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旅居太空的必要研究:如何在太空中做愛和繁衍後代?

Rock Sun
・2020/11/16 ・5800字 ・閱讀時間約 12 分鐘

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

y編按:A片中的迷思數不勝數,但也有各種腦洞大開的新奇點子。比如說,你想過在太空中怎麼做愛嗎?這不是胡思亂想,而是至關重要,尤其當人類準備要飛往前人未至的星際邊疆的此刻。

看A片學性教育是否搞錯了什麼?》專題邀你一起聊色長姿勢,讓我們一起上到外太空,想想怎麼孕育生命在內子宮?也歡迎偷偷私訊跟我們分享你的各種腦洞喔!

數十年來,人類前往月球、發射了國際太空站、在火星上登陸探測器,不斷地刷新在宇宙中停留的時間。

如果要給星際探索一個高大上的理由,那大概是如何將人類的足跡拓展到宇宙,建立一個吉翁公國人類可以居住的殖民地。

但仔細想一下,建立殖民地需要什麼呢?直覺上想到的就是「食衣住行育樂」:目前,我們有研究各種栽種方式、新型的保存方法;太空衣的科技也持續革新,越來適合活動;太空船、建築物有各種適居設計;火箭技術也日漸成熟⋯⋯其實好像都有在準備呀?

等等⋯⋯人要殖民,就需要繁衍後代,持續的在異地延續基因。至少保持人口不要負成長,不然就只是「派一群人送死」!

說到繁衍後代,就要討論不少令人害羞的事了,隨著太空旅遊即將成真,只要有錢就能藉著私人企業的幫助上太空,想在太空中做害羞的事不再遙不可及,而太空競賽也因此多了兩個未達成的成就:「在太空中自然受孕」和「第一個在太空中出生的嬰兒」。

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沒有這些成就,人類就無法完成永久在外太空定居的願景,但我們好像不常聽到相關新聞⋯⋯所以我們有所準備嗎?

太空人有「做」過嗎?還是只是我們不知道

男女太空人難道不會一時意亂情迷,在太空中曾經做過那檔事,然後我們都不知道嗎?這其實是兩大太空單位NASA和俄羅斯太空總署 Roscosmosc 很常被問到的問題,也是外出演講的太空人很常遇到的疑問之一,先講結論:

沒有,你可以有很多陰謀論,但是統一說法就是:「沒有」。

Roscosmos 在2011年就有發布過聲明反駁過這個理論,聲稱不管在蘇聯時期還是俄羅斯太空任務中,從來沒有太空人進行過性行為。(註1)

至於 NASA,在太空人的條款中對於組員之間的關係規範基本上以「組員間保持信賴關係」和「維持專業」為主軸,而且絕大多數的太空人都邁向中年、有自己的家室,此外,要在人不多、空間密閉的太空中亂搞還不被發現,其實非常非常困難。

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筆者為了確認這件事,還寫了 一封 email 給我在美國熟悉相關領域、認識太空人的前輩,幫我輾轉交給了2004~2005年國際太空站的指揮官焦立中博士 Leroy Chiao回答,針對「是否有組員在太空中進行過性行為?」和「是否有相關實驗要求太空人進行?」這兩個問題,答案都是大大的NO。

都還是幻想而已喔。圖/Shutterstock

焦立中博士也在之前的訪談中曾經寫到:「我並不清楚 NASA 有沒有針對這件事發表正式宣言,當我們同意成為太空人時這件事根本沒有討論的餘地,因為大家都心知肚明答案是什麼。」

「男人終究是男人,如果發生了很難不去宣揚。而且如果哪一天在太空站上發生這種事情,其他人很難不會知道,或是說⋯⋯當這種事發生時我們都會知道。」太空人也都支持焦立中博士的說法,表示說每天的任務不會有時間給你羅曼蒂克的。

再繼續追問下去也沒有用,我們就承認過往太空人並沒有在太空中進行過性行為或相關實驗,但這不代表未來不會出現,讓我們超前佈署,向未來規劃吧!

在太空中做愛做的事很難嗎?你還得先問過牛頓

以前沒有沒關係,但當我們談到太空旅遊、遠行或殖民時,就必須要面對幾個大問題,像是「人類該如何在太空中進行性行為」、「人類有辦法在太空中受精嗎」、「人類該如何在太空中進行分娩」、「之後的育兒行為怎麼辦」⋯⋯等。

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你或許可以在太空站內關6個月,但一趟火星長期任務可是以年為單位起跳的。不管你是為了科學研究需要大膽嘗試,還是不小心鬧出人命,我們都要有所準備,更別提定居月球之類的理想,與其當理想變為現實,才在苦惱不能做,不如現在就來研究怎麼做吧!

先說大家最關心的性行為好了,會有什麼「體位怎麼做啊」、「動作怎麼辦」之類的問題。

一樣先講結論,會比地球上還要麻煩很多,麻煩到你可能不會想做了!

