《黑洞藍調》:與「逢賭必輸」的好友霍金相比,基普是一名高明的賭徒

《黑洞藍調》:與「逢賭必輸」的好友霍金相比,基普是一名高明的賭徒
Photo Credit: Shane Pope@Flickr CC BY 2.0
我們想讓你知道的是

耗費鉅額資金、前途未卜的LIGO為什麼可以申請到資金呢?因為基普魅力十足,是一名高明的說客。此外,他在科學方面考慮問題縝密周到,對技術發展現狀的分析與評估清楚明瞭,為人誠實正直,受人尊重。因此,基普說的話往往令人信服。

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文:珍娜.萊文(Janna Levin)

霍金的賭局

科學界的人都知道,史蒂芬.霍金與人打賭的勝率非常低。他在公開場合與人打賭,從來沒有贏過。有一次,霍金與加州理工學院的理論學家約翰.普雷斯基爾(John Preskill)打賭,稱任何資訊都無法逃離黑洞,即使他本人發現的「霍金輻射」也無法將資訊帶出黑洞。後來,他認輸了,儘管很多人(或許包括普雷斯基爾)都說認輸為時尚早。基普也參與了這次打賭,而且與霍金站在同一邊,但是他至今沒有認輸。

霍金打賭說人類永遠無法找到希格斯粒子(我們所在的物質世界的黏合劑)。實驗粒子物理學家利昂.萊德曼(Leon Lederman)給希格斯粒子起了一個非常著名的暱稱——「該死的粒子」(Goddamn Particle)。但是,出版社不願意採納這個名字,於是把他那本書的書名改成了《上帝粒子》(The God Particle)。不幸的是,霍金在打賭方面的敗績還在延續。希格斯粒子被找到了,還有人因此獲得諾貝爾物理學獎。希格斯粒子的發現既令人失望(這方面的研究是不是已經到了窮途末路?),又是一大勝利(他們成功了!)。它還讓霍金輸給同事戈登.凱恩(Gordon Kane)好幾百美元。

霍金也就外星人殺手、機器人等問題跟人打過一些非常奇怪的賭。這些問題的答案都不大可能揭曉,因此這些賭局也許會讓他取得有史以來最好的戰績。

批評霍金是一個眾所周知的拙劣賭徒(不是說他嗜賭成癮,而是說他十賭九輸),也許會讓我們對他最著名賭局的重大意義視而不見。霍金跟基普打賭,說從地球上看最明亮的X射線源(不是指本身為已知的最明亮X射線源)天鵝座X-1中沒有黑洞。兩人打賭的時間是在一九七四年,距離人們從天鵝座探測到X射線已經過了十年時間。當時,霍金投入大量精力對黑洞進行深入研究,並因為發現黑洞可能會蒸發而確立了自己的學術地位。有時候,霍金會兩邊下注,目的純粹是找樂子。霍金與基普的那個賭局在遊戲規則的開頭指出:「儘管史蒂芬.霍金在廣義相對論和黑洞這兩個研究領域投入了大量精力,並且希望為此購買一份保險,但基普.索恩卻想將生活置於沒有保險保障的危險境地……」

1990年,霍金和隨行人員衝到基普的辦公室認輸,但基普不在,他在蘇聯。擅自進入辦公室的霍金在銀行本票上摁了手印,根據商定的賠付方式,付款為基普訂閱了一份色情雜誌,「基普思想開明的妻子為此勃然大怒」,至少傳言是這麼說的。但是,思想開明的基普太太——卡羅莉.喬伊斯.溫斯坦(Carolee Joyce Winstein)說:「我根本沒有生氣,我當時的反應主要是驚訝……我以為婦女解放運動已經頗有成效,人們對這一類事物應該有足夠的意識。很顯然,我錯了。可能這件事令媒體不知所措,所以他們杜撰了這個『基普的太太勃然大怒』的刻板故事。」在從不故作正經的卡羅莉看來,這整件事很好笑。

與好友霍金相比,基普是一名高明的賭徒。他宣稱,只要賭局不設截止日期,他就不會輸。他曾經在一個設定了截止日期的賭局中輸給了傑瑞.奧斯特里克,原因是這位研究成果豐碩的天文物理學家正好是天鵝座X-1的X射線發射理論的提出者之一。

