1856 年的夏天,達爾文發表著名的《物種起源 (On the Origin of Species)》三年之前,德國杜塞爾多夫 (Düsseldorf) 市東面約 13 公里處,尼安德河谷 (das Neandertal) 中的工人正忙於為石灰岩礦場挖掘隧道。在開鑿洞穴壁的石頭時,他們在沙石堆中發現了一些骨頭化石,以為是二萬多年前已經絕種的洞熊 (cave bear)。後來,化石經礦洞主人落到收藏者 Johann Carl Fuhlrott 手中,他第一時間就辨認出骨頭不是屬於洞熊的,而是屬於一種遠古的人類,但頭顱骨的特徵卻跟現代人類有着明顯的分別。這個發現受到當地報章的關注,並且引起兩位波恩大學的解剖學教授的興趣,經過分析後,他們認為骨頭擁有的特殊結構和形狀,並非不正常發育的結果,而是因為它屬於一個與古代智人有着明顯差別的人種,以其發現之地取名 —— 尼安德塔人 (Neanderthals)。

這是首次有古代人種的骸骨被鑑定為智人之外的新物種,但只是世界上第三批出土的尼安德塔人遺骸。早在 1829 和 1848 年,尼人的頭骨化石已在昂日 (Engis) 和直布羅陀 (Gibraltar) 面世了,但當時只是被粗略地鑑定為「古人類」,直至尼安德河谷的發現和「進化論」發表,考古學家才替他們驗明正身。位於伊比利亞半島 (Iberian Peninsula) 的直布羅陀可能是尼安德塔人最後的棲息地之一,大部分尼人可能在三萬五千年前左右已經滅絕了,但在直布羅陀附近的遺跡顯示他們繼續生存了約一萬年之久。這個於地中海與大西洋相連之處,一個不到 7 平方公里的城鎮,擁有一座聳立在海旁的巨型石灰岩 —— 直布羅陀巨巖 (Rock of Gibraltar)。在古希臘神話中,巨巖是半神英雄海格力斯旅程的最西點,和對岸位於非洲的山脈一起被稱為「海格力斯之柱 (Pillars of Hercules)」,標誌着從地中海進入大西洋之門。在西班牙國徽裡,纏着兩根柱石的 Gules 紅絲帶上,就印上了 Plus Ultra 一語,象徵通往新世界、未知領域之門。

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19 世紀初的直布羅陀巨巖。(來源:Wikimedia)

直布羅陀巨巖陡峭懸崖下的洞穴為最後一批尼安德塔人提供了棲息地,見證着這個古人種的衰亡,其獨特的地勢讓它目睹了不同時代文明的興衰。自古以來,直布羅陀是個軍事重地,在巨巖上興建瞭望塔,能輕易監視遠方的船隻,整座岩石同時也是地下隧道中士兵的天然屏障,是極佳的防禦之地。多年來列強都虎視耽耽,想要奪取這片土地,直布羅陀的主權最後在 1985 年落到英國人手中,讓英國和西班牙這兩個「日不落帝國」在歐洲的一個角落接壤。「日不落」,代表着在任何時候,全帝國版圖中都有一部分處於白晝中;自哥倫布走出歐洲、發現美洲新世界,殖民地遍佈全世界,成為了當時歐洲列強的野心。從 15 世紀開始,卡斯蒂利亞王國 (Reino de Castilla,西班牙的前身) 和葡萄牙王國爭相把大西洋兩岸的土地據為己有,各個大大小小島嶼上的原住民亦無一幸免。東大西洋的一個火山群島,作為當時歐洲大陸船隻遠征的中途站,紀錄了大航海時代冒險家探索大海的事跡,群島上的高峰,也正在寫下現代人類探索宇宙的故事。

