2016年6月21日 星期二

站在巨人的肩膀上,看地球的形狀



今天是夏至(2016621),應景了寫了這篇文章。文章開始前先來聊一下…這篇所用的科學其實很容易,翻開高二地科的教科書也都有不少原理的詳細說明,甚至還有相關的科學史簡述,筆者在此只是嘗試重整故事的脈絡,從「量測地球」的科學史看科學的精神與態度…

在測量之前,有什麼樣的假設?
是的,埃拉托斯塞尼很厲害的提出了計算地球周長的方式,然而既然提到「周長」,那麼就代表著他知道「地球是圓的」這件事,但這事不是到1522年麥哲倫的船回港時才知道嗎?不不不…那是亞里斯多德和其它希臘哲學家的貢獻,麥哲倫的貢獻反而是「證明地球可以用船實際跑一圈」。在古希臘哲學家發光發亮的時代,正風行著幾何學,認為世間萬物都可以用完美的圓形解釋,想當然爾也可以解釋地球,包括托勒密的地心說雖然假設錯誤,但也仍遵循著「地球是完美圓()形的假設。畢德哥拉斯從遠方的船慢慢從海平面升起的現象認為地球表面是弧形的,而亞里斯多德更從恆星和月食變化來推估地球是球形的。

從現在看來好像很容易,但要提出這點並合理說明,必須要先指出星星運行的規律、月食是地球擋住陽光(就算是以地心說作基礎,日地月還是有機會變一直線形成日月食)。另外,還要知道因為太陽位於很遠的地方,便可假設陽光照射到地球時,是以平行光的方式來入射,這樣才有機會在同一時間,依不同地區而有不同的太陽仰角。難懂的不是知識,而是怎麼產生這些知識的過程,如何從規律中找到背後的理由,也就是我們現在常談的「歸納」,而從這些假設或是先備知識推演到「可以利用幾何學算出地球周長」,則屬於「演繹」。
簡單來說就是要知道或假設:
1.地球是圓的

2.太陽光是平行入射的
才有辦法繼續計算。然後這看似理所當然的事在沒有先備知識和科技時其實難以證明。

因為一時沒有時間畫圖,所以借用了維基條目中埃拉托斯塞尼的計算方法,算出太陽仰角、兩地距離後再推得地球的周長By Eratosthenes'_method_for_determining_the_size_of_the_Earth.png: *Eratosthenes'_method_for_determining_the_size_of_the_Earth.GIF: Original uploader was The Anome at en.wikipediaderivative work: Gregors (talk)derivative work: Gregors (talk) 13:26, 25 August 2011 (UTC) - Eratosthenes'_method_for_determining_the_size_of_the_Earth.png, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16220307
如果用相同的原理,但改用現代科技量測,會百分之百準確嗎?
如果有聽過「地球是扁球體的」,就會知道不管怎麼算,都會因地而異。17世紀末牛頓也從力學的方式推估地球的赤道地區的平均半徑會比兩極多20公里,而後從觀測數據也顯示其理論大致正確。也就是說,地球既然不是完美球體,那在不同地區用埃拉托斯塞尼的算法來算,得到的解也不會相同,而且還別忘了一件事,地球是有起伏,不同地方去量地球的曲率也都不同。此外,還有竿子長度和距離北回歸線的直線距離的量測是否精準,也會影響結果,想想你用10公分的尺去量房間裡的門,之後用門的長寬去估算整個房間的體積,一樣會產生可觀的誤差,但如果要求不那麼精密,至少也能大概估對數量級了!

所以那幹嘛還要算?然後算完後呢?
那麼做這樣的計算意義在哪?就如前面所說,如果我們理解所有計算環節的意義,包括那些前提假設是「怎麼來的」,便可藉此學習科學思考的演繹過程。這樣的過程和思考脈絡在現今的科學論文中也十分常見,撰寫科學論文時,必然有些事情是建構在前人的研究之上,而在此選用的研究也多是能被重覆驗證之事,而有時也不乏有所謂「假設」的前提,但通常假設的前提越難被人認同時,我們就很難繼續接納之後的論述,因此科學論述的建構必須一層接一層的堆疊,假如中間有我們不確定之事,那麼對於結論就該有所保留。

以重新量測地球來說,我們可以理解到在同意前人的假設下,如果重現這樣的實驗,也去理解解算過程中若出現了預料之外的誤差時,有哪些可能性?同樣我們可以把這樣的原則應用在各種與科學相關的報導、傳言之上,假若事情如同這實驗一般可重覆、可證實,自然可信度也高過無法證明之事了。

延伸閱讀連結:

2016年6月9日 星期四

地震預測,是真有其事還是危言聳聽?難道不能寧可信其有嗎?

