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▌太陽發火：解開日焰之謎
▌文╱霍爾曼（Gordon D. Holman）
▌翻譯／李沃龍
▌提供／科學人雜誌
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在2003年10月底與11月初，科學家見證了一些破紀錄的超大型日焰（又稱太陽閃焰）。這些大量流出的帶電粒子很顯然抵達了地球附近的上空──遠離其源頭整整1億5000萬公里。到達我們周遭區域的粒子風暴有時候太過猛烈，使得許多科學與通訊衛星必須暫時停止運作，有些衛星甚至慘遭毀損；而國際太空站上的太空人也遭到危及，必須躲入防護比較良好的推進艙中。在地表附近，飛機必須繞道避開高緯度區域，以防止機師可能遭遇的電波通訊問題，以及乘客與飛航組員可能因而暴露在令人憂慮的大量輻射之下。還有，工程師也必須小心地監看電極板網柵，以防驟然而至的電力浪湧。除此之外，瑞典南部有五萬名居民，遭受短暫停電之苦。
還好，地球的磁場與大氣可以保護絕大多數的人免於更猛烈的太陽風暴蹂躪。但因人類社會越來越倚重現代科技，使得每個人或多或少會受影響。在大型日焰噴發的過程中，可能造成最大傷害的是從太陽外層大氣快速射出的物質──太空物理學的術語稱為「日冕團塊噴射」。這類事件有時會送出大量的游離氣體並撞擊地球，2003年的超大型日焰中，就發生了好幾起這樣的事件。
雖然科學家早就想要搞清楚，究竟是什麼驅動了日焰以及經常隨之而生的日冕團塊噴射，但直到最近10年左右的觀測結果，才精良至足以揭露它們錯綜複雜的樣貌，並闡明背後的物理機制，這得歸功於1990年代才引入的新技術。磁場線的突然重新排列被證明是事情的關鍵，這是一種稱為「重連」的現象。
200萬K的高溫仍不嫌猛烈
地球上的天氣型態雖然複雜，但至少是源於我們所熟悉的過程：日光加熱、氣壓差異與風的變遷模式等，所以大多數人能夠很直觀的理解為何今天出大太陽而明天卻下大雨。相對的，日焰與其他「太空天氣」卻牽涉到磁場與高熱游離氣體（也就是其組成原子之電子已被剝除）間的交互作用。這一類的交互作用無法直接看到，即便是專家也很難以想像。用來解釋這些行為如何產生日焰的最佳理論──磁力線重連，早在1950和1960年代就已提出，但卻一直等不到相關的觀測證據，以至於有些太空物理學家開始懷疑這個理論的價值何在。
科學家普遍認為日焰所釋放出來的能量，必須先儲存於太陽的磁場中。這項推測的事實基礎，是日焰噴發之處，都在高於太陽平均磁場強度之活躍區域內。這些區域由於太陽黑子的出現（太陽黑子是太陽磁場最強且看起來較暗的區塊），非常容易辨識。在這些區域裡，磁力線從表面延伸進入日冕（也就是太陽大氣的外層）中，因拱起而形成寬闊的環圈，用以捕捉溫度達好幾百萬K的灼熱氣體。這樣的高溫足以使被控制住的氣體發出極紫外輻射和X射線（見延伸閱讀1）。源於此種磁場特性的閃焰，偶爾會自活躍區域噴發，使得環圈中的氣體被加熱到非比尋常的高溫，大約1000萬～4000萬K之間。
長久以來，除了這種閃焰與強磁場的關聯之外，日焰噴發的詳細情形依然模糊不清。例如，天文學家逐漸明瞭涉及閃焰的磁場環圈與高熱氣體，和在活躍區域中其他地點所發現的結構雖然非常相似，但可能有很大的差異。第一個徵兆來自大約14年前，日本陽光（Yohkoh）人造衛星所做的測量，那是第一個可延伸至中高能X射線波段（如此才容易檢測出高熱氣體）拍攝日焰影像的太空探測器。在一些日焰現象中，磁場環圈頂部顯現出神奇的尖端，看起來就像是有尖頂的哥德式拱門，而非一般常見的圓頂。
當時還是日本東京大學研究生的增田（Satoshi Masuda）在檢驗陽光人造衛星拍攝的影像時，發現1992年的一次日焰，在頂部尖端區域發射了一大團頗不尋常的高能量（短波長）X射線。他認為那個來源是一團超高熱氣體（約1億K），在短波長X射線上看起來非常明亮。另一個可能是，有某樣東西將此區域內的電子加速至很高的速度，使它們在碰到周遭氣體中的離子時，突然減速而輻射出X射線。