就在羅克斯.沃格特努力說服美國國會撥款時,基普.索恩正在科學前線四處遊說。一九八○年代,基普在普林斯頓大學做過一場熱情洋溢的演講。坐在臺下的傑瑞.奧斯特里克不想在演講過程中給基普添麻煩,但是他暗自想道:「他是從哪裡得到這些數字的呢?」他指的是強度足以被LIGO探測到的重力波發射源的預計數量。奧斯特里克相信重力波是由天文物理學系統產生的,但是他認為重力波的強度和數量應該不足以使基普的夢想成真。

基普以前就聽過這樣的說法,指責他過於樂觀,而他會用參考文獻、文件資料和公開發表的各種圖表,耐心地駁斥他們。基普找出他在一九八○年發表的一篇文章,指著其中的一個圖表對我說:「『重力波的強度究竟多大才不會顛覆我們對重力屬性或者宇宙的天文物理學架構這兩方面的堅定信念?』,關於這個問題,有一條『堅定信念』線可以告訴我們答案。這條線對應的是一個無比喧鬧的天空,我從來沒有說它代表的是重力波的真實強度。」

在那篇文章中,基普寫道:「不過,現在和不久前流行於世的宇宙模型都預測最強的〔脈衝訊號〕應該遠低於這條『堅定信念』線。」儘管這些模型有的已經過時,但是人們研發高靈敏度探測器的衝勁卻從未鬆懈,所以今天的先進探測器才能達到現有的靈敏度。(一九七八年的一場學術會議甚至還製作了T恤,上面印著「10-21 or bust?」〔未達10–21 ,誓不罷休!〕字樣。)

傑瑞.奧斯特里克與同樣來自普林斯頓大學的約翰.巴考爾,對LIGO探測器的批評可能最為強硬。魅力十足、善於遊說的LIGO倡導者(他們可能會稱之為宣傳員)基普深知,他的同行和美國國會那些人肯定不會認同曠日長久又沒有成功保證的大型科學計畫,因此他必須想辦法讓他們改變觀念。基普可以擺出確鑿的科學依據,證明LIGO很有可能探測到適當的天文物理訊號。他們能聽到某些聲音,這種可能性非常高,幾乎可以保證。但是,即使是現在,基普也不會保證他們絕對可以探測到重力波。

無論人們以前是怎麼想的,一些訊號源的真實性現在已經不會引起爭議了。那些緻密雙星就是LIGO立於不敗之地的保證,作為重力波訊號源,即使有很多問題尚未確定,只要我們知道它們確實存在,就可以確保地球上的這些重力天文臺取得成功。修飾語「緻密」,描述的是塌縮的死亡恆星所形成的白矮星、中子星和黑洞。它們都是緻密星體,體積非常小,質量卻非常大。而且,它們都已經死亡──不論以前是什麼樣子,現在都無法發射出明亮的光芒了。

在萊納剛開始構思LIGO的時候,對訊號源的確定程度還沒有現在這麼高。惠勒創造「黑洞」這個名詞已經是二十年前的事了,備受尊重的天文物理學家對於理論證據不為所動,他們更高的目標是獲得經驗證據。這是理所當然,但是即便證據不斷增加,人們總能找到其他解釋來解讀觀察到的現象而不談黑洞,而且這些解釋變得越來越複雜(為了達到曲解數據或歪曲事實的目的,他們甚至會扯出氣體雲)。萊納說:「與奧卡姆剃刀定律相悖,這些解釋極其複雜、隨意……我的意思是,如果麻省理工學院最受尊敬的教授們認為黑洞不存在,我就不會去學校申請探測黑洞所需的經費。」

然而,興奮之情蔓延到所有人身上。脈衝星的發現讓很多科學家深信中子星是存在的。在明亮的超新星殘骸發現蟹狀星雲脈衝星,使得科學界轉而相信中子星是重力塌縮的最終狀態,至少對於某些恆星來說是如此。天鵝座X-1等明亮的X射線源為黑洞的存在提供了證據。另外還有決定性的關鍵:赫爾斯-泰勒脈衝星間接證明了損失的能量轉化成為重力波。既然有那麼多的人相信恆星死亡後會變成緻密星體,重力波訊號源的存在就應該確定無疑了。但問題是,有多少訊號源呢?