在文章重點開始之前,我們先用科學方法與邏輯論述了解為何「地震無法預測」?
在過去我曾撰寫《我們離預測地震還有多遠?》一文,曾提過地震預測的難度,因為無論從相關性的統計、學理性的理論來看,都沒有一個「前兆現象」能對應到「發震事實」的關聯,而現今的主流研究多半朝著「多重前兆」的方向邁進,也就是如果我們有六種前兆觀測,當發生了其中三~四種現象時,代表地震發生的機率很高。然而這種方式仍有邏輯上的繆誤,因為我們仍無法合理解釋「為什麼有些現象會發生,有些則不會」,代表我們無法分離哪些現象是真、哪些是假,搞不好一開始就朝錯的方向研究,因此一般科學家也只會默默研究,不會一直大聲疾呼自己可以預測。
同時也因為如此,仍有許多地震學家認為地震「不可預測」,因為既然地底下是有許多「不可真接測得」的條件,包括性質與受力的狀態,也就代表對我們而言,地底下的構造是未知渾沌的,就連我們可以碰觸到的大氣,都不存在100%預報,對於地下的地震,我們無法預料也是理所當然的。此外,我們也不可忽視那全球每天發生數萬次的無感地震,雖然地震小、能量小,但累積起來的能量也很驚人,我們連這些頻繁的小地震分布隨時空變的趨勢也都未能明瞭,更不用說是偶發一次的大地震了。
故世界上沒有任何學術機構或政府機關的研究人員會聲稱自己能預測地震,這可是人命關天的事,要是真有方法能做,又為何不做?原因在於目前所有已知的科學方法或統計資料,都不能讓我們知道「下一次大地震在何時、何地、震源深淺、規模多大」,因為就是沒有這種能力!當然,就不用說沒幾年就會出現的預測專家,無論是特殊體質或特殊理論,皆都屬於「毫無根據」、無法證明真偽之事…
「毫無根據?那你們科學家又能預測地震了嗎?說不定人家是先知啊?」
當受到「毫無根據」的批判時,難免就有人會將「地震預測達人」包裝成像哥白尼、伽利略等先知。也或許如此,最近反而常聽見一種聲音「信者恆信,不信者就不信囉」、「不信的人也沒必要要『打壓』人家吧」、「反正科學家也無法預測,不如寧可信其有吧」……諸如此類的言論,在相關的新聞底下、或是網路留言等經常可見。當然,也有許多長輩們捨棄了line的早安平安圖,以「善意」分享這類資訊。
對我而言真的很難理解這樣的「善意」,但泛科學人氣專欄作家海苔熊這麼說:
正因為科學蠻有限的,可是人們通常會討厭無法控制的事情,所以一直不斷地想要透過許多的預言、「能量」,還去捕捉地震的發生的可能。
對他們來說真正重要的並不是預測準不準,而是在傳這個訊息給身邊的人的時候,傳達了一種「我在乎你」的訊息。
殊不知,這樣的動機也助長了偽科學。
的確,「善意提醒」可是許多人的初衷,不過我其中也有幾項危機無法忽略,這些危機和防災也有莫大危機,接下來可以分項討論。

對未知的恐懼使得忘了災害本身的嚴重性

正因為地震預測是科學家無法掌握之事,關於預測地震的謠言就容易甚囂塵上,甚至多半會由此切入,批判科學家因為研究方向錯誤所以無掌握地震(這點是邏輯謬論,沒有任何支持理由,即使批判這點也無法說明地震可以預測),再說自己「有能力做」,用一堆大家看不懂的術語包裝後,隨便猜測一個明確的時間地點,就會有一堆人相信,隨便抓到一個不相關的地震卻可以說自己預測到,用「科學有誤差」就可以解釋,然而預測者預報某日台灣中南部將有規模6以上的地震,總不能拿花東發生了規模5的地震,或是更遠一點的地方發生規模7的地震,來證明自己預測的「趨勢」很準吧?
再者,看看下面那張十五年內的臺灣地震分布圖,臺灣平均每年有二萬六千多起地震,其中也有將近千次是屬於有感地震,而每年平均也有數次規模6以上的地震,我只需從統計結果,看看怎麼個預測(規模、時間點)法的期望值較高,再選定幾個地震常發生的地點,有矇中當然就可以大肆宣傳,沒矇中再想個理由說明原因,人人都能預測,但這不是科學,而是買樂透的概念。