這兩個可能的解釋，不論何者，都同樣令人困惑。假如那種烈焰是由氣體所構成的，怎麼會被限制在如此小的區域呢？另外，假如X射線起因於加速的電子轟擊離子，為何輻射只來自靠近環圈頂端的緻密源頭，而非環圈底部氣體密度最高之處呢？
為了解開這些謎團，太空物理學家需要能區分熱氣效應與加速電子的測量。此外，為了明瞭相關的活動在何時何處發生，他們也需要經常在整個X射線與γ射線能量範圍內，擷取太陽輻射影像。由於缺乏這樣的資訊，使得在接下來10年裡的研究進展極為緩慢，直到2002年美國航太總署（NASA）發射了「高能太陽光譜影像衛星」（RHESSI），才捕獲了某些日焰尖端區域的詳細景象。RHESSI提供了具說服力的明確證據，確認了磁力線重連是造成日焰與日冕團塊噴射的原因。
交織的磁力線
想了解磁力線重連事件中究竟發生了些什麼事情，必須先對看不見的磁力環圈如何捕捉太陽大氣裡的熱氣有一些基本認識。「電漿」是這種氣體最好的稱呼，因為它主要是由彼此分離的電子與質子所構成，這表示它是可導電的。所以電場可推動這些帶電粒子，形成電流。磁場也會對這些帶電粒子施力，使它們沿著磁力線快速旋轉。
和電子與質子必須這樣旋繞磁力線的限制相比，它們在沿著磁力線方向上的移動比較自由。我說「比較」，是因為當帶電粒子沿著逐漸匯聚的磁力線方向運動時，會感受到一股遲滯力。因此，舉例來說，當一個粒子從環圈頂端下降到底部時，它將會減速趨近被稱為「環圈足點」的區域，在那裡磁力線匯聚在一起，磁場強度也更大。最後，越來越強大的磁場會阻止電子或質子繼續前進，反而將它們向上逆推回去。這個過程有些類似把顆砲彈扔在床墊上的情形。但是，不像砲彈會暫時轉換運動的能量來壓縮床墊裡的彈簧，太陽上的帶電粒子並不會把能量傳給磁場，而是將它們向下運動的能量轉變成增加它們沿著磁力線旋轉的頻率。如此一來，磁環兩個足點的作用像鏡子一般，將質子與電子在它們之間不斷的反射，就像是個帶電粒子的大牢籠。
令人訝異的是，電漿本身會影響支撐它的磁力線。會有這樣的行為，主要因為電漿是帶電粒子的大海，當有電位差異時，就會驅動粒子而形成電流。在我們比較熟悉的電路裡（例如閃光燈的電路），電池提供了這種驅動電壓。在太陽上並沒有像電池這樣的東西，但是磁場的變化會引發電位差（和運作電動馬達相同的物理原理），因此可產生電流。這些電流又會產生新的磁場，使得整件事變得更加複雜。這個效應再加上磁場環圈足點遊走不定的特性，就可在太陽大氣中產生場面浩大、變化萬端而高度扭曲的磁場。這些磁場蘊藏著極高的磁能，準備激發日焰。
故事說到這裡，僅僅描述了幾十年來科學家已知的一些日焰運作基本物理。問題是磁場能量究竟如何轉變成熱，加速粒子並射出物質。考量所有電路共通的特性，得到的一個可能：電荷在電路中的運動不僅受電流與電壓驅使，也會受電阻的影響。例如，電燈泡裡的燈絲為經過的電流提供了電阻，才能損耗電能，將其轉化成光與熱。太陽大氣能夠提供電阻，因為構成電流的帶電粒子有時會彼此碰撞，阻礙了彼此的運動，增加周遭環境的溫度。此外，驅動電流的電壓本身伴隨著一個電場。假如這個電場強度夠大，電子與離子將會被加速，奮力衝出熱電漿。瞧！將粒子加熱，並賦予超高能量，那可不就是道閃焰嗎？
不幸的是，經過詳細的推敲，這個簡潔的答案並不成立。一個理由是日冕中的電阻一般說來是相當低的，低到不足以解釋日焰爆發時增亮的程度。就算電阻再高一些，仍難以解釋為何必要的磁場能量會集中在一處，並突然於一次爆發中釋放出來。研究人員數十年前的結論認為，單單由電壓驅動電流，無法很快加熱太陽大氣，或產生足以形成日焰的加速粒子流量。
許多年來，太空物理學家提出了很多更複雜的想法：他們推論日焰也許源自許多不同電流的集合，或者來自於大量紊亂的電漿波與伴隨其間隨機無規的電場。此類特殊的安排或許可以產生日焰，但這些機制不能夠解釋所有的觀測現象，特別是日冕團塊噴射為何常伴隨大型日焰發生。一個較有希望的理論，不僅牽涉電場動力學，也涵括磁場動力學。所以，請讓我詳細描述這種電磁場的物理吧。