白矮星和中子星發出的光非常暗淡,如果位於銀河系外,人們根本就看不到。在我們的銀河系裡(直徑約十萬光年)能看白矮星和中子星存在的證據。離銀河系最近的大型星系是仙女座,距離我們大約二百五十萬光年。我們可以看見遙遠星系裡的超新星,但如果距離達到數百萬甚至數十億光年,就無法看到這些超新星爆發後殘留的暗淡塌縮核心。我們有充分的理由相信,可以根據對我們銀河系的瞭解去推斷其他星系的相關情況。在可以觀察到的宇宙空間裡有無數星系,每個星系又包含數不清的恆星。星系的數量難以統計,恆星的數量更是不計其數,其中必然有恆星死亡後留下的殘骸。但是,銀河系以外的緻密星體非常暗淡,用望遠鏡觀察不到。

即便無法用望遠鏡看到,既然有那麼多的緻密星體,LIGO自然希望可以藉助重力波天文臺探測到它們。在太空裡靜止不動的緻密星體不會發射重力波,就像放著不動的鼓槌不會讓鼓發出聲音一樣。要把鼓敲響,鼓槌必須動起來。這些濃縮的質量必須加速運動,才能將能量傳遞至重力波。赫爾斯-泰勒脈衝星以越來越快的速度,圍繞另一顆中子星運轉。儘管形成塌縮核心的超新星爆發有時會將伴星彈射出去,但大多數恆星系統很可能都是成對「出生」、成對「死亡」的。LIGO苦苦搜尋的那一類中子星和黑洞,就是那些同時死亡的雙星系統。(雙白矮星震盪時空所發生的音低於LIGO的探測範圍。)這些扮演鼓槌的緻密星體,以越來越快的速度沿軌道彼此繞行,在它們四周拖曳、旋轉時空的曲線,放射出重力波。

緻密雙星系統沿軌道運轉時,產生時空的漣漪需要消耗軌道能量,因此它們會旋近(inspiral),也就是說,它們一邊旋轉,一邊向彼此靠近。每轉一圈,死亡恆星之間的距離就會縮小一些,運行週期也會縮短一點。

所有天文雙星系統,無論是不是緻密星體,都會發射重力波。除了太陽系效應引起的其他軌道變化以外,重力波造成的能量損失,會使地球在自轉的同時慢慢旋近太陽。月球也將旋近地球,而太陽則不斷旋近銀河系的中心位置。但是,所有這些旋近都極度緩慢,發射的重力波極其微弱,幾乎無法探測到。整個過程所需的時間非常漫長,遠超乎宇宙存在的時間。太陽將第一個死亡,銀河首先會與仙女座碰撞。世界末日到來時,人類仍然在地球上用重力波干涉儀探測天文異象的可能性不大。霍金也許可以拿這個與別人打賭,當作消遣。

但是,LIGO有可能聽見一對緻密雙星旋近的最終狀態。想像一下,黑洞碰撞的最後時刻會出現哪些場景。首先是兩個黑洞(假設它們的直徑分別是六十公里)在太空中相互圍繞對方運行,速度之快可達光速的相當比率,每秒運行幾百圈。隨後,它們相互碰撞,融合為一體。在這個過程中,它們的運動使空間發生震盪。由於強度夠大,當重力波從地球上方經過時,我們可以聽到這場大災難。只有到了最後時刻,重力波夠強,才會被探測器捕捉到。緻密雙星系統的壽命通常有數十億年,如果把觀察目標限制在我們的銀河系範圍內,要在緻密雙星系統生命終結前的十五分鐘裡探測到它們的可能性將非常小,這一點令人十分氣餒。

銀河系裡兩個中子星相互碰撞的發生頻率大約是每一萬年一次,但是預測工作仍然充滿不確定性。一個中子星與一個黑洞碰撞的發生頻率可能是幾十萬年一次,兩個黑洞相互碰撞的發生頻率可能是兩百萬年一次。因此,花五十年的時間建造LIGO,卻只用來記錄我們的銀河系內發生的緻密星體碰撞現象,是一個非常愚蠢的想法。