如果你有親密伴侶可以討論會更好,沒有的話請自行想像。圖/Nasa

因為你得先問問牛頓⋯⋯不是說真的去問牛頓物理,而是要考慮「重力」。在地球上,我們能夠肌膚相親、彼此抱在一起或是做愛時變換不同姿勢,或多或少都需要重力幫忙。而大家應該也看過太空人在無重力中生活的影片吧?在無重力狀態下,舉凡睡覺、換衣服、吃飯、跑步運動都需要很多的支撐和固定,可想而知,兩個人之間要緊密的激烈互動,將會需要更多的協助。

而且,作用和反作用力也需要考慮,不管是哪種體位,一次動作結束有非常大的機率會使兩人分開,除非有設計良好,又不會妨礙兩人動作的「性行為輔助裝置」幫忙固定,例如把其中一人固定住之類的,但這又像是什麼特別的 play?

不管怎樣,「性行為輔助裝置」會是一個非常偉大且厲害的發明,不然你也可以請另一位好友從旁協助,就像A片裡面會看到的那樣⋯⋯總覺得好像更怪了。

另外,還有太空中的身體狀況需要考慮,這裡說的不是疾病,而是大部分人都無法避免的太空中身體變化,例如動暈症、骨質流失、視覺味覺變異⋯⋯等。其中和性愛最直接相關的,就是「血液」。在太空或低重力中,血液無法順利地流動,導致許多太空人會有頭暈、血液循環的問題,而男生陰莖需要充血才能正常勃起,至於女生,性行為過程中陰道壁也會充血,在無重力上都可能會發生困難,更不用說之後受精卵著床後的養分供應了。

另外在太空中液體因為沒有重力的影響,如果附著在身體上的話並不會滴下來,反而會累積在皮膚上,最普遍的問題就是如果流汗越流越多,如果沒有處理掉的話,會在皮膚上形成一層濕濕的汗液層,這不只讓親密活動因身體濕滑難以進行,也會讓性愛很不舒服。其次,別忘了精液和女性潮吹的液體,都因為沒有重力而不會輕易離開你的身邊,如果沒有萬全準備在太空上做起來,一定是一團亂。

總而言之,人類的性愛方式是針對地球重力設計的,在太空中很難行得通。

太空人在太空站中跑步,都需要這些裝備了。圖/National Air and Space Museum

才剛起步的人類宇宙性愛計畫,我們有什麼進展呢?

看起來,距離人類能順利的在宇宙中進行肉體歡愉,還有很多研究需要補完,那目前有什麼進展呢?

其實有很多人,尤其是非太空專業人士,對這件事有無比的熱誠。其中最有名的事件,當屬陪伴全球無數孤單人、維護世界和平、以橘黃色LOGO為象徵的「P開頭網站」所發起的企劃。

在2015年P網發起了一個史無前例的募資,製作世界第一個太空性愛影片,這個耗資340萬元的計畫希望能把兩位他們挑選的影星送上太空,並拍攝一支A片。看起來很有趣對吧?但這個募資目前只達到 6%,而且,不管是在模擬無重力還是真的在宇宙中做愛,我們都還準備的不夠,安全為重。

可以去朝聖,但是想掏錢請三思再三思。圖/MIC

還有像維珍銀河企業(Virgin Galactic)還曾收到來自未知單位的提案,提供100萬美元拜託他們協助製作一部長達1小時的太空性愛影片,但最後維珍拒絕了!可能還是因為風險考量。

其實現在各大太空研究機構,不管公家還是私人,都會有人上門詢問太空性愛的相關問題,尤其是媒體對這件事特別有興趣,誰不會對「在奇異的環境打炮」這個話題感興趣呢?

而且偷偷講一個筆者理出來的關鍵問題,不管怎樣,我們可能都需要先在人工產生的零重力中實驗一下,但是現在搭乘飛機體驗零重力一趟長度約為8分鐘,而且分階段進行,每一階段30秒!各位男士,你的時間夠嗎?

先暫停大膽的想法,來講一些正經的研究

科學要處理人類在太空中生殖、繁衍的問題,不會直接從人體實驗和體內受精著手,而是從如何在太空中體外人工授精開始研究。

2018年4月,NASA 進行了一個非常重要的實驗稱為Micro-11,這個計畫首次將人類和公牛的精子送上國際太空站進行實驗,看在無重力空間中精子的活動有沒有改變,公牛的精子因為行為模式較為固定,所以做為這個實驗的對照組,而人類的精子本來就有較多運動模式,所以更難預測。

太空人進行完實驗、觀測之後,還要將精子送回地球,看有沒有辦法跟卵子做結合,才有辦法下初步結論,因此目前尚未有定論。不過更早的研究顯示,牛和海膽的精子在太空中都適應良好,牛的精子在無重力下的游速較快,這通常代表繁殖力更強,而在海膽精子上,驅動精子游動的化學物質在無重力中也更快啟動。

公牛的精子。圖/Animal & Daily Science

然而想要成功受孕,光有精子是不夠的。之前NASA曾在太空梭任務中進行過得母鼠實驗顯示,微重力會使小鼠卵巢延遲釋放成熟的卵細胞,目前仍在進行的實驗是要確認這個現象是否為長期效應,如果答案是肯定,那麼這將會是另一個要克服難題。

並且,「輻射」會妨礙精子和卵子的形成,也會造成突變而傷害胎兒。而在太空中,來自太陽的高能量宇宙射線和帶電粒子非常多,就算在國際太空站,上面的輻射量也比地表強10倍左右!更別說在其他宇宙空間(例如月球、火星),上面的輻射量又是好幾倍起跳,我們需要能防禦輻射的太空殖民地,或是發明有助於修復受損DNA的藥物,才有辦法在太空中安胎。

就算我們克服了這些障礙,在人類長期的太空旅行和宇宙殖民計畫中,還得確保有足夠人口和健康的基因庫,曾經有虛擬計畫模擬如果要經過6300年的太空旅行後到達比鄰星B,我們至少需要98人才能避免近親交配,保有足夠健康的基因,再考慮上個人狀況、災害、潛在風險,可能要上百人才能完成一趟太空移民!