陽光與海灘 星光與銀河

很多火山群島,像太平洋上的夏威夷群島,都代表着陽光與海灘。數千萬年前,在太平洋下形成的一個「熱點」不斷把地殼深處的岩漿帶到海床上,與海水接觸後冷卻形成新的土地,因為太平洋板塊在地幔上的漂移,在幾百萬年間塑造出今天所見的群島。非洲西部離岸約 100 公里處的加那利亞群島 (Canarias)(有人譯作「犬洲道」),也像夏威夷群島一樣,擁有着亞熱帶的氣候,暖和的冬天每年都吸引逾千萬,尤其是從歐洲前來避寒的遊客。加那利亞群島的亞熱帶氣候也是音樂創作的靈感來源,或者置身遍地黑沙的海灘上,真的能體會到 Russian Red 在《Fuerteventura》裡所言

I hear the dream I never had before

或者是 Ed Sheeran 在《Tenerife Sea》中所說的

Should this be the last thing I see
I want you to know it’s enough for me

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拉帕爾馬島上 Los Cancajos 的一個黑沙海灘。(攝於 2014 年 8 月)

沿海是熱鬧的度假勝地,相隔一小時車程的山嶺上則是另一番景象。加那利亞群島中有兩個主要的天文台,一個位處 西班牙境內最高峰泰德峰 (Teide) 所在的特內里費島 (Tenerife),另一個則在拉帕爾馬島 (La Palma),是各國天文學術界的觀測重地。我們為天文台選址時,不但要考慮到光污染和不穩定天氣的影響,視寧度 (seeing) 也非常重要,大氣中的湍流會觀測讓影像變得模糊,對觀測結果的質量影響甚大。夏威夷的毛納基火山 (Mauna Kea)、拉帕爾馬島、智利的高原沙漠等地,條件都十分理想;其中 La Palma 島上的羅奎克‧德‧羅斯‧穆察克斯天文台 (Roque de los Muchachos Observatory, ORM) 就擁有十多座望遠鏡,其中大部分都是反射式光學望遠鏡,當中最大的主鏡口徑更超過 10 米,但今次的主角,測量的是可見光,負責探索的卻是能量高可見光一兆倍的伽瑪射線。

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ORM 上的銀河。左方綠色的並不是極光,而是大氣層中原子重組、化學發光等造成的發光現象,稱為氣輝 (Airglow)。(來源:Daniel López)

切倫科夫望遠鏡

望遠鏡的主要用途是收集訊號,而從天上觀測到的一種很重要的訊號就是電磁波 —— 「光」。我們可以透過對收集得來的光進行分析,推斷出宇宙另一端一些天體的特性,這也是觀測天文學的主要任務。提到望遠鏡,可能大家比較熟悉的是筒狀、由透鏡或反射鏡組成的光學儀器。古代的航海望遠鏡,到現代的哈勃太空望遠鏡,都是用來觀測光譜裡可見光 (visible light) 的部分 —— 大概相等於人類肉眼所能看見的光。不過,我們看到的只是電磁光譜裡一個微小的部分;來自宇宙的光線包含各種各樣的「光」,可從電磁光譜中能量較低的一端 —— 無線電波、微波、紅外線伸展至能量較高的另一端 —— 紫外線、X 射線、伽瑪射線,如果不跳出可見光的限制,單憑肉眼的確會錯過許多。

另一種大家比較熟悉的,可能是像電影《超時空接獨》(Contact) 裡面的巨大碟型天線,這些射電望遠鏡其實是甚大天線陣 (Very Large Array, VLA) 的一部分;《新鐵金剛之金眼睛》(GoldenEye) 裡,位於波多黎各的阿雷西博天文台 (Arecibo Observatory),直徑 350 米,裝嵌在山谷中的碗型接收器亦一樣,這些天線負責收集光譜裡波長較小、能量較低一端的無線電波訊號。

光譜的另一端 —— 伽瑪射線的能量非常高,穿透力非常強,如果我們嘗試以一般鏡面去反射和對焦的話,伽瑪射線會穿過整個望遠鏡而不留㾗跡。其實,如果要採集能量僅次於伽瑪射線的 X 射線,望遠鏡需要經過一種特別設計,例如在 Chandra、XMM-Newton 等望遠鏡上,鏡面與鏡身幾乎平行,才能讓 X 光在鏡上「擦過」並正確反射到測量儀器上,而不至於直接穿透鏡面或被反射鏡物料所吸收。伽瑪射線的能量更高,連以上用於 X 射線的聚焦方法亦無效,費米 (Fermi) 太空望遠鏡上的一個探測器就利用了多層高密度金屬板的設計,透過伽瑪射線落在金屬物料上而產生的電荷,間接地量度射線能量和來源方向等特徵。

