【物理好好玩S2EP08】馬克思威爾的彩虹與韋伯望遠鏡的深空照片

韋伯深空照片前景中,密密麻麻、大部分的星系是屬於星系團SMACS 0723,距離我們大約50億光年。(東方IC)
韋伯深空照片前景中,密密麻麻、大部分的星系是屬於星系團SMACS 0723,距離我們大約50億光年。(東方IC)

韋伯望遠鏡使這些精細結構清晰可見,其中有一些星系距離極遠,它們的光來自宇宙誕生的初期,最早可以追溯到131億年前,這可是宇宙才剛誕生數億年。所以韋伯不只是望遠鏡,還是一個時間機器呢。對這些光仔細研究,將讓我們可以看透整個宇宙的歷史。

【物理好好玩S2EP08】馬克思威爾的彩虹與韋伯望遠鏡的深空照片

在自然現象中,與閃電正好相反,彩虹是療癒系的。只要看到了彩虹,豐沛的幸福感會充滿心頭,無論那一天有什麼挫折,都可以放下。彷彿它有一種把你帶離俗世的感覺,對!像進入了夢境。難怪,在電影《綠野仙蹤》裡,桃樂絲有這樣一首膾炙人口的歌「Somewhere over the rainbow」:越過了彩虹,在那裏,你敢於夢想的夢,真的會實現。

當彩虹出現時,你會看到一個龐大無瑕的圓弧,高掛在天上。更特別的是七種色彩,會同時出現在彩虹之中。彩虹多出現在雨後,有濕的水氣在面前,背後若有陽光,就會出現彩虹,因此、不難猜到,在彩虹的位置,潮濕的水滴如鏡子一樣,將太陽光反射了回來。

現在讓我們更仔細來看一下這個反射的過程。太陽光從空氣進入水滴,首先會折射,意思是光線的方向遇到空氣與水的交界,會稍微偏折。光線接著穿過水滴,到達另一面時,一部分光會被交界反射回來。接著又穿過水滴,最後離開時會再折射一次。經過這樣折射、反射再折射的過程,從我們背後打來的太陽光,就反射被我們看見了。

太陽光是白色的,但水氣卻能將它分解成不同顏色的光

嚴格來說,離開水滴的光會有一個方向的分布,但以紅光來說,在入射的陽光轉了318度角的方向,強度最強。所以彩虹中的紅色光,就在視線的這個角度,形成一個細條的圓弧。而彩虹自然是七彩的,我們會看到紅橙黃綠藍靛紫七色的圓弧是分開的。可見不同顏色的光,離開水滴時轉的角度就約略比紅光的318度大一些。例如藍色就大概是320度。這個差距是在折射的時候發生的,不同顏色的光,偏折的程度不一樣,因此就會出現在靠近、但稍微不同的視線方向。於是彩虹就呈現為七彩的圓弧,十分好看。

但更驚天動地的一件大事,聽眾別忘了,太陽光原來是白色的,而水氣竟然能夠將它分開、分解成不同顏色的光。七彩的光若是可以分開來、那自然也是可以疊加回去,還原太陽光的本色。如此可以反覆加總、分離,而不失本色,稱為疊加性,可以說是光最重要的特性。牛頓是第一個發現這件事的科學家,他使用截面為三角形的三稜鏡,將白色太陽光,分離為七彩的光線,把大自然的彩虹在實驗室內複製。在當時這可是非常意料之外的突破。

這些波的本質完全不同,但現象卻完全一樣

一般的自然現象是沒有疊加性的,疊加是波的特徵。大家最熟悉的波,就是水面的波浪了。石子落入水中,或船走過時,水面會激起漣漪或浪花,術語叫水面波。而我們常說浪頭會移動,意思就是在源頭發生的水面波浪起伏,會向外傳播,使遠方原本平靜的水面也發生起伏。所以波指的就是在源頭的物理變化,向外傳播的現象。那如果源頭的變化,一直持續、來回往復,波也會連續一直產生。這麼熱的夏天裡,很多聽眾都剛去過水上遊樂園,園內的大海嘯造浪池,就是這種連續水面波最好的例子。聽眾應該還記得,在造浪池裡,整個水面看起來,會形成一個波浪狀、上下起伏的模樣,而這個波浪狀的樣式還會一直往前移動。比較需要一點想像力的波是聲音,比如喇叭這樣的聲源發出聲音時,會像大海嘯的源頭,來回振動,持續製造出周圍空氣的壓縮與舒張。這個空氣的變化就會傳播到遠處,在那裡也製造出空氣的振動,就聽得到聲音了。