此外,除了身理上的問題需要解決,還有心理狀態也要考慮。如果兩位太空人伴侶有了感情摩擦怎麼辦? 太空旅行就哪幾個人而已,空間又只有這麼大,如何維持健康心態就顯得非常重要。

你能想像分手了還要在密閉空間裡看著他/她6個月嗎?圖/IMDb

更麻煩的倫理和政治問題要進來嘍!

以上提到的物理、化學、生物、心理問題,其實在精準長期的研究開發之後,都還是有望解決的。

以目前的步調,太空中人類體外受精的實驗可能需要4~5年的研究,如果2年內開始招募正式的實驗者並開始訓練,然後在男性女性還保有生殖能力下進行任務(也就是說不能太老),這個「太空中人類性行為」的研究估計可以在10~15年間完成。

雖然研究執行上不會遇到困難,但在政治跟倫理層面,這些研究還需要另一群專業人士,長期跟大眾進行溝通才能克服。目前國家級太空機構要處理「宇宙中繁衍後代」的相關問題,研究執行的難度並不高,但在政治上會變得相當棘手。

你想想,把你上繳國庫的稅金,拿去讓太空人用於「繁殖人類的科學實驗」,你能接受嗎?

而倫理方面,宇宙勢必是一個短期內非常壓抑、充滿未知風險的地方,人類社會在這種高壓狀況下,必定會形成異於地球的社會組織與文化,在這種環境下出生的小孩會快樂嗎?

除了可能面臨的生理和文化挑戰,也可能因為設想不夠周全,造成初期嬰兒潛在死亡率較高,而這些小孩在不同重力下發育的差異,也需要更多實際案例,才能適應或化解。

以上問題很難在短時間內解決,也很難由國家機構著手,這又是私人研究企業的機會了,雖然它們不會被質疑浪費公帑,但潛在的相關問題還是存在。

現在知道在外太空做愛,是一個多麼深遠、偉大又麻煩的計畫了吧!但我也跟大家一樣在期待可以看到宇宙A片的那天,當然,這一切都是為了科學研究!(被打)

註解

  1. 筆者蒐集資料的過程中,在知名成人影片網站有找到英文標題為「俄羅斯太空人太空性交實驗」的影片,而且真的是在無重力中和帶有有點古老的畫質……先對不起我發文不附連結,但考慮到假影片、黑歷史、模擬、或是單純的官方不願承認等各種面相,我建議大家還是先當作太空人做愛這件事還沒發生、大家從零開始吧

資料來源:

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Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者
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在紛亂、窮苦的人間,三本書,讓克卜勒成為「星空的立法者」(下)
活躍星系核
・2020/11/08 ・2609字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

在上一篇中,我們看到克卜勒為哥白尼的日心說挺身而出,並透過《宇宙的秘密》、《新天文學》兩本書奠定了今日克卜勒第一、第二定律的基礎,接下來,我們即將進入克卜勒的另外一本重要著作:《世界的和諧》。

在發行《新天文學》後,克卜勒擁有全歐洲最精準的行星預測方法,他開始發行自己出版的預測年曆,當作一部分多出來的收入,他希望自己以後能夠不依靠國王的經費,隨心所欲的出書。

此時,是他天文研究的巔峰、人生的最低谷

同時,有鑑於《新天文學》中太多數學論證,不大容易讓學生理解預測行星的方法,克卜勒開始著手撰寫了天文教科書《哥白尼天文學概要》(Epitome Astronomiae Copernicanae),這本書將成為 17 世紀所有天文學家必讀的經典。

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克卜勒的著作,《哥白尼天文學概要》。圖/wikipedia

克卜勒的天文研究雖然來到了巔峰時期,但他的現實生活並不順遂,第一任妻子和三個兒女的接續病逝,他所居住的地區也開始瀰漫著宗教紛爭,正一步步走向無法挽回的「三十年戰爭」。

1618 年初,克卜勒原本打算繼續撰寫第谷未完成的「魯道夫星表」,但心力憔悴的他希望從另一個新研究中尋找到心靈慰藉,於是他寫信告訴朋友:「我暫緩了魯道夫星表的工作,並且開始將我的心力投入在研究『和諧』」。

低潮中的慰藉,研究「和諧」與天體音樂

什麼是「和諧 (harmony)」?和諧的概念源自於人類觀察大自然的現象,發現大自然存在著某種特殊的數學比例。

在西元前 600 年,希臘數學家畢達哥拉斯發現,撥動特定比例的弦長能夠產生特定的音高,畢達哥拉斯也將音樂上的「和諧」推廣到行星運動上,行星和地球的距離每繞行一個周期都會伴隨著固定的比例變化,就像是行星擁有自己的旋律、特定的音階,這種想法被稱之為「天體音樂 (music of the spheres) 」。 

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克卜勒希望將《宇宙的秘密》的幾何概念和《新天文學》的物理概念推廣到「天體音樂」的概念中。

