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史上最重要的日食觀測│科學史上的今天:5/29

張瑞棋_96
・2015/05/29 ・1232字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

1915 年,愛因斯坦發表廣義相對論,提出革命性的主張:物體的質量會扭曲周遭的時空結構;所謂重力其實就是物體沿著彎曲的時空行進的自然結果。這就像保齡球會使彈簧床面下陷,使得附近的小彈珠沿著凹陷的床面滾向保齡球,而不是彈珠受到保齡球的萬有引力吸引。

這個被玻恩譽為「人類對自然思考的登峰造極之作」並沒有馬上獲得全面性的認同。因為一方面其中的重力場方程式實在太複雜難解,另一方面則是牛頓的萬有引力理論已經足以解釋當時所知的自然現象,儘管廣義相對論對於水星近日點的反常進動提供了很好的解釋,但許多人仍對這個神秘抽象的理論半信半疑。

廣義相對論需要一個證據確鑿的實驗證明。愛因斯坦提出一個可行的方法。遙遠的恆星發出的光若通過太陽附近,會因太陽造成的時空彎曲而偏折1.7弧秒;相對地,按照牛頓將光視為粒子的輻射理論,重力造成的偏折只有一半:0.85弧秒。可以利用日全食時加以觀測比較,就能驗證對錯。

說來簡單,可是當時正在打第一次世界大戰,而下次最適合觀測的日全食將會發生於巴西海岸到赤道非洲這帶狀區域;要冒著戰火,跋山涉水遠赴天涯海角可是一件危險任務。結果熱心出任務的不是愛因斯坦的德國同胞,反而是敵對國的英國天文學家愛丁頓(Arthur S. Eddington)。

所幸在愛丁頓率隊出發前三個月,一次大戰結束了。為了保險起見,愛丁頓親率的一組到非洲西岸的普林西比小島(Principe),另一組則到巴西。結果 1919 年的 5 月 29 日這一天早晨竟真的下起滂沱大雨,愛丁頓焦急萬分,幸好在日食開始前,天空終於放晴,愛丁頓把握時間在五分鐘內換了十六張底片。巴西那邊也成功拍到日食,但最後的比對結果直到九月才出爐。

愛因斯坦收到電報那一天,正和研究生施耐德(Ilse Schneider)討論。她緊張的問愛因斯坦萬一比對結果顯示廣義相對論是錯的,那怎麼辦?愛因斯坦微笑答道:

「那我會為親愛的上帝感到遺憾,因為我的理論是正確的。」

11 月 6 日,英國皇家學會正式宣布觀測結果:星光的偏折角度一如廣義相對論的預測。次日《泰唔士報》以「科學革命」形容此一獲得證實的理論;第二天《紐約時報》以更誇張的語氣追蹤報導。儘管沒有多少人懂廣義相對論,愛因斯坦仍一躍為媒體寵兒,成為深受群眾喜愛的明星。

愛丁頓也是最早將愛因斯坦的論文翻譯成英文,並寫文章向英語世界推介廣義相對論的人。他的朋友問他:聽說世上只有三位科學家瞭解廣義相對論,其中一人就是他,是否如此?愛丁頓沉默不語,他的朋友大聲說道:「愛丁頓,你就別謙虛了!」愛丁頓回答:

「我不是謙虛,我只是在想第三個人會是誰。」

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 701 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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一樣都是「work」,物理的「work」定義好像比較簡單?——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/25 ・2489字 ・閱讀時間約 5 分鐘

功與工作

有些大家慣用的字彙常常會被專業學科借用,專家賦予這些字新的定義,比平常的意思更具體、也更有技術性。物理學有個例子是「功」(work)。如果向一個粒子施加定力,並推動一段距離,你所做的功就定義為施力(沿著粒子運動方向的分量)乘上粒子移動的距離。

這是個很具體的物理量,實際上也是能量的一種形式。做多少功,物體的能量就會增加多少。顯而易見的,這個定義和日常生活中我們對工作(work)的理解有點相關:世人為了完成一些目標(大多是想獲取金錢報酬),而費心費力工作。

世人為了完成一些目標(大多是想獲取金錢報酬),而費心費力工作。圖/pixabay

不過,物理所講的功有明確的意義,使用的範圍也很清楚;相較之下,平常大家說的工作的意思就有些模糊,泛指很多事情。

動力與動量

動量(momentum)這個字看來不太一樣。物理學的動量是 γmv(相對論的珈瑪符號乘上物體靜止質量、再和物體速度相乘),是一種量化方式,用來描述粒子以已知速率往某個固定方向持續前進的傾向。若粒子的速率遠比光速小,γ會非常接近一, 所以能省略掉。

而更廣義的動力(momentum)用來指稱政治運動,或其他社會變動及政策背後的推力。同樣的,一件事的動力愈大,也暗示它愈難停下。不過,這些領域都沒有明確定義何謂「動力」。

