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  本書作者史蒂芬•威廉•霍金(Stephen William Hawking,1942年1月8日--),是英國著名物理學家與宇宙學家,現任職劍橋大學理論宇宙學中心研究主任。霍金對科學界做出很多重要的貢獻,最主要的是他與羅傑•潘洛斯共同合作,提出在廣義相對論框架內的潘洛斯──霍金奇性定理,以及關於黑洞會發射輻射的理論性預測(現稱為霍金輻射)。
  從1979年至2009年,霍金是劍橋大學的盧卡斯數學教授,這是英國劍橋大學的一個榮譽職位,授予對象為數理相關的研究者,同一時間只授予一人。此外,霍金是英國皇家文藝學會的榮譽會員,也曾經獲得美國總統自由勳章,這是美國所頒發的最高榮譽平民獎。   
  霍金撰寫了多本闡述己身研究與一般宇宙論的科普著作,廣受大眾歡迎。其中《時間簡史:從大爆炸到黑洞》曾經破紀錄地榮登英國〈星期日泰晤士報〉的暢銷書排行榜達237周之久。目前此書在臺灣共有《時間簡史》、《圖解時間簡史》、《新時間簡史》三個版本,前兩個版本適合工學院本科系學生閱讀,而《新時間簡史》則適合一般群眾作為日常的科普讀物。
  霍金患有肌萎縮性脊髓側索硬化症(俗稱「漸凍症」),病情會隨著歲月逐漸愈加嚴重。目前已全身癱瘓的他無法發聲,必須依賴語音合成器來與其他人通話。不過,他仍在自己最熱衷的天文學中繼續發光發熱,像恆星般。(改寫自2016.09.14維基百科)

 

 

〈超新星與地球演化〉


  有時候當一個巨大的恆星崩塌時,恆星的外圍區域可能會發生超新星大爆炸而飛散開來。超新星爆炸相當巨大,放射的光線甚至會超過整個星系所有恆星的總和。我們看到的蟹狀星雲即是超新星的殘骸,中國人在一〇五四年有記錄。雖然爆炸的恆星遠在五千光年之外,但是肉眼可見長達數月之久,明亮到不僅白天可以看到,甚至夜晚也可借光閱讀。若有一個超新星位在十分之一距離遠,也就是五百光年遠的地方,那麼將會明亮百倍,真的可以把黑夜變成白天。要了解這種爆炸的劇烈程度,可想像其光亮可匹敵太陽,距離卻是千萬倍之遠(記得太陽距離地球只有八光分遠而已)。如果超新星離我們夠近的話,或許地球本身仍然無損,但是發出的輻射卻足以殺死所有生物。事實上最近有個假設提出,指約在兩百萬年前、更新世與上新世交界滅絕的海洋生物,可能是由鄰近星系群天蠍──半人馬星協的一個超新星所產生的宇宙射線輻射造成。有些科學家相信,高階生物或許只能在沒有太多恆星的星系區域裡演化而成,稱為「生命區」,因為在密度高的地區,像超新星等現象會太常發生,週期性扼殺剛演化的生物。平均來說,宇宙每天都有十萬個超新星爆炸,每個星系大約一百年會出現一次超新星。不過這只是平均而論,遺憾的是(至少對天文學家來說)上次紀錄銀河系發生超新星是在一六〇四年,正巧在望遠鏡發明之前。
  下次最有可能在銀河系出現超新星爆炸的恆星是Rho Cassiopeiae,慶幸的是它離我們有一萬光年遠,所以不用擔心。這顆恆星屬於黃色超巨星,銀河系裡已知只有七個。自一九九三年起,一個國際天文學家團隊開始進行研究,在接下來幾年觀察到這顆超巨星的溫度歷經周期性起伏變化,上下溫差為幾百度。二〇〇〇年夏天時,溫度突然從攝氏七千度驟降到四千度,同時也偵測到大氣裡含有二氧化鈦,相信是因為巨大的震波讓恆星外層噴發而出。
  在超新星中,有些恆星生命盡頭生成的較重元素,會被拋回到星系裡面成為下一代恆星的材料。我們的太陽擁有2%較重的元素,因為太陽是第二代或第三代的恆星,約在五十億年前由一團旋轉氣雲所形成,裡面含有之前殘餘的超新星物質。氣雲裡面大部分的氣體形成太陽或散開,但少量較重的元素凝聚形成物體,變成現今環繞太陽的行星(如地球)。黃金珠寶與核反應爐裡面的鈾,都是在太陽系誕生之前的超新星殘餘物呢!
  當地球剛凝聚成形時,溫度極高且無大氣。隨著時間發展,地球冷卻下來,岩石釋放氣體形成大氣。早期的大氣無法令人存活,因為沒有氧氣,卻含有許多有毒的氣體如硫化氫(蛋臭掉的味道就是由這種氣體造成),但是有許多原始型態的生物可以在這種條件下繁衍。科學家認為這些生物從海洋中發展出來,可能是因為原子隨機合成巨分子(macromolecules),這種大型結構能夠將海洋中其它原子組合成相似的結構。因此,巨分子可以自我複製與繁衍,但有時在複製的過程中會出錯,大部分錯誤讓新的巨分子無法再進行自我複製,最後便損壞了。然而,有些錯誤會製造出新一代具有更佳複製能力的巨分子,因此獲得了優勢,容易取代原有的巨分子。在這種方式下,演化過程開始了,發展出具有自我複製能力又越來越複雜的有機體。最初的原始生命型態會吸取包括硫化氫在内的各種物質,並排放氧氣,逐漸改變大氣的成份,最後形成今日的大氣層,並允許高階的生命型態出現,例如魚類、爬蟲類、哺乳類,以及最後的人類。(節選自《新時間簡史p99-102》)