克卜勒《世界的和諧》一書的內頁。圖/wikimedia

現在,讓我們回顧一下克卜勒前兩本重要著作,《宇宙的秘密》、《新天文學》。

在《宇宙的秘密》中,克卜勒認為「上帝是用幾何當作建材搭建宇宙」 ,如今他將自己的正多面體理論延伸結合「天體音樂」,試圖用五種正多面體當作基底來解釋各個行星的旋律。

在《新天文學》中,克卜勒寫出了單一行星:火星的橢圓軌跡,他了解到行星的離心率造就了行星忽快忽慢的現象,在經過幾年的套用後,克卜勒了解到每個行星的離心率都不相同。

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此後,克卜勒開始著手繼續研究哥白尼概念中提到的「準則」:行星週期和行星跟太陽距離的關係。

《世界的和諧》:週期定律的現世

克卜勒和畢達哥拉斯不同,他對於數值特殊的比例不感興趣,他想要知道的是週期和平均距離精確的數學關係,在他擁有六個行星的完整軌跡的情況下,克卜勒能夠將所有資料攤在一起,花點時間和心思仔細查看它們之間的關聯性。

1618 年的 5 月,克卜勒找到了他渴求的數學關係式:週期平方和行星半長軸的三次方成正比關係,這就是克卜勒的第三定律「週期定律」,是牛頓寫出萬有引力定律的基礎之一。

週期定律中,克卜勒認為「行星週期的平方」與「行星軌道半長軸 (a) 的立方」成正比。圖/wikipedia

1619年,克卜勒出版了《世界的和諧》,結束了他長達 20 幾年的解密日心說的旅程,此時,克卜勒再也都止不住他的狂喜了,他在《世界的和諧》中的最後一章寫下:

「我已經擲下了骰子,也寫好了書,不管你是同輩還是前輩,這並不重要。既然上帝等待了祂的研究者足足六千年,我大可等待一百年後的讀者。」

1627 年,克卜勒出版了「魯道夫星表」,結合了第谷的完整觀測資料加上克卜勒的預測模型,成了當時資料最完整最精準的星表。

科學史上第一位「天文物理學家」

在一個世紀後,牛頓運用自己獨創的萬有引力和微積分,重新證明了克卜勒三大定律,利用漂亮的數學工具解釋了克卜勒多年來的努力,問到克卜勒的成就,牛頓只簡單的評論:「他(克卜勒)當然是用「猜」的,他知道軌跡非圓是卵形,於是他就猜會是橢圓。」

或許我們不該懷疑克卜勒是否猜出橢圓,而是要詢問為何只有克卜勒能夠發現橢圓?

因為他是第一個將「物理」導入天文學的天文學家,他不聽信老師馬斯特林 (Maestlin)「不該把物理學引入天文學」的勸言,堅持使用具有物理意義的「距離規則」來思考天文,有了根據行星運動建立的基礎物理定義,儘管克卜勒當時只有幾何工具,透過誤差分析不斷的改進預測模型,克卜勒會發現橢圓也是遲早的事情。

克卜勒一生堅信自己的天文物理觀,從始至終都不知道自己已經悄悄地成為科學史上第一位「天文物理學家」。

註解

此觀點出自於 Owen Jay Gingerich 的《Johannes Kepler and the New Astronomy》中,他在內文提到:如果克卜勒能從 20 世紀的字稱呼自己,我猜他會希望稱做自己為宇宙學家,但我會傾向我們能尊稱他為「第一個天文物理學家」。

參考資料

  1. Aiton, E.J. (1969). Kepler’s second Law of Planetary Motion. Isis A Journal of the History of Science Society, 60, 75-90.
  2. Wilson, C. (1968). Kepler’s derivation of the elliptical path. Isis A Journal of the History of Science Society, 59, 5-25
  3. Gingerich, O. (1972). Johannes Kepler and the New Astronomy. Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 13, 346-373
  4. James, R.V. (1999). Johannes Kepler and the New Astronomy. New York:Oxford University Press
  5. 姚珩、黃瑞秋 (2003)。克卜勒行星橢圓定律的初始內涵。科學教育月刊,第 256 期, 第 33-45 頁。
  6. 姚珩 (2004)。行星面積定律的建立。科學教育月刊,第 257 期,第 32-38 頁。
  7. International LaRouche Youth Movement. (2006). Presentation of Kepler’s Astronomia Nova.
  8. 維基百科:Rudolphine TablesHarmonices MundiJohannes KeplerMusica universalis

作者資訊

  • 仰望天空的智人

目前為高三自學生,在升上高三的那個暑假,毅然決 然走上自學的道路。希望在有限的青春,不要只是僅追求紙上的對錯,而是時時刻刻的詢問世界,「為什麼?」。

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活躍星系核
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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在紛亂、窮苦的人間,三本書,讓克卜勒成為「星空的立法者」(上)
活躍星系核
・2020/11/06 ・3967字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 作者/仰望天空的智人|目前為高三自學生,在升上高三的那個暑假,毅然決 然走上自學的道路。希望在有限的青春,不要只是僅追求紙上的對錯,而是時時刻刻的詢問世界,「為什麼?」。

