1011112日──閱讀孫維新教授科普文

孫維新教授日前甫蒞臨本校校慶大師講座,深入淺出,生動精彩,獲滿堂喝彩,同學收穫滿滿,於是特選孫教授七篇科普又頗具哲理的好文章,再與同學共享學術的滋潤。(1.孫維新:誰說只有端午節正午才能立蛋?

2.孫維新:一個充滿活力的宇宙! 2009/08/20 聯合報

3.孫維新:在爛泥溝渠中仰望星空   聯合報2011.10.03

4.孫維新:天長地久和活在當下   2009/06/25 聯合報

5.孫維新:認真與隨緣       2009/09/09 聯合報

6.孫維新:太陽風暴 超級月亮 世界末日情結   2011/03/12 聯合報

7.孫維新:一個均勻而完美的橢圓! 2009/07/20聯合報

 

1.孫維新:誰說只有端午節正午才能立蛋?

在台灣,物理、化學和數學這三個領域,常常心不甘情不願地在爭一個「第一」,就是「誰是第一個被中學生放棄的學科?」聞之令人鼻酸。隨著「演示教學」的蓬勃發展,物理很高興地在這場競賽中逐漸落居下風。

。學生愈是猜不出老師要搞什麼花樣,心中的興奮和期待就愈是高昂,老師幾乎不需要擔心學生注意力不集中,因為多半時間大家都會擠到教室前方,伸長脖子觀看各種有趣的物理現象!

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2.孫維新:一個充滿活力的宇宙!
2009/08/20 聯合報

八二年,蘇東坡與友人乘舟遊於赤壁之下,在清風明月之中吟詩作賦,同時討論流體力學和天文物理現象,這段探討自然內容有二,一曰「水」,一曰「月」。

蘇氏觀察月相盈虧,終始循環,知道「盈虛者如彼,而卒莫消長也。」月亮的本質不變,月相變化不過是表象的輪替而已。這比辛棄疾認為月亮老是掉到海裡,「怕萬里長鯨,從橫觸破。」要來得高明多了。

柯南道爾藉著福爾摩斯之口,說了一句經典名言:「沒有比日常生活中顯而易見的『事實』,來得更會騙人的!」的確,太陽的東昇西落,讓托勒密直覺地以為太陽繞著地球轉,也因此這個最符合「直覺」的「地心說」,騙了世人一千五百年之久!

怎麼計算?地球的半徑大約六千四百公里,乘上圓周率再乘上二,就是繞赤道一圈的周長,將近四萬公里,但是在赤道上任何一點,隨著地球自轉一圈回到原來的地方,只需要廿四小時。四萬公里的距離,廿四小時走完一圈,兩者一除,我們在地表的時速將近一千六百公里!

地球自轉的速度雖然很快,但是比起公轉速度還有一段距離。地球離太陽一億五千萬公里,所以公轉周長是九億公里,公轉一圈需時一年,九億公里除上一年三百六十五天,再除上廿四小時,就得出了地球公轉的速度:每小時十萬公里!

為了要讓台灣的民眾體會星空之下的感動,同時也能讓我們接觸這些看來違背生活直覺的物理規律,這個暑假我們在中正紀念堂創造了一片星空,讓天文學透過文學、歷史、科技和新知,展現在世人面前。開展前徹夜工作,夜靜更深,走出戶外,徜徉在中正紀念堂周邊的草坪之上,明亮的木星尚未西沉,東方的啟明星已經照耀天際。仰觀星空,俯察大地,深深體會自然之美,宇宙之奇!

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3.孫維新:在爛泥溝渠中仰望星空

沒到過青藏高原,不知道「山可以這麼高,天可以這麼近,水可以這麼藍,星可以這麼亮。」五千米的高原上,空氣清朗澄澈,無汙染、無光害,是祈求美麗星空的光學天文觀測者的天堂,但高原上的寒風和缺氧也同時是考驗人體極限的地獄。

觀測環境的良窳和交通食宿的難易,一直是天文觀測者的兩難,為了追尋璀璨亮麗的星空,觀測者常需要間關萬里、跋山涉水,去到人煙罕至的崇山峻嶺處,也因此近年來拜網際網路發達之賜,「遠距天文觀測」應運而生。

現代化的天文圓頂中沒有觀測者的位置,因為夜間觀測時圓頂內應該漆黑一片,只有來自夜空的星光穿過圓頂的觀測窗落入望遠鏡中。若有人在場,一打亮手電筒就會造成光害;人本身也是熱源,發出的熱量大約等於一個一百瓦的電燈泡;這些「擾動」都會影響觀測結果。所以觀測者在確定望遠鏡運作正常之後,就會熄燈關門,離開圓頂到旁邊的控制室中,經由網際網路控制望遠鏡和照相機進行觀測。但如果經由網際網路就可以操控望遠鏡,那觀測者是在圓頂旁邊夜間的控制室中,或是在萬里以外地球另一側白天的實驗室中,會有任何差別嗎?不會!所以「遠距天文觀測」可以成功地跨越晝夜的輪替、天氣的影響和緯度的限制。

