亞冬天最冷的時候。他們必須在冰上鑽洞,潛進水裡-極度寒冷的水,抓住儀器,將它取出,做任何所需的維修和保養,在冰融化之前將它放回並離開,因為堅冰時期持續兩個月,且滿是裂縫,你得想像一下,下方是一整片正移動著、如大海般的湖。我還是不懂這個俄國人為何裸露著胸膛工作,但這顯示出他是如何努力工作。而這些人,這寥寥幾個人,已工作了20年,尋找可能並不存在的粒子,他們將畢生貢獻於此,只是讓你們知道一下,他們在二十年中花了兩千萬,這是非常嚴苛的處境,他們在極少的預算下工作,廁所事實上是地面上挖出的洞,用木製小屋遮著,如此簡陋,但他們每年都是如此。

    從西伯利亞到智利的阿塔卡馬沙漠,可以看到一些所謂的超大望遠鏡,超大望遠鏡是天文學家進行的工程之一,他們為望遠鏡命名很沒想像力,我可以告訴你們一個事實,他們計劃將下一台命名為特大望遠鏡。(笑聲)你也不會相信,但之後的一台將被稱為巨無霸望遠鏡(一般取其英文縮寫,稱為貓頭鷹望遠鏡)。但無論如何,這是一項傑出的工程,這是四台8.2米望遠鏡,而這些望遠鏡除了其他功能之外,它們被用來研究宇宙膨脹如何隨時間變化。越瞭解這一點,就越能明白構成宇宙的暗能量是怎麼回事。

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  • 我還要告訴你們跟這台望遠鏡有關的一項工程,就是它的鏡面。每一個鏡面,共有四個,是由一整塊玻璃製成,單片的高科技陶瓷材料,被打磨和拋光成如此精確的程度,要瞭解那是怎麼回事的唯一方法,就是想像一個城市,如巴黎,還有其中所有建築和艾菲爾鐵塔。如果你將巴黎打磨到那樣的精確度,只會留下一個一毫米高的隆起,這也是這些鏡面得承受的拋光程度,一套非凡的望遠鏡裝置。這是望遠鏡的另一個角度,你之所以要建造這些望遠鏡,在如阿塔卡馬沙漠的地方,是因為它是高海拔的沙漠,乾燥的空氣對望遠鏡來說相當好,同時,雲覆蓋在低於山頂之處,使望遠鏡一年能擁有約300多天的晴朗天空。

    最後,我要帶你們到南極洲,我想用最多時間來談世界這個部分,這是宇宙的最終邊界,一些最驚人、最極限的實驗目前正在南極洲進行。我到這裡觀看某種叫做長時飛行氣球的東西,基本上,它攜帶望遠鏡和儀器,一路飛到大氣層上方,平流層上方,高度40公里處,這正是他們做實驗的地方,然後放下這個氣球的負載物。這是我們降落在南極洲的羅斯冰架,這是一架美國 C - 17運輸機,將我們從紐西蘭載往南極洲的麥克默多,這是我們即將登上巴士,我不知道你們是否能看到上面的字,但它寫著,「恐怖大巴士伊凡」,它載著我們到麥克默多。

    這是初到麥克默多所見景像。你也許能勉強辨認出這間小屋,這小屋是由Robert Falcon Scott和他的夥伴第一次來到南極洲時所建,在他們第一次遠征南極時,因為天氣如此寒冷,小屋中所有物品仍跟他們離開時一樣,他們最後一餐吃剩的食物仍在那裡。這是一個非比尋常的地方,這是麥克默多的景像,夏天大約有一千人在這裡工作,冬季約有200人,這半年時間完全是一片黑暗。

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  • 在這裡,我看到這個特殊裝置的發射,這是一個宇宙射線實驗,一路發射到高平流層,高度達40公里。想像一下,它有兩噸重,所以你用氣球攜帶兩噸重的東西,一路到達40公里高處,工程師、技術員、物理學家都得集合在羅斯冰架上,因為南極洲-我不打算講述原因,但它是發射這些氣球最適合的地方,除了天氣因素以外。這裡的天氣,如你能想像的,這是夏天,你正站在200英尺的冰上,後方有座火山,山頂有條冰川,他們必需做的是組裝整個氣球,氣球布、降落傘和所有一切-在冰上,然後將它充滿氦氣,這個過程大約需要兩小時。

    在他們組裝整個裝置時天氣可能改變,舉例來說,他們放下最後得充滿氦氣的氣球布,你們可以看到最遠端那兩輛卡車,每輛運載了12瓶壓縮氦。現在,萬一天氣在發射前發生變化,他們必須將所有東西裝回箱中,將它帶回麥克默多研究站,而這個特殊的氣球,因為得發射兩噸的重量,是極其巨大的氣球,單是布條就重達兩噸,為了盡量減少重量,它非常薄,薄如三明治的包裝紙,如果他們要將它放回,將它放入箱中,得將它踩壓,才能同樣妥當地放回去。此外,他們第一次這麼做是在德州,但在這裡,穿著腳上那種鞋,他們無法做到這一點,所以他們不得不脫下鞋子,赤腳在這些箱中踩踏,在如此寒冷的天氣中進行這項工作,這就是這些人所做的奉獻。

    這是氣球正充著氦氣,你可以看到,這是一個迷人的景像,這是氣球與負載物端點連接的景像,因此,在左側,氣球正充著氦氣,布條一路跑到中間,上面有連著一個降落傘的電子零件和炸藥,然後降落傘連接到負載物。請記住,這所有配線都是人們在極度寒冷、零下的溫度中進行的,他們穿著約15公斤重的衣物和裝備,但他們必須將手套脫掉才能做到這些。而我想與大家分享發射的情景。

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  • (影片)無線電:好,鬆開氣球、鬆開氣球、鬆開氣球。

    Anil Ananthaswamy:最後我想讓你們看兩張圖片,這是在喜馬拉雅山的天文台,在印度的拉達克,我要讓你們看的東西是右側的望遠鏡,最左邊的是有400年歷史的佛教寺院,這是佛教寺院近照。我對這兩種人類所擁有的偉大學科的並列性感到震驚,一個是探索地球之外的宇宙,另一個是探索我們內在的心靈,兩者都需要某種形式的寂靜。

    讓我震驚的是,每一個我去看這些望遠鏡的地方,天文學家和宇宙學家都在搜尋著某種寂靜,無論是存在於無線訊號污染或光污染中的寂靜。這非常明顯,如果我們破壞了地球上這些寂靜的地方,我們將被困在一個星球上,沒有向外觀看的能力,因為我們將無法理解來自外太空的信號。

    謝謝。

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