物理學中的「場」

到目前為止,我試著不要太常用一些字,但在之後的章節這些字會很常出現。其中一個就是「場」(-eld)。通常場是一片平坦土地的代稱,上頭種了些植物,可能有農夫在照顧,也許還會有幾頭乳牛。

此外這個字也可以代表特定的研究領域或專業,往前翻你就會知道我已經用過這個意思了。這兩個意思其實也可以合併使用,像在解釋稻草人為什麼可以獲得終生教職的時候,就會用到。

物理學的「場」有個更技術性,但還是和前面意義相關的定義。物理學家說的場是個物理量,在空間中某個區域的每個點上都有特定的對應值。如果你待在一個房間內,就可以用各式各樣的場來描述這個環境。身為一位物理學家,你或許會這麼做:

首先你要想出一個方式來明確指出房間中的每一個點。有個好辦法是先選定房間地面的某個角落為「原點」。

首先你要想出一個方式來明確指出房間中的每一個點。有個好辦法是先選定房間地面的某個角落為「原點」。圖/pixabay

然後選取交於原點的其中一個牆面,沿著地面平行於這面牆的方向走過一段距離(稱為x);接著再順著平行另一面牆的方向走一段(稱為y),你就能碰到地上所有的點。進一步的,只要往上走段距離(叫作z),就可以抵達房間內所有的點了。你需要的只有三個數字:x、y、z。

幾種有用的場

現在可以來談談幾種有用的場了。舉例來說,溫度就是一種場,房間裡的每一點都有一個溫度值。假設平均來看,我們說房內的溫度是攝氏二十一度;如果房間中每一處的溫度都和平均值一樣,那麼你得到的就是一個常量場(constant field):場的值和點的位置無關,也就是和x、y、z沒有關係。

溫度就是一種場。圖/pixabay

然而,天花板附近的溫度很有可能比地面的高出一點,因為熱空氣的密度比冷空氣小,會升向天花板。我們可以用某個場來描述溫度與高度的關係,好比T(z),換句話說,溫度T只和高度z有關。

T是z的函數(function。另一個生活常用字「功能」,這次是被數學家借去用了),可能像T(z) =20.5 + 0.5z,這裡的z以公尺為單位、而T以攝氏溫標(℃)為單位,舉例來說。在兩公尺高的房間內,地面的溫度是 20.5 + 0.5×0 = 20.5℃,而天花板的溫度則是 20.5 + 0.5×2 =21.5℃。

至於天花板和地板之間其他每一點的溫度,都可以用這個溫度場的函數計算出來。其他的場可以用來描述不同的事情,好比空氣密度,或甚至是噪音量。

以上所談的場在每個點都只由一個數字代表。這些場有大小,卻沒有方向。因此我們稱它為「純量場」(scalar -eld)。「純量」(scalar)代表只有大小、卻沒有方向的東西。

某些種類的場則擁有方向,我們叫這種場為「向量場」(vector field)。我之前有提到一些向量場的例子,像是大型強子對撞機的磁鐵製造的電場與磁場。這個房間也有重力場這個向量場。重力場在房內的每一點都有個值(力的大小大約是每公斤九.八牛頓),以及方向(指向地面)。

實際上,電場和磁場都是量子場,重力場可能也是,但科學家還不清楚相關理論。在日常用途中這件事常被忽略掉,但如果你在極小的尺度下觀察這些場,就會發現它其實不是個數值連續體,而是底層的量子場中一連串離散(discrete,意思是不連續,如階梯般一級一級,而不是如漸層色彩一樣柔和變化)的量子、或激發(excitation)的總和(疊加)。

discrete,意思是不連續,如階梯般一級一級,而不是如漸層色彩一樣柔和變化。圖/pixabay

這些激發有點像是波又有點像粒子。電磁學的量子理論―量子電動力學擁有兩個場,分別是光子場以及電子場。我們量測到的電磁波,或是獨立的光子及電子,都是這兩個場的激發。這裡我們又看到一個科學家借用日常名詞的例子。很明顯「激發」和平常我們的用法緊密相關,因為量子場論是個扣人心弦(exciting)的理論。

無論是不是量子理論,場的概念都是一樣的。場是個物理量,在你感興趣的空間範圍內的每一點,都擁有對應的值,可能是單純的數值或是很多個量子的總和。

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。

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你能想像棒球穿牆嗎?突破物理世界的常識:量子穿隧——《阿宅聯盟:量子危機》
未來親子學習平台
・2023/01/20 ・1226字 ・閱讀時間約 2 分鐘

想像一個全壘打王,面對前方的來球,大棒一揮,球越過了全壘打牆,到了牆的另外一邊。

Home~~~Run!圖/GIPHY

但假如,那個全壘打牆變成了兩層樓高呢?也許,他更大力地擊球(給球更多的能量),那顆球還是能夠飛越過全壘打牆,到牆的另外一邊。但如果,那全壘打牆變成了三十層樓高呢?我想會認為,除非靠機器,否則再厲害的全壘打王,不管用了多少力氣,他應該都無法讓球飛過三十層樓那麼高。

上述的例子,正顯示了我們日常生活中的物理原則:只要物體(球)的能量不足以跨越障礙物(牆),那麼它永遠不可能到達障礙物的另一側——但是,在量子的世界,卻不是這樣。

粒子是怎麼跨越各種障礙的?