這些尖端科技的迅速進展,驅使天文學家一步一步走向世界的最高處。二○○八年一月寒假,在青藏高原缺氧最嚴重的月份,我們一行八人,搭乘兩輛越野吉普車,前往當地進行連線測試。

從拉薩出發,要在五千米的高原走上三天,才會到達觀測站,高原上沒有道路,盡是黃土爛泥碎石,這樣的路況,藏人司機仍然能開到時速一百公里!不開快不行,因為每天要趕八百到一千公里的路。三天高速又顛簸的越野車強迫體驗,換來的卻是一幅令人心碎的畫面,原先當地傳來的照片中兀然挺立的天線,卻已經不堪高原強風摧折,攔腰斷成兩截。測試不成只好下山,但是這次旅程的厄運才剛開始,先是傍晚爆胎,再來是夜間車輛陷入冰溝,最終是清晨在寒風刺骨的冰原上翻車不禁想起王爾德在「溫夫人的扇子」一劇中,藉著達林頓勛爵的口說出的那句話:「我們都身陷在爛泥溝渠之中,但還是有些人會抬頭仰望星空。」這句話描述的是悲慘社會困頓人心中的一絲希望,但此時此地,這句話卻是我們在青藏高原艱苦奮鬥的最佳寫照。

在國內優質企業的多方贊助下,今年年初我們在高原的觀測點終於有了自己的太陽能獨立電站,新建設的衛星天線也已經測試成功。八月下旬,我們從台灣遙控高原上的望遠鏡,拍攝到了第一幅遠距獲得的天體圖像,從此台灣和青藏高原之間,在科學研究和星空分享上沒有了距離!

在前往青藏高原的旅途中,我們常坐在牧民的帳篷外,捧著剛擠出來的羊奶,遠眺高原。我逐漸發覺,璀璨亮麗的星空和優良的科研環境其實已不是當地唯一的吸引,大山大水的高原景觀、原野上成群奔跑的野驢子和黃羊、雅魯藏布江上振翅起飛的黃水鴨,和傲然站立在遠方的藏羚羊,都是大自然給我們的全人教育。我們也才知道,人們不是萬物之靈,只是萬物之一,和芸芸眾生共同分享這個地球!

4.孫維新:天長地久和活在當下
2009/06/25

天文學是一門觀測的科學,上課的地方不在教室內,而應該在外頭的大自然中。當年回台教書,頭一門課就是「天文觀測」。一上課問學生「星空是如何運動的」、「四季星空是如何輪替的」、「恆星和行星是如何昇落的」,學生一臉茫然。好吧,說得再好聽,不如親眼一見,就讓同學們晚上到學校門口的大草坪上觀察星空,學生怕無聊,弄了兩瓶酒,帶上幾盤滷菜,吃酒聊天之餘,偶爾抬頭觀星。

希望您能從「全球天文年」開始,常走出戶外,來到星空之下,以蒼天為帳,大地為床,享受宇宙星空帶來的感動!好些人看著宇宙的天長地久,發願要好好地活在「當下」,把握「現在」;不過我們要提供您一個不同的角度:「當下」是什麼意思?「現在」又如何定義?

夏夜星空中,牛郎挑著扁擔裡的一子一女,在銀河的這一邊望穿秋水,但那已經是十七年前的牛郎星了,因為牛郎星距離我們十七光年;在銀河的另一邊翹首企盼,期待在金風玉露中再次相會的織女,已經是廿五年前的織女星了;有趣的是,和牛郎及織女排成「夏季大三角」的天鵝尾巴

抬頭看「光記錄不同時間」

四年克卜勒超新星之後的又一奇觀!但是實情如何?大麥哲倫星系距離我們十六萬八千光年,這顆超新星爆炸瞬間所放出的光芒,走了十六萬八千年才在一九八七年二月廿三日抵達了地球!課堂上的學生一聽就急了:「老師,那它現在怎麼樣了?」現在怎麼樣,就請您慢慢兒等,十六萬八千年之後,您就知道它「現在」怎麼樣了!

