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【GENE思書軒】從剎那到永恆,來談談時間的奧秘吧!

Gene Ng_96
・2019/01/19 ・4570字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

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光陰似箭,快樂的日子總是過得比較快的,沒一會兒,春節假期就過完了,還沒補夠眠就要上班了 Orz

「一個男人與美女對坐一小時,會覺得似乎只過了一分鐘;但如果讓他坐在熱火爐上一分鐘,會覺得似乎過了不只一小時,這就是相對論。」是愛因斯坦的名句。

即使不快樂的時光,也能夠過得飛快,尤其是當人年紀愈來愈大,就越來越有時間過太快不夠用的感覺。

年紀愈來愈大,就越來越有時間過太快不夠用的感覺。
圖/pixabay

來談談時間吧!

時間客觀上是一種尺度,根據維基百科,時間在物理定義是純量,藉著時間,事件發生之先後可以按過去/現在/未來之序列得以確定(時間點),也可以衡量事件持續的期間以及事件之間之間隔長短(時間段)。時間是除了空間三個維度以外的第四維度。

我們平時經歷的時間,在有鐘錶的情況下是小時、分鐘和秒。我們人類一生也不過幾十年,了不起百年,我們能輕易理解年月的意思。就算有讀書,人類文明頂多也只有上萬年歷史,因此要我們理解超過萬年的事物,如動輒幾百萬、幾千萬、幾億、幾十億年老的地質年代和古生物,我們演化來面對現實生活的腦袋就失靈了。因此有時候在解說一些演化史的時間概念時,我們要打個比方,比如說如果把寒武紀大爆發的五億四