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飛得越快,樓燕的世界則慢──《變身野獸》

PanSci_96
・2017/08/27 ・4077字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 475 ・五年級

  • 【科科愛看書】天天都覺得心好累、人生好難?那就讓我們放棄當人,跟著搞笑諾貝爾生物獎得主一起《變身野獸》吧!作者為了對動物的日常生活感同身受,不惜親身迎接各種挑戰,吃貓罐頭、用牙齒捕魚、隨地排泄(?)如果你想擁有「不當人的勇氣」,絕不可錯過這份獨一無二的動物生活札記!

眼神犀利,貪吃也不怕被蜜蜂刺

盛夏的天空通常是一塊嚴格分層的鳥類三明治。樓燕在最上層覓食,岸燕(martin)在牠們下方,家燕(swallow)則用尾波掃動青草尖端。樓燕有時會切進岸燕的地盤,而當天空變得厚重,充滿潮濕的電力,樓燕還會繼續往下,飛進家燕的田野和湖泊。

樓燕吃東西很講究挑剔。儘管牠們一天抓五千隻以上的昆蟲,嘴巴張開跟一張拖網一樣寬,卻很少真的拉開網子捕食。牠們喜歡大型不帶刺的昆蟲,願意為了吃這種蟲而飛離航道。牠們很擅長辨別極細微的差異。比如獵食蜜蜂時,牠們只挑沒有毒刺的雄蜂。各位不妨試試用 15 m/s 的速度辨別雄蜂和工蜂。樓燕並不是看到外表危險的昆蟲就隨便抓,因為牠們也會吃其他偽裝成蜜蜂和黃蜂的無刺昆蟲。我們不曉得樓燕如何分辨雄蜂工蜂,但肯定是靠視覺。

樓燕有時會切進岸燕的地盤,而當天空變得厚重,充滿潮濕的電力,樓燕還會繼續往下,飛進家燕的田野和湖泊。圖/ By Tomasz Kuran @ wikimedia commons

樓燕是一群猛禽,是從空中盯住目標的獵犬,牠們猛撲起來跟㹴犬沒兩樣。牠們有兩個眼窩:一個比較淺,單眼用;另一個是比較深的放大鏡,深眼窩大概也可以當成雙筒望眼鏡,用來計算快速移動的昆蟲距離。

樓燕好比獵豹(cheetah)或遊隼,一發現囊中物,就會依照獵物體型保持一定距離,如同遊隼跟鴿子、獵豹跟湯氏瞪羚(Thomson’s gazelle),或者我跟對面山丘的赤鹿。每隻獵食者都有相同的視覺空間問題要解決。樓燕跟遊隼一樣,會一邊點頭一邊接近獵物,不斷切換宏觀和細節的視角。有效運用深淺眼窩,才能避免吃到那根毒刺。

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無聊嗎?來打打獵吧!

樓燕平時在天空平原純以獵捕為樂,但要是煙囪自動送上新鮮大餐,樓燕也會毫不客氣地大快朵頤。

有一次我正巧目睹一場獵殺派對,那時我正拖著一個小小孩要送去托兒所壓制一陣子,突然路邊樹林上空爆出一群黑壓壓的尖嘯火花。樓燕出現在剛從樹頂送上去的大餐前,每一隻都不浪費任何時間急轉彎,一個勁地開路,擠過左右張嘴的頭,想辦法飛到蟲子最密集的區域。

我們跑到街道對面,我叫三歲的孩子躲在蕁麻裡,我則盡可能爬到最高的樹頭,那棵樹可真夠高。我坐在樹頂下第一個分岔的樹枝,一頭探進三角洲的獵殺地帶。

我看見一條舌頭,短短粗粗,又灰又乾。我看見自己,一臉痛苦又瞠目結舌的表情,一股冰涼的電氣往下撫過臉頰。我猛咬住一整口的幼蟲,吐到一台從 275 公尺外送小孩來的全新賓士車頂。