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空氣簇射示意圖。(來源:DESY/Milde Science Comm./Exozet)

一些天體發出的伽瑪射線能量也遠超費米望遠鏡的觀測範圍,不過越往高能量的領域走,能被探測的輻射一般都越微弱。望遠鏡是採集訊號的工具,訊號來源越弱,我們需要面積越大的儀器,可惜(也幸運地)伽瑪射線不能穿透地球的大氣層,要把大型的硬件送到軌道上是十分困難的。原來,大氣層可以充當像費米太空望遠鏡上金屬板的角色,把甚高能伽瑪射線轉化為空氣簇射 (shower),當中大量的粒子仍帶着非常高的能量,當它們在空氣中的速度超過光速時,便會發出稱為「切倫科夫輻射 (Cherenkov radiation)」的可見光。這個過程中產生的輻射都是非常短暫和微弱的,天文學家要利用靈敏度極高的光電倍增管 (PMT),才能捕捉到這些只出現約一億分之一秒 (10 ns) 的閃光。六十年代初,在麻省劍橋惠普爾天文台 (Whipple Observatory) 的科學家在構思由多面取代單面鏡的望遠鏡設計,造就了「多鏡面望遠鏡 (MMT)」的誕生;後來在 1968 年誕生的惠普爾 10 米望遠鏡成為切倫科夫望遠鏡的先驅,成功探測到分別來自 M1 蟹狀星雲和 Mrk 421 活躍星系核的甚高能伽瑪射綫,奠下甚高能天文學的基礎。今天在拉帕爾馬島上的一對 MAGIC 望遠鏡,正是利用同一個原理去觀測伽瑪射線。

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1968 年的惠普爾天文台,站在中間的是惠普爾教授,身後是惠普爾望遠鏡。(來源:MMTO)

只有發生了最猛烈的一些事件,才能產生光譜中最高能量一端的電磁輻射 —— 高能伽瑪射線,而宇宙中這些事件絕不欠奉:超新星殘骸、脈衝風星雲、X 射線雙星系統,以至銀河系外的活躍星系核,都是絕佳的粒子加速器,能量極高的粒子透過與其他物質和電磁場的相互作用而產生伽瑪射線,是遠方天體的信差,天文學家調查的線索。隨着觀測技術的發展,一代接一代的望遠鏡相繼面世,九十年代我們有哈勃望遠鏡,三年後我們會有以詹姆斯·韋伯命名的「新一代太空望遠鏡」[1]。去年七月中,切倫科夫望遠鏡陣列 (CTA) 選址終於落實,拉帕爾馬島將是北半球陣列的所在地,山上將出現 19 座大大小小的望遠鏡,而位於智利北部的南半球陣列,數量則高達 100 座。CTA 在解析度和靈敏度上都會超越現有的同類,陣列覆蓋的大片面積也增加了捕捉到空氣簇射的機會,探測更微弱的發光源,把觀測疆界推得更遠。

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MAGIC 旁邊的 FACT 望遠鏡,比較小型,負責硬件測試和監測已知伽瑪射線源的活動。(攝於 2015 年 10 月)
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暴風雨後,相對濕度 100% 的下午,濃霧中的 MAGIC 望遠鏡。左邊是 2004 年落成的 M1,右邊是 2009 年落成的 M2。(攝於 2015 年 10 月)

遙不可及的天體

有天去逛樓上書店,「哲學」一欄放着一本八十年代的天文「百科」,裡面提到當年嶄新的觀測技術和新發現。我打開了觀測 M31 仙女座星系的一頁 —— M31 在天空的寬度達六個月亮直徑,但距離是月球的 63 000 000 000 000 倍,這告訴我們,M31 是如此巨大 —— 被問到,其實知道這些有甚麼作用呢?