人類的壽命相較於宇宙年歲,有如白駒過隙,曾不能以一瞬;人類生活的空間,也不過是地表以上薄薄數公里的一層,相較於整個地球,就好像把個籃球扔到水裡再撈起來,籃球表面所沾附的那一層水的厚度,大約也就是蘋果那層果皮的厚薄§§

5.孫維新:認真與隨緣
2009/09/09

孔子周遊列國,厄於陳蔡,子路自告奮勇去村子裡要飯,村口老丈說:「既然是孔夫子的門生,學問一定很大,我寫個字你來認。」就寫了個「真」字,子路一眼認出,沒想到老丈勃然大怒,亂棒把子路打出村口,子路回來一肚子委屈,孔子問明原委,搖頭嘆息:「這年頭不能『認真』啦!認真的人就沒飯吃了。」

離太陽最近的水星,循著橢圓軌道環繞太陽公轉,最接近太陽的一點稱為「近日點」,天文學家老早就發現水星的近日點並不固定,會隨著時間緩慢漂移,繞著太陽打轉,這個漂移的程度每一世紀大約是五千六百個「角秒」。這個角度到底是大是小?

每一百年不過只有小小四十三個角秒的誤差,這又有什麼打緊?認真的天文學家卻覺得這個誤差大到無法忍受,但是在牛頓力學的框架下已經別無他法,因此各式各樣的奇怪理論紛紛出籠,有人認為在水星和太陽之間另有一顆行星存在,還將其命名為「沃肯」(Vulcan)中兩耳尖尖、面容始終嚴肅的史波克先生!

「認真」的精神固然可喜,但是「隨緣」的態度也不可或缺。一九六二年,貝爾實驗室的兩位工程師在研究微波通訊時,發現無論通訊天線指向何方,總是有一個均勻且穩定的雜訊存在,他們用盡各種方法去除這個雜訊,包括拿個掃把爬上天線,把在天線中築巢的鴿子趕出,這個「雜訊」依然存在!他們當時渾然不知,這個「雜訊」,就是在咫尺之遙的普林斯頓大學中,世界頂尖的天文學家上窮碧落下黃泉地尋找當年宇宙大霹靂之後所留下來的「餘溫」!後來這兩位工程師因著這個「發現」,得了諾貝爾獎。

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6.孫維新:太陽風暴
2011/03/12

人們似乎有一種自己嚇自己的傾向,不斷地尋找下一個世界末日。在瞭解了2012!因為NASA,屆時地球作為太陽近旁的一顆行星,就會像受委屈的小媳婦一樣,對磁爆的不斷轟擊,只能逆來順受,幾次之後,地球也就到了末日了。

萬公里,讓我們假裝當它是150公里,當它是15000年代也曾有過九顆行星排成一線的天象,許多人以為當所有的行星集合發功,地球就將毀於一旦。當時有印度高僧率領門徒,散盡家財,入夜時集合大家,上附近山頂打坐,以迎接第二天末日的到來,沒想到第二天太陽照樣升起,馬照跑,舞照跳,唯一的不同處只是各人的家財都沒了。

科學的態度是自我偵錯,當然也就應該為社會熱情解惑,天災頻仍,各有發生原因,但和每日每月規規矩矩運行的月亮太陽無關,因為地上的災難,怪罪到這個無辜的月球,也真的是扯太遠了!

7.孫維新:一個均勻而完美的橢圓! 2009/07/20

我們都看過夕陽西下的一輪紅日,也看過皓月東昇的中秋滿月,但到底太陽和月亮在天上看起來誰比較大?

日食有三種

各位地球人,請好生珍惜我們生活的這個年代,因為我們正處在太陽系演化過程中一個絕無僅有的珍貴階段:太陽直徑比月亮大四百倍,但卻剛好比月亮遠四百倍!大小的差異和距離的遠近彼此抵銷,使得太陽和月亮在天上看起來幾乎一樣大!然而月亮繞地球運行的軌道是「橢圓」,月亮公轉時離地球有近有遠,看起來就時大時小;同樣的,地球繞行太陽的軌道也是橢圓,因此太陽在天上也是有大有小,兩個同樣原理的現象相互為用,造就了太陽系變幻無窮的日食現象!

走筆至此,抬頭看看窗外,歐洲草原如飛地掠向身後,我正在前往捷克首都布拉格的火車上,要回到克卜勒追隨丹麥天文學家第谷研究行星運動的地點和年代。當時第谷擁有全世界最精確的行星軌道觀測數據,但卻做出了一個讓人今天看來啼笑皆非的結論,他在「日心說」和「地心說」之外別樹一幟:宣稱地球是宇宙的中心,太陽繞著地球轉,但是所有行星卻繞著太陽轉!

年,克卜勒來到了布拉格,擔任第谷的助手。第谷的脾氣驕恣跋扈,克卜勒的個性孤傲自閉,兩個人之間十個月的相處並不愉快,但是這段千古奇遇卻導致了行星運動學說上的最大發現!第谷死前將所有觀測數據交給克卜勒,希望他能善用這套數據寶藏,支持自己的奇怪理論,克卜勒倒是認真地研究了第谷的數據,但卻得出了完全不同的結論:所有的行星都繞著太陽轉,而且軌道是橢圓!

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