LIGO必須記錄數百萬個星系引發的空間震盪,才能使記錄黑洞碰撞的成功機率在科學上達到合理的程度(比如,在試運行一年內取得成功)。其他星系距離我們非常遙遠,因此LIGO必須探測遙遠的空間,把更多的可能目標納入探測範圍。但是,探測距離越遠,訊號就越微弱。因此,儘管第一代LIGO完成了六次科學運行(探測器全面運轉並記錄數據的次數),但它們只能偵測到大約四千五百萬光年距離範圍內的雙中子星,最遠可達附近的室女座星系團,而雙黑洞的距離比這還要再更遠一些。可探測距離似乎已經非常遠了,但還不能滿足重力波探測的需要。因此,第一代探測器一無所獲。

幾十年前,基普在普林斯頓大學做了那場演講之後,奧斯特里克問了一個縈繞在他心頭多時的問題:「你是從哪裡得到這些數字的?」只在訊號源數量非常多的情況下,第一代探測器才有可能捕捉到某些聲音,否則,成功的可能性非常小。根據理論,訊號源大量存在的可能性難以估計。基普說,訊號源數量的那些最高估計值至少符合物理定律,但最低估計值則是他們一直追求的目標。研究天文學出身的奧斯特里克堅持認為這些數字令人迷惑,與天文學的現實情況格格不入。

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Photo Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab@Wikimedia Commons Public Domain
LIGO位於路易斯安那州利文斯頓的探測器。

大約在三十年前,基普與人打賭,稱LIGO在二十一世紀到來之際就會探測到重力波,奧斯特里克則相當自信地打賭說不可能。奧斯特里克為這個賭局設置了幾個合理的科學條件,包括:至少有兩個團隊承認重力波已經被成功探測到,而且這兩個團隊必須承認對方對探測結果的分析是正確的。事實證明,奧斯特里克純屬多此一舉。2000年1月1日悄然而至,又悄然而逝,剛剛組裝完成的第一代LIGO尚未採集數據。奧斯特里克宣稱:「我貼在他牆上的賭局協議突然消失了。」

基普回應道:「坦白講,我認為那份協議一直在牆上。為了簽名認輸,我把它從牆上拿了下來,但幾天之後又把它貼回去了。」

奧斯特里克說他並沒有馬上要求基普兌現賭注,反而是不斷地在基普的朋友圈裡詢問他的狀況:「基普沒事吧?」他的目的是藉由這種不急不躁又鍥而不捨的方式,讓基普的朋友們提醒他該掏腰包了。

基普反駁說:「傑瑞肯定記錯了。2000年1月1日,我輸掉了這場賭局。後來,我收到了傑瑞手寫的、落款日期為2000年4月18日的便條:『收到你寄來的那張令人愉悅的便條,還有那瓶上乘的紅酒,萬分感謝!我和吉姆.岡恩(Jim Gunn)、博赫丹.帕欽斯基(Bohdan Paczynski)、斯科特.特里梅因(Scott Tremaine)以及馬丁.里斯 一起分享了那瓶酒,還為你的健康,為重力波探測,尤其是LIGO取得成功乾杯。祝一切安好!你真誠的朋友,傑瑞。』」

同傑瑞.奧斯特里克一樣對LIGO感到非常惱火的天文物理學家大有人在。奧斯特里克特別指出LIGO有程序違法之處。《天文學與天文物理學十年調查報告》的宗旨是針對未來十年美國應重點資助哪些天文學和天文物理學研究計畫提出建議,是科學自治的一個重要面向。奧斯特里克參與了過去三期的編寫工作。儘管至今仍然不清楚約翰.巴考爾是否曾經拒絕將LIGO收入其中,但是LIGO最終沒有入選的確是事實。過去幾十年裡,所有重大計畫都通過了該調查報告的審查,但LIGO是一個例外,這令奧斯特里克感到十分惱火。他和其他人都不滿LIGO把錢用來修建那些管道,而不是用來培養研究生。

對於這個問題,基普提出了不同看法:「關鍵問題是,為LIGO提供資金支持的是國家科學基金會的物理學部,而不是天文學部。所以,有發言權的只能是物理學部,而不是天文學部。」

基普繼續解釋道:「LIGO通過了物理學十年調查委員會的審查……在找到新的經費來源之前,為LIGO提供資金的一直是國家科學基金會物理學部。LIGO獲得批准的一個重要原因是,從一九八○年代中期開始,我們就接受大量的審查,而且審查委員都是一些不講情面的物理學家,例如理查德.加爾文。如果沒有這些審查,國家科學基金會絕不可能批准LIGO的資金申請。」

