Anil Ananthaswamy : 勇往直前的開拓極限天文物理學

今天我要講的是 一種最棒的探險 自人類啟程去尋找以來,最重要探險活動 那就是,了解宇宙 以及我們在宇宙中的地位 我自己對這個主題的興趣及熱情從何而來? 開始其實很偶然 我買過ㄧ本書 「宇宙和愛因斯坦先生」 在西雅圖的二手書店買的 買了之後的幾年,在印度班加羅爾 有天晚上,睡不著 我順手拿起這本書 以為它能幫我快速在10分鐘內進入夢鄉 結果 我從夜半讀到天色微明 那書帶給我極大的震撼 對宇宙敬畏 和興奮兼而有之 以及我們雖然極盡的想要了解,但了解的又那麼的有限 那種感覺迄今猶存

並且引發我 起了「轉行」念頭 從軟體工程師,成為一名科普文學作者 使我可以參與科學帶來的喜悅 以及和其他人分享科學知識的喜悅 也是那種感覺 引領我啟動一場朝聖之旅 朝著地球上的天之涯,水之巔向前 去探訪望遠鏡,探測器 這些人類曾經打造過,或正在興建中的科學儀器 奉宇宙之名而為之的探索 一步步探入了更多細節 所以,我去過智利 智利的阿塔卡瑪沙漠 到過西伯利亞 下過地底礦脈坑道 在日本阿爾卑斯山,北美洲 一路直到南極洲 甚至到了南極圈

今天要和各位分享 其中一些照片,及這些探索之旅的一些故事 最近幾年 我一直在記錄著這些人的努力 這些有著大無畏精神的男性及女性 他們投入的 有時候是冒著生命危險 在一些極遙遠,極惡劣下的環境工作 為了收集宇宙中最微弱的一些信號 然後,我們才能更多一點了解宇宙

我要從餅形圖先開始說起 我保證這是唯一一張會講數字的投影片 整個短講中唯一的一張餅形圖 它用來說明我們對宇宙的粗淺認識 今天已知的所有物理學理論 對正常物質都可以略做解釋 正常物質指的是我們身體組成物的這一類東西 這些一共只佔宇宙的4% 天文學家,宇宙學家和物理學者認為 宇宙裡有暗物質 構成宇宙的23% 然後還有暗能量 是瀰漫在整個空時架構當中的 暗能量佔了宇宙的73% 看看這張大餅圖,宇宙中96% 以當今我們對它的探索而言 都仍屬未知,或不甚了解 大多數我去看過在進行中的實驗或望遠鏡設備 為的都是要解答這個奧秘 暗物質和暗能量的雙子之謎

首先帶各位去看一個地下坑道 位在明尼蘇達北方 這裡有些人在找 暗物質這種東西 概念上來說,他們找一個訊號 如果有暗物質粒子撞上了它們的偵測器的話,會發出一個信號 為什麼他們得待在地底下 原因,這個實驗若在地表上進行 太多地面上的雜訊會把這個關鍵信號淹沒掉 譬如說宇宙射線之物 到處都有的無線電信號 甚至我們的身體,也許難以置信 但是你身體發出的信號都可能引響實驗的結果 所以他們得深入地底下 找到一個沉寂之處 以便聽得到 暗物質粒子撞上偵測器時發出的那個聲響

我去看過他們的一場試驗 現場像這樣 -- 幾乎啥都看不見 原因是那裡幾乎完全漆黑一片 這是個礦產業所留下來的洞穴 他們1960年左右停止採礦 然後物理學者開始接手 運用這座礦坑是在1980年 上個世紀早期的礦工事實上 是靠著燭光在這裡工作 今天在這個地方 大約深達地下半英里之處 這是世上少數幾個大型地下實驗室之ㄧ 他們有好幾個目標,其中之ㄧ是尋找暗物質