台灣地震分布,作者為維基用戶Hsu.shihhung
台灣地震分布,作者為維基用戶Hsu.shihhung
或許有人可以從地震的頻率抓出點端倪,在某些時機點做出大略的預測,然而一個科學理論要成形,並非僅僅靠著統計出相關就能確立,還需要有下面二個要點:

1.可以利用歸納、演譯合理的推論出因果關係,而這些關係又必須不能違背「最基本的定律」。假如違背了某些定律,又還需證明前人的定律有哪些缺失。
2.可以「用相同的方法重覆驗證」。如要用最嚴苛的觀點來看,一個可行的地震預測,必須要能預測到每一次地震,不能有漏掉。

或許看起來很嚴苛,但有在科學領域打滾,或是熟悉科學史的人就會知道,科學定律並非是「先知們」的真知灼見構築而成,而是經由不斷的懷疑、實驗、求證,近而越來越接近真理。這樣的真理也就不會是教條規範,而是我們理解這世界的方式,當然也可以修正調整,只要合乎上述科學法則,並經過像是發表期刊、論文或是學術研討會等方式論證,自然能加以驗證。
所以我並不是在批判「現在預測地震的人都是胡扯」,更不是在論證「地震一定能或不能預測」。而是我們先得要確立某個預測方法能經過重覆的驗證,才能說「找到預測地震的方法」,否則都只能算是在「探究」,我甚至認為我們應該做更多嘗試去了解地震。但最不該做的,就是將一個不知道成不成熟的東西大肆宣傳因為這會讓人們產生不必要的誤會…誤會真有人能準確預言地震。

這樣一來很容易會讓人忘了真正該恐懼的事,什麼事?就是基礎的防震措施做了沒?而科學研究認為未來地震潛勢較高的地方,多少也會因為常聽到這樣「狼來了」一般的訊息而更加鬆懈。更不用說一味迷信在「等待準確預測到地震」的信徒們了!預測地震的用意在於防範未然,並非等待災害發生。

邏輯錯誤的「寧可信其有」

雖然說「相信或不相信」這件事情要扯上科學的話非我的專業(較偏認知心理?)但我們卻可以由邏輯論述的方式來看看矛盾的點:
有許多朋友會說:「就算不知道地震會不會來,還是小心點好。」所謂「小心點好」指的是要多小心?如果公司在十層樓以上還去不去上班?要不要為了這件事請假?如果能將所謂的「小心一點」化為對於周遭事物的謹慎,那也就算了,要是抱持著「真的會發生嗎?」之類的想法看著手錶、日曆等待災害預告的時間到來,我想那也不能說得上是真正相信所謂預測的資訊,只能說是「鄉愿」的看待,這不能怪誰,因為這多少符合人性,很少人會在被恐懼籠罩時還能保持理性思考的。提出這點並非要大家只要隨便聽到有可能會有災害就要因應,而是應該要以更嚴苛謹慎的角度,看待任何消息來源的真實性與可靠性。

所以,氣象法說不能預測地震,會不會管太多?

最近一則地震預測相關新聞中的末段,也提及氣象法中,不得擅自地震預報與其它災害預報的規定,話說其實這個規則並未限制「不能嘗試預測地震」,而是擅自「發布」預報。為什不能隨意預報?這當然與防災又脫不了關係,要是沒有一個穩定、準確的發布系統,混亂防災情報會使民眾更加無法適從。
當政府單位、新聞媒體所公布的颱風路徑有所誤差時,我們很自然的會去批判,那是因為我們會針對公布的路徑與登陸時間等資訊作因應,無論是期待放假或是準備撤離皆然。不過今天我們對於既然無法準確預報地震發生的時間地點,提供了一個可能不會發生的資訊可能會令人做白工、也易使防災準備單位疲於奔命,或許可以鄕愿的說:沒有來,我們可以當作演習啊!但是我們不得不考慮人性與心理,試問若發布一個機率只有50%不到的警報,收到的人是該當作演習,還是要真的奮力逃難呢?
回到氣象法,在法規中僅對「災害預報」限制最多,而部分天氣預報需要經專業認證才能執行(證照制度)。至於科學研究,因為沒有牽涉防災,自然沒有所謂風險可言,因此就算目前沒有任何科學證據顯示地震可以被預測,也無需限制人們研究如何預測,只不過一旦公告周知,某日某地某時將發生大地震,不管準確與否,都得為這個資訊負責,包括可能造成的不必要恐慌、增加無謂的社會成本等等。而沒有辦法真正預測卻又大聲宣傳,或是散布資訊,恐怕也間接抹殺了真正孜孜不倦的地震學家們。

