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宇宙是門必修課──美國天文物理學家泰森

海頓天文館的館長泰森從小就熱愛天文,並把「天文學家」當成人生志願。 海頓天文館的館長泰森從小就熱愛天文,並把「天文學家」當成人生志願。 圖片來源:Shutterstock

1997年前後,海爾─波普彗星接近地球時,泰森(Neil deGrasse Tyson)正在搭飛機從紐約前往洛杉磯。這個大彗星的彗核直徑超過40公里,比許多恆星還亮,甚至不受城市燈光影響,你可以親眼目睹。

海爾─波普彗星破了近200年的紀錄,不用望遠鏡,肉眼可見時間長達9個月。讓你一次看個夠,不過,如果你那次(跟我一樣)沒看到,就沒有下次了,除非你可以活到西元4385年,等它再次回歸。

泰森搭機那天,飛機在11,000米高空,以時速965公里追著落日。他從窗邊往外望,欣賞耀眼的海爾─波普彗星,深深被打動,進而決定跟這架波音767飛機上的200名乘客分享他的感動。

拿出紙張,泰森寫下海爾─波普彗星如何被發現,還有,如果彗星撞地球,世界末日會是什麼情況:

6,500萬年前,恐龍的滅絕就是因為彗星撞地球。如果海爾─波普彗星撞地球,人類也會面臨世界末日。從彗星接觸地球最外層的大氣層到形成隕石坑,過程只需10秒。

寫完後,泰森把紙張遞給空服員:「請給機長。」同時,他附上兩張名片,一張印著「紐約海頓天文館館長」,另一張則是「普林斯頓大學天文物理學家」。

5分鐘後,機長對乘客廣播的聲音傳來,說有個天文學家在我們飛機上,他想跟大家分享有關海爾─波普彗星的資訊,接著,機長大聲唸出紙條內容,連世界末日那段也唸了。

被天空黏住的小孩

機上乘客的反應?泰森說:「顯然,大家都很感興趣。」他還補充:「如果你坐飛機時身旁正好坐著天體物理學家,你最好一股腦把所有你想知道的有關宇宙的知識都向他請教一下,因為你不知道下次遇到天文物理學家會在什麼時候。」

這場即興發揮的「機上科普」,如同泰森的生活寫照。他上電視談天文,也主持科普節目,代表作是2014年擔任《宇宙大探索》(Cosmos: A Spacetime Odyssey)主持人。這是1980年美國知名天文學家卡爾薩根主持的《宇宙:個人遊記》的續集,因此泰森常說他是薩根的學生。

節目上的泰森頗具喜感,小平頭、留鬍子,笑起來好似香港藝人吳孟達。近190公分的身高穿起西裝,打著天文圖案領帶,侃侃而談天文知識。一位主持人在訪問他時,最後忍不住蹦出一句:「領帶不錯!」

他寫了10多本天文書,2017年出版《宇宙必修課:給大忙人的天文物理學入門攻略》,名列《紐約時報》暢銷書排行榜第二。同年台灣也翻譯出版這本書。

泰森就像美國的網紅館長,只不過他是海頓天文館的館長。他9歲時參觀海頓天文館,望著滿天星斗,一轉眼,45分鐘過去了:

我從沒像那晚一樣清晰地見到過如此壯美的銀河,就在那個漆黑、繁星閃爍的夜晚。面對絕美夜空,我難以置信,忘乎所以,不知不覺45分過去了。……我內心受到召喚:我要研究宇宙,沒有什麼能阻止我。

自此,他被天空黏住。鄰居好友借他雙筒望遠鏡,他看到月亮,感到「廣闊,難以忘懷」。人生第一個單筒望遠鏡,是父母送的生日禮物,他可以連續好幾個小時觀星。小學交讀書心得,他寫天文學,長大的志願,他填「天文學家」。

泰森的一位國小老師,從報上注意到海頓天文館的開課訊息,目標是國高中生,雖然泰森當時還只是小學生,但老師仍鼓勵他報名。海頓天文館的天文課讓他體會學習不只在課堂,也來自校外,而一個好老師「會把自己當做教育者,關注如何豐富學生的人生,而不是看有多少學生在課堂拿A。」

談論宇宙就像呼吸一樣自然

從小學到高中,泰森持續參加海頓天文館的課程,他的「同學」平均大他10多歲。課堂中他結識了紐約探險家俱樂部成員,並獲得推薦和經費補助,搭船前往非洲西北海岸觀看日全食。

那一年,他14歲,和2,000名乘客一同搭船前往非洲,船上有科學家、工程師、天文愛好者,還有曾登陸月球的太空人阿姆斯壯、著名科幻小說家阿西莫夫等名人。15天的海上旅程,船上舉辦各種座談跟活動,開拓了泰森的視野,也讓他有短暫成名的機會。一次天文學小知識的競賽活動中,他一路挺進決賽,最後題目是:「除了美麗的光環,土星的哪個特徵有別於太陽系其他行星?」

泰森知道,太陽系有類地行星家族(水星、金星、地球、火星),以岩石為主要成份,另一家族是氣態巨行星(木星、土星、天王星、海王星),具有大體積、低密度的特色。他也知道,土星就像海灘球,密度比水低,如果掰下一塊土星,放到水盆裡,是會浮起來的。

「我小時候一直想要很酷的土星玩具,而不是橡膠小鴨。」泰森心想,接著大聲回答:「土星是太陽系中唯一密度比水小的行星!」他答對了!他成了船上天文學小知識競賽的狀元,贏得掌聲,並獲得香檳一瓶。

他回憶那場船上競賽時說:「仰望星空這麼久,在那一刻,我終於也成為一顆閃亮的星星,雖然只閃耀片刻,但已令我欣喜若狂。」

1973年,捷克天文學家科胡特克(Luboš Kohoutek)發現新彗星,這顆彗星因此命名為科胡特克彗星。那年泰森15歲,他愛好天文的消息在親友間傳開,一位親戚為他安排一場大學成人教育課程演講。

15歲的泰森,經驗了人生第一場演講。他準備天文照片,從行星、恆星談到太陽系、銀河系,也講彗星知識,以及當時即將到來的科胡特克彗星。聽眾50人,年齡平均大他40歲,但他不太緊張,他覺得「談論宇宙就像呼吸一樣自然,就像別的小孩談論他們珍藏的棒球卡片,或者影迷談論他們最愛的電影一樣,分享我所熟知的東西再正常不過了。」

我以為我死了,置身於遙遠的壯美星空裡

也是15歲那年,他成了學校的灌籃高手。他一次次用手掌扣住球,跳得老高,把球灌入籃框。再來個花式招數,空中旋轉360度後再灌籃。

「就算這樣,也只得2分。」泰森心想,要比速度,誰能比光快?光速以每秒30萬公里的速度飛奔,但即便如此,光也無法逃離黑洞。萬物的規律讓他心醉神迷,他認為這事實比360度灌籃還驚人,「物理學的定律在地球上的任何地方都適用,甚至超越社會道德,在全宇宙都適用。」

少年泰森愛天文,沒想到遇到比他更瘋的一群老師。高中時,他和其他少年響應一群科學老師的號召,去加州南部觀星。一行人浩浩蕩蕩從東岸紐約開53個小時的車才抵達西岸的沙漠營區。為了觀星,一群「理智的大人」竟然在沙漠租了塊地,還找來十幾架高性能望遠鏡和一台當時仍屬稀有的電腦,帶著一群少年在營區過著30天日夜顛倒的生活。在城市的夜晚,能看到100顆星星就算好運,但在沙漠營區,泰森目睹上億顆繁星,他回想:「在那裡,我以為我死了,置身於遙遠的壯美星空裡」。

泰森後來大學讀物理系,研究所跟博士班都專攻天文物理學。他見過宇宙的美跟規律,也想跟更多人分享,「我要先讓那些因迷信而畏懼宇宙的人了解它的法則和運行方式,再讓他們見識到宇宙的美。」

測量到宇宙大爆炸的餘燼!

1920年代,美國天文學家哈柏發現銀河系之外還有許多星系,宇宙比我們原先想的還大,而且,宇宙正在不斷地膨脹。

泰森跟他兩個同事合寫的天文科普書中做了個比喻,宇宙就像烤箱中受熱膨脹的巨型葡萄乾麵包,星系是葡萄乾,星系之間的空間就是麵團。麵團膨脹,每一顆葡萄乾跟其他葡萄乾的距離都會拉遠,若回推的話,就表示以往某個時間點,宇宙所有物質都聚在一塊,所有「葡萄乾」都擠在一起。

宇宙一直膨脹,起點源於138億前的一場大爆炸(Big Bang)。這是到目前為止最有解釋力的一個宇宙起源理論,當初有另一派天文學家認為宇宙是靜止的,沒有起點也不會膨脹,維持現況無限久了。但後來許多證據出爐,證實大爆炸理論的有效性。

宇宙大爆炸時溫度非常高,等到38萬歲時,溫度降到一定程度,才發生改變。這時,光子開始向四面八方釋出,隨著宇宙膨脹,光子波長會拉長,溫度會下降,這稱為「宇宙微波背景」,也可說是「宇宙大爆炸後的餘燼」。

天文學家於是推估,理論上可以測到138億年前釋放至今的宇宙微波背景,也預測其溫度大概是5K。天文學界不停尋找,後來1964年美國兩位研究人員觀測到宇宙微波背景,觀測結果得到的溫度是2.725K。有天文學家比喻說,這就像是有人預測某天會有個直徑15公尺的飛碟降落美國白宮,結果那天飛碟來了,而且還真的降落到白宮草地上,只是飛碟的直徑不是15公尺,而是8公尺。

這個預測能力之精準,是「宇宙大爆炸」理論的大勝利,也是人類知識的大成就。實際觀測到的兩個美國研究人員,獲得1978年的諾貝爾物理學獎。不斷深化「宇宙大爆炸」理論的學者詹姆斯.匹柏士(James Peebles)也在2019年獲得諾貝爾物理學獎。

泰森常跟他的學生說:「我們對宇宙理解有驚人的跳躍式進展,就發生在現代人的一生當中。我常問自己:接下來數十年,還會出現哪些革命性進展?我們將會目睹哪些值得告訴後代子孫的新發現?」