 

 

 

牛刀小試

1.( )下列敘述何者最為正確?
(A)平均來說,宇宙每年都有十萬個超新星爆炸,每個星系大約一年會出現一次超新星
(B)下次最有可能在銀河系出現超新星爆炸的恆星是Rho Cassiopeiae,科學家偵測到其大氣裡含有二氧化鈦,相信是因為巨大的震波讓恆星由內層噴發而出
(C)在超新星中,有些恆星生命盡頭生成的較重元素,會被拋回到星系裡面成為下一代行星的材料
(D)古人相關的天文記載,可以成為今人天文研究的間接例證。

 

參考答案:(D)。(A)平均來說,宇宙每天都有十萬個超新星爆炸,每個星系大約一百年會出現一次超新星;(B)大氣裡含有二氧化鈦,相信是因為巨大的震波讓恆星外層噴發而出;(C)成為下一代恆星的材料;(D)我們看到的蟹狀星雲即是超新星的殘骸,中國人在一〇五四年有記錄。

 

 

2.( )下列有關地球的演化,何者為真?
(A)當地球剛凝聚成形時,溫度極高且無大氣。隨著時間發展,牛頓第一運動定律產生影響,地球引力吸收氣體形成大氣
(B)早期的大氣無法令人存活,因為沒有氧氣,卻含有許多有毒的氣體如硫化氫,但是有許多原始型態的生物可以在這種條件下繁衍
(C)科學家認為生物先從海洋中發展出來,可能是因為原子隨機合成巨分子,這種大型結構能夠在海洋中自行複製與繁衍,取得成功
(D)最初的原始生命型態會吸取包括硫化氫在内的各種物質,並排放二氧化碳,逐漸改變大氣的成份,最後形成今日的大氣層,並允許高階的生命型態出現。

 

參考答案:(B)。(A)當地球剛凝聚成形時,溫度極高且無大氣。隨著時間發展,地球冷卻下來,岩石釋放氣體形成大氣;(C)科學家認為這些生物從海洋中發展出來,可能是因為原子隨機合成巨分子(macromolecules),這種大型結構能夠將海洋中其它原子組合成相似的結構;(D)並排放氧氣。

 

 

3.簡答題:
科學家最近提出一個假說,指約在兩百萬年前、更新世與上新世交界滅絕的海洋生物,可能是由鄰近星系群天蠍──半人馬星協的一個超新星所產生的宇宙射線輻射造成。請你說明什麼樣的跡證可支持這樣的假說。

 

 

4.長文寫作:
物理學為天文學之母,相當比例的天文知識,都是因為物理學計算提出數據推論,然後再經由天文科學家觀察而取得實證。請你以「我看基礎學科之重要」為題,說明基礎學科對應用學科的幫助與貢獻。

 

教學文章由北一女中 蔡永強老師提供

老師評語
  當我們仰頭夜觀星空,璀璨的銀河熠熠生輝,除了陶醉在臥看牛郎織女星的浪漫之外,你是否曾思索浩瀚的宇宙從何而始?大霹靂是目前最受肯定的假說,史蒂芬•霍金正是最為有利的推手。霍金運用物理學知識間接證明了黑洞的存在,也建構了目前宇宙演化的圖譜。
  霍金在書中告訴了我們一段非常有趣的歷史往事:古希臘人很早就提出了地球是圓形的論證,因為水手觀察到船隻出現在地平線上時,船桅會先船身而出現。往後的科學證明古希臘人果然是對的,或許當代的科技還沒有辦法讓我們離開太陽系,但那不表示我們的心靈與知識,就該困在這個有如銀河中小淺碟的星系裡。
  時間有開始或結束嗎?霍金認為在大霹靂的理論之下,探討時間是沒有意義的,也許跳出三維向度的空間、直線思維的時間,我們或將能在蟲洞間跳躍,在彎曲的空間與擴張的宇宙中,打開時間旅行的任意門,與李白共賞中秋佳節的皓皓嬋娟。
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