從三本著作了解克卜勒的天文物理觀

在歷史長河中,天文學家們提出了各種五花八門的理論,嘗試理解天上六顆讓人捉摸不定的行星,但唯有一個人的理論能夠毫無誤差1的精準預測,時至今日仍舊屹立不搖,他的名字是——約翰尼斯.克卜勒 (Johannes Kepler) 。

克卜勒是第谷.布拉赫 (Tycho Brahe) 的得意助手,生前時,他鼓舞了同時代的伽利略公布真相,在死後,也啟發一百年後的牛頓建立了牛頓三大運動定律。

而克卜勒一生的天文成就被萃取成了「克卜勒三大定律」,最終被寫入到了現今的物理課本中。

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克卜勒肖像。圖/Wikimedia common

克卜勒一生發表了許多影響後世的劃時代著作,涵蓋數學、天文、光學,現在,請讓我們將視野聚焦在三本克卜勒的天文鉅作:《宇宙的秘密》、《新天文學》、《世界的和諧》,分別象徵著,開始、轉折、結束,仔細端詳三個不同時期的克卜勒,如何逐漸完整他的「天文物理觀」。

《宇宙的秘密》最早公開支持哥白尼理論的書籍之一

原先主張地心說的托勒密認為:行星是繞行地球在固定的球殼上一層又一層,如同洋蔥一般,自從古希臘後裔托勒密完成他的《天文學大成》開始, 一千多年以來,地心說一直都是西方天文學的主宰。

而 16 世紀時,主張日心說的哥白尼認為行星其實是繞行太陽,所有行星都和太陽冥冥之中都遵守著一個「通則」,且每個行星都和太陽保持著特定的比例關係。

在《天體運行論》的日心說模型中,哥白尼認為太陽是宇宙的中心,地球與其他行星一起繞著太陽轉。圖/De revolutionibus orbium coelestium 。

1595 年,身為講師的克卜勒,在授課的時候畫出了正三角形鑲嵌在圓形裡的示意圖,他突然靈光一閃,如果他在正三角形裡面又多鑲嵌一個小圓,這樣兩個圓就會有了比例的關係了!這不就像是哥白尼概念中提到的「每個行星和太陽都有特定的比例關係」嗎?

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當時,哥白尼沒有解釋每個行星保持特定比例的原因,但現在克卜勒隱約領悟並認為「上帝是用幾何創造宇宙的」。

因此克卜勒開始展開了自己的調查,但他發現在二維平面上是行不通的,他又問了自己一次:「為何上帝只創造了水星、金星、地球、火星、木星、土星,這六顆行星?」

他聯想到了三維空間中的正多面體只有五種,克卜勒高興極了,他認為上帝是用「幾何」當作建材,並藉此來聯繫各個行星。

克卜勒的正多面體宇宙模型,克卜勒認為有 5 個正多面體可以被裝進一個大球體之中,並對應於當時已知的 6 個行星。圖/Wikimedia common

到了 1597 年,克卜勒發表《宇宙的秘密》(Mysterium Cosmographicum),這是克卜勒的第一本天文作品,同時也是歷史上第一本公開認同哥白尼理論的書籍,他迫不及待把自己發現的宇宙秘密隨機寄給其他天文學家,想要了解真正的專家將會如何看待自己引以為傲的觀點。

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堪比古代交友軟體,一本書牽起了三人緣分

其中一本《宇宙的秘密》輾轉來到了義大利,到了一位還不有名的數學教授手中,這位數學教授告訴克卜勒:「我已經身為哥白尼的信徒很久了,私下也收集了一些能夠證明地球運動的物理現象唷!」克卜勒被他像是「回音」的名字逗樂,而這位數學教授的名字是——伽利略.伽利萊 (Galileo Galilei) 。

克卜勒鼓勵伽利略公開他的發現:「要對自己有信心啊!如果你是正確的話,或許一些學者會離你遠去,但真相就是最好的證據!」雖然克卜勒沒有馬上收到伽利略的回信,但未來兩人將會一起在不同地方,合作並支持哥白尼的日心說。

《宇宙的秘密》讓克卜勒認識了第谷(左)與伽利略(右)。圖/giphy

此外,也有一本書來到了第谷.布拉赫 (Tycho Brahe) 的手中,雖然第谷不認同克卜勒的觀點,但第谷看出了克卜勒的才華,並認為克卜勒擁有卓越的數學能力,只要擁有少數資料就能夠獨自建立預測模型。

雖然第谷回信稱讚克卜勒的巧妙的推測,但第谷認為哥白尼的觀測資料不太精確,因此第谷邀請克卜勒到自己的天文台工作,希望克卜勒能夠好好善用他更精準的觀測資料。

克卜勒獲得進入到當時一流天文台的機會,開始了他長達 20 幾年的天文研究。

《新天文學》:等面積定律的起源

《新天文學》(Astronomia Nova)在當時是一本與眾不同的天文書籍,它只單一討論一個行星的運動,克卜勒認為只要了解火星的運動,就等於了解其他行星的運動,但克卜勒卻沒有想到,了解單一行星的運動將會是一條崎嶇難行的道路。

克卜勒一直在思考如何將哥白尼的概念帶入到火星的運動上,首先,他根據行星「在近日點較快,在遠日點較慢」的物理現象了設立了距離規則:行星運行速度和行星到太陽的距離是反比關係。

在等面積定律中,太陽與火星的連線,會在相同的時間掃過一樣大的面積。圖/by RJHall , via Wikimedia Commons

克卜勒進一步將所有火星到太陽的距離加總起來,說明這就是火星繞行一周掃過的面積,面積能夠代表著火星走過的時間,克卜勒此時建立了我們今日熟知的第二定律「等面積」概念:相同時間內,行星掃過相同的面積。

《新天文學》什麼?軌道不是圓的!