這些波的本質完全不同,但現象卻完全一樣。它們有一個共同的特徵:兩道個別產生的波可以暫時疊加在一起,分開後會保持原狀。舉個例子來說:端午節,水道上若有兩艘移動的龍船,分別激起一道浪花。兩道波浪彼此交錯之時,水面的高度,很自然就是個別高度的加總。而兩道波浪分開之後,又會維持原來的方式繼續前進,而不變形。還有一個例子,如果在房子裡,同時播放交響樂及爵士樂,兩者的聲波,會疊加成你聽到的一段聲音。但不同的愛樂者,還是可以聽出自己喜歡的那一種音樂。在自然世界中,這其實是很不尋常的一件事。很明顯的,一個水果不可能同時又是蘋果、又是橘子。一隻貓的狀態不可能是活著與死亡的疊加。但貝多芬加上路易阿姆斯壯,我不會覺得真的有什麼問題,只是有點刺耳罷了。

馬克思威爾發現,原來電的變化也可以在周圍產生磁場

所以從光可以疊加的特性,我們大概就能猜到,光應該是一種波。但光波的本質究竟是什麼?到底是什麼東西在波動呢?答案並不容易猜到。這個偉大的發現者就是上月節目中所介紹,法拉第的後進馬克思威爾

馬克思威爾是蘇格蘭人,出身與法拉第,可說是天差地別。馬克思威爾家境優沃,父親是鄉間擁有資產的仕紳。家庭對他寄與厚望,從精英高中,到頂尖的愛丁堡大學,馬克思威爾所受的教育非常完整,尤其是以數學見長。若說他與擅長直觀及實驗操作的法拉第,能力正好互補,並不爲過。所以可以說,法拉第在實驗上發現了電磁現象的真相,但卻等待著馬克思威爾用數學,把這個真相具體寫成定律。結果就是上個月提到的馬克思威爾方程式

六月節目介紹的電磁感應,我們知道,磁的變化可以在周圍產生電場。有了具體的數學式子後,馬克思威爾進一步發現,原來電的變化也可以在周圍產生磁場。如此一來,變化的電產生了磁,而這磁的出現,又可以感生原來產生這個磁的電的變化。這有點像繞口令,但意思就是:如果電場與磁場,在時間與空間上剛好搭配,就可以自給自足,自動的互相感生,脫離對源頭的依賴,而且向前蔓延。我把這個很特別的現象戲稱為電與磁的自動化。於是、當源頭發射天線的電與磁有來回往復的變化,這個變化就可以在空間中傳播,如同波浪下的水面,以及聲音造成的空氣壓縮,這就是所謂電磁波。驚人的是,電場磁場在真空中就可以有,所以電磁波即使空無一物也可以傳播,這可比剛剛那些需要介質的波強的太多了。

既然都稱為波,電磁波與水面波自然就一模一樣

法拉第透過直覺,已經有場上的波這樣的猜想,但現在有了具體的數學定律,電磁波的性質,才可以計算。沒想到新知原來是舊識,在1862年那篇劃時代的論文中,馬克思威爾計算出了電磁波的傳播速度,數值非常接近當時所測量到的光速。他在論文寫道:「我們很難不推論,光就是在這個產生電磁現象的媒介上,所發生的波動現象。」我常常想像,當馬克思威爾頓悟這個結果的那一刻,心情該是如何的激動,可惜並沒有文獻記載下來。但論文寫起來卻如此平靜,好像只是在報告,午後出門散步時,看到了一道美麗的彩虹。光波的本質現在得到了清楚的認識,我們可以透過波浪,這樣來描述。首先,想像在各處都放個小機器,測量當地電場的大小。原本結果都是零,但光經過時,各處會出現電場,測量的結果或大或小,完全與波浪或高或低的水面高度一致。而隨著時間流逝,這波浪狀的測量結果,還真的就照著海浪浪頭的移動方式、進行改變。簡單的說,既然都稱為波,電磁波與水面波自然就一模一樣。這就是你我從出生就看見、早已習以為常,光的真面目。於是我們可以利用電磁場的馬克思威爾方程式,對光進行徹底的研究,沒有一點神秘可以殘存,應該說光學現在就是電磁學了。

連續的波有一個基本的性質稱為頻率,以波浪為例可以看得很清楚。當波浪通過時,水面、或是水面上漂著的物體,會載浮載沉,形成一個週而復始的來回往復運動。每一秒來回的次數,就稱為頻率,單位就以電磁波的發現者赫茲命名。所以頻率越高,水面浮沉來回得越快。聲波一般大約是數百赫茲,頻率太高,空氣的波性就會崩潰。而真空中的電磁波,頻率卻可以非常之高。例如紅色光的頻率約是四百兆赫茲左右,也就是一秒鐘要來回往復四百兆次。這實在是令人無法想像的巨大數字,但就出現在你我身邊日常的可見光之中。