50億年後,太陽的末日來臨……

泰森擔任海頓天文館館長時,他第一個編排的劇場節目是「宇宙的心靈震顫」,透過影像跟聲光,模擬太陽臨死前的情景。天文學家估算,目前太陽50億年了,之所以能穩定發光發熱,是因為其內部的氫元素不斷進行核融合反應,轉成氦元素,再過50億年後,當太陽內部的氫元素消耗殆盡,就只剩氦元素,這時太陽一方面往內坍塌,溫度上升,亮度增加,另一方面,太陽不斷膨脹成更大的球體。

太陽持續變大,漸漸吞沒水星和金星的軌道,接著膨脹到地球的軌道。這時,地球會持續升溫,大氣層慢慢蒸發殆盡,海洋也會被太陽的高溫蒸乾。接著,地球成了太陽內部一顆炙熱的紅色火碳。最終,太陽會慢慢停止其內部的核融合反應,薄弱的氣體外層漸漸消散,露出僅存的太陽核心。

泰森說,這個劇場節目非常成功,因為之後的一個月內,他收到好幾十封家長來信,抱怨小孩「目睹」太陽可怕的末日命運後嚇到睡不著。

現在的孩子,都能「目睹」50億年後太陽的末日情景,然而在180年前的地球,連當時最頂尖的學者,對太陽這顆恆星的認識也極其有限。像是法國哲學家孔德(Auguste Comte)在1842年出版的《實證哲學教程》中就寫著:「我們永遠無法知道恆星的內部組成,至於其中一些恆星,我們也永遠無法知道那些恆心的大氣如何吸收熱。」

人類的天文知識發展推進,推翻了孔德對恆星的預測。人類不但掌握恆星的內部組成,也提出恆星發光發熱的原理。德國出身的美國天文物理學家漢斯.貝特(Hans Albrecht Bethe)就因為成功闡明太陽發光的核融合反應,而獲得1967年的諾貝爾物理學獎。

據說漢斯.貝特剛發現太陽發光的原理後,和女友散步聊天,他女友說:「天上的星星好美呀!」貝特回說:「是的,現在我是世上唯一知道它們為什麼發光的人。」他的女友一點也不激動,只是呵呵帶過。

泰森就不同了,他不但說:「從這些歷史經驗,你或許可以避免像哲學家孔德一樣做出愚蠢的預言。」還抱怨現今社會看待科學的態度,「科學知識有助於培養人的批判性思維,有了這種思維,你就可以用自然科學原理來判斷有些人是不是蠢蛋。」

他還推出天文秀節目,讓更多人們有機會「目睹」太陽末日的情景,至於那些嚇得睡不著的小孩,他怎麼看?

泰森說:「那些孩子肯定沒有留意當時的旁白:『50億年後……』。」

宇宙任你遨遊

當小孩因為玩具找不到、跌倒受了點小傷而大哭時,大人可能認為這根本不是什麼大事,小孩還沒有了解到「這個世界不是繞著他們轉的」。那麼,宇宙是繞著人類轉的嗎?泰森說:「身為成年人,我們是否也敢承認,我們的觀點不成熟?我們是否敢承認我們的想法和行為,源自我們相信我們是這個世界的主人?」

泰森說,人類活在宇宙裡,宇宙也活在我們身體裡。地球的組成元素跟宇宙的基本元素是一樣的,這些元素來自恆心的核心。每一口人類喝的水,最後都會回到水循環系統裡,水分子是重複使用的,因此現在我們喝的水,有一部分可能流過成吉思汗、蘇格拉底的腎臟。空氣分子也是循環使用的,我們現在吸的空氣分子,也可能通過拿破崙、林肯的肺部。

面對宇宙浩瀚,泰森不覺渺小,反而眼界大開。他說:「因為受到物理定律的啟發,人類知道宇宙運行的規律。因為人類的腦子,這一團1.3公斤的灰色物質已解開這些謎團。而宇宙裡有更多謎團,等著我們去探索。」

比如說宇宙大爆炸之前的情況?泰森說:「天文學家目前對此一無所知。無知才是科學家心智的自然狀態。自認無所不知的人,從來不去尋找,也不會碰巧發現到宇宙未知與已知的界線。」

就像他主持的天文節目《宇宙大探索》中的開場白:「用實驗和觀察來驗證想法,用已證實的理論來進行探索,排除禁不起驗證的想法,在證據的引導下前行,並質疑一切事物。接受這些規範,宇宙任你遨遊。」

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新竹香山樹仔腳出身。曾任《人本教育札記》主編、《親子天下》記者、《上下游新聞市集》記者。目前為大腳小腳親子共學團領隊兼文字工作者,寫教育跟農業,著有《食農》。相信教育的可能性,能創造更適於人居的社會。
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新竹香山樹仔腳出身。曾任《人本教育札記》主編、《親子天下》記者、《上下游新聞市集》記者。目前為大腳小腳親子共學團領隊兼文字工作者,寫教育跟農業,著有《食農》。相信教育的可能性,能創造更適於人居的社會。

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