磁場連結有一定的方向。例如，在磁鐵棒周圍的磁力線從北極指向南極。假如在電漿中，兩個平行但方向相反的磁場匯集在一起，它們之間會形成一道形狀像平板一般的電流片。（大多數人習慣把電流的流動想像成順著電線的一維運動，但在太陽上，由於整個大氣都可導電，沒什麼東西可阻止電流以二維平板的方式流動。）這些方向彼此相反的磁場所包含的能量，會因為平板內的電阻損耗了電流而隨著時間遞減。
1956年，現已過世的斯維特（Peter Alan Sweet）在倫敦大學天文台工作時，理解到如果方向相反的磁力線斷裂後，在磁場間的電流板上再結合起來，也就是重連，則磁場的能量會降低得更快。如此一來，兩個反向磁場會在猛烈的能量釋放中相互抵消，幾乎像正反物質彼此湮滅一般。它們所在位置周遭的磁場與電漿，會從兩側流入電流片。此現象的物理解釋是，重連的磁力線形成的磁場，會連同電漿由電流片的兩端噴射出去。在1950年代晚期至1960年代早期，美國芝加哥大學的帕克（Eugene N. Parker）成功地以數學來描述此過程，因此現在它被稱做斯維特–帕克磁力線重連。
但這樣的重連無法完整解釋整個閃焰過程，因為磁場線重新排列的進程太慢，不足以說明令人驚歎的能量釋放效率。1963年，當時在美國麻州艾弗雷特的艾弗柯–艾弗雷特研究實驗室任職，現已過世的派薛克（Harry E. Petschek）在了解新模型的缺陷後，將注意力移到此問題，並算出在某些情形下，重連的效率要比斯維特–帕克效率更高。相對於斯維特與帕克先前描述的慢重連過程，他所分析的現象現在被稱為派薛克重連，或是快重連。
（本文由科學人雜誌提供，原載於科學人2006年5月號）
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▌《三腳入侵》書摘
▌文／約翰‧克里斯多夫(John Christopher)
▌譯／王心瑩
▌提供／遠流出版社
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老爸得靠我的幫忙才能把安琪拉拖回家。她抵抗了一陣子，而後突然像洩了氣的皮球。老爸帶她回房間，瑪莎和我在一旁觀察，她躺下來，呆呆盯著天花板。後來老爸再去看看她，問了一些問題，但她不吭一聲、對老爸視若無睹，而且一動也不動。過了一會兒，蒙茅斯醫師來了，他住得離我們家很近。
蒙茅斯醫師個頭很小，比老爸還矮些，紅撲撲的臉蛋很像小孩子，頭頂髮絲稀稀疏疏的。他說話速度很快，而且有點兒口吃。老爸向他解釋事情原委。
於是他對安琪拉做了一些檢查，用燈光照她的眼睛，並對老爸說：「你知道我有時候會用點催眠術，而我們也都知道，你現在關心的不是這種事。如果你覺得需要，我會先讓她安靜下來，然後把她轉介給小……小兒科醫師，但我很想試試催眠術，或許比較知道她到底發生什麼問題。我可……可以試試嗎？」
老爸有點勉強地說：「我猜沒什麼壞處吧。」
「我敢肯定沒有壞處。」
蒙茅斯醫師扶安琪拉坐起來，態度親切但堅定。他從袋子裡拿出一顆繫有鏈子的鋼球，開始在安琪拉面前擺盪那顆小球。我在電視上看過類似的節目，但親眼看到還是覺得很有趣，於是聽著他用親切但單調的聲音說：「妳現在覺得很睏……很睏……很睏……妳的眼皮愈來愈重……妳的眼睛正在閉上……閉上……妳睡著了……」
連我都覺得昏昏欲睡。
蒙茅斯醫師把小球放進口袋裡。他說：「安琪拉，妳聽得見我的聲音嗎？」
她用含糊不清的聲音說：「可以。」
「妳是不是非得做某件事不可，一件妳必……必須要做的事？」
沒有回答。
他又說：「跟我說嘛。妳非得做什麼事不可？」
她慢慢地說：「服從三腳的命令。」
「安琪拉，那是什……什麼意思呢？」
「三腳最棒。三腳最知道。」
「最知道什麼？」
「所有的事。」
「所以妳要做什麼？」
「我要做三腳告訴我的事。」
「是誰告訴妳的？」
「三腳啊。」
「三……三腳告訴妳要離開家裡，加入三腳迷的行列？」
「對。」