有好幾個方法可以尋找暗物質 是以間接方式 如果暗物質存在於宇宙中 在我們的銀河系裡 那麼這些粒子應該會撞在一起 創造出其他我們已知的粒子 其中之ㄧ就是微中子 探測微中子的方式是 可追蹤它們遺留的軌跡 它們撞擊水分子時 當微中子撞擊水分子時 它會發出一種藍色光 藍色的閃光 尋找這種藍色光 對微中子的了解可能會增加一些認識 意味著我們對暗物質的認識也能更進一步 微中子,有可能是由暗物質而來 但我們需要很大量的水 才能進行這個觀察實驗 需要上千萬噸的水 幾乎上億噸的水 為了要有點機會抓住微中子 世界上哪裡有這麼多水的地方? 俄羅斯的後院裡有個水庫

貝加爾湖 全世界最大的湖。長800公里 寬度40到50公里 多數的深度 約1到2公里 俄羅斯人現在做的工作是 建造這些探測器 埋到河面底下一公里深的地方 為了找尋這些一閃而過的藍色光 我降落在那裡的時候迎接我的就是這樣的景象 這是貝加爾湖 在西伯利亞冬季最低溫時 整個湖完全結冰 黑色點點的線 就是你在背景上看到的那些線 是在那裡工作的物理學家紮營的地點 必須在冬季裡工作的原因是 他們沒有在春夏季裡進行這些工作所需要的經費 因為如果那樣的話 他們需要船和潛水艇才行 所以等到冬季 這時湖面完全結冰 運用厚度達一公尺的冰 得以在冰上建立營地以便工作得以展開

所以俄羅斯人在冰上的工作 是這樣在西伯利亞最天寒地凍的冬季裡進行的 必須在冰上鑿洞 潛水到水中 -- 很冷很冷的水中 取得儀器,帶上水面來 進行任何必要的修理和維修 然後在冰層融化之前再趕快把儀器放回水底下去 因為堅硬冰層只維持為期兩個月 完全像石頭一樣硬 想像一面向海一樣遼闊無邊的湖 在那湖面底下移動 我迄今仍未明白這位俄羅斯男人 赤裸著胸膛工作 但這至少說明他有多認真工作 這些人,數量不算少 已經如此工作了20年 尋找或許存在或不存在的粒子 為此獻上自己的生命 為了讓你有點概念 20年來他們只花了2千萬 條件很差 預算極為微薄 冰上挖的洞就是洗手間 上面加塊木板 這麼原始 年復一年的做

接下來,從西伯利亞我們去看智利的阿塔卡瑪沙漠 去看一組叫做甚大望遠鏡的光學望遠鏡 「甚大望遠鏡」 天文學家習慣 取一些沒什麼想像力的名字 我直接告訴各位 下一個計畫中的陣列,名字就叫做特大陣列望遠鏡 (笑聲) 你不會相信 再下一個又會叫做超級特大陣列望遠鏡 不管怎麼說 這是工程史上了不起的一個傑作 4架8.2米望遠鏡 這些望遠鏡有許多目的 還包括用來研究 宇宙如何隨著時間而擴張 愈多了解一些 就愈明白 暗能量--一種生成了宇宙的東西--是什麼

我要把一樣了不起的 和這望遠鏡相關的工程傑作向各位介紹 是望遠鏡的鏡面 一共有四個鏡面,每一面 都由一塊玻璃製成 單一一塊高科技陶瓷技術 被細磨,拋光到非常精準之程度 怎樣想像了解這研磨達到多精密? 你可以想像一個像巴黎一樣大的城市 所有建築物和艾菲爾鐵塔 如果你以它的精準度去磨碎巴黎的話 碎塊大約只有一毫米厚 這些鏡面承受過的研磨拋光精細度就是如此高 令人驚嘆的望遠鏡陣列組 另一個圖像 建造這些望遠鏡的理由 建造在阿塔卡瑪沙漠中 是因為在高緯度的沙漠中 乾燥的空氣才適合望遠鏡看得遠 並且,山頂高度已超過雲層 這些望遠鏡一年 有300個無雲的天空可進行觀測