這是我最接近樓燕的一次。至於要變成樓燕?我不如直接扮上帝算了。

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我替自己繫好吊帶,任由降落傘把我拖向天空。我嚐到了高空的滋味,但我的味覺本來就是設計給約身高六呎(183 公分)的高度,而不是 1.8 公里。我聽到了狂風的怒吼,但我的耳朵只是固定在大頭兩側、不斷翻動的器官,被持續湧出來的強風往下壓。上升的時候,我沒能去感受隨高度變化的氣溫。我因滿心恐懼又滿腦子思緒而漲紅了臉,無暇注意溫度,身體其他部位則包在羊毛和尼龍裡,碰不到空氣。

外表可愛的樓燕其實會以獵捕為樂。圖/By Klaus Roggel @ Wikimedia commons

天空才是我的家:遠離塵世的鳥兒

樓燕靠呼出的空氣形狀來感覺地面距離,並仔細嗅聞一整排的氣味高柱。牠們在地球的反射影像(就跟太妃糖蘋果一樣又密又黏)中狩獵。

我從樹林和田野往下看,就只看到樹林和田野。樓燕則看到提供外送服務的披薩店。你不必親自跑一趟,只要打一通電話,跟另一頭空洞的聲音點餐就行了。你不太清楚那裡到底有什麼,從來也沒細想過,只大概知道位置。如果非說不可,你大概會把那家店當成地標,用來指明去別處的路(就像樓燕會用路上標誌來辨認方向)。但是這地方除了供應披薩之外,其他絲毫引不起你的興趣。樓燕的家在空中,地面只負責運送食物。

難怪詩人總把樓燕形容成遠離塵世的存在。若真有生命能存在於天上,那就非樓燕莫屬。

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要變成樓燕,最大的問題不是牠們在空中,而我在地上。速度才是棘手之處。人類的速度慢到不行。人類和樓燕眼中的空氣質地差異頗大,但比起兩方生活步調的差異簡直不算什麼。

樓燕的生命,就是無止盡的奔波

就壽命而言,樓燕跟許多人類有得比。最長壽的樓燕活了 21 年。真正的差異在於牠們每一年投入的生命多寡。

以下是一點算數,因為數字也能透露出某種真相:

每年春天和秋天,樓燕從牛津飛越 9 千公里左右到剛果,等於一年 1 萬 8 千公里,這還不包括日常生活移動的距離。秋天 66 天(飛行 30 天,停留 36 天),春天 26 天(飛行 21 天,停留 5 天)。

算起來秋天每日平均飛 300 公里左右,春天每日平均約 430 公里。

我們可假設停留期間每天飛行 75 公里覓食、遨翔、睡覺、歡欣鼓舞,而非遷徙期間則每天飛 100 公里。這樣一來:

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春季遷徙:9 千公里+停留期間 375 公里

秋季遷徙:9 千公里+停留期間 2700 公里

其他時間:273 天×一天 100 公里=2 萬 7 千 3 百公里

一年總計:4 萬 8 千 3 百 75 公里

乘以 21 年就是 101 萬 5 千 875 公里,大約是地球到太陽距離的 1/150,或者地球到月亮距離的 2.6 倍。

樓燕身長約 16.5 公分,我身高約六呎(183 公分),差不多 11 倍。如果按照這個比例,我在 21 年要行走的距離等於地球到太陽距離的 1/13,或者地球到月亮距離的 29 倍。若繼續保持這個速度,等我活到 84 歲(長壽樓燕換算成長壽人類的年齡),我就會步行地球到太陽距離的 1/3,或者地球到月亮距離的 116 倍。

但樓燕的一生不只是遷徙和殺生(雖然一想到每隻樓燕要做數百萬次的評估、緊密瞄準、轉頭、掠食就已覺得很驚人)。21 年中牠可能會繁殖 19 次,每一季出生的雛鳥最高平均 1.7 隻,等於繁殖期總共生出 32 隻雛鳥。乘以 4 倍後,等於我要生 128 個小孩。

以樓燕的時間來說,作者要生出 128 個小孩。圖/By akshayapatra @Pixabay

以上是牠們花時間做的事。但牠們能理解自己在做什麼嗎?假設(對,這是一個很大膽的假設)樓燕跟人類一樣會看影片,當牠們看著自己的一生,牠們會不會覺得自己飛很快?覺得萬頭鑽動、覓食昆蟲的影像很瘋狂?