蒙茅斯醫師用雙手握住她兩手的手腕。「安琪拉，妳聽我說，要仔細聽喔。根本沒有三腳，妳從來沒看過三腳迷幻秀，根本就沒有三腳迷幻秀。妳不喜歡看電視。妳就是妳，不管是誰，不管是什麼事情，都不能控制妳的頭腦，不能告訴妳要想些什麼。現在我要數到五，數到五的時候妳會醒過來，妳不會記……記得我剛才說的話，但會記……記得我剛才告訴妳的事。一、二、三……」
數到五，她的眼睛張開了。她說：「怎麼了？」她看到我們全都圍在床邊。「我該不會是生病或怎麼了？」
蒙茅斯醫師笑了笑安慰她：「只發作了一下下。妳現在全好了，完全沒問題了。想不想看電……電視啊？」
「不想。」她很用力地搖搖頭。「我不想看。」
安琪拉待在房間裡，重新擺設洋娃娃。那些洋娃娃超過十二個，我知道她有好幾個禮拜沒有跟她們玩了。我和其他人一起走到樓下，老爸幫大家倒點酒。
「我還是不太確定到底發生了什麼事。」他拿一杯給蒙茅斯醫師。「你說之前有人對她做過催眠？不過是誰呢？」
「你聽她說出來了，是三腳。」
瑪莎說：「太荒謬了，三腳已經毀掉了啊。或者，你的意思是說電視節目？有可能嗎？」
蒙茅斯醫師拿起他的酒。「所謂的催眠，是用人為方法誘導人們進入睡眠或出神狀態，在這種狀態下，人們很容易就會接受任何暗示。有好幾種方……方法可以誘導人們進入這種狀態，我是從來沒聽過用電視進行催眠啦，不過很難排除這種可能性。」
「可是那些暗示居然實現了，」老爸說：「怎麼辦到的？」
「或許是透過潛意識，例如一則訊息在螢幕上閃現百萬分之一秒，然後又以口述訊息『三腳萬歲』持續加強說服力。有趣的是，有些人會受到影響，有些人則不會；當然有其他類似的現象，例如大多數人不會受到持續閃爍光源的影響，但有少……少數人會因而引發癲癇症狀，可能因為這些人的大腦皮質有輕微的不正常反應。也許原因出在這些人腦部的α波有所不同，才容易受到影響。」
「不過是誰做了這種好事呢，」瑪莎仍有疑惑。「蘇俄人嗎？」
「我猜有這種可能性，但節目是在美國製作的。」
「美國人為什麼會想做這種事？實在沒道理。」
「過去也曾有類似的實驗，有人在廣告加進潛意識的暗示語句；也……也許有人準備要推出某種三……三腳玩具，結果整個計……計劃失控了。也可能是像大家瘋狂迷上流行歌手那樣的集體歇斯底里現象，基本上，歇斯底里和催眠都包含了意志力屈服的狀況；有些狂熱的歌迷覺得非看這類特殊節目不可。」
老爸問：「你覺得會是哪一種情形？」
「我不曉得。還有第三種可能性。」
「什麼？」
「要知道，電離層不會擋住電視訊號。那節目的訊號是由美國發射出去，但其中包含的暗示語句很可能由其他地方發出而疊加上去。」他頓了一下。「譬如由……由太空發射。」
瑪莎不可置信地搖搖頭：「這可真是荒謬過頭了。」
老爸說：「你的意思是說，不管怎麼樣，三腳就是那『藏鏡人』？這不大可能吧，對不對？三腳只是茶餘飯後的笑料啊。」
「科學知識不見得跟人們熟悉且擅長的事物相符合，像印加人能夠建設一流的道路系統，但卻沒有能……能力發明輪子。事實上，那些人使用三……三腳這麼笨手笨腳的東西，並不表示他們研究心……心智和心智運作的能力就遠遠落在人類後面。」
老爸搖搖頭說：「說是廣告花招失去控制，聽起來還比較可信一點。」
（本文摘自三腳四部曲－《三腳入侵》第三章）
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▌英美科學家研究隱形裝置
▌文／科科報編輯小組
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《星艦奇航》裡面的隱形裝置或是《哈利波特》中的隱形斗篷可能在現實中出現。根據路透社報導，英國和美國的科學家提出一個理論，利用一種特殊材料來改變光波等電磁波的運動方向，讓物體變「隱形」。
把特殊材料製成的「隱形斗篷」覆蓋在物體上，光波就會「繞過」這個物體，而不會反射或折射。如此一來，便會產生錯覺以為物體「隱形」了。
英國St. Andrews大學物理學家Ulf Leonhardt說，要把這個理論付諸實現並不容易，但隨著新物質的研發，這種隱形設備是有可能出現的。
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