然而,當克卜勒將自己發現的「新穎物理方法」嘗試應用在偏心圓上時,卻出現了誤差,不過克卜勒心中沒有一絲動搖,他將結果和實際觀測資料比對,推測出火星軌道應該是「非圓」。

真正的軌道比想像中的扁平狹長,克卜勒用肉球來比喻,這就如同從肉球中間擠壓出來的形狀,克卜勒暫稱這個非圓軌跡為「卵形 (oval) 」。

1604 年,克卜勒寫信給自己的朋友,向他抱怨自己已經嘗試了 20 種不同的方法來產生卵形軌跡,卻產生出了和偏心圓相反的誤差。克卜勒推測真正的軌跡就會在圓形和卵形之間,並開始針對這個誤差專研,他認為自己距離真正的軌跡不遠了。

克卜勒行星橢圓模型的刻畫。圖/英譯版《新天文學》內頁

就在克卜勒窮途末路的時候,他突然從誤差中看到了一個常見的數字,一個克卜勒之前在修正火星距離中,曾出現過的數字。

在之前嘗試偏心圓的時,克卜勒發現偏心圓所得到的模型距離和實際觀測值會有誤差,需要經過一個簡單的修正才會符合觀測值,就在此刻他領悟到了這個修正的意義,這就是火星運行的秘密,具有物理意義的「徑向擺盪」,而從當今的數學視角來看,克卜勒的修正就是橢圓在極座標的距離公式: 1+ecosθ

克卜勒是個傑出的數學家,他雖然知道這是橢圓,但他不相信行星的秘密是如此簡單的圓錐曲線,他試圖用其他方法解釋徑向擺盪,但各種方法都沒辦法像橢圓一樣毫無誤差的精準預測。

橢圓定律中:行星沿著自己的橢圓軌道環繞著太陽運轉,而太陽位在橢圓的其中一個焦點的位置。圖/by RJHall, via Wikimedia Commons

1605 年,克卜勒領悟到橢圓本身就能代表行星運行的物理現象,他找到了「橢圓軌跡」的規則:行星以橢圓軌跡繞行太陽,而太陽在其中一個焦點上。

如今,這項橢圓的規則也成為了我們所說的克卜勒第一定律。

但克卜勒工作還沒有完成,他該思考究竟要如何說服當時的其他天文學家,直至 1609 年,克卜勒終於發表了《新天文學》,細心拆解了托勒密和第谷的行星系統,並建立了最精準的橢圓軌跡模型,克卜勒成了世上第一個「摸清行星運動的天文學家」

現在,我們已經知道《宇宙的秘密》、《新天文學》在天文學中的關鍵角色,下一篇文章中,我們將從《世界的和諧》這本書,找到最後一條定律的源頭,完成克卜勒成為星空立法者的最後一哩路……

註解

  1. 克卜勒認為第谷觀測資料的誤差最大到兩角分,而克卜勒用橢圓預測出來的火星位置都是角秒的誤差,由於克卜勒的預測結果都在觀測值的誤差內,基本上能夠說克卜勒的預測幾乎等同於實際觀測。

參考資料

  1. Aiton, E.J. (1969). Kepler’s second Law of Planetary Motion. Isis A Journal of the History of Science Society, 60, 75-90.
  2. Wilson, C. (1968). Kepler’s derivation of the elliptical path. Isis A Journal of the History of Science Society, 59, 5-25
  3. Gingerich, O. (1972). Johannes Kepler and the New Astronomy. Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 13, 346-373
  4. James, R.V. (1999). Johannes Kepler and the New Astronomy. New York:Oxford University Press
  5. 姚珩、黃瑞秋 (2003)。克卜勒行星橢圓定律的初始內涵。科學教育月刊,第 256 期, 第 33-45 頁。
  6. 姚珩 (2004)。行星面積定律的建立。科學教育月刊,第 257 期,第 32-38 頁。
  7. International LaRouche Youth Movement. (2006). Presentation of Kepler’s Astronomia Nova.
  8. 維基百科:Rudolphine TablesHarmonices MundiJohannes KeplerMusica universalis
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活躍星系核
818 篇文章 ・ 1 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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麥田圈、浮世繪、至尊魔戒?!「星海巡奇」一窺腦洞大開的天文奇景
研之有物│中央研究院
・2020/08/29 ・4362字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐柏昇、美術編輯|林洵安

宇宙也有麥田圈?重力如何害遠方星系「面目扭曲」,宛如魔戒?磁星會吹熱泡泡,研究員用電腦畫浮世繪?中央研究院天文及天文物理研究所參與中研院「開放博物館」,研究員們拿出壓箱底的天文美照與研究成果,促成「星海巡奇」線上展覽,滑鼠輕輕一點,即可穿越千萬光年的異世界,飽覽令人腦洞大開的天文奇景!

宇宙也有麥田圈?!