量子力學裡,一個粒子具備的能量即使不足以跨越障礙,它仍然有小機率會出現在障礙的另一邊;而且,若粒子的能量跟跨越障礙所需要的能量愈接近、或是說只少一點,那麼這個粒子出現在障礙另一邊的機率就愈大。

這樣神奇的現象,彷彿就像是粒子挖了隧道穿過障礙一般(儘管並沒有真的隧道),所以稱為「量子穿隧」效應。

不過,在丟球的例子裡,我們可以想像,若是牆愈高或愈厚,那麼球就愈難飛過牆壁。同樣地,在量子力學的情形下,雖然粒子有可能在能量不足的狀況下穿過障礙,但要是障礙無限高或無限厚的話,那麼粒子就還是過不去的

儘管在量子力學的情況下,障礙無限高或無限厚,粒子還是過不去的。圖/Envato Elements

事實上,量子穿隧效應跟我們先前提到的「物質具有波的特性」非常有關係。想像水池中間有一顆大石頭,池中的水波在遇到石頭這個障礙物時,會從旁邊繞道而過;但如果是一般物質,一旦遇到障礙物就直接被擋住了,沒辦法繞道而行。

就是因為在量子世界,物質也具有波的特性,我們才會看到粒子的穿隧效應。儘管量子效應感覺很奇特,但它在很多方面都有實際的影響。

例如,我們知道太陽核心是依賴核融合反應來產生能量;在過程中,會將兩個氫原子核,融合成更重的原子核。但因為氫原子核都帶正電,要抵抗正電荷間的排斥力,將它們融合在一起,其實非常困難。也幸虧有量子穿隧效應,太陽內部的氫原子核才能克服電荷排斥力的阻礙,順利融合在一起,並製造能量。

所以,在地球的我們,能夠享受到太陽的光和熱,說起來也要感謝量子穿隧效應呢!

——本文摘自《阿宅聯盟:量子危機》,2022 年 11 月,未來出版,未經同意請勿轉載

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一句話形容「量子糾纏」:難以理解也無法預測的雙人舞——《阿宅聯盟:量子危機》
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・2023/01/18 ・1094字 ・閱讀時間約 2 分鐘

有時候,兩個以上的量子粒子,可能因為某些原因而產生關連,使得彼此的行為互相影響——這種特殊的關係,稱為「量子糾纏」,或稱「量子纏結」

不妨想像一下:一對跳雙人舞的舞者,正隨著音樂舞動。雖然兩人都有各自的動作,但彼此的動作都與對方有對應關係,也就是當其中一人做某動作,另一人就會做某配合動作;若要針對這場演出打分數,我們必須把兩人的動作與搭配都考慮進來,因為單看一人的表現,並無法詮釋整場表演——這個情形,就非常類似量子糾纏的概念。

可以將量子糾纏想像成一對跳雙人舞的舞者。圖/GIPHY

一旦一對粒子形成量子糾纏的狀態,它們就必須被視為一個整體,一起看待;單看一個粒子的行為,並無法完全描述整個系統。

無法事先得知的量子態

不過,量子糾纏跟跳雙人舞還是有一點不同:舞者跳的舞,都是事先設計好的——換句話說,雙方要怎麼跳,都是早就知道的;但量子糾纏狀態中的粒子的行為,直到我們進行觀測之前都還無法確定。

就好像之前在量子疊加章節中所介紹過的,量子態在被觀測之前,是處於「同時存在各種可能狀態」的疊加態,只有當我們進行觀測之後,其狀態才會確定;而每一種可能狀態,都有各自的出現機率,我們無法事先得知最後會看到哪一種狀態。

就像丟骰子一樣,每個數字都有各自的出現機率,無法事先得知結果會是哪個。圖/Envato Elements

這就像我們在手遊中抽卡,無法知道究竟會抽到最稀有的 SSR 卡、超稀有的 SR 卡,還是最常見的 N 卡,只能由機率來決定。

驚人的是,當我們藉由觀測,使得其中一個粒子轉變成確定狀態時,另一個粒子就算隔得再遠,

只要糾纏狀態還在,它們的行為就仍會有所連動,也就是說,第二個粒子會因為我們對第一個粒子的觀測,而瞬間呈現與第一個粒子對應的確定狀態。

到底,處於量子糾纏狀態的粒子,彼此之間是怎麼知道對方的情況呢?直到現在,科學家都還沒辦法揭開量子糾纏的神秘面紗。

——本文摘自《阿宅聯盟:量子危機》,2022 年 11 月,未來出版,未經同意請勿轉載

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