電磁波如七彩般樣貌繽紛,被戲稱為「馬克思威爾的彩虹」

不同顏色的光,差別就是頻率不同,紅光頻率較藍光來得低,頻率不同造成折射程度的差異。換句說,彩虹就是一個光的頻率分析器。現在馬克思威爾的發現顯示,光只是更廣的電磁波範圍內,很小的一個部分。電磁波包含了從頻率較低的無線電波、一直到頻率極高的伽馬射線,如七彩般樣貌繽紛,就被戲稱為馬克思威爾的彩虹。不同頻率範圍的電磁波,如同牛不同部位的牛肉,性質差別可以很大,各有用途。關鍵的差異,通常就在穿透空氣、塵埃或水氣的能力,這與頻率直接相關。讓我從較低的頻率開始介紹,首先出場的是無線電波、大概都由電路組成的發射天線發出,通訊、廣播都使用這個範圍。例如FM調頻的訊號,頻率約是一億赫茲左右。每一個電台會以其特定頻率來發送訊號,所有收得到的訊號最後都會疊加在一起。收音機收到疊加的無線電波後,再利用電路元件,如同牛頓的三稜鏡,依電台的特定頻率挑出你所選擇的訊號,保證還是原汁原味。手機訊號的頻率則約是十億赫茲左右,這大概就在無線電波波段的極限了。為了讓收訊更有效率,各家電信公司使用的頻率範圍就得分開。所以頻率的分區,就變得有點像房地產的地段,這就是一般所謂的頻寬。

頻率再高一些則是微波,微波有一個特別的好處,是無線電波沒有的:它能夠穿透大氣層,因此適合太空通訊與天文觀測。接下來就是頻率比紅光低的紅外線,紅外線與熱相關。組成物質的原子,在室溫下會作來回往復的熱運動,因此會如發射天線放出電磁波,又稱為熱輻射,一般物體的熱輻射就以紅外線為主。只是肉眼看不見,其實我們每一個人都是發光體。倒過來,紅外線照射在物體上就能對其加熱,水氣與溫室氣體也可以吸收紅外線,因此地球散熱發出的紅外線,就會被大氣擋下,這就是有名的溫室效應。接下來是可見光,這個很窄的區間內的電磁波,卻正好可以穿透水氣。

2021年升空的韋伯望遠鏡,就是以極靈敏的紅外線觀測為主

我們的眼睛大概就是依據這個原因,演化為對可見光具有敏銳的接收能力,如此我們就能看得見,穿過大氣、打在地表上的太陽光了。接下來就是比紫光頻率還高的紫外線,大家都知道紫外線過度曝曬,對人體是有害的,但它也可以很有用。去年八月的節目曾介紹半導體的顯影製程,在製作積體電路時,我們把光罩放在塗了光阻劑的基板上,接著以紫外線曝照,再用溶劑除去未遮蓋處的光阻劑,就能得到所設計的電路分佈。關鍵是越精細的製程,需要的光頻率越高。七奈米以下製程,包括台積電發展中最先進的二奈米製程,就得需要極紫外線,這已經與下一個頻率範圍的X光直接接壤了。還沒有到達X光與伽馬射線的邊境,在這邊界上的極紫外線電磁波,頻率之高,比起第一個出場的無線電波,已經大了接近百億倍。這個彩虹實在是無比廣闊,不知莊子的大鵬鳥,是否覺得夠大。相比之下人肉眼能看到的實在渺小。

馬克思威爾的彩虹,對所有科學都提供了非常重要的工具。我們舉天文學為例,天體除了可見光,也會發出其他頻率的電磁波。因為可見光很容易被星際塵埃所遮蔽,現在天文觀測,已充分運用了整個的馬克斯威爾彩虹。例如,2019年發表,舉世聞名的那一張黑洞照片,聽眾千萬別誤會是真的以可見光看到的,可見光無法穿透黑洞附近的氣體。這張照片是以頻率小很多的微波作觀測,再用數位處理製成的。還有一個例子,將要取代哈伯太空望遠鏡的韋伯望遠鏡,在去年聖誕節成功升空。這是美國太空總署NASA進行了三十年,一波三折,花費100億美金建造的一個計畫。韋伯就是以極靈敏的紅外線觀測為主,為什麼會選擇這個波段?現在任職於日本理化學研究所的台灣學者楊燿綸,在八月出刊的物理雙月刊上,有一篇介紹韋伯望遠鏡的文章,他就是這樣寫的:「恆星與行星剛形成時,多半環繞著富含塵埃的雲氣,它們會擋住視線。 在韋伯的中紅外線波段,我們將能夠看穿這些塵埃,去觀察恆星及行星形成時的各種過程。」他所提出的計畫,已經納入了競爭激烈的第一期觀測中,將會利用望遠鏡在中紅外線的高靈敏度,探究原始恆星周遭有機分子的形成機制。