地球上的麥田圈還懸而未決,想不到太空中也有!?下面美麗神秘的「宇宙麥田圈」,其實是行星系統誕生之前的模樣──原行星盤。

兩張美照皆是由阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)望遠鏡,解析原行星盤「金牛座 HL 」所得的細緻結構。這是人類首度拍攝到這麼年輕的原行星盤高解析度影像,可一窺行星形成的秘辛!

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這張是拍攝連續光譜,得到金牛座 HL 原行星盤的塵埃分布,清楚呈現環與間隙的構造。
圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

這張照片是拍攝分子譜線,得到金牛座 HL 原行星盤的氣體分布,同樣有環與間隙。
圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Yen et al.

智利沙漠上的 ALMA 望遠鏡,運用了「天文干涉技術」,一共有 66 座天線可以協同工作,且天線之間距離夠遠,才得以拍出原行星盤的細緻結構。在此以前,前一代望遠鏡對於這些年輕的原行星盤,只能看見平滑的盤面,沒有明顯的起伏,直到 ALMA 啟用才有重大突破。

阿塔卡瑪大型毫米波天線陣中的一些無線電望遠鏡,運用了「天文干涉技術」。若要用單一望遠鏡看清楚原行星盤,望遠鏡必須非常巨大,技術上很困難。因此天文學家先建造幾個「比較小」的望遠鏡,彼此相隔遙遠,再將它們的觀測資料一起分析,效果等同一台巨大望遠鏡,這就是「天文干涉技術」 。
圖/維基百科

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原行星環:行星形成現場

說了半天,「麥田圈」盤面的環與間隙究竟是誰的傑作?「目前最熱門的解釋,是間隙中有行星正在形成。」中研院天文所顏士韋助研究員主持金牛座 HL 的氣體分布研究,他解釋:原行星盤上有很多氣體和塵埃,部份的氣體和塵埃會逐漸聚集成行星。這些行星一邊長大、一邊在盤子內繞著原恆星轉,過程中行星的重力會把沿路的東西推開,形成一圈圈的間隙。

為什麼重力會「推開」物體?因為盤上的物質進行克卜勒運動──內圈跑得快、外圈跑得慢。原行星會吸引比它內圈的物質,這些物質被拖慢速度,結果往更內圈跑;另一方面,原行星也會吸引外圈的物質,這些物質反而被拉快速度,往更外圈跑。原行星就這樣「推開」周圍物質,「清出」一條軌道,形成了明顯的間隙。

一開始,天文學家先觀測到塵埃分布的「麥田圈」影像,但如果氣體分布是平滑沒有間隙的,「環與間隙」可能只是來自塵埃性質差異。所幸,顏士韋團隊之後確認金牛座 HL 的氣體分布也有環與間隙,支持「行星形成」的假說。

他們還從縫隙的寬度與深度推算出:間隙中正在形成的行星大約是木星質量。研究人員據此推測,行星形成的時間點比預期還要早,像木星這類的巨行星,可能在恆星還沒完全「誕生」,就已經趕進度地成形囉!

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磁星熱泡泡:太空版浮世繪

日本畫家耐心一筆一劃勾勒浮世繪,中研院天文所陳科榮助研究員用電腦模擬的「磁星熱泡泡」,是他獨創的太空版浮世繪。

故事要從頭說起!近年來,天文學家發現一種很特殊的超新星,可以比一般超新星亮 100 倍,稱為「超亮超新星(superluminous supernova)」。理論天文學家不斷苦思:為什麼這些超新星會這麼亮?

有些學者提出「磁星(magnetar)」理論來解釋:超新星爆炸經常伴隨著中子星的形成,有的中子星轉得非常快,轉速高達每秒 1000 圈,因為其磁場強度高達地球的 1000 兆倍,稱為「磁星」。

而磁星的磁力線就像是綁在星球外的繩子,在快速旋轉下被攪動,會以輻射的形式把中子星的轉動動能傳遞出去。根據目前模型,發射出去的輻射能量只要超過磁星轉動動能的 5%,就能產生比一般超新星 100 倍亮度,形成超亮超新星。

陳科榮以超級電腦模擬磁星驅動超新星爆炸的過程,上圖為將磁星一切為二的三維模型。
圖/中研院天文所 陳科榮

陳科榮從 2015 年就投入磁星驅動超新星的模擬研究,展示其爆炸過程,立刻面臨一個巨大的難題:在此之前的研究都是一維度模型,也就是假設「磁星驅動超新星的流體分佈」是球對稱,所有方向的變化都一樣。但真實過程當然沒有這麼簡單,磁星的輻射壓力會突然把物質劇烈地往外推,形成流體力學的不穩定結構,就像是把墨水滴在水裡,可見多變複雜的結構。但一維模型的結果就像剷雪,只能將大量物質擠在非常小的區域,無法判讀箇中細節。陳科榮比喻:

一維模型就是只有一個車道,車子都擠在同一個車道,不能超車;二、三維就像有兩、三個車道,才能模擬真實流體不穩定現象。

陳科榮又舉例,在葛飾北齋著名的浮世繪《神奈川沖浪裡》,海浪的尾端有許多破碎的複雜結構,真實的流體即是如此複雜,而這幅畫還只是偏向二維結構。三維流體的紊流更複雜,只有達文西這樣的天才,可以將其生動地描繪出來。