防災教育和科學教育的重要性

為什麼會有人很容易相信或散布地震預測的謠言,歸根究柢還是一開始提到的「對未知事物恐懼」。因為不知道,所以害怕,因為害怕,所以就容易被挑起情緒去相信一些好像可以掌握的資訊。此篇不直接批判特定地震預測社團,用意在於無論相信或不相信,都不是我們解決對「不知道下次大地震何時來?」的好方法,真正的地震防災之道是仔細的思考自己對於地震風險的面對方式、對於地震來臨時的應變預想,這些措施或許比賭盤式的地震猜測還有效果的多。
我並非防災救災專家,故這邊就借花獻佛,藉由下列數篇專業說明,與各位一起思考真正面對地震這種「一定會發生、但不知何時何地」的災害,該如何作好防災準備:(以下文章連結至消防員與防災教育專家蔡宗翰先生部落格)
當然有人會說預測的地震沒有如期發生或者不發生是好事,但攤開臺灣的歷史地震紀錄,我們可以確定:「地震一定會來,只是不知道何時來。」或許這是一句廢話,但我們也可以捫心自問:遇到地震時,家中的家具擺設會傷到自己嗎?在公司或是學校時有沒有想過不同地點的防災策略嗎?
或許我們比較少想到臨震的狀況,也可以藉此思考看看:無論有沒有收到地震預警簡訊,都該想想:多十秒能做什麼?
延伸閱讀:

2016年6月8日 星期三

【國語日報專區】不一樣的地震波


地震的最大特徵,就是地表會產生振動,而人們也因此感覺到搖晃,而振動過於劇烈時,往往會造成災害,那麼地表的振動是怎麼樣傳播的呢?震波傳播方式就是以「波」的方式來傳播,雖然波動不斷的前進,但經過之處的物品並不會跟著向前跑,所以波帶動的是「能量」,並非實體的物質;地震發生的地點就像是丟入池塘的小石頭,而地震波就是像是被激起的漣漪一般。

自然界引發起震的原因主要包括了因地殼運動產生的構造地震,另外還有火山、陷落、隕石撞擊等作用,而全世界絕大多數的天然地震都以構造地震為主,因為地殼在不斷變動的過程中,在地殼岩層中產生大規模破裂時,就引發地震。地震雖然很可怕,但是因為地震波能穿透地層,深入地下,科學家藉由收到的地震波進行分析,了解地底下長什麼樣,就像是我們利用超音波了解身體內臟或是新生兒的樣貌一樣;科學家更進一步利用這樣的技術了解地底下是否有斷層、石油與礦產。但是,天然的地震幾乎不可能預測,科學家是怎麼利用地震波來探測地底下的模樣呢?第一個方式是利用撞擊地面產生的振動,第二個方式則是利用一台振盪式震源車,產生來回擺盪的震波,而如果需要更大的震波,就需要利用引爆炸藥,但由於炸藥會造成破壞,也較少被使用。

利用人工產生的震波,來探索地下構造

炸藥可以製造較強的地震,那麼大規模的爆炸,會造成什麼樣的地震呢?在今年212日,北朝鮮發出進行核子試爆成功的聲名,告訴全世界他們進行了核子試爆。這時大家當然感到十分緊張,而美國與鄰近的日本也開始進行相關監測,其中一種方式就是利用「地震波形」。其實早在1960年代,美國已在全世界建立了地震觀測網,除了可以觀察一般天然的地震,也能觀測到核子試爆的地震波。

那麼,要怎麼分辨出是一般的地震,還是像核子試爆一般人為產生的地震呢?前面提到多數天然地震是以構造地震為主,而它產生的地震波和爆炸的波動不同,震波就像是地震的指紋一般,可以幫助我們辨認地震的成因。除了美國的地震觀測網,鄰近的日本也很擔心核子試爆的活動,也把這次北朝鮮的試爆產生的地震波形,和他們過去宣稱的試爆產生的波形、鄰近發生的天然地震波形比對,過去三次的試爆波形十分接近,並且和天然地震的結果大不相同,這表示震波一樣是由人工爆炸造成的。

不同的地震波形(修改自美國地震學研究機構聯合會IRIS)


然而,核子試爆除了會產生震波,也會產生放射性物質,但是在212日的試爆後,鄰近的中國、俄羅斯、日本、韓國都還沒有偵測到人工的放射性物質;我們不清楚,到底是北朝鮮的地下試爆的封閉性太好,還是只是引爆大量的炸藥而產生的震波。目前也僅能靠著現有的地震波資料,來估算爆炸的規模。

日本氣象廳對不同試爆與天然地震波的分析(修改自日本氣象廳釋出資料)