韋伯深空區的照片,是宇宙至今最深、最清晰的紅外線影像

七月時,才成功就定位幾個月,韋伯望遠鏡就發表了第一組的科學結果。其中有一張韋伯深空區的照片,這是宇宙至今最深、最清晰的紅外線影像。所謂深空,深就是遠的意思,一般的天文觀測會鎖定一個觀測目標以求清晰,而深空觀測則放空,對著一整個區域,長時間曝光觀測,以至透得又遠又深。所以影像中會包含大範圍、而且非常遙遠的星系。哈伯望遠鏡過去二十年,一系列深空觀測就已經非常令人震撼了,這張韋伯深空照片,更加厲害,美國總統拜登特別為它開了記者會公諸於世。照片的範圍是南方天空很小的一角,大概對應我們伸長了手時,指尖上一粒沙看起來的大小。

影像中的光點是如我們銀河系般的星系,估計照片裡有上千個星系,每個星系又有上億顆恆星。宇宙之浩大,由此可見。照片前景中,密密麻麻、大部分的星系是屬於星系團SMACS 0723,距離我們大約50億光年,不算太遠。更顯眼的是許多在SMACS0723後面更遠的星系,它們發出的光先經過SMACS 0723附近才到地球。但因為SMACS 0723極大重力的影響,光是彎著走的,這是典型的重力透鏡效應。所以它們的影像好像經過了SMACS 0723提供的放大鏡,得到了放大加強的觀測效果,這是深空可以看到更深的秘訣。這些後面星系的影像,通常會被扭曲成奇怪而迥異於正常星系的形狀。有的看似隨意的一筆,有的倒比較像被壓扁了的麵疙瘩。讓我印象深刻的是靠中央左下方,有兩段藕斷絲連的圓弧,它們其實是同一個銀河的兩個拉長後的影像。韋伯望遠鏡使這些精細結構清晰可見,其中有一些星系距離極遠,它們的光來自宇宙誕生的初期,最早可以追溯到131億年前,這可是宇宙才剛誕生數億年。所以韋伯不只是望遠鏡,還是一個時間機器呢。對這些光仔細研究,將讓我們可以看透整個宇宙的歷史。而因為宇宙擴張的紅移現象,極遠的星系當初所發出的可見光,我們在地球看到時頻率會降低至紅外線的範圍。韋伯的紅外線觀測能力,正是針對早期星系的研究而設計,時間上掐準了第一代恆星與星系誕生的時代。

韋伯望遠鏡並不會完全取代哈伯望遠鏡

韋伯望遠鏡(右)與哈伯望遠鏡的對應照片。因為頻率不同,兩種望遠鏡所拍攝的南環狀星雲(NGC 3132)影像,有顯著的差異。(東方IC)
韋伯望遠鏡(右)與哈伯望遠鏡的對應照片。因為頻率不同,兩種望遠鏡所拍攝的南環狀星雲(NGC 3132)影像,有顯著的差異。(東方IC)

 

天文觀測真的已經進入精密測量的時代了,而且結果賞心悅目,但別忘了,韋伯觀測的是不可見的紅外線,發表的照片可是用最先進技術修圖處理的美照。妙的是,燿綸還告訴我:「儘管韋伯望遠鏡很厲害,但並不會完全取代哈伯望遠鏡。物理上來說他們主攻的波段還是不同,在可見光哈伯還是很好用。」的確,我看到了一張韋伯深空與哈伯深空的對應照片,果然因為頻率不同,看到的星系是有相當差異的。所以整個彩虹,就像整隻牛,都是有用的。

費曼曾說過:「如果從長遠的人類歷史眼光來看,無疑的,十九世紀最重要的事件,就是馬克思威爾發現了電磁學的定律。」人類對電磁現象的掌握,不僅完全改變了文明與生活的樣貌,過了一百年後,還持續讓我們開發出令人驚豔的工具,來探索自然。看來,透過馬克斯威爾的彩虹,許多科學家大膽的夢想,或許都真能實現。

下一集我們將介紹薛丁格的貓。

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