0

1
1

文字

分享

0
1
1

諾貝爾獎和那些被賣掉的獎牌:科學研究背後的名與「利」

賴昭正_96
・2017/12/03 ・4892字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「一個人在長期思索神秘宇宙之美妙時,他已在尋找及發現的過程中得到了足夠的回報,因此他不應該再獲得慶祝個人成就的褒獎。」——愛因斯坦

諾貝爾獎牌示意圖,本圖為化學獎獎牌。圖/Adam Baker@Flickr

每年的 12 月總有少數的一些科學家、作家及和平運動者,因諾貝爾獎而發了一筆「大」財。如果你獲得諾貝爾獎,你將可得到一枚用黃金做的獎牌、一張獎狀,以及一筆可以自由使用的獎金。這筆獎金是用諾貝爾基金投資所賺的錢、以瑞典克朗(kronor)來頒發的,因此每年金額不定。因通貨膨脹,若換算成 2016 年的水平,第 1 年(1901 年)的獎金金額大約在 800 萬克朗左右;最差的一年是 1919 年,只有 230 萬克朗;最好的一年則是 2001 年,幾乎高達 1200 萬克朗!今年是 900 萬克朗,約等於 110 萬美金。

因為現在許多公司、大學和政府的高官每年薪水都已超過百萬美金,因此就金額來講,這個獎金應已不再是那麼吸引人的「大」;可是正如筆者在「諾貝爾獎的爭議性」(註 1)裡所評到的:一旦被諾貝爾獎委員肯定了,便似乎高人一等,因此雖然不一定「富」,但「榮華」確實是一定有的!

諾貝爾獎獎狀,圖/by Dannybalanta 2011-04-16@wikipedia commons。

這筆獎金雖然可以自由使用,但不少得獎者——尤其是和平獎——都是將它們全數捐給慈善機關的,例如美國前總統歐巴馬(Obama,2009 年,140 萬美金)、特蕾莎修女(mother Teresa,1979 年,19 萬美金)等。不少物理及化學獎得主則捐給學校或研究機構,用來推廣科學;當然也有不少留做家用,來補助子女教育、購屋置產、或買奢侈品的。家喻戶曉的愛因斯坦則在得獎前兩年,就已背書將未來的全部獎金給正在辦離婚的妻子米列娃(Mileva Marić,大學同班同學)及兩個兒子。今年(2017)諾貝爾經濟獎得主是芝加哥大學的沙勒兒(Richard Thaler),他認為人類的經濟活動是非理性的(註 2),因此當有人問他將如何使用這筆 110 萬美金時,他回來說:「我將盡量非理性地花掉它!」

那些被拍賣的諾貝爾獎獎牌

事實上得獎者還有一個可以賺錢的方法,那就是賣諾貝爾獎牌!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
1962 年諾貝爾醫學獎得主之一的克利克(Francis Crick)。source:wikimedia

因發現 DNA 雙螺旋構造而獲得 1962 年諾貝爾醫學獎得主之一的克利克(Francis Crick),其後代為紀念他發現雙螺旋構造 60 週年,決定於 2013 年將他的獎章及一些遺物拍賣,部份收入用來補助建設在倫敦的克利克醫學研究所(Francis Crick Institute)。總部設在上海之百慕迪再生醫學科技有限公司(Biomobie Technology)董事長 Jack Wang 以 227 萬美金購得該枚金牌。這筆錢應比當時克利克所得之 1/3 的獎金多得多,但卻不是最高的!這最高拍賣獎金的榮譽應歸於與克利克同時得獎的華生(James Watson)。

1962 年諾貝爾醫學獎得主之一的華生(James Watson)。source:wikimedia

在抵達英國推銷其書《避免乏味之人:從科學生涯中取得的教訓》的前一天(2007 年 10 月 17 號),華生這樣說道:

「所有的社會政策均假設非洲人的智慧與我們一樣——雖然所有的測驗均說明事實不是,因此(我)內心為非洲的前途感到憂鬱。」

此言一上報,他便相繼地被所有的公司踢出董事會,到處的演講也被取消;從此以後不但聲名掃地,銀行的存款也慢慢見底。2014 年 10 月,86 歲的華生告訴英國經濟時報謂:他已變成「不是人」(unperson),除了學校的薪水外沒有其他的收入,因此想拍賣其諾貝爾金牌,將部分收入捐給培育了他職業生涯的學府。12 月,一位匿名氏在電話中以 475 萬 7000 元美金購得華生的諾貝爾金牌!

這位匿名氏是當時最富有的蘇俄企業家烏斯馬諾夫(Alisher Usmanov)。他說:「華生是人類歷史上最偉大的生物學家之一,⋯⋯我不能看到這麼偉大的科學家的金牌成為販賣的東西。⋯⋯對我來說,買金牌的錢用於支持科學研究,而金牌還是由應得的人保存著是很重要的」,因此他將金牌歸還給華生。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
1988 年諾貝爾物理獎得主雷德曼(Leon Lederman)。source:wikimedia

另外一位在活著的時候就賣諾貝爾獎金牌的是筆者在《微中子的故事》(註 3)裡所提到之雷德曼(Leon Lederman)。他在 1962 年因發現微中子而穫得 1988 年諾貝爾物理獎,為一知名的科普作家,但不幸晚年得了癡呆症,為了支付高昂的醫藥費,於 2015 年初在網路上拍賣其諾貝爾獎金牌,取得了$ 765,002。

圖/作者提供。

1936 年的諾貝爾和平獎得主阿根廷外交部長拉馬司(Carlos Lamas)的金牌,在 1959 年他死後就不知所蹤。1993 年有人把它當做普通金幣,以低價賣給南美一家當舖;當舖老闆發現其稀有性後,這金幣便在不同的收藏家中轉來轉去,最後總算有人看出其價值,於 2014 年在拍賣場裡以 110 萬美金收購。

英國生化科學家克雷斯(Hans Krebs)爵士因 1937 年發現檸檬酸在體內的循環過程而獲得 1953 年諾貝爾醫學獎。他的兒子認為與其將獎章留在家裡堆積灰塵,不如讓它再為科學盡點力量,因此將其獎章於 2015 年 7 月拍賣,將拍賣所得之 42 萬美金作為生化科學博士生及難民化學家(註 4)的獎學金。

上面只是一些在不同情況下拍賣諾貝爾金牌的例子。事實上,拍賣諾貝爾金牌似乎慢慢變成一種趨勢。理論物理學家威爾森(Kenneth G. Wilson)在 1988 年因固態物理而獲得諾貝爾獎,他大概是第 19 位拍賣諾貝爾獎章的得獎人。然而,2016 年 5 月的拍賣它竟然沒有達到底價的 45 萬美金;2016 年 10 月再度拍賣、以 22.5 萬美金起跳,就筆者所知好像也沒賣出去。難道是市面上的諾貝爾獎金牌已經太多了不值錢?還是雖然同是諾貝爾獎得主,知名度還是很有關係?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

獎金居全球之冠的「科學奧斯卡」:突破獎

米爾納(Yuri Milner)。source:TechCrunch

俄國猶太後裔米爾納(Yuri Milner)1985 年畢業於莫斯科大學物理系,在繼續攻讀基本粒子的博士學位時,因「對自己成為一個物理學家感到不滿意」,而轉到美國賓州大學主修企業管理(碩士學位)。經過幾年的奮鬥後,現今已經成為俄國最具影響力的科技風險投資家(現住加州矽谷)。因在美國以及蘇俄投資了許多成功的網路公司,他成為了擁有 35 億美金資產的企業家。

他認為科學家的成就並不亞於電影明星、歌星或職業球員,但卻沒有多少人知道,例如前面所提到的雷德曼,就曾經在其科普書上說了下面一則故事:

在離開芝加哥之一擁擠的通勤火車停站時,一護士帶了一群當地醫院出來的精神病人上車。在我之周圍坐定後,護士便開始清點人數:一、二、三 ⋯⋯ ,數到我時,護士突然停止,問道:「你是誰?」我一時不知所措地回答説:「我是理翁雷德曼,諾貝爾獎得主,費米實驗室主任。」護士哦了一聲,悲天憫人地從我開始繼續地數下去:四、五、六⋯⋯。

因此 2012 年 7 月,米爾納與夫人成立了獎金高達美金 300 萬元之基本物理「突破獎」(Breakthrough Prize),以「慶祝最佳的科學成就以及激勵下一代的科學家」!一年後,科技新貴:Google 創辦人之一的布林(Sergey Brin)夫婦(現已離婚)、臉書創辦人祖克伯(Mark Zuckerberg)夫婦、以及阿里巴巴創辦人馬雲夫婦也加入陣營,並將突破獎領域擴大至數學及生命科學。

除了會讓人跌破眼鏡的全世界最高額科學獎金外,每年在加州矽谷舉行的慶祝活動還請了一大堆的電影明星、歌星、及名人來頒獎與助陣;並由「國家地理頻道」現場實況直播,節錄後的一小時典禮則由「國家地理頻道」及其他電台向全世界 171 個國家用 45 種語言轉播,因此被稱為是「科學的奧斯卡」(Oscars of Science)!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
突破獎得主Charles Kane,圖/by Kadoshim@wikipedia commons。

不同於諾貝爾獎的是出錢的老爺們也都會上場亮相,因此有人批評說:自我標榜的意義可能大於提高科學家的知名度。對此筆者非常同意:例如在「突破獎基金會」網站裡有關慶禮的報告上,我們將看到電影明星、歌星、名人、及出錢老爺的名字,但看不到應該是最重要的:誰得了獎。事實上在 Breakthrough Prize  網站裡,要找出誰得獎或者是因為什麼樣的工作而得獎是相當困難的!

還有另外一個可能讓人「詬病」的地方是篩選得獎人的過程不夠嚴謹:任何人都可以在其網站提名,然後由過去的得獎人決定最後的得主,容易形成學閥互相標榜。例如,自第 1 屆的基本物理突破獎由本想攻讀基本粒子博士學位的米爾納自本人篩選起,每年給理論物理學家的突破獎完全由「弦論」(string theory)科學家包辦!「弦論」認為所有的基本粒子均只是「弦」的一種振動狀態而已,當它在 1980 年代出現時,曾一度被認為是解決所有物理問題的理論(theory of everything);但 30 多年過去了,它還是停留在紙上談兵的地步,因此早就爭論甚多(註 5)!但米爾納強辯:有時提出問題比解決問題更重要。因為缺少學術氣氛,因此表揚的理由常是誇大其辭的籠統形容,不像諾貝爾獎一樣有詳細的解說。

諾貝爾獎最多只能同時給三個人,但 2016 年的基本物理突破獎卻同時發給研究「微中子擺動」(註 1及註 5)的七位不同團隊領導人及其 1370 位團員(2015 年的諾貝爾物理獎只頒給團隊的兩位領導人)!同樣的,2016 年的「特別基本物理突破獎」也是同時發給發現重力波(註 6)的三位領導人及其 1012 團隊成員(2017 年的諾貝爾物理獎只頒給其中的兩位領導人以及另一「外人」)!筆者同意近代的大型研究是常需要合作的,因此決定真正貢獻的多寡可能是很困難,而造成不公平的現象(註7);但在研究論文上隨便就可掛名的情況下(註8),筆者很難相信那上千人都同時有突破性的貢獻(其中有些可能只是幫忙組裝儀器的研究生)!因此筆者認為其不公平程度與諾貝爾獎相比或許更有過之而無不及。

科學獎獎金的精神與反思

2018 年的突破獎頒獎典禮也將在 12 月初舉行;今年共有 5 人各得 300 萬美金的生命科學突破獎、3 人分得 300 萬美金的基本物理科學突破獎、一人獨得 300 萬美金的數學突破獎——共 2100 萬美金!自從 2012 年成立到 2016 年,「突破獎」已發出了接近兩億美元的獎金!不少人懷疑這高額獎金真的能夠鼓舞年輕人進入科學界、或讓科學家成為明星嗎?在政府對基礎科學研究的輔助越來越少的情況下,他們認為將這筆錢拿來當獎學金或者直接補助研究可能更具實效。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
Fields Medal獎章,圖/by Stefan Zachow of the International Mathematical Union; retouched by King of Hearts@wikipedia commons。

與突破獎相比,今年諾貝爾六個獎共花了不到 700 萬美金;另一個被稱為諾貝爾數學獎的菲爾茲獎(Fields Medal)每四年才發一次,其獎金更是難以啓口(註 9)。儘管如此,諾貝爾獎及菲爾茲獎還是一般人以及科學家所最尊敬與重視的獎章。老實說,若不是筆者住在加州矽谷的話,可能也將沒聽過什麼獎金高達美金 300 萬元的「突破獎」!而如果讀者是因為想得這 300 萬元而讀科學的話,那筆者勸你還是像米爾納一樣早日改行從商,發財與成名的機會將大的多。

因發現碳之六角形平面原子結構石墨烯(graphene)而獲得 2010 年諾貝爾獎之一的英國物理學家海姆(Andre Geim)說得好:「我不知道任何諾貝爾獎得主認為此獎的金錢部份值得一提。但我碰過幾個人,他們除了奶奶及家當外,將不顧一切來獲得此獎。 錢對我們是不重要的;但像其他獎一樣,用純金做的獎牌總比鍍金的好。 」看來本文寫那麼多或許都是多餘的了?

註解

  1. 諾貝爾獎的爭議性,科學月刊,2016 年 12 月號。
  2. 經濟學是科學嗎,科學月刊,2014 年 5 月號。諾貝爾經濟獎於 1969 年設立,在 48 年的頒獎中,總共有 24 年均有當時在芝加哥大學任教或研究的經濟學家。沙勒兒是第 34 位獲此殊榮的芝加哥大學學者,但他的理論卻完全與「芝加哥經濟學派」(Chicago school of economics)的理性經濟學說相反!
  3. 微中子的故事,科學月刊,2016 年 11 月號。
  4. 克雷斯是一位逃離納粹德國的猶太難民。
  5. 「量子的故事」:第二版,2005 年,凡異出版社。
  6. 愛因斯坦其實沒那麼神,泛科學,2016 年 3 月 16 日。
  7. 發現能治療糖尿病的胰島素——胰島素與生技產業的誕生(上),泛科學,2017 年 2 月 15 日。
  8. 從陳震遠事件看學術界,科學月刊,2014 年 9 月號。
  9. 菲爾茲獎的獎金為 1 萬 5 千加拿大幣,只發給 40 歲以下的數學家。

參考資料

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 「我愛科學」:2017 年 12 月(預),華騰文化有限公司出版。收集了筆者在科學月刊及其他雜誌發表過的文章(如上面六篇)。歡迎購買,全部收入將捐給科學月刊。
文章難易度
賴昭正_96
41 篇文章 ・ 49 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

0

8
2

文字

分享

0
8
2
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 300 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

1

12
3

文字

分享

1
12
3
思考的極限:宇宙創造出「空間」與「時間」? ——宇宙觀的發展史(下篇)|20 世紀後
賴昭正_96
・2023/05/17 ・6928字 ・閱讀時間約 14 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

空間與時間都根本不存在:它們只是分別用來說明物體間之相對位置與事件間之前後秩序的「語言」而已。沒有物體就沒有空間的必要;沒有事件就沒有時間的必要。
——賴昭正(不可能得到諾貝爾獎的科普作者)

宇宙在十六世紀以前一直被認為是宗教與哲學的範圍。圖/Envato Elements

宇宙的起源、歷史、與結構,在十六世紀以前,一直以人及地球為中心,被認為是屬於宗教與哲學的範圍。1543 年,哥白尼(Nicolaus Copernicus)粉粹了地球為宇宙中心的幻想;約百年後,伽利略(Galileo Galilei)改進了望遠鏡,並將其鏡頭轉向天空,開啟了觀測天文(observational astronomy)之門,並大力支持哥白尼之地球繞日的理論。

慢慢地,科學家不再須要依靠信仰來解決、而是利用科學儀器去「看」宇宙像什麼樣子及如何演化。又再約百年後,牛頓(Isaac Newton)用萬有引力及距離平方反比定律,解釋了一系列以前不相關的天上人間現象,並且可以計算出行星繞太陽的週期,使得天文學正如其它科學訓練一樣,不再是信仰的爭論,而是證據與理論的問題。

當天文學家了解到了人不可能是宇宙的中心時,科學家再沒有任何理由認為我們所處在的地方在宇宙中佔了一個很獨特的地位;同樣地,也沒理由認為我們所處在的時刻是個很特殊的時刻——稱為「宇宙學原理(Cosmology principle)」。顯然地,宇宙應該永遠就是那樣地存在,它沒有開始,也不會有終結。

膨脹的宇宙

如果星星可以自由移動,那麼宇宙還是不是靜態?圖/Envato Elaments

牛頓的力學統領了三百多年的物理學及天文學發展,直到 1905-1915 年間,愛因斯坦(Albert Einstein, 1897-1955)相繼地發表了狹義相對論及廣義相對論後才被修正。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

愛因斯坦發表了他的重力場方程式後,當然也在思考著宇宙的問題;但卻發現他場方程式的解不可能是一個靜態的宇宙!為了符合當時的宇宙觀,二十世紀近代物理學革命先鋒的愛因斯坦竟然屈服於「共識」,修改其方程式來取得靜態解。

事實上早在 1718 年,英國天文學家哈雷(Edmond Halley,1656-1742)就發現了三顆明亮的恆星不再處於古代觀測所確定的位置,嚴重地質疑恆星固定位置的假設。而如果星星可以像正常的物理物體一樣地自由移動,那麼宇宙是不是靜態呢?

1922 年至 1924 年間,俄國數學家佛里曼(Alexander Friedmann,1888-1925)假設宇宙中物體的分佈是均勻(宇宙學原理),解廣義相對論場方程式,發現這些物質在空間的分佈只有三種可能:
從開始的一點,空間隨著時間增大而

  1. 慢慢趨近到一個定值;
  2. 永遠繼續膨脹增大;
  3. 膨脹一段時間後開始收縮。
圖/作者提供

1927 年,比利時魯汶天主教大學(Catholic University of Louvain)教授勒梅特(Georges Lemaître,1894-1966,麻省理工學院物理博士)神父也獨立地發現了佛里曼解;但因他對其物理意義比較感興趣,從中預測了真實的星系宇宙膨脹,得出距離我們越遠的星群後退速率應越快、但沒有人在意的革命性結論——愛因斯坦接受了他的數學,但拒絕了他的物理解釋。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1929 年,美國天文學家哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)分析了一些從遙遠星群傳來之光譜的測量結果,發現其頻率很有系統地往頻率較低之紅色位移(red shift),其位移值隨星球離我們之距離的增加而加大。顯然地,遙遠星群是依一定的規則在遠離我們:距離我們越遠,後退速率越快——稱為「哈柏—勒梅特定律」(Hubble-Lemaître law)。

這無可避免的結論是:宇宙正處於一膨脹狀態!此一完全出乎意外的發現,改變了宇宙論這一研究的整個面貌!可惜在哈柏去世前,天文學顯然還是被認為是屬於宗教與哲學的範圍,因此他從未得到諾貝爾獎。

宇宙的開始

一個膨脹的宇宙是一個在改變的宇宙,因此應該具有生命的歷史。1931 年,勒梅特開始追溯宇宙的足跡,得出了他所謂的「原始原子假說」(primeval atom),在《自然》雜誌上發表了一篇 457 字的短文謂:

「如果我們回到過去,我們必須找到越來越少的量子,直到我們發現宇宙的所有能量都包含在幾個——甚或是一個獨特的——量子中。……,如果世界始於一個單一的量子,那麼空間和時間的概念在開始時完全沒有任何意義。……,我們可以以一個獨特原子的形式設想宇宙的開始,其原子量是宇宙的總質量。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

無神論宇宙學家霍伊爾(Fred Hoyle,1915-2001)因為不相信「原始原子假說」,在 1949 年諷刺地稱它為「大霹靂」(big bang),沒想到這一名詞竟然廣為科學家所接受的,稱勒梅特的宇宙觀為「大霹靂宇宙論」。

1979 年 12 月,麻省理工學院古士(Alan Guth,1947-)教授突然心血來潮,懷疑他的研究——超冷(supercooled)的希格斯場(Higgs field)——或許也適用於宇宙論。

美國理論物理學、宇宙學家 Alan Harvey Guth 亦是暴脹模型的創立者。圖/維基百科

古士的研究顯示,如果當初宇宙充滿了稱為急脹子(inflaton)的希格斯場,則在慢慢膨脹而冷卻下來時,這急脹子可能被困在一能量不為零的非常不穩定之超冷狀態。此狀態的急脹子因具負內壓,可以提供非常強大的排斥力,促成瞬間非常巨大的膨脹(「大霹靂」的原因)。

但因此一狀態非常不穩定,因此急脹只維持了大約 10-35 秒之久;但在這期間宇宙膨脹率隨著時間而急速加快的!在此之後,宇宙的膨脹率才因重力的關係又恢復到其越來越小的正常狀態!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此一巨大迅速加速膨脹不但能解釋為何現今的宇宙是如此地均勻;它甚至還告訴了我們現今我們所觀測到的宇宙,事實上只是整個宇宙中非常小的一部份!這正又說明了為什麼我們現今觀測到的宇宙是平的——正如大球表面上的一個小面積看起來是平的一樣。此一偶然發現,一下子解決了宇宙大霹靂論的三大謎題(詳見愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數)!在大約 10-35 秒後,此一大霹靂才停止,急脹子才放出其多餘的超冷能量,產生我們現今所看到的一般物質與能量。

科學家稱此一改良的大霹靂宇宙論為「急脹宇宙論」(inflationary cosmology),原來之大霹靂宇宙論為「標準大霹靂宇宙論」(standard cosmological Big Bang model)。

宇宙沒有邊緣

一個以獨特原子「大霹靂」出來的時空當然應該是有界限的,有界限的時空當然應該是有邊緣的。可是如果有邊緣,那應該有很獨特的中心點,這不違反了「宇宙學原理」嗎?還有,邊緣的外面是什麼?如果是空間,那應該是「大霹靂」造出來的,應該是宇宙的一部分,所以宇宙應該是沒有邊緣的。

沒有邊緣的宇宙不一定必須是無限大的:愛因斯坦 1917 年提出的宇宙就是一個沒有邊界的有限宇宙:生活在二度球面上的怪人,它們生活的球面是有限的,但卻沒有邊界。球面不平,故可以彎回形成一個封閉的無邊緣空間;但如果宇宙的幾何是平的,不能彎回來,那麼宇宙便應該是無限大的,沒有邊緣的;儘管如此,宇宙的膨脹還是在繼續製造空間的,所以空間隨著時間變成「更無限大」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/作者提供

時空的膨脹

我們對「膨脹」的了解都是置身事外、隔岸觀火的:像看正在膨脹的氣球,只見其體積越來越大。但是宇宙只有一個,我們不可能置身事外;而如果宇宙是無限大的,則不管我們在哪裡,都會覺得我們正處於膨脹中心點,正像球面上的任何一點,發現其它各點離我們之速率與其距離成正比(這正是哈柏的發現)。

還有,隔岸觀火讓我們可以看到氣球外的膨脹空間,我們可以量得在膨脹時氣球上任何一點對地球的「運動」速度;但如果我們置身正在膨脹的宇宙中,當然看不到宇宙外的膨脹空間。

不,等一等,宇宙是無限的,它怎麼還有「外面」讓它膨脹呢?當然沒有!所以現在的物理學家認為空間像氣球的表面一樣,是膨脹——不是運動——「製造」出來的!兩個物體的空間距離因膨脹——不是相對運動——而加大。

萊布尼茲(Gottfried Leibniz,1646-1716)終於戰勝了牛頓:沒有物質的地方就沒有空間,空間根本不存在,空間只是用說明物體之間的相對位置的「語言」而已。所以哈柏所測到的遙遠星群有系統地離開我們,並不是因為星群「運動」的結果——星群並沒有在牛頓之「絕對空間」中運動。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果空間是被製造出來的想法很難接受,相信時間就容易瞭解多了!想一想:「現在」根本沒有「明天」,「明天」是在明天的「現在」才出現的,所以「明天」是製造出來的;「時間」是在膨脹,往現在不存在之「明天」膨脹;「現在」與「明天」之間沒有界限,所以時間應該沒有邊緣;沒有邊緣就沒有邊緣外是啥的問題!

而沒有邊緣、又是「我的青春小鳥一去不回來」(註一)的時間不應是無限大嗎……,所以宇宙的膨脹事實上不止製造了空間,同時也製造了時間!

西漢(公元前 202 年-公元 8 年)《淮南子》的首篇《原道訓》謂上下四方為之「宇」,古往今來為之「宙」;這句話闡明了「宇」就是空間,「宙」就是時間;宇宙就是時空,宇宙歷史就是製造時空的歷史!

宇宙歷史就是製造時空的歷史!圖/Envato Elements

宇宙年齡與黑暗夜空

如果時間是因為大霹靂而製造出來的,那現在的宇宙到底都老了?精確測量的「遙遠星系的速度及其距離比」(稱為「哈柏常數」)估計現在的宇宙年齡為 138 ± 10 億年。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

2013 年,歐洲航天局的普朗克太空望遠鏡繪製了一張詳細的宇宙微波背景溫度之波動圖,估計宇宙的年齡為 138.2 ± 0.5 億年。去年 3 月 30 日,由約翰霍普金斯大學韋爾奇(Brian Welch)博士領導的一群天文學家宣布發現了有史以來最遠和最早的恆星:一個在 129 億年前(大霹靂之後 9 億年時)發出的光點。

哈柏對星系系統性紅外移的發現終於讓我們解決了牛頓之無限宇宙論與宗教之有限宇宙論間的衝突。

起初人們認為僅紅移效應就足以解釋為什麼夜晚的天空是黑暗的:來自遙遠星系中恆星的光會被紅移到可見光範圍之外的長波長。然而,現在共識是,宇宙的有限年齡是一個更重要的影響。即使宇宙在空間上是無限的,但由於光速及重力傳播速有限,來自遙遠星系的光子或重力根本還沒有足夠時間抵達到地球。

如果現在宇宙的年齡是 138 億年,那麼我們將感覺不到距離地球 138 億光年外的光或重力,而認為宇宙是有限的。我們稱這個半徑 138 億光年的球面內宇宙為「可觀測宇宙」(observable universe)。在這個宇宙視界內的星數大約 2 萬億個,太少了,無法使夜空明亮或將地球撕裂。

還有,如果牛頓當時知道宇宙是在膨脹,他根本不需要一種「無限而永恆」的神力來防止星雲被拉到一起。

獵戶座大星雲揭示了恆星與行星系統的形成過程。圖/維基百科

思想的貧乏

如果時空是大霹靂製造出來的,那在這之前根本沒有時空!沒有時空?那這大霹靂在什麼「地方」發生的?又為了解釋如果爆炸有中心點,那便違反了「宇宙學原理」,有些理論天文學家甚至提出大霹靂是「到處」同時發生的!可是「到處」不是空間嗎?……這不正是「先有雞還是先有蛋」的矛盾問題嗎?

儘管哲學家盧梭(Jean-Jacques Rousseau, 1712-1778)認為:「現實的世界是有止境的,幻想的世界則是無垠的」,但在寫這一節時,筆者還是一個頭兩個大!

紐約州立大學石溪分校的天體物理學家舒特兒(Paul Sutter)在去年 2 月 25 號的宇宙之外有什麼東西嗎?一篇文章結尾說:「如果這一切聽起來複雜而令人困惑,請不要擔心。……,這就是現代宇宙學的力量之一:它(數學)使我們能夠研究難以想像的事物。」

恐怕我們所能做的就是接受這些悖論並努力去適應它,就像前面提到之萬有引力,當初不是被認為是「魔法、神秘、非科學」嗎?但現在已經沒有人懷疑這種力之存在了。同樣地,近代的物理(相對論、量子力學)裡不也是充滿了很多違反我們日常生活邏輯的奇怪觀點嗎?

宇宙又再次加速膨脹

1998 年加州大學伯克萊分校(University of California, Berkeley)的波米特兒(Saul Perlmutter)及澳洲國立大學(Australia National University)的思密特(Brian Schmidt)相繼宣佈超級新星 la 型的數據顯示,在大霹靂後的 70 億年,宇宙的膨脹率又再次加速了!約翰霍普斯金大學(Johns Hopkins University)的雷斯(Adam Riess)於 2006 年再次肯定了這些觀查結果。

此一發現再次重寫了人類對宇宙演化的看法,因此諾貝爾獎委員會將 2011 年的物理獎發給這三位科學家。

真是一波剛平,一波又起!好不容易物理學家總算了解了大霹靂的原因,在它之後宇宙的膨脹因為萬有引力的關係應該逐漸慢下來,怎麼現在它的膨脹又加速了?牛頓重力只有相吸的作用,因此要解釋此一加速膨脹,看來只有求助於愛因斯坦那修改方程式內之「宇宙論常數」(cosmological constant)了。

不錯,波米特兒及思密特思考著:在大霹靂(急脹)後,宇宙靠大霹靂時的衝力(物理學上稱為慣性)而繼續膨脹,但因萬有引力的關係,膨脹速率將越來越慢;可是如果真有愛因斯坦的宇宙論常數,則因其排斥強度不會隨宇宙膨脹而降低(萬有引力則會因宇宙膨脹而降低),它總有一天它會強過萬有引力,使宇宙的膨脹率由減速再次變成加速!這一天顯然就發生在他們所發現之大霹靂後約 70 億年時!

可是愛因斯坦的宇宙論常數是啥東西呢?沒有人知道,但一定不是普通的物質,否則早就應該被發現了——因此科學家稱它為「暗能量」(dark energy)。物理學家及天文學家正努力地在尋找此一充滿了宇宙、及必須具有負內壓的怪物。

宇宙膨脹的藝術構想圖。 圖/維基百科

結論

今日大部分的天文學家都認為宇宙是平的(佛里曼解 1),是在膨脹、沒有界限、無限大的。黑洞及重力波的相繼發現鞏固了廣義相對論在現今宇宙研究的理論地位。我們現在所看到的宇宙只是整個宇宙之一小部分而已;138 億年前離我們最遠那些星群因為宇宙加速膨脹的關係,事實上現在都已經離我們 460 億光年了(因為不是運動造成的,它們可以以大於光速的速度遠離我們)。

很難想像一個沒有邊緣、無限大的空間是什麼樣子?在那裡又如何能不停地製造出空間來?……,這些無法理解的「矛盾」邏輯或許正是羅素(Bertrand Russel,1872-1970)所說的「認為事物必須有一個開始(邊緣、大小、結束、……)的想法,實際上是由於我們思想的貧乏」?或普朗克(Max Planck,1858-1947)所說的:「科學無法解開自然界的終極奧秘,因為歸根結底,我們自己是我們試圖解開的謎團的一部分」?

這使筆者想到:人工智慧是人類製造出來的,它能像我們一樣創造出牛頓力學、相對論、量子力學嗎[註2]?甚或超越人類創造出一個沒有「矛盾」的宇宙觀嗎?

筆者在「日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI」一文裡最後提到:或許筆者下篇文章已經不是自己寫的了。讀者認為本文是人工智慧代寫的嗎?為什麼?

註解

  1. 黃駱賓:《青春舞曲》
  2. 筆者覺得不可能,因為筆者認為創造是屬於靈感和直覺的非理性活動,無法表達的;愛因斯坦曾謂:「我很少用語言思考。(雖然)一個想法出現了,我可能會嘗試用文字來表達它」。當我們無意識地思考時,邏輯及演繹推理就被拋在腦後;愛因斯坦曾謂:「我從來沒有通過理性思考的過程做出任何發現」。
    人工智慧有能夠有靈感、直覺、或無意識的思考嗎?還有,科學上不少大發現都是意外的,例如注意到胰臟被割除之狗,小便過的地板上蒼蠅特別多而發現了胰島素,忘了收拾細菌培養皿就去度假而發現了盤尼西林,錯誤的假設發現了量子統計力學等等。人工智慧如何「學習」或碰到這種運氣呢?

延伸閱讀

  1. 賴昭正:《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號),「牛頓的水桶」(科學月刊,2011 年 8 月號),「愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數」(科學月刊,2011 年 12 月號) ,「暗物體與暗能量」(科學月刊,2014 年 6 月號),「愛因斯坦其實沒那麼神?」(泛科學,2016/03/16)。
  2. 50年的追尋-宇宙之演化(科學月刊,2019 年 8 月號)。
  3. 宇宙是靜態還是在膨脹?又是誰先發現宇宙微波背景輻射?(泛科學,2022/04/22) 。
  4. 從圓周率與無理數,談數學也有其無法理解、不精確、和不確定性(泛科學,2019/06/03)。
  5. 賴昭正譯(P.C.W. Davies 原著):《近代宇宙觀中的空間與時間》(新竹國興出版社,1981 年 8 月出版)。
所有討論 1
賴昭正_96
41 篇文章 ・ 49 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

1

7
7

文字

分享

1
7
7
薛丁格的貓是死是活?再不懂點量子就落伍了!——《我們的生活比你想的還物理》
商周出版_96
・2022/12/06 ・2327字 ・閱讀時間約 4 分鐘

奧地利的物理學家薛丁格最初閱讀愛因斯坦和德布羅意的論文後,也注意到物質波的概念,並進而闡釋發展成波動力學,促成量子力學誕生。薛丁格的波動力學是後來量子力學的具體論述之一, 薛丁格波動方程式更是量子力學最重要的方程式之一,也是現代人研究發展量子電腦的重要思維。

繼續討論薛丁格的想法前,容我「插播」兩種說法,一種是「哥本哈根詮釋」,一種是「愛因斯坦悖論」。

萬物受機率支配?愛因斯坦可不這麼認為

前面提到電子的雙狹縫干涉實驗,說明在微觀世界的電子具有波動性。在電子的雙狹縫干涉實驗中,為何被觀測到的電子只有在屏幕的一點留下痕跡呢?照理說,在屏幕的任意地方都能發現電子的蹤跡。然而,當我們「觀測」到屏幕的一「質點」的電子的瞬間,電子的波函數立即「塌縮」。

物理學家解釋這是因為電子的波函數與發現機率有關,亦即觀測電子時,電子波會縮小分布範圍, 呈現電子的粒子形式。活躍於哥本哈根的波耳等人認同這種融合「波函數塌縮」和「機率詮釋」的想法,因此成為「哥本哈根詮釋」。至於「電子波為何會塌縮?」是一個未解之謎。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

自然界真的受到機率的支配嗎?真的大哉問啊!

愛因斯坦儘管預言光子存在,提出光量子論,但他強烈反駁「機率論」的觀點。對於哥本哈根學派的「機率詮釋」和「波的塌縮」,愛因斯坦以「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋, 完全不能接受哥本哈根學派主張「決定一切事物的上帝竟然會依照擲出骰子出現的點數決定電子的位置」。

「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋。圖/GIPHY

愛因斯坦也指摘「幽靈般的超距作用」。他認為未來已經確定,反駁「自然界曖昧不明」的不確定性,進一步指出「自然界並非曖昧不明,而是量子論還不完備,無法正確闡述自然界的緣故」。以上所提,是量子力學發展歷程的觀點論戰的故事,包含 1935 年,愛因斯坦和共同研究者波多斯基(Boris Podolsky)、羅森(Nathan Rosen)聯合發表觸及量子論矛盾的「EPR 悖論」(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)。

迄今,我們已經知道微觀世界,電子等粒子會自己旋轉,具有「自旋」的物理量,或直接用專業術語「自旋角動量」,自旋的方向依據量子論會以多個狀態同時存在,並存或疊合。

愛因斯坦等人認為,對於相距非常遙遠的電子,不可能無時間限制,瞬時互相影響;根據狹義相對論的說法,沒有任何物體的飛行速度比光速還快。觀測相距遙遠的兩粒子之一,竟然會在瞬間同時決定兩者的狀態,這樣特殊奇妙的現象,愛因斯坦稱之為「幽靈鬼魅般的超距作用」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

沒錯!又要提那隻貓了

薛丁格曾以「量子糾纏」解釋愛因斯坦論文中的悖論現象,指出互相遠離的粒子的性質,並非各自獨立,而是成組決定,無法個別決定,這個現象是 2022 年諾貝爾物理學獎得獎主題的「量子糾纏」。如果能這樣思考,那麼就不會認為粒子是瞬間傳送並影響到遠方粒子,有如「幽靈般的超距作用」。

貓同時是活和死的「疊加」。圖/維基百科

談到量子力學,「薛丁格的貓」此知名想像實驗必定會浮現在讀者的腦海中吧?此實驗探討一隻貓的狀態究竟是活或死的,而實驗結果是:貓同時是活和死的「疊加」。如果以古典物理學來思考,會顯得極其荒謬;但若以微觀世界視之,這項理論其實符合電子波粒二象性的機率概念。

根據 1927 年量子力學學派的詮釋,觀察一個量子物體時,會干擾其狀態,造成其立即從量子本質轉變成傳統物理現實。原子及次原子粒子的性質,在量測之前並非固定不變,而是許多互斥性質的「疊加」。此觀念的知名例子就是「薛丁格的貓」實驗。

在這個想像的實驗中,一隻貓被鎖在一個箱子中,並有一個毒氣瓶,在量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂,但若該粒子處於另一狀態,則毒氣瓶會完好無損。如果將箱子封閉,此粒子的量子狀態是兩種狀態「共存」的情況,也就是說,毒氣既是已從瓶中放出,又被封存在瓶中,也因此,箱中的貓同時既是活的也是死的。當箱子打開時,由於此量子疊加狀態瓦解了,因此在那瞬間,這隻貓或許被毒死,或許得以保命。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
當箱子打開的瞬間,這隻貓或許被毒死,或許得以保命。圖/《我們的生活比你想的還物理

物理小教室

  • 索爾維會議

量子力學是近代物理學的重要基石,與相對論被認為是近代物理學的兩大基本支柱,許多物理學理論和科學,如原子物理學、固態物理學、核物理學和粒子物理學,都以其為基礎。物理學界往往會在物理重要會議激盪出重要的論述,例如 1927 年第 5 次索爾維會議,此次會議主題為「電子和光子」,當時世上最重要的物理學家,都聚集在一起討論新的量子理論。

1927 年第 5 次索爾維會議,此次會議主題為「電子和光子」。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

所有討論 1
商周出版_96
119 篇文章 ・ 360 位粉絲
閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商周出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。