一位不願意透露姓名的批評者指出,基普出身摩門教家庭,受過遊說他人改變信仰的訓練。他還認為,雖然長大後的基普拋棄了枯燥乏味的說教和性別歧視,也不再是一名虔誠的摩門教徒,但是他從來沒有一個正當理由來宣洩這股遊說他人的強烈欲望,而LIGO恰好成了那個理由。耗費鉅額資金、前途未卜的LIGO為什麼可以申請到資金呢?因為基普魅力十足,是一名高明的說客。此外,他在科學方面考慮問題縝密周到,對技術發展現狀的分析與評估清楚明瞭,為人誠實正直,受人尊重。因此,基普說的話往往令人信服。

從技術上來看,第一代LIGO取得了成功,但是它們沒有偵測到任何訊號。要想記錄距離我們數十億光年的宇宙傳來的微弱聲音,必須解決一系列技術難題。根據設計,先進LIGO的探測距離超過十億光年,可達數百萬個星系。天文學家認真地估算了恆星的數量、大小和壽命,試圖預測出現在探測範圍內的緻密雙星系統的數量,從而確保LIGO可能的訊號源。儘管目前的訊號源估計數量仍有爭議,悲觀意見與樂觀看法並存,但是訊號源確實存在。無法保證的是,緻密雙星系統發生碰撞的地點是否在可探測範圍內,以及碰撞發生時人類是否還存在。

只有造物主慷慨地提供足夠多的訊號源,且探測器完成次數合理的科學運行(在一、兩年,而不是二、三十年內),LIGO才會聽到宇宙的配樂。如果探測器在幾年時間裡一無所獲,人們可能就不願意繼續使用它們了。同時,LIGO也需要進一步證明人們的投入物超所值,也就是說,LIGO必須有「從事天文學研究」的能力。面對外界的挑釁,很多人焦慮不安,還有很多人不辭勞苦地做著各種計算,希望可以拓展LIGO探測器在天文物理學領域的應用。LIGO仍然面對眾多批評者的評頭論足,並需要向天文物理學界證明自己的存在價值。對於LIGO的合作者來說,棘手的問題是:LIGO會有足夠的回報嗎?巨大的投入能否換回足夠多的科學突破?

目前,LIGO是唯一擁有重力波探測能力的機器,因此無法滿足傑瑞.奧斯特里克的賭約條件——至少有兩個團隊承認重力波已經被成功探測到,而且這兩個團隊必須承認對方對探測結果的分析是正確的。然而,奧斯特里克說,如果人們可以利用望遠鏡完成同步探測,他也能接受。當超新星或中子星這些緻密的超導磁體碰撞時,不僅會發出巨大的聲響,還會發出明亮的光。既然先進LIGO基本上已經建成,奧斯特里克當然感興趣,而且,保持開放態度。同眾多科學家一樣,他會為科學研究成果歡欣鼓舞,而非冷嘲熱諷。不過,他還是與LIGO團隊的一名科學家(不是基普)下了另一個賭注。奧斯特里克打賭說,他們探測到重力波,並且能以望遠鏡的相關觀察加以證實,這在2019年1月1日之前是不可能實現的 。

在遠遠長於人類既有歷史的遙遠未來(就像古戈爾普勒克斯遠遠大於138億一樣,宇宙138億年的歷史與未來歲月相比,同樣微不足道),宇宙中的所有恆星都將死亡,那些符合條件的恆星會塌縮成黑洞。宇宙萬物最終都會掉進恆星質量黑洞,然後那些黑洞會掉進超大質量黑洞,接下來宇宙中的所有黑洞都會蒸發,產生霍金輻射。整個過程將會耗費非常長的時間。(「永恆是很長的時間,特別是對盡頭而言。」)所有霍金輻射將在不斷擴張的宇宙中逐漸消失,無法填滿宇宙膨脹的空洞,然後宇宙的光將發散而出,最後每一個粒子都變成單獨存在,上方沒有明亮的天空,底下也沒有發光的太陽系。目前,我們生活在地球上,天空非常明亮,似乎聽不見宇宙的任何喧囂聲。所以,這次的賭局是:天空並不是那麼安靜。