如果這些問題具有任何意義,樓燕肯定對速度擁有某種程度的概念,不管多麼粗糙。

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移動越快,世界則慢

蝸牛移動的速度非常非常慢,只能察覺超過 1/4 秒的動作。如果你在蝸牛面前擺動手指一秒超過 4 次,蝸牛只會看到一根靜止不動的指頭。樹懶則是凍結了動作:模糊一切、簡化一切、整合一切,整體的許多細節就在整合中流失。如果時間屬於事物的一部分,那麼事物的獨特部分都將被抹除,而且還讓你以為自己看到事情的全貌。

速度太慢會將時間從視覺中抽離,過度簡化是一種欺騙。

樹懶凍結了動作,模糊一切、簡化一切。圖/ By Christian Mehlführer @ Wikimedia commons

另一方面,只要速度夠快,你就能看見時間的價值,從時間的視角看到你的工作應有的貢獻,並注入複雜和細微的差別。如果你跟某些鳥類一樣,可以聽出間隔短於百萬分之二秒的聲響,你就知道聽起來乏味的鳥鳴其實非常繁複。如果有人類聽得見,他們肯定會被震懾到跪倒在地。

只要解析度夠高,你就能見證奇蹟,包括鳥鳴、視覺、哲學、神學。唯有看不見毛毛蟲的腳像天鵝絨一樣擺動,聽不見藏紅花(crocus)鑽出土壤的咕噥聲之人,才不敬神。通常也怪不得他們。

換一種說法:速度很快的硬體和軟體會讓世界腳步變慢。我得把鳥鳴慢速播放,辨識力很高的鳥兒才會聽到我耳中的版本。如果兩個聲音間隔百分之二秒,我大概就能聽出前後聲。鳥類一秒可以聽完的聲音,我大概要花 2 小時 45 分鐘。

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如果鳥鳴繼續照這個速度播放,而這隻鳥(姑且說是樓燕)活了 21 年,那麼既然牠每單位時間投入的生命是我的一萬倍,這隻樓燕實際上就活了 21 萬年,等於東非第一位現代人類與我們之間的距離。

樓燕眼中的人類,就如蝸牛般緩慢

現在再試著從物理速度來看,我們得悉心注意許多不同的神經型態。蝸牛最快一小時爬一公尺,因此牠們的視覺辨識功能可能極度粗糙。

樓燕長距離遷徙的最高速度紀錄是(顯然是順風飛行)一天 650 公里。春天遷徙的平均速度則是一天 336 公里。研究人員用追蹤雷達測量樓燕的飛行速度,發現春天遷徙時每秒可飛 10.6 公尺,如果持續二十四小時,等於一天飛 916 公尺。

世上速度最快的人類尤塞恩.波特(Usain Bolt)跑百米時一秒最快可達 12.4 公尺,然後一跑完就停下腳步,大口喘氣,旁人立刻替他裹上毯子,遞上運動飲料,還抬到肩膀高度繞場致意。樓燕一天要飛一百公尺的 3360 倍,連續將近一個月,一邊覓食,一邊穿越沙漠、海洋和群岳。相比之下,人類最快的速度也不過跟蝸牛一樣罷了。

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樓燕飛得又快又遠,相比之下,人類就像蝸牛一樣。圖/ giphy

當然,以上理工宅的算數比較法有幾個明顯不受認同的理由,我一邊打字就一邊自行想到一些。這些反對意見我通通同意。但是就算上面的數字毫無價值,還是值得寫出來,方便我稍後提出其他論述。

數字或許是樓燕使用的文法。文法不可或缺,但光有文法寫不成詩。我試著用散文方式寫作,因為一遇到樓燕,任何詩句都一敗塗地。


 

 

本文摘自《變身野獸:不當人類的生存練習》行人文化驗室出版。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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時間與空間的顛覆!如何用簡單的方式了解「相對論」?——《物理角色圖鑑》
azothbooks_96
・2024/09/16 ・2086字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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時間不再絕對?牛頓與愛因斯坦的時間觀差異

川村老師,請用簡單的方式告訴我「相對論」是什麼?

圖/《物理角色圖鑑》

老師:狹義相對論源自相對性原理(Principle of relativity,指物理定律〔Physical law〕適用於所有以等速直線運動的物體) 與光速恆定原理。根據這個理論,時間是相對的,依不同觀察者而有所差異。牛頓力學中的時間是絕對的,愛因斯坦則認為,可依不同的觀察者位置對時間進行不同定義。

圖/《物理角色圖鑑》

老師:之前在討論「力」時,也提過離心力。離心力是「慣性力」的一種,慣性力指物體在加速運動時感受到的與加速方向相反的力。置身在沒有窗戶的電梯中,當電梯向上加速,電梯內的人會受到向下的慣性力(譯注:因看不到外面,使得他無法判斷電梯的運動情況)。若加速度為 g,物體質量為 m,則物體所受慣性力為 mg,與在地面所受的重力 mg 相同。愛因斯坦無法區別這兩種 mg 的差異,所以視為等效。但無論慣性力的方向為何,物體都會往向量合成後的視重力場方向掉落。

時間在任何地方都固定不變嗎?

世界上最快的速度是光速。物體的移動速度若接近光速,它的時間進程就會變慢。也就是說,在接近光速的太空船上,時間會變得悠長。而且,接近光速的物體長度會朝行進方向收縮。

物體只要具有質量,即使在靜止狀態依然擁有能量(其能量 E mc2,稱為靜止能量(Rest energy)。

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提到光的運動,我們已經知道光的路徑會彎曲。

1919 年,天文學家觀測到恆星發出的光線在經過太陽附近時被偏折,這種現象稱為「重力透鏡效應」(Gravitational lens),有助於了解黑洞等宇宙中質量分布的情況。此外,天體物理學家也觀測到時間的延遲。簡而言之,接近地面的時鐘行進速度會比高處的時鐘慢,GPS 也是依據這種效應來進行校正。

圖/《物理角色圖鑑》
圖/《物理角色圖鑑》

時間

牛頓力學中的「時間」(也就是我們一般理解的時間)和相對論中的時間大異其趣。牛頓在《自然哲學的數學原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,1687)中,假設空間是均勻平坦的;從過去到未來,在任何地方都平均延伸。在牛頓力學中,全宇宙的時間一致。

但相對論否定了這一點。

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圖/《物理角色圖鑑》

光速恆定原理指出,光的速度是固定不變的。這種狀況下,空間中不同地點發生的兩件事,對某個觀測者來說是同時發生,但對另一參考系的觀測者而言則非同時發生。也就是說,時間的前進速度並非在任何地方都相同。因此,時間和空間不能視為各自獨立的兩回事,應該一體化,視為四維空間(時空,Spacetime)。

不過,這是指物體移動速度接近光速時的情況。日常生活中,使用過去的時間觀不會有任何問題。

黑洞

黑洞(Black hole)是一種天體,因為密度極高,重力極強, 不只物質,連光都會被吸進去,無法逃逸。天體是宇宙中所有物體的總稱,具體來說,指太陽、恆星、行星、星團、星雲等。從相對論來看,黑洞周圍空間是扭曲的。照以下方式想像應該會比較容易理解:

把重物放在一大塊展開的薄橡皮布上,放置處就會凹下去,而這塊凹陷會影響到周圍。同樣的,黑洞所在之處會發生猛烈的空間扭曲,經過附近的天體會被極強的重力吸引,落入其中,連光也難逃魔掌。

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銀河系有許多黑洞,但具體數字不詳。2019 年,一個跨國研究計畫團隊首次拍攝到黑洞的「影子」,掀起一陣討論熱潮。

——本文摘自《物理角色圖鑑:用35個萌角色掌握最重要的物理觀念,秒懂生活中的科普知識》,2024 年 9 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

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azothbooks_96
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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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高速移動的話時間流速會不一樣嗎?時間暫停是可能的嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/08 ・2746字 ・閱讀時間約 5 分鐘

我們都感覺到相同的時間嗎?

在二十世紀之前,科學認為時間是普適的:每個人和宇宙中的一切,都感覺到相同時間。那時的假設是,你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘,那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟,這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下,如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑,會是多麼混亂!

但後來,愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」*1 概念,改變了一切。愛因斯坦強調,移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星,那麼你體驗的時間,將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢,像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣,而是說地球上的人和時鐘測量到的時間,會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式(以每秒一秒的節奏)體驗時間,但是如果我們彼此以相對高速移動,我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方,製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行,似乎違背了所有的邏輯論證,但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的,因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機(或汽車、飛機)上的 GPS 接收器,會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢(衛星以每小時數千里的速度,在受地球巨大質量彎曲的空間中移動)。沒有這些資訊,你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中,精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時,這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說,宇宙有個最高速限:光速。根據愛因斯坦的相對論,沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率,可以比光跑得快。這個速率(每個時段所移動的距離)的絕對上限,會產生一些奇怪後果,並挑戰我們的時間概念。

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首先,先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是:從任何角度來衡量任何人的速率時,這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時,無論你用什麼觀點來看,就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說,手電筒的光線以光速遠離你。不過,我們是否可以把你的沙發綁在火箭上,點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢?如果此時你打開手電筒,會發生什麼事?如果把手電筒指向火箭前方,光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢?

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎?〉花更多時間在這些想法上。但重要的是,為了讓所有觀察者(在火箭上的你和我們其他在地球上的人)看到,手電筒的光線都是以光速移動的,於是某些東西必須改變,這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念,讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間,而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡,你沒有穿越空間(相對於地球)的速率,所以你穿越時間的速率可以很高。

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但如果你坐在火箭上,對地球而言,火箭的移動速度接近光速,那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此,為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時,保持在宇宙速限之內,你的時間速率必須減少,在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎?

對於不同人可以回報不同時間長度,你可能很難接受,但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是,人們可能會在某些情況下,看到事件以不同順序發生,而且都是正確的。舉例來說,兩位誠實的觀察者,如果以非常不同的速度移動,他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑,那麼,依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離,你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本,如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動,她看到的比賽結果可能完全不同。而且,所有人都是正確的!(不過要注意的是,每個人的時間起始點都不相同。)

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圖/《關於宇宙我們什麼都不知道》

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史,所以不同人可以體驗不同的時間,是令人難以接受的想法。我們可以想像,原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事(這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊)。如果這故事存在,那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查,除非是無心之過或視力模糊,每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的,所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序,會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域,但驚人的是,這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣,我們被迫拋棄自我的直覺,並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎?

打從一開始,人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前,我們從未見過它做過其他事,既然如此,時間怎麼可能還有別的選項呢?由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進,所以很難自信的說,時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信,時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說,時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的,當宇宙達到最大熵時會發生什麼事?在這樣的宇宙裡,一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼,時間會在這一點停下來嗎?還是時間不再有意義?一些哲學家猜測,在這個時刻,時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來,導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過,這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測,而不是實際的科學預測。

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還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙,一個時間向前流逝,一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢?我們可以在三個(或更多)空間方向中移動,為什麼不能有兩個或更多的時間方向?真相為何?如往常一樣,我們不知道。

註解

  1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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