應該沒有。

尼安德塔人的足跡遍布歐洲和西亞大陸,從西班牙西部到西伯利亞,從以色列到大不列顛島上的威爾斯[2],都能找到他們生活過的證據。尼人擁有強壯的手臂,身形比現代人健碩;成年尼人的腦容量比智人 (Homo sapiens) 要大,會製造較先進的工具,更可能懂得埋葬已去世的同類,智力不比其他人種為低。可是,尼安德塔人在地球上存在的幾十萬年間,僅在歐洲附近地區生活,大概是遇到大海或者顯著的障礙時便停下來了。相反,現代智人約在五萬年前走出非洲後,攀山涉水去征服全世界。

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靠基因分析而推斷出的智人「走出非洲」遷徙路徑。(來源:Wikipedia)

Svante Pääbo 在德國萊比錫的馬克思普朗克演化人類學研究所 Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology 的隊伍對尼安德塔人的基因組進行了大規模的研究[3]。2010 年,他們發表了震驚演化人類學界的結果:尼安德塔人的基因排序研究顯示,現代歐亞人體內帶有尼人的基因,暗示現代人可能是智人和尼人混血而來的。被 The New Yorker 記者訪問時,Pääbo 提到一直推動着他的問題:「現代智人和尼安德塔人的基因有甚麼相異之處,讓我們跨越種種障礙,散佈地球上的每個角落?是甚麼讓我們成為成夠留下來的一群?是甚麼讓我們能夠建立複雜的社會,發展先進的科技?」他指出,光是科技本身並沒有促使我們走到馬達加斯加,走到澳洲。尼安德塔人發跡歐洲,甚至到達希臘附近一些離岸不遠的島嶼 —— 他們也懂得造船。面對一望無際的海洋,只有現代人類會選擇冒險,啓程尋找遠方可能不存在的陸地。Pääbo 說,

… there is also, I like to think or say, some madness there. You know? How many people must have sailed out and vanished on the Pacific before you found Easter Island? I mean, it’s ridiculous. And why do you do that? Is it for the glory? For immortality? For curiosity? And now we go to Mars. We never stop.

… 我覺得,這裡面有幾分的瘋狂。在找到復活島之前,有多少人曾在太平洋裡航行着,然後消失在大海之中?這是很荒謬的。而我們又為甚麼要這樣做呢?是為了爭取榮耀?還是為了得到永生?抑或是要滿足好奇心?今天,我們要前往火星了。我們誓不言休。

Vsauce 是一個我很喜歡的 YouTube 頻道,在長達 20 分鐘的影片《Supertasks》裡,Michael Stevens 討論了「無限」和這個概念衍生出的悖論。「我們不可能有無限多的物件,也不能無限快速地重覆一些動作。我們能問的問題比能解答的還要多。那又怎樣?」對於以上 Pääbo 的一番話,他補充說:

Maybe it’s only a fool who will perilously journey out to what might not be there. And maybe it’s only a fool who will ask about supertasks, about infinity. But if you want to solve problems, you don’t just solve the ones that are there; you find more and make more and go after the impossible ones. Fostering a love and obsession with problems is how you solve problems.

可能只有蠢材會冒險去找尋一些可能不存在的事,可能只有一個蠢材才會去問甚麼是 supertasks,甚麼是無限。不過,如果你打算去解決問題,不要只解決那些眼前可見的,你要去找更多的,去製造更多的,去追尋那些不可能的難題。培養出對問題的熱愛,正正是解決問題的辦法。

最後,引用《小王子》作者 Antoine de Saint-Exupéry 的話:

If you want to build a ship, don’t drum up people to collect wood and don’t assign them tasks and work, but rather teach them to long for the endless immensity of the sea. [Quand tu veux construire un bateau, ne commence pas par rassembler du bois, couper des planches et distribuer du travail, mais reveille au sein des hommes le desir de la mer grande et large.]

如果你想造一艘船,先不要召集大家去收集木材,忙着去分配工作和發號司令。你應該做的是,教會人們去渴望大海的寬廣無邊和高深莫測。

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天文 – xkcd. Maybe it’s only a fool who will look at the stars using a magnifying glass.

 

[1] 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡主要負責紅外線波段,務求看得更

[2] 一萬多年以前,英倫海峽並未存在。

[3] http://www.eva.mpg.de/neandertal/draft-neandertal-genome.html