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書籍介紹

本文摘錄自《黑洞藍調:諾貝爾獎LIGO團隊探索重力波五十年,人類對宇宙最執著的傾聽》,漫遊者文化出版
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作者:珍娜.萊文(Janna Levin)
譯者:胡小銳、萬慧

  • 2017年諾貝爾物理學獎得主基普.索恩等科學家與LIGO科學家們相知相惜,才華洋溢的動人故事
  • 證明了愛因斯坦的天才預言,補足了廣義相對論缺失的「最後一塊拼圖」
  • 一百年來的重力波探測編年史,為人類探索宇宙生成開闢了全新的觀測方式

「在宇宙上演的不是一齣默劇,因為宇宙其實不是一片死寂。」——珍娜.萊文

這是人類對宇宙最靈敏、最執著的傾耳細聽……
一群科學家天才奇想,冀圖捕捉宇宙重力波傳來的微弱「聲音」,
另闢蹊徑證實了黑洞的存在,以及宇宙起源的在場證明……

LIGO科學家捕捉到重力波的重大成就,如同伽利略發明了望遠鏡,
我們得以透過重力波這位「新任宇宙信使」,探索前所未知的宇宙理論,
重新理解宇宙的誕生。

一九一六年,愛因斯坦預測了重力波的存在。一世紀之後,人類記錄到來自太空的第一波聲音,證明由黑洞碰撞造成的重力波確實存在,而探測到重力波的LIGO科學團隊成員萊納.魏斯、基普.索恩以及巴里.巴利許,也因此重大成就獲得二○一七年諾貝爾物理學獎。

到底是什麼樣的瘋狂團隊做出的天才豪賭,想要在相當於地球周長一千億倍的距離範圍內,測量出比人頭髮的直徑還要小的變化?而留給測量的時間或許不到一秒鐘。而且,沒有人知道這種極微小的變化何時會發生……

本書作者珍娜.萊文先從人和故事出發,描繪了主導LIGO計畫的首席科學家們各自的文化背景與鮮明個性,如何左右計劃的成敗,彷彿是美劇《宅男行不行》的進階真人版,之後再讓科學現身,直到最後科學與人合而為一,翔實的調查與如歌的寫作,呈現近五十年來精彩的重力波科學探測史。

像是LIGO的靈魂人物萊納.魏斯,自小就沉迷音響,曾為了追求愛情輟學並苦學鋼琴,還因為不懂相對論卻又要授課,只好絞盡腦汁想出一些「思想實驗」來解釋抽象艱澀的理論,這些經歷因此讓他發想出 LIGO 實驗的主體設計。基普.索恩雖然出生於教規嚴格的摩門教家庭,卻崇尚波希米亞式的自由之風,他另闢蹊徑沉思宇宙,提出經由探測重力波發出的聲音,也多虧他的前瞻眼光,才讓計畫好幾次免於夭折。另一位來自蘇格蘭的科學家朗納.德瑞福才華橫溢卻個性瘋狂,有著「科學界莫札特」的稱號,但他暴躁的脾氣卻難以跟其他科學家合作,最後甚至被踢出LIGO團隊抑鬱而終。一般咸信若他還在世,諾貝爾物理學獎一定有他一份。

這幾位主導LIGO的科學家跟一般人一樣都有性格上的缺陷,卻能彼此相知相惜,正是這般人性與科學摩擦碰撞的熱力,五十年來持續支撐了這個遠大的科學計畫。即便LIGO成立以來歷經波折,先是研究成員被懷疑是蘇聯間諜而被FBI跟監,龐大的計畫與開支長期遭到各種無情的攻擊、質疑與奚落,甚至團隊內部還曾為了德瑞福的去留而分裂成兩派。作者以第一手採訪,引人入勝的筆觸,娓娓敘說其間的驚奇、失望、成就、風險,描繪出一幅史無前例的現代科學面貌。

本書是一部重力波編年史,一份宇宙歷史的聲音紀錄,一場無聲電影的配樂,要向一次異想天開、氣勢恢宏而充滿艱辛的實驗壯舉獻上敬意,並且稱頌那份鍥而不捨的科學壯志。

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Photo Credit: 漫遊者文化

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航

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