從葛飾北齋浮世繪的海浪畫面(上),以及達文西繪製的紊流細節(下),可看見真實流體的結構有多複雜。
圖/維基百科

三維的紊流具有很多複雜、不均勻的結構,磁星造成的熱泡泡也是如此!所謂的「磁星熱泡泡」,就是磁星這個強大的能量來源「吹出」的泡泡,就像滾水冒泡泡一般。每層泡泡有很多細微結構,一、二維的模擬皆無法呈現和解釋。但這些細微的紊流結構不可忽視,它可是會影響磁星能量傳輸,進而影響超亮超新星的觀測性質。陳科榮以超級電腦模擬出的磁星熱泡泡,乃史上首度對磁星熱泡泡做出三維的模擬,同時具備精密度和大尺度:全貌相當太陽系,細節小如台北市,可謂獨步全球!

陳科榮以電腦模擬的磁星熱泡泡,不但可見大尺度範圍,也可見許多複雜的精細結構。
圖/中研院天文所 陳科榮

宇宙魔戒:愛因斯坦環

這枚宛如宇宙版魔戒的「愛因斯坦環」,其實是某顆巨大黑洞造成的!中研院天文所團隊藉著分析愛因斯坦環影像,進一步推算出這顆黑洞的質量。

SDP.81 愛因斯坦環。這是地球、40 億光年外之 A 星系、120 億光年外之 B 星系,三個天體同時在一直線上,因為位置剛好加上 A 星系的巨大重力所造成的奇景。
圖/ ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); B. Saxton NRAO/AUI/NSF

松下聰樹解釋,重力可讓光線彎曲,宇宙中如果有個大質量的東西(例如:黑洞)擺在光源前面,它的重力可以成為折射背景光的透鏡,改變我們看到的影像,這個原理稱為「重力透鏡」,是愛因斯坦環的主要成因。

何謂重力透鏡效應?由左到右分別是:地球(觀測者)、大質量星體(如黑洞)、遠方的星系。當三者在一直線上,遠方星系的光通過大質量天體附近,光線會因強大重力而彎曲(白色箭頭),就像透鏡彎曲了光線,地球上的觀測者就會「看見」變形的星系影像。
圖/NASA

松下聰樹以一個高腳酒杯和一張紙,巧妙解釋這個神秘的天文現象。他在白紙上畫了一個紅點,周圍不規則的塗上藍色。接著把酒杯放在圖案上,如果酒杯中心正對著紅點,那我們透過酒杯底座(扮演透鏡),可以看到藍色的環帶中間,顯現出一個完整清晰的紅圈。如果酒杯中心稍微偏離紅點,則會看到兩個或四點構造,散落在不對稱的藍色圓弧之中。讀者不妨自己在家做實驗!

可以在家按照操作步驟試試!
攝/林洵安

這次展出的 SDP.81 重力透鏡系統之中,背景星系有很亮的核心,就像是實驗中的紅點;附近還有瀰漫的物質,就像是周圍的藍色區塊。松下聰樹說,假如背景星系是個只有核心的點光源,只會看到四個紅點。但是圖中還可看到較微弱的弧狀結構,代表還有其他瀰漫的物質在周圍。

SDP.81「愛因斯坦環」的 ALMA 影像,數個紅點來自星系核心緻密區域。
圖/黃活生、蘇游瑄、松下聰樹(2015)

用影像「秤出」黑洞有多重?

中研院天文所的團隊利用愛因斯坦環的影像,成功計算出中間的透鏡星系為一個黑洞,至少有 3 億倍太陽質量。

松下聰樹解釋,如果透鏡星系的質量夠大,嚴重扭曲背景星系的星光,地球上的觀測者只會在兩側看到增強的成像,看不見正中央背景星系的影像。這就好比,在酒杯的成像中只看到外圍的弧狀範圍,看不到原來中央的紅點。而在 SDP.81 系統中的確如此,無法看到背景星系的原始影像,這表示黑洞夠重,可藉此推知黑洞質量的下限。

此外,愛因斯坦環還能推知背景星系的影像。背景星系遙遠而黯淡,但經過透鏡星系有放大的效果,運用電腦計算可還原出極高解析度的影像。

天文學家從 ALMA 影像(中)重建出背景星系的樣貌(右),目睹 120 億光年外的異世界。透鏡星系是橢圓星系,通常不會發出電波,所以在 ALMA 的波段可以不受透鏡星系干擾,清楚分辨來自背景星系的光。再加上 ALMA 有夠好的解析度和靈敏度,才能看清楚愛因斯坦環,並執行以上的計算。
圖/ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University)

除了以上精彩內容,本次展覽還有「微旋臂 暗度陳倉?」展示呂浩宇研究的大質量恆星團旋臂,「完美螺旋的分岔」則是金孝宣的飛馬座 LL 雙星系統中螺旋分岔,「塵埃間隙發現旋臂: 暗示行星正在形成」展現湯雅雯研究的御夫座 AB 星美照,「漢堡,啤酒,雙頭槍」為李景輝所發現胚胎恆星在吸食「塵埃漢堡」的案發現場……更多讓你腦洞大開天文美照,快進入「星海巡奇」線上展覽一飽眼福吧!

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為麥田圈、浮世繪、至尊魔戒?!「星海巡奇」一窺腦洞大開的天文奇景,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook