微中子和鲸鱼

原本想在地中海底探测微中子，结果变成探测抹香鲸的发声研究。这个跨领域合作研究的美妙意外结果，彰显出全面性知识探究的潜在优势。 看中国网站 禁止建立鏡像網站。返回正版看中国网站。

对义大利西西里岛东部卡塔尼亚港的码头工人与水手而言，眼前景象相当可疑。在二○○五年与二○○六年间，每个月一次，都会有两名陌生人走到码头尾端的小木屋，打开门锁，再拿出一个小盒子，之后再上锁，直到下个月才会再出现。 看中国网站 禁止建立鏡像網站。返回正版看中国网站。

当地民众对这两人的行为充满疑问，但这两名陌生人总是保证不必担心，声称自己是科学家，盒子里装着电脑硬碟，储存用水底麦克风录下的长期声音资料，而麦克风安置于距海岸二十八公里远的地中海海底。瑞可班尼（Giorgio Riccobene）是义大利国家核子物理研究所的粒子物理学家，他希望证明水底麦克风能用来侦测来自遥远太空的微中子；帕凡（Giovanni Pavan）则是帕维亚大学海洋生物学家，在此协助瑞可班尼处理录音内容里的背景噪音。

但因为这些录音资料的内容，让两人决定隔年重回旧地，不过这次角色互换，由物理学家协助生物学家，探寻的目标也不再是微中子，而是抹香鲸。

这场意外经历源于近十年前，瑞可班尼参与义大利百位科学家组成的“地中海微中子观测站”，希望研究海中微中子。微中子自太空持续来到地球，带来远方超新星生成等珍贵资料。这种基本粒子既不带电，质量趋近于零，也鲜少与其他物质发生反应，故研究微中子需要大型侦测器，而且规模愈大愈好。因此观测站在西西里岛南部外海水深三千五百公尺处，在两立方公里的海域装设数千个光学侦测器，希望在微中子偶尔与水分子反应时，光学侦测器就能捕捉其所产生的微弱光波。

瑞可班尼当时则努力改善侦测成效，他表示，“理论上，高能微中子也会产生可侦测到的声波，因为在水中，声波传导能力优于光线，声波侦测器捕捉微中子反应的机率也较高”。没有人知道这个理论是否行得通，但既然观测站的计划里，也需要水下麦克风为光学侦测器定位，观测站在二○○二年，便希望瑞可班尼进行名为“海洋噪音侦测实验”的可行性研究，地点就位于卡塔尼亚港以东水下二千公尺的测试位置。

噪音控制

为瞭解相关知识，瑞可班尼前往法国巴黎参加微中子声波侦测的工作坊，也立刻注意到人们讨论时忽略一项重点，他指出，“在场没有人提及背景噪音，每个人似乎理所当然地假设深海内噪音很少，但当时也没有公诸于世的资料可供参考”。瑞可班尼返回卡塔尼亚港后，碰巧得知当地的一个环保团体邀请帕文前来演讲，帕文于一九八○年代早期率先使用海洋哺乳类数位录音技术，亦是那一个领域的世界顶尖专家，最适合来解答瑞可班尼的疑问：究竟在深海二千公尺的环境里，背景噪音有多大？

由于资料有限，帕文无法轻易回答，他表示，“几年前，深海录音系统仍无法轻易取得”，他只能确定在深海中，绝不像微中子物理学家假设的那般寂静。

瑞可班尼起先相当惊讶，帕文所预测的噪音音量远高于微中子物理学家预测，不过这不代表微中子侦测便不可行，但“地中海微中子观测站”成员必须先详细瞭解背景噪音后，才有机会找出其中的微中子讯号。

瑞可班尼于是邀请帕文加入“海洋噪音侦测实验”，长期侦测西西里岛海床声音状态，帕文虽无资金可支持计划，仍允诺参与，毕竟这项实验能让他进入前所未见的深海，也能研究人类几乎毫无法知的声波环境，帕文尤其希望测量深海的噪音污染情况，认为这种污染造成过往许多深海鲸类搁浅。

至二○○五年元月，瑞可班尼的团队在测试点安装了四架高感度水底麦克风，并用光纤电缆将资料传回码头边的硬碟，很快他们便开始获得资料，至同年四月时，帕文便开始听取第一份资料。

一如预期，帕文能听见低回而一致的背景噪音，多数来自水流与船舶运行，再加上不时出现可辨别的声响，包括大型船只的涡轮、声纳音波，甚至还有爆炸声，但他特别注意到一种短促而规律重覆的声响，这是抹香鲸的呼吸系统挤压空气时的特殊声音。帕文表示，“抹香鲸可能以这种方式估计海深与猎物距离，就像蝙蝠使用回音一样”。

偶尔听到这种声音并不令人意外，这是动物所能制造的极大声响，在水中最远可传达二十公里，意外之处在于这种声响每个月都会出现，帕文指出， “抹香鲸在此区域并不常见，已知资料显示当地鲜少见到抹香鲸群”，但这些研究通常只依据靠近海面的目击或声音记录，“海洋噪音侦测实验”则资料来自深海，这才是抹香鲸多数时候生活的环境，显示这种动物在当地的数量高于过去预期。

瑞可班尼与帕文持续录音，直到二○○六年十一月，水底麦克风由光学侦测系统原型取而代之，但仍沿用同一条光纤电缆，两位科学家则已累积超过六百小时的录音资料，虽然两人并未侦测到任何微中子，但仍感到满意。瑞可班尼表示，“我当时只希望证明深海录音可行，也可提供高品质资料，我并未预期在此阶段便侦测到微中子”；帕文则明白，这项方式所获取的资料，也不只是背景噪音清单而已。

不过听见抹香鲸是一回事，计算数量与统整可靠数据又是另一回事。原则上，可从声波判别抹香鲸的大小与性别，且若海面声波记录亦出现在深海记录之中，则可能推估抹香鲸的位置与行动方向。帕文指出，“但要达成这项目标，若不研发数学计算软体，就得一项一项用手算”，帕文的团队因为没有研发经费，故只能选择后者的计算法。

不过帕文认为，数据资料已慢慢浮现，抹香鲸在半数录音的期间都曾出现，超过现有估算鲸群规模。帕文的团队也从录音之中，找出季节性规律与社会行为迹象，并在今年九月的研讨会中发表。帕文表示，“鲸群在春秋两季较常出现，其他动物也在相同时节迁徙，或许都属于相似物种”。有时录音里会出现异常且短暂的声响，一般认为具有特殊社会功能，也只有在雄鲸靠近雌鲸群时才会出现，帕文指出，这种声响像是方言，不同鲸群的音调也有别，“地中海地区最常见者为三加一的模式，三短声后再加一声”，但录音显示，二加一的组合频率也高于预期，有可能显示其他地区的鲸群恰好经过地中海。

深海扰动

瑞可班尼目前除了微中子物理学，亦很热衷于生物声学，并让“欧洲海洋观测网络”加入，发展地中海地区的深海探测站网络，虽然该组织的重点在于地球物理学与气候学，但已允诺资助名为“聆听深海”的计划，该计划为期三年，自明年三月起，再度于卡塔尼亚港外装设四部水底麦克风，聆听鲸群发出的声音。

这次录音一次要连续一年，并使用运算法取舍资料；麦克风将定位在方形四角，研究人员详细比对四部麦克风的录音资料后，就能判断鲸鱼的尺寸、速度及方向，也能更准确预估鲸群规模与季节习性。未来这项计划也打算在其他地点架设类似装置，包括直布罗陀海峡附近的卡迪兹湾，帕文指出，“我们想要瞭解的一项重点，在于地中海的抹香鲸究竟是封闭族群，抑或是在各地海洋中悠游”。

瑞可班尼的团队也在持续，进行最后阶段的大型微中子观测活动，若一切都能按照计划，将在二○二○年之前开始，这项大型计划也将包括声波系统，纵然不是用来侦测，也要发挥定位功能，瑞可班尼现在已明白，深海中还有许多背景噪音，也认为还需要更多资料，才能确定能否使用声波侦测微中子，不过当然前提得先获得更多经费。未来所得资料将提供给生物学家、地震学家及其他研究人员使用，帕文肯定会感兴趣，想要研究的物种也不只有抹香鲸，还包括长须鲸及喙鲸，这些鲸鱼的低频声响最适合在深海中记录。

瑞可班尼表示，“人类对深海海床所知甚微，还有许多值得研究的素材，我有预感只要我们能将水深三千五百公尺的资料送上宽频网路，许多人一定会趋之若鹜”。

来源:知识通讯评论

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