天文學家的超有趣宇宙教室：回答孩子的30個單純問題，就能知道太空科學的最新知識

「地球真的是圓的嗎？」
「我們怎麼知道地球是圓的呢？」
「外星人存在嗎？」
「我們做得出時光機嗎？」
由孩子們提出的30個最單純的提問，有時候就連大人都不知道答案。
到底是為什麼呢？答案又是什麼呢？
就讓我們向天文學家提出這些問題，用最簡單的方式了解太空科學的尖端知識吧！


本書是以和孩子對話的方式，由天文學的老師來回答這些「單純的問題」，所以就算完全沒有相關的宇宙基礎知識，也能輕鬆閱讀。

津村耕司（Tsumura Kouji）
東北大學尖端跨領域科學前線研究所助理教授、天文學家、博士（理學）。
1982年出生於神戶，2005年畢業於東北大學理學部宇宙地球物理學科（天文），2010年東京大學理學系研究所天文學專攻博士畢業。過去曾任職於宇宙航空研究開發機構（JAXA）、宇宙科學研究所（ISAS）、宇宙航空計畫研究員。
自研究生時代起，便曾在JAXA╱ISAS等機構參與火箭實驗CIBER計畫，以紅外線天文衛星「Akari」，觀測宇宙紅外線背景輻射（紅外線下的宇宙亮度）並進行研究。CIBER計畫成功後，於2014年9月獲得了NASA Group Achievement Award獎。目前致力於太空科學的普及、教育活動。
著作包括《宇宙はなぜ「暗い」のか? オルバースのパラドックスと宇宙の姿》（Beret出版，2017）、《百科繚覧 Vol.1―若手研究者が挑む学際フロンティア》（東北大學出版會，2018，共著‧編輯）。

（前言）
各位對「宇宙」一詞有什麼樣的印象呢？感覺會聽到「離我們太遠了所以沒什麼特別的印象」、「感覺很難」之類的回答。至少，在我們周圍應該很少人會覺得自己的生活和「宇宙」有關。就我自己而言，當我介紹自己是「天文學家」的時候，還會聽到「原來現在的日本還有天文學家啊」之類的回應（苦笑）。社會大眾對於「宇宙」這個詞總有著遙遠、陌生的印象。
另一方面，宇宙卻也是人類相當熟悉的學問，甚至可以說「天文學是世界最古老的學問」。對於過去的人們來說，天文學可以告訴他們「哪個季節最適合播種」、「航海時的自身位置」等資訊，與當時人們的生活密切相關。現在被認為「與日常生活無關」的天文學，過去卻是「活在世界上不可或缺的實在學問」。
不過，過去的人們也不是一開始就知道「觀察天空」可以幫助自己知道季節和位置。人們要先發現太陽與星空的運動會以一年（365日）為週期，規律性地變化，才能藉由星空判斷季節；人們要先知道地球是圓的，才能藉由觀察星空知道自己現在的位置。也就是說，在天文學成為「有用」的學問以前，前人們已觀察過很長一段時間的天空、發現各天體的運動規則、知道地球是圓的、實際測出地球大小，並知道太陽比地球還要大很多。這些都是西元前發生的事。
為什麼人類會持續觀察天空呢？或許就是因為好奇心吧。「這裡是哪裡？我是誰？」許多人都會自然而然地產生這樣的疑問。自古以來，人類就不是為了要有什麼用處而去觀察天空，只是因為「想要知道」的欲望而這麼做。這些人類長久以來所抱持的單純問題中，有些問題在現代已得到答案，像是「這個大地（地球）長什麼樣子呢？」、「太陽是如何燃燒的呢？」等；有些問題正好是現代天文學的尖端研究主題，像是「這個世界（宇宙）是如何誕生的呢？」、「除了我們所居住的這個世界（地球）之外，還有其它世界（系外行星）存在嗎？」等；有些則是連現代天文學都無法回答的問題，像是「地球以外的地方存在生命嗎？」、「時空旅行可行嗎？」等。
在忙碌的現代社會中，或許我們已沒有太多時間來仔細思考這些「單純的問題」。不過，人類之所以是人類，就是因為我們有「想要知道」的求知欲、好奇心。其中，這個傾向最明顯的就是「孩子」了吧。孩子們看到充滿著未知事物的世界時，會產生多樣卻又單純的疑問，對每個事物都抱有興趣。許多孩子們天真而單純的疑問，其實也都是人類在漫長歷史中一直抱持著的疑問。其中也包括了想要瞭解這個世界（地球或宇宙）本質的疑問。
本書就是為了滿足這樣的好奇心而寫成的。本書大致上可分為六大主題。第一個主題中會回答與我們最親近的「地球」有關的疑問，第二個主題中會回答與「太陽和星星」有關的疑問。這些都是存在於你我周遭的星體，故自古以來人們便從各種角度研究它們，至今我們已對這些星體有相當程度的理解。第三個主題中會回答與「銀河與銀河系」有關的疑問，第四個主題中則會回答與「系外行星」有關的疑問。在我們使用大型望遠鏡，觀察到這些「外面的世界」後，才開始有了這些疑問。大約從一百年前開始，人們才逐漸瞭解到星系的存在，而系外行星更是不到三十年前才出現的話題，可以說是現代天文學中最尖端的內容。在本書後半，第五個主題中會回答與「外星生命」有關的疑問，第六個主題中則會回答與「時光機」有關的疑問。這些都是目前的科學未能回答的問題。本書是以和孩子對話的方式，由天文學的老師來回答這些「單純的問題」，所以就算完全沒有相關的宇宙基礎知識，也能輕鬆閱讀。
接著，就讓我們從這些單純的疑問開始，展開壯大的宇宙旅程吧。