最後我要帶你到北極洲 我很想把大部分時間都花在這個角落 這裡是宇宙學的最後一個前線區 最奇異的一些實驗 最最超乎想像的實驗 就是在南極洲這裡進行的 我在那裡要看的是個叫做超長續航時間的氣球飛行計畫 基本上搭載的全都是望遠鏡和儀器 飛上大氣層高層 同溫層的上層,約40公里以上 實驗就在那裡進行 然後氣球以及乘載之物,又再被帶下來 這是我們,降落在南極洲的Ross Ice Shelf 這個地方 這是一架美國 C-17 貨機 我們從紐西蘭啟程 抵達南極區的McMurdo 在這裡我們要搭轉乘巴士 不知你能否看清楚上面寫的字 可以的話,所寫上的是「伊凡的恐怖巴士」 就是這個車,載我們前往McMurdo

那裡,列隊歡迎您光臨的是這個景象 在那裡幾乎很難拼湊出 甚至只是一間像這樣的小屋 它是由羅伯法坎司考特和他的團隊建造的 當他們第一次來到南極區 第一次進行南極探險時 因為天氣酷寒 他們離去時在小屋裡留下的東西都還和當初一樣 最後一次開火烹煮所剩餘食物都還在那裡 非常特別的地方 這是McMurdo,夏季約有1000人在這裡工作 冬季則約200人 冬季時天全是黑的,要過6個月

我在那裡要看發射 這種特殊儀器的發射升空 這是一種探測宇宙射線用的儀器 向上發射直達同溫層上層 距離地面海拔約40公里處 我希望各位想像一下的是,這裡有兩噸的重量 用一個氣球當作飛行器 用來乘載兩噸的重量 要到海拔約40公里的高空 工程師技術人員和物理學家 都必須在這塊 Ross Ice Shelf 完成組裝 因為南極區 - 我不花時間解釋為什麼 是最適合從事這種實驗的地方之ㄧ 除了氣候以外 可以想像,它的氣候 即便夏天裡,也是站在厚200呎的冰層上 後面有火山 火山頂上有冰層覆蓋 他們必須做的是 組裝整個氣球 編織品,降落傘和所有東西 -- 都在冰上完成 再以氫氣將它灌飽 這個過程費時約2小時

當組裝進行中,天氣可能說變就變 例如,他們把未充氣前的氣球拖拉在後面 最後會以氦氣灌滿這支氣球 所看到最後兩台卡車 每輛乘載著12桶壓縮氦氣 要是天氣在發射升空之前起變化 所有東西都得裝回箱子裡恢復原狀 再運回McMurdo基地站 這顆特製的汽球 設計是要乘載兩噸重的物品升空 所以非常非常大 氣球體本身重量兩噸 為了縮減重量 它很薄,厚度只和包裝三明治包裝紙一樣 要重新打包 裝回箱子的話 得要用力推壓加上封印 最初裝箱作業 是在德州完成 這裡他們腳上穿的鞋子不適合完成這個工作 所以鞋子得脫掉 在南極的天候中光腳進入箱子裡 完成打包的工作 這就是這些人對科學作出的貢獻

這些氣球充滿了氦氣以後 這是甚為壯觀的一幕 請看 完整的氣球外加上承載物品一覽 左邊的氣球正在充灌氦氣 一直到中間都是氣球 中段附近有一個電子裝置負責點火引爆 是和一張降落傘相連 降落傘再和裝載物相連 提醒您,這些佈線工作 都是在極度寒冷零下氣候中靠人力施工的 他們身上穿著重達15公斤的衣物和設備 但是有時為了工作的緣故手套卻得脫掉 這裡和大家分享一段升空的影片

(來自影片的聲音)無線電:OK,釋放氣球 釋放氣球,釋放氣球

安尼 阿拿司旺米: 結束前我還有兩張圖片 這是位在喜馬拉雅山上的觀測站,印度的拉達克 請細看 右手邊的望遠鏡 及最左邊 一間400年歷史的佛寺 建築物近照 兩相並列之下令我心頭一震 是這人類的兩大學科 一個向外探索無邊的宇宙 一個是向內探索深層的內在 二者都需要某種寂靜的要素

令我震撼的是 每一處我前往參觀的望遠鏡 每一位天文學家和宇宙學者 無不是正尋找著一種,無聲的狀態 或在電波訊號受干擾的環境中尋找 或在光害嚴重的環境中尋找 顯然 破壞地球上的無聲寧靜以後 也就失去了對大千宇宙感知的能力 因為我們理解不了,那來自外太空的訊號

謝謝

(掌聲)