中微子和鯨魚

原本想在地中海底探測中微子，結果變成探測抹香鯨的發聲研究。這個跨領域合作研究的美妙意外結果，彰顯出全面性知識探究的潛在優勢。

對意大利西西里島東部卡塔尼亞港的碼頭工人與水手而言，眼前景象相當可疑。在2005年一2006年間，每個月一次，都會有兩名陌生人走到碼頭尾端的小木屋，打開門鎖，再拿出一個小盒子，之后再上鎖，直到下個月才會再出現。當地民眾對這兩人的行為充滿疑問，但這兩名陌生人總是保證不必擔心，聲稱自己是科學家，盒子里裝著計算機硬盤，儲存用水底麥克風錄下的長期聲音數據，而麥克風安置于距海岸28千米遠的地中海海底。瑞可班尼是意大利國家核物理研究所的粒子物理學家，他希望證明水底麥克風能用來偵測來自遙遠太空的中微子；帕文則是帕維亞大學海洋生物學家，在此協助瑞可班尼處理錄音內容里的背景噪音。

但因為這些錄音數據的內容，讓兩人決定來年重回舊地，不過這次角色互換，由物理學家協助生物學家，探尋的目標也不再是中微子，而是抹香鯨。

這場意外經歷源于近10年前，瑞可班尼參與意大利百位科學家組成的“地中海中微子觀測”項目，希望研究海中中微子。中微子自太空持續來到地球，帶來遠方超新星生成等珍貴資料。這種基本粒子既不帶電，質量趨近于零，也鮮少與其他物質發生反應，故研究中微子需要大型偵測器，而且規模愈大愈好。因此觀測站在西西里島南部外海水深3500米處，在2立方千米的海域裝設數千個光學偵測器，希望在中微子偶爾與水分子反應時，光學偵測器就能捕捉其所產生的微弱光波。

瑞可班尼當時則努力改善偵測效果，他表示，“理論上，高能中微子也會產生可偵測到的聲波，因為在水中，聲波傳導能力優于光線，聲波偵測器捕捉中微子反應的幾率也較高”。沒有人知道這個理論是否行得通，但既然觀測計劃里也需要水下麥克風為光學偵測器定位，觀測項目負責人便希望瑞可班尼進行名為“海洋噪音偵測實驗”的可

行性研究，地點就位于卡塔尼亞港以東水下2000米的測試位置。

嗓音控制

為了解相關知識，瑞可班尼前往法國巴黎參加中微子聲波偵測的工作，也立刻注意到人們討論時忽略了一項重點，他指出，“在場沒有人提及背景噪音，每個人似乎理所當然地假設深海內噪音很少，但當時也沒有公之于世的數據可供參考”。瑞可班尼返回卡塔尼亞港后，碰巧得知當地的一個環保團體邀請帕文前來演講，帕文于20世紀80年代早期率先使用海洋哺乳類數字錄音技術，亦是那一個領域的世界頂尖專家，最適合來解答瑞可班尼的疑問：究竟在深海2000米的環境里，背景噪音有多大?

由于數據有限，帕文無法輕易回答，他表示，“幾年前，深海錄音系統仍無法輕易取得”，他只能確定在深海中，絕不像中微子物理學家假設的那般寂靜。

瑞可班尼起先相當驚訝，帕文所預測的噪音音量遠高于中微子物理學家預測，不過這不代表中微子偵測便不可行，但“地中海中微子觀測項目”成員必須先詳細了解背景噪音后，才有機會找出其中的中微子訊號。

瑞可班尼于是邀請帕文加入海洋噪音偵測實驗，長期偵測西西里島海床聲音狀態，帕文雖無資金可支持計劃，仍允諾參與，畢竟這項實驗能讓他進入前所未見的深海，也能研究人類幾乎毫無所知的聲波環境，帕文尤其希望測量深海的噪音污染情況，認為這種污染造成過往許多深海鯨類擱淺。

至2005年1月，瑞可班尼的團隊在測試點安裝了4架高感度水底麥克風，并用光纖電纜將數據傳回碼頭邊的硬盤，很快他們便開始獲得數據，至同年4月時，帕文便開始聽取第一份數據。

一如預期，帕文能聽見低回而一致的背景噪音，多數來自水流與船舶運行，再加上不時出現可辨別的聲響，包括大型船只的渦輪、聲吶音波，甚至還有爆炸聲，但他特別注意到一種短促而規律重復的聲響，這是抹香鯨的呼吸系統擠壓空氣時的特殊聲音。帕文表示，

“抹香鯨可能以這種方式估計海深與獵物距離，就像蝙蝠使用回音一樣”。

偶爾聽到這種聲音并不令人意外，這是動物所能制造的極大聲響，在水中最遠可傳達20千米，意外之處在于這種聲響每個月都會出現，帕文指出，“抹香鯨在此區域并不常見，已知數據顯示當地鮮少見到抹香鯨群”，但這些研究通常只依據靠近海面的目擊或聲音記錄，“海洋噪音偵測實驗項目”的數據來自深海。這才是抹香鯨多數時候生活的環境，顯示這種動物在當地的數量高于過去預期。

瑞可班尼與帕文持續錄音，直到2006年11月，水底麥克風由光學偵測系統取而代之，但仍沿用同一條光纖電纜，兩位科學家則已累積超過600小時的錄音數據，雖然兩人并未偵測到任何中微子，但仍感到滿意。瑞可班尼表示，“我當時只希望證明深海錄音可行，也可提供高質量數據，我并未預期在此階段便偵測到中微子”；帕文則明白，這項工作所獲取的資料，也不只是背景噪音清單而已。

不過聽見抹香鯨是一回事，計算數量與得出可靠數據又是另一回事。原則上，可從聲波判別抹香鯨的大小與性別，且若海面聲波記錄亦出現在深海記錄之中，則可能估算抹香鯨的位置與行動方向。帕文指出，“但要達成這項目標，若不研發數學計算軟件，就得一項一項用手算”，帕文的團隊因為沒有研發經費，故只能選擇后者的計算法。

不過帕文認為，數據已慢慢得出，抹香鯨在半數錄音的期間都曾出現，超過現有估算的鯨群規模。帕文的團隊也從錄音之中，找出季節性規律與社會行為跡象，并在2009年9月的研討會中發表。帕文表示，“鯨群在春秋兩季較常出現，其他動物也在相同時節遷徙，或許都屬于相似物種”。有時錄音里會出現異常且短暫的聲響，一般認為具有特殊社會功能，也只有在雄鯨靠近雌鯨群時才會出現。帕文指出，這種聲響像是方言，不同鯨群的音調也有區別，“地中海地區最常見者為三加一的模式，三短聲后再加一聲”，但錄音顯示，二加一的組合頻率也高于預期，有可能顯示其他地區的鯨群恰好經過地中海。

深海擾動

瑞可班尼目前除了中微子物理學，亦很熱衷于生物聲學，并讓“歐洲海洋觀測網絡”加入到研究中，發展地中海地區的深海探測站網絡，雖然該組織的重點在于地球物理學與氣候學，但已允諾資助名為“聆聽深海”的計劃，該計劃為期3年，自2011年3月起，再度于卡塔尼亞港外裝設4部水底麥克風，聆聽鯨群發出的聲音。

這次錄音一次要連續一年，并使用運算法取舍數據；麥克風將定位在方形四角，研究人員詳細對比四部麥克風的錄音數據后，就能判斷鯨魚的尺寸、速度及方向，也能更準確估算鯨群規模與季節習性。未來這項計劃也打算在其他地點架設類似裝置，包括直布羅陀海峽附近的卡迪茲灣，帕文指出，“我們想要了解的一項重點，在于地中海的抹香鯨究竟是封閉族群，抑或是在各地海洋中悠游”。

瑞可班尼的團隊也在持續進行最后階段的大型中微子觀測活動，若一切都能按照計劃，將在2020年之前開始，這項大型計劃也將包括聲波系統，縱然不是用來偵測，也要發揮定位功能。瑞可班尼現在已明白，深海中還有許多背景噪音，也認為還需要更多數據，才能確定能否使用聲波偵測中微子，不過當然前提是得先獲得更多經費。未來所得數據將提供給生物學家、地震學家及其他研究人員使用，帕文肯定會感興趣，想要研究的物種也不只有抹香鯨，還包括長須鯨及喙鯨，這些鯨魚的低頻聲響最適合在深海中記錄。

瑞可班尼表示，“人類對深海海床所知甚微，還有許多值得研究的素材，我有預感只要我們能將水深3500千米的數據送上寬帶網絡，許多人一定會趨之若鶩”。