津村耕司

前言
第1章 地球是什麼樣的地方呢？
地球真的是圓的嗎？
地球正在旋轉嗎？
難道不是太陽繞著地球轉嗎？
為什麼不同季節看到的星座會不一樣呢？
地球內部有什麼東西呢？
地球是一個很大的磁石嗎？
老師的提問 你覺得地球的重量會變化嗎？

第2章 太陽是什麼樣的星體呢？
太陽是很特別的星體嗎？
從地球可以看到多少星星呢？
太陽是如何燃燒的呢？
老師的提問 「我們都來自星星」是什麼意思呢？

第3章 為什麼夜空中會有銀河呢？
七夕的傳說是什麼呢？
銀河是由什麼構成的呢？
肉眼看得到星系嗎？
老師的提問 星系有哪些種類呢？

第4章 另一個地球存在嗎？
究竟什麼是「行星」呢？
我們如何發現遠方的行星呢？
目前已發現多少個系外行星了呢？
老師的提問 我們可以直接觀察到與地球相似，卻位於太陽系外的行星嗎？

第5章 外星人存在嗎？
宇宙人存在嗎？
什麼樣的行星才可能出現生命呢？
太陽系內有其它生命嗎？
該如何尋找太陽系外的生命呢？
存在能和我們溝通的智慧生命嗎？
老師的提問 如何尋找地球以外的文明呢？

第6章 我們做得出時光機嗎？
為什麼沒辦法回到過去呢？
有沒有方法可以知道過去發生的事呢？
該如何前往未來呢？
真的沒辦法回到過去嗎？
老師的提問 該如何製作時光機呢？

後記

地球真的是圓的嗎？

我們知道「地球是圓的」，也知道「地球繞著太陽轉」。但請你先停下來思考一下。為什麼我們會知道這些事呢？直覺上，我們應該會認為「地面是平的」、「太陽、月亮、星星在天空中移動」才對。為什麼我們會說地球是圓的，又說在動的不是太陽或星星，而是地球在動呢？許多人認為這很理所當然，但如果追問他們理由，多半也答不太上來。在本書的一開始，就讓我們先來談談與地球有關，又常被我們認為是「理所當然的事」吧。

首先，第一個問題是「地球真的是圓的嗎？」讓我們一起想想看吧。
您會感覺自己站在地球這顆球上嗎？環顧四周，在可以看到的範圍內，地球看起來應該是一片平坦才對。不過，在西元前就有許多人提出各式各樣的證據，證明地球是圓的了。現在，地球是圓形的證據主要包括以下五點。

(1) 觀察從遠方駛近的船隻時，總是會先看到帆的頂端。
可參考圖1-1。遠方船隻駛近時，我們一開始會先看到該船的上部，之後才漸漸看到整艘船。這件事從很久以前便廣為人知。

順帶一提，站在海岸上時，可以看到多遠的海面呢？請試著想想看吧。如圖1-1所示，欲求之海面最遠可見距離x，與地球半徑Re，以及視線高度h之間會符合畢氏定理。將地球半徑Re以6371 km代入，視線高度h以160 cm代入，便可得到x = 4.5 km。海面上的可見距離意外的短對吧。

(2) 月食時，映照在月球上的地球影子形狀永遠是圓形
這個證據亦在西元前的古希臘時代便廣為人知。當地球的影子擋住滿月時，就會造成月食，而這個影子的邊緣一直都是圓形（圖1-2）。如果這確實是地球的影子的話，我們便知道，不管光從哪個方向照向地球，影子都是圓形。換言之，地球是一顆球。

(3) 在不同地方觀察天空，星體的高度也會不同
因為地球是圓的，所以在不同地方看到的星體高度也會不一樣。要是地球是平的，那麼在某個時間點，從地球上任何一個地方看到的太陽或特定星體都會在同樣的高度上。但因為地球是圓的，所以不同地方看到的星體高度會不一樣。舉例來說，如圖1-3的左圖所示，在春分與秋分的正午時刻，赤道上的人們會看到太陽在自己的正上方；南北極的人們則會看到太陽剛好在地平線上；在北緯35度的日本，則會看到太陽在仰角55度的地方*1。而在夏至的正午時刻，如圖1-3的右圖所示，北迴歸線上的人們會看到太陽在自己的正上方；北極的人們則會看到永不下沉的太陽（永晝），相反的，南極的人們則永遠看不到太陽升起（永夜）。當太陽在我們的正上方時，不會產生影子。這個瞬間又稱做「拉海納正午（Lahaina Noon）」。
不只是太陽，夜空中的各個星星也有一樣的現象。在北極看向天空時，會發現北極星永遠在正上方；在赤道看向天空時，則會看到北極星在地平線上。北半球和南半球看到的星空不同，也是因為地球是圓形的關係。
距今兩千兩百年前，厄拉托西尼便利用了這個原理來測定地球的大小。他原本在亞歷山卓的圖書館工作。有一次，他聽說在夏至的正午時分，賽印（Syene）的太陽會位於正上方。於是他測量了亞歷山卓在夏至時的太陽仰角。並由測量結果知道，亞歷山卓與賽印的距離是地球周長的五十分之一（圖1-3下）。
再來是近代發生的事。距今約兩百年前的江戶時代，伊能忠敬製作出了精密的日本地圖。不過，他一開始製作地圖的動機，卻是想藉由江戶（東京）與蝦夷地（北海道）所看到的北極星仰角差異，測量地球的大小。然而，忠敬必須獲得幕府的許可，才能前往蝦夷地測量北極星的仰角。但是，江戶幕府不可能因為測量地球大小這種理由就給他前往蝦夷地的許可。另一方面，這時候的蝦夷地有著來自俄羅斯的壓力，故江戶幕府在國防上需要蝦夷地的正確地圖。因此，忠敬便以繪製蝦夷地的精確地圖為名義，獲得了前往蝦夷地的許可。換言之，繪製地圖只是伊能忠敬表面上的理由，他真正的目的其實是想實現測量地球大小的願望。

(4) 麥哲倫艦隊成功繞地球一周
世界上第一個以最直接的方式證明「地球是圓的」的人，就是繞行地球一周的斐迪南．麥哲倫。
一五一九年九月，麥哲倫艦隊以五艘帆船、兩百七十名船員的規模出航。當時的歐洲人還不知道太平洋的存在，他們以為剛發現的美洲大陸是亞洲的東側。因此，他們當初的目的其實是繞過美洲的南側，開闢一條往印度的航路。一五二年十月時，他們抵達南美洲南端時發現了麥哲倫海峽，從南美大陸的西側駛出。這時在他們眼前的便是未知的太平洋。當時的人們還不曉得太平洋的存在，船員們放眼望去全部都是海洋，完全找不到任何能補給食物的島。對當時的麥哲倫艦隊來說，這無疑是一次嚴酷的旅程。不過在超過三個月的航海期間內，海象一直相當平穩，這就是太平洋這個名字的由來。之後，他們在快要餓死的狀態下，抵達了關島。接著麥哲倫在菲律賓戰死，艦隊在出航約三年後回國，這時只剩下二十一人。
順利回國的其中一人――安東尼奧．皮加費塔在航海期間記錄下了每一天發生的事件。由這份航海日誌，我們知道艦隊在看不到北極星的南半球航行時，是靠著夜空中的一個星雲指引方向的。這就是現在名為「麥哲倫星雲」的天體。
安東尼奧．皮加費塔的航海日誌還提示了一個很重要的概念。在繞行世界一周的壯舉接近尾聲時，這本沒有遺漏任何一天記錄的航海日誌說明這天應該是星期三才對，但當地的日期卻是星期四。這個一日的差距，也是地球是圓形的證據，它證明了麥哲倫艦隊確實繞了地球一周。地球自轉一周就是一天，但麥哲倫一行人往西繞地球一圈，與地球自轉方向相反，故和其他人相比，麥哲倫等人少經歷了一次地球的自轉。因為當時的人們沒有換日線的概念，所以才會產生這樣的矛盾。現在的換日線設定在太平洋上，要是通過這條線，日期就必須往前一天或往後一天，藉此消除這種矛盾。

(5) 由人造衛星拍的照片看出地球是圓形
到了現代，已經沒有人會懷疑「地球是圓形」了。人造衛星拍的地球照片就是鐵證。看到這樣的照片，不管是誰都會接受「地球是圓形」的事實了吧。