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2019-06-042019年中盤點-帶您一覽今年最夯的科學大事! 594 期

Author 作者 倪簡白/中央大學物理系,從事與天空物理的研究。
嫦娥與玉兔深入月球
嫦娥、玉兔和鵲橋都是中國家喻戶曉的民間故事。隨著中國科學的進展,如今的嫦娥已成升天衛星。今(2019)年初,嫦娥四號衛星首先登陸布滿隕石坑的月球背面;這次的行動別具意義,因為嫦娥四號登陸處為著名的馮卡曼坑(Von Karman crater)。

而「玉兔二號」是嫦娥四號所攜帶的登月車,包含許多科學儀器以及幾項國際合作項目,如瑞典的中性原子探測器和荷蘭的低頻宇宙探測儀。另外還有一個由重慶大學設計3公斤生物實驗室,內有馬鈴薯、種子及蠶卵,今年1月中,已有綠葉生出,可惜最後未能存活。

由於月球背面無法以電波信號與地球相聯繫,所以需要一個中繼衛星,這就有賴於「鵲橋」。該衛星預先於去(2018)年5月發射到位於地月間距地球40萬公里的軌道,玉兔的資料可經過它再傳回地球;至於這次月面的實驗結果,將由下一個衛星嫦娥五號負責帶回。一般評論都認為嫦娥探月是一項重大成就,將對未來中國人登月的行動鋪路。
 
地磁狀態正快速變動
地磁是地球生物的保護傘。來自太陽的輻射或稱太陽風帶有大量的帶電粒子可以被地磁逆轉或阻絕,如果地球失去地磁保護,恐會造成20%人口死亡。近年發現,地磁確實在快速變動,從圖中可以看到2000~2020年間,地磁北極有近10緯度的遷移趨勢,其位置已接近地理北極。

此外,地磁也有減弱的趨勢。地心是一堆融鐵,它的運動決定地磁大小方向。歷史上地磁南北逆轉平均每20~30萬年發生一次,每次歷時200年,但並無一定週期。當地磁逆轉時,磁場是由正(北)轉到負(南)且必經過零磁場,將是一件危險的事!目前,地球物理學家正設法了解地心的活動,以了解目前地磁變動的問題。

地磁北極100年來的變動。
 
天文與宇宙研究近況
花費12億人民幣、直徑500米的世界最大電波望遠鏡「天眼(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescop, FAST)」已於2016年開始運轉,迄今已看到超過50各種類星體(pulsar)及許多中子星。今年,FAST將全速運轉並對於探測宇宙邊緣的訊息將提供重要訊息,而美國也已開始討論在夏威夷建立30公尺的光學望遠鏡,唯前途未卜。

貴州的500米口徑電波望遠鏡「觀天巨眼(FAST)」。(Wikimapia)
 
極地冰川與冰層探測
由於地球暖化,世界各地的冰川皆大量縮減,北極的冰層已逐漸消失。美英兩國探測隊今(2019)年將針對南極的一座大型冰川思韋茨(Thwaites Glacier)進行70年來的首次行動。這個五年計畫目的是了解這座巨型冰川是否將在未來崩解。思韋茨冰川位於南極西南部,面積約兩個臺灣大且正加速退化,自2000年以來,該冰川每年向內陸退10公里並變薄40公分,正慢慢地消逝著。

另一南極的研究與埋藏於南極深處的冰塊有關。由於現今各種氣候模式對全球暖化的預測有很大不確定性,所以考古氣候學非常重要。過去的冰芯紀錄顯示,地球每10萬年就有一次冰河期,這是由於地球軌道自轉軸的進動偏移(precession),有如陀螺的旋轉軸的變動,因此造成太陽輻射的變化。天體力學不是溫度變化的唯一因素,大氣中二氧化碳的變化(人為及火山噴發造成)也很重要。
目前最久的氣候紀錄來自南極一名為「C圓頂(Dome C)」的冰芯,它可提供80萬年的溫度記錄。2019下半年,歐洲科學團隊打算對C圓頂附近另一名為小圓頂(Little Dome C)的冰層進行鑽探,如果成功,將能找出150萬年的氣候紀錄。
 
日本的重力波探測器
日本的重力波探測器KAGRA正在神岡建設中,其地下通道已於2014年完工。神岡地下礦坑是日本微中子探測器的所在,由於它對微中子震盪效應的發現,也讓物理學家梶田登章等人於2015年獲得諾貝爾獎。KARGRA計畫於今(2019)年開始運作,這座耗資近1.5億美元的設施,將與世界其他有三座重力波儀同步觀測,而臺灣的中央大學也有參與KARGRA實驗。

日本神岡KAGRA重力波探測器。(By Christopher Berry - CC BY-SA 4.0, Wikimedia)
 
修理持續惡化的天氣
由於二氧化碳持續增加,地球溫度未來可能持續暖化。針對此問題,除了減少其排放外,也有人建議開發所謂「地球工程(Geoengineering)」,例如:在平流層噴灑硫酸滴,形成平流層氣膠。

一般認為,氣膠粒子能將陽光散射回太空,進而冷卻地表溫度,此概念在多年前的幾次火山爆發事件已得到印證。今(2019)年,平流層控制條件下的干擾實驗(Stratospheric Controlled Perturbation Experiment)將開始著手,計畫準備用氣球攜帶設備將0.1~1公斤粉末散布在高度20公里的大氣,造成幾公里寬、直徑100公尺的一層顆粒。

此外,氣球上也有探測平流層溫度、氣膠和臭氧等的儀器,然而懷疑論者擔心人工介入的物質將對大氣產生不可逆負面效應,因此實驗還需通過評估。

(Flickr-Oregon State University, https://flic.kr/p/X9MB1p)
 
國際線性對撞機複審
日本物理學家早先計畫建立新的超高能加速器──國際線性對撞機(International Linear Collider, ILC),預計耗資70億美元。雖說該案已有近10年的討論,但並未通過去年的初審。ILC由兩條31公里的直線加速器將500 Gev電子與正子對撞,盼能對希格斯粒子(Higgs boson)做詳細研究。今年該案將進行複審,如果通過,將會是未來高能物理的一項生力軍。
 
度量衡單位最新推導
度量衡的基本單位是公斤(千克)、米和秒,公斤定義已經更新過幾次。然而,自1799~2018年11月都是根據一塊鉑銥合金砝碼(高與直徑都是39 mm)而來,名為國際公斤原器具(IPK)。國際度量衡局曾經將IPK分送各地,後來卻發現100年以來,IPK已損失了50微克(microgram),所以必須找到一個方法重新定義公斤。
根據去(2018)年的決議,若普朗克常數(h)、基本電荷(e)、波茲曼常數(k)以及亞佛加厥常數(NA)為定值,且公尺及秒都已有精確的定義,公斤便能自普朗克常數h導出。
存放於國際度量衡局的公斤砝碼。(By Yakovyonok-GFDL 1.2, Tradition-Russian encyclopedia)
 
論文開放供大眾閱讀
科學期刊的訂閱越來越貴,使許多學校及研究機構負擔不起;S計劃為歐洲科學界的出版計畫,盼能將科學論文開放給大眾閱讀。而歐洲研究中心(European Research Center)也提議,凡接受國家基金的科學家將其著作公開化,出版經費將可由學校或政府提供。
 
日全蝕將於7月登場
今(2019)年7月2日將有新的日全蝕發生,涵蓋地區將會在南美及南太平洋,喜愛天文的朋友可逕行前往觀測。

今年日全蝕涵蓋範圍,中心深色區域是100%日全蝕。
 
凝視科學發展的背後
科學一向是研究自然界所發生的現象,例如:重力波或基本粒子研究,也因為科技研究被認為具有長遠經濟利益指標,各國政府無不全力以赴,臺灣也是如此。然而,科技發展也對自然界造成影響,因此,當前探討人對地球的影響遂成為一門新的學科,而其中的關鍵就是氣候變化。由考古氣候可了解到,過去由於大型火山噴發,曾經使大氣中二氧化碳濃度超過近280百萬分點濃度(ppm),而目前濃度已超過400 ppm,更引起許多人的關切,以致於有修理天氣的計畫,國外許多科學家也對此進行更深入的研究。
此外,透過LIGO、FAST及ILC等大型計劃,可以見到各國在科學研究上的鉅額投資。LIGO是一項非常昂貴的儀器,幾十年來美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)投資近6億美元,號稱是NSF有史以來最大的投資並曾引起很大的爭議。而日本在本世紀以來獲得的18個諾貝爾獎中,物理方面分別是微中子實驗、基本粒子理論與藍光LED等,涵蓋眾多領域,由此可知,重視基礎研究與適當的科學研究投資相當重要。

以上新聞盤點,其後續進展都令人期待,也盼未來科學家能持續綻放新的光芒。