Brian Cox談為什麼我們需要探索者

Brian Cox: Why we need the explorers

在艱難的經濟時代,我們的科學探索計畫 — 從太空探測器到大型強子對撞機都首當其衝地要遭受預算削減。Brian Cox解釋受好奇心驅動的科學如何有利於科學本身、有利於推動創新,且有利於深刻地審視我們的存在。

講者介紹

Brian Cox

Brian Cox是一位物理學家,他有兩份工作:一是在歐洲粒子物理實驗室裡研究大型強子對撞機,二是向公眾解釋深奧的科學。他是曼徹斯特大學的教授。

Brian Cox受聘於曼徹斯特大學,並在日內瓦的歐洲粒子物理實驗室裡進行超環面儀器實驗,研究大型強子對撞機的前部質子探測器。他是曼徹斯特大學的教授,任教於高能物理組,也是皇家協會的研究員。 他還成為英國媒體中向公眾解釋物理學的一個重要人物。留著搖滾風格的髮型,魅力四射,他是英國電視和電臺回答物理疑問的專家,解釋一些讓人頭疼的概念。(如果你在英國,可以在收看他的The Big Bang Machine節目)。

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


Brian Cox談為什麼我們需要探索者

  • 我們活在艱難且富挑戰性的經濟時代,這是毫無疑問的。在經濟困難的年代,首當其衝遭殃的,我想就是肯定是此時處於最前線的投入到科學上的公共開支,特別對於那些出於好奇心的科學和探索。因此我想在大概十五分鐘內讓你們相信,這樣做很可笑很愚蠢。

    為了給大家現場感,我想讓你們看看。我並不想讓接下來的幻燈片成為TED史上最糟的幻燈片。但這有點亂。(笑聲)但事實上這不是我的錯,它來自衛報,實際上它很好地顯示出科學的成本有多少。因為如果我要講繼續向出於好奇的科學探索投入資金的事,我就要告訴你們那要花多少錢。這是一個叫做「找出科學預算」的遊戲,這是英國政府的開支。大家看看那裡,每年大概6200億投入到科學上的預算實際上。

    看看左邊,那裡一些紫色的圈,還有黃色的圈。撥給科學的預算是其中一個黃色圈,在那個大的黃色圈旁。每年大概33億英鎊,總開支是6200億,用來支付英國所有的支出。從醫療研究,太空探索就是我在日內瓦工作的歐洲粒子物理實驗室,粒子物理、工程學,甚至人文學科資金都來自撥給科學的預算,就是33億,那個很小很小的黃色圈,在螢幕左上方橙色圈旁邊,這就是我們在討論的。順便要說的是,那個百分比和美國、德國、法國的差不多,經濟體中獲公共資助的研發大概是GDP的百分之0.6。這就是我們在討論的。

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  • 我首先想說,並且直接從《太陽系的奇跡》中得出的,是我們對太陽系和宇宙的探索,向我們展示那無可名狀的美麗。這是土星附近Cassini太空探測器發回的圖片。那時我們已經拍完《太陽系的奇跡》,所以這不是在那個系列裡。這是Enceladus衛星的圖片。那個巨大的白色球體,角落上那個,就是土星。其實就是圖片的背景,那月牙狀的就是Enceladus衛星,跟英國幾個島一樣大,直徑大概是500公里。小小的衛星讓人心馳神往且異常美麗的地方。順便要說的是,這圖片並沒有處理過,是黑白的,直接來自土星軌道。

    你們可能從邊緣那裡看到什麼是美麗,淡淡的,如煙如霧,一團一團,從邊緣處升起。我們在《太陽系的奇跡》裡就是這樣看到它的美麗的圖片。我們發現那些淡色的霧團其實是冰噴泉,從這顆小衛星的表面噴出來,很美麗迷人。但我們覺得激發噴泉的作用過程需要衛星表面之下有液態水的湖。重要的是,在我們的地球,有液態水的地方就有生命。因此,找出衛星表面下的液體、液態湖的有力證據,離地球七億五千萬英里,確實讓人驚訝。我們在說的,本質上就是太陽系裡面生命的一個棲息地。我可以說那只是一張圖,我想給大家看這張。這是另一張Enceladus的圖片,這是Cassini在Enceladus下面飛的時候,所以是很低空的飛行,離其表面只有幾百公里。再來一張冰泉噴射到太空的照片,非常漂亮。

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  • 但在太陽系裡,那不是生命棲息的首選地方。很可能是這裡,木星的衛星,Europa。同樣,我們要飛到木星系才能看到這顆衛星,和絕大多數的衛星一樣。不是一塊大石頭,而是一顆冰衛星。我們看到的是木衛二的表面是一層厚冰,厚度可能有一百公里。但是通過調節木衛二影響木星磁場的方式,並看看冰上的裂縫,在圖上可以看到,看裂縫是怎樣移動的,我們可以很有力地推測有液態海洋環繞木衛二整個表面。所以在冰下有一個液態海洋壞繞整顆衛星。我們覺得那可以有幾百公里深,也許是鹹水,意謂著在木星衛星上的水比地球海洋水量總和都要大。那個木星附近的小衛星很可能是發現生命存在的衛星,或者地球之外我們知道物質最可能存在的地點。這是個美麗的重大發現。

    我們對太陽系的探索告訴我們,太陽系很美。這可能還能回答你們會問的一個最深奧的問題:「我們是宇宙中獨一的生物嗎?」探索和科學還有沒有其他用處,除了讓人吃驚之外?有的。這是一張很出名的圖片,在我第一個平安夜拍的,1968年12月24日。那時我大概八個月大,這是阿波羅八號拍的,那時它繞到月亮後面。在阿波羅八號上看去的地出,很有名的圖片,很多人說這是拯救了1968年的圖片。那是動盪的一年,巴黎的學生暴動,越戰處於白熱化。這張圖片受關注的原因Al Gore在TED說了很多次,也是可以證明的,就是這幅圖片是環境運動的開端。因為這是我們第一次看到我們的世界並非堅固、不能移動的、不可摧毀之地,而是一個很小,看起來很脆弱的世界,懸在漆黑的宇宙之中。

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  • 在宇宙探索上,還有關於阿波羅計畫的一點未經常被提及,就是它的經濟貢獻。我是說,當你提出它很棒,是個很偉大的成就並拍出這樣的照片,成本很高,不是嗎?人們的確做了很多經濟效用方面的研究,關於阿波羅的經濟影響。最大的一次研究是1975年大通計量經濟進行的。研究表明,在阿波羅上花一美元就會為美國經濟帶來十四美元。所以阿波羅計畫能為自己買單。在靈感、工程學,以及成果上,可以為年輕科學家和工程師提供十四倍的靈感。所以探索能為自己買單。

    科學發現呢?驅動創新呢?這看起來是一幅什麼都沒有的圖片。這是什麼,是一幅氫的光譜。回看19 80和1990的年代,很多科學家、觀察家都研究原子發出的光。他們看到類似這樣的怪異圖片,通過棱鏡可以看到氫加熱後不僅發出白光,還散發出特定顏色的光。紅的、淺藍的、深藍的。這樣就讓我們瞭解原子結構。因為人們解釋說原子是單獨存在,周圍有電子,電子只能在特定的位置。當它們跳到下一個位置,又跳回來的時候,就會發出特定顏色的光。

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  • 所以當你加熱原子時會發出特定顏色的光。這個事實是量子理論和原子結構理論發展的重要推動力之一。我想讓大家看看這幅圖,因為這很特別。這是太陽光譜圖,這是一張原子的圖片,是太陽大氣層在吸收光。同樣,它們只吸收特定顏色的光,當原子來回跳動的時候,跳上跳下的時候。但我們看看光譜上黑線的數量,通過凝視太陽發出的光可以發現氦元素。因為我們發現其中的一些黑線和一些未知的元素相聯,這就是為什麼Helium叫做「氦」。這是Helios的意思,來自太陽的太陽神。

    聽起來很深奧,確實是一個深奧的追求。但量子理論很快讓我們從物質上瞭解電子的行為。例如:矽,矽的作用方式。你可以製作電晶體。這完全就是量子現象,沒有好奇心的驅動,沒有對原子結構的瞭解,這造就了挺深奧的量子力學理論,我們就沒有電晶體,沒有矽晶片,就沒有現代經濟的穩固基礎。

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  • 我想,那故事還有一個很棒的地方,在《太陽系的奇跡》中我們一直強調物理定律是普遍適用的,是物理學最難以置信的東西之一。對地球大自然的瞭解就是,你不僅可以把它送到星球上,還可以送到最遠的恒星和星系上。關於量子理學最讓人驚訝的預測之一。只是通過看原子結構和描述電晶體的理論一樣,就是,在宇宙中沒有恒星。在整個存在過程中品質大於太陽的1.4倍,很精確。這是恒星品質的侷限,你可以在實驗室用一張紙算出來。把望遠鏡對著天空,你會看到沒有死亡恒星,品質大於太陽的1.4倍,很難以置信的預測。

    當你看到一顆恒星的品質達到臨界點時,會發生什麼呢?這就是一張那樣的圖片,一張星系的圖片,「我們的花園」般的普通星系。內含什麼?一千億個類似太陽的恒星在裡面。這只是宇宙裡面幾十億個星系的其中之一,星系中心有十億顆恒星。這就是為什麼這麼亮,大概有五千萬光年遠。這是我們鄰近的其中一個星系,但那裡閃亮的恒星是星系裡面其中的一顆,所以那顆星離我們也是五千萬光年遠。它是星系的一部分,像星系的核心部分那樣閃耀著,裡面有十億顆恒星。那是 Type Ia 超新星爆發,讓人難以置信的現象。因為那時座落那裡的一顆星叫碳氧矮星,它在那裡的品質是太陽的1.3倍,它的周圍有兩個同伴,一顆大恒星和一大團氣體。矮星把旁邊那顆星上的氣體吸走,直到它達到所謂的Chandrasekhar極限,然後爆發。它爆發,像十億顆恒星那樣亮,持續大概兩週,不僅向宇宙釋放能量,還有大量的化學物質。實際上,那是顆碳氧矮星。

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  • 現在宇宙在大爆炸中沒有碳和氧,在恒星第一代裡,宇宙沒有碳和氧,就在這樣的恒星裡產生,鎖起來,然後回到宇宙。在那樣的爆發中為了把行星再凝聚起來,恒星,新的太陽系當然還有像我們這樣的人,我覺得這是力量、美麗和物理定律普遍性的一個非凡的展示。因為我們瞭解那個過程,我們瞭解地球上的原子結構。

    這是我喜歡的一句美麗的話,在我們談論意外發現的緣分時,是Alexander Fleming說的:「1928年9月28日一破曉,我醒來時,我確實沒有計劃通過發現世界上第一種抗生素來改變所有藥物。」現在世界上的原子探索者沒有想著要發明電晶體,他們肯定沒有打算要描述超新星爆發的力學原理。這最終告訴我們
    組成生命的部分在宇宙的哪個地方合成起來,我覺得科學可以——發現的緣分很重要,它可以很美,可以展示很多讓人吃驚的東西。我想最後還能讓我們看到
    最意義重大的想法,關於我們在宇宙中的位置,還有地球的價值。

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  • 這是我們所在星球的一張壯觀的圖片,看起來不像我們的星球,像土星,當然因為這是Cassini太空探測器拍的。這張圖片很出名,不是因為美麗和土星環的壯麗,而僅僅是因為一個微小黯淡的點,懸在其中一個土星環下面。如果我放大這裡,你們可以看到它看起來像月球。實際上,這是地球的圖片。這是在土星體系裡拍的地球照片,這是我們的星球,從七億五千萬英里之外拍的。我想地球有個奇怪的特性,你離它越遠,它看起來就越美。

    但這不是地球最遠或者最美的一張圖,是這個東西拍的,這叫「航行者」太空船。這張照片是我站在太空船前面做參照物。「航行者」是個很小的機器,目前距離地球100億英里,用那個碟來傳送,20瓦特的電力,我們還在和它聯繫。而它到過木星、土星、天王星和海王星。在它去過這四個行星後,我的偶像之一,Carl Sagan有一個很棒的想法,想讓「航行者」回頭給每一個去過的行星拍照。它拍了這張地球的照片,現在很難在那看到地球,這叫「淡藍點」圖片。但地球就在光柱裡,這是離我們40億英里的地球。

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  • 我想給大家讀讀Sagan寫的東西,作為結束。因為我不能用那樣美麗的詞語來描述他在圖片上看到的東西,那是他拍的圖片。他說:「再想想那一光點,在那裡,是家,是我們。上面有你愛的所有人,你認識的所有人,你聽說過的人。每個人在那裡度過人生,有快樂、有苦難,有很多大膽的信仰、意識形態和經濟學說。有獵人和掠奪者,英雄和懦夫,有文明的創造者和破壞者,有國王和農民,戀愛中的年輕人,有母親和父親,飽含希望的孩子,有發明者和探索者,有道德的教師,有腐敗的政客,有超級明星,有崇高的領袖,有我們族類的歷史上聖人和罪人在那裡居住,在一顆懸在光束裡的塵埃上。人們說天文學是讓人感到謙卑且塑造性格的經歷。也許沒有東西比這小小世界的遙距圖片更好地體現人類狂妄的愚蠢。對我來說,這突出了我們和他人更好相處,保護和珍惜這個淡藍光點的責任。這是我們所知,唯一的家。」

    美麗的語句,關於科學和探索的力量。一直有人提出,一直都還會有,說我們已經夠瞭解宇宙。如果你在1920年代這樣說,你就不會有青黴素,如果你在1890年代這樣說,你就不會有電晶體。今天,在艱難的經濟時代也這樣說,當然,我們已經足夠瞭解,我們不需要發現更多關於宇宙的東西。

    最後要引用一個迅速成為我的偶像的人的話,Humphrey Davy,他在19世紀剛開始時進行科學研究,一直受到攻擊。我們知道在19世紀剛開始時都在拓荒,在建設。他說:「沒有東西在人類思想的進步上比這更致命,那就是假設我們的科學觀點已經是極致,我們已經完全成功。自然已經不神秘,我們已經沒有新的世界需要征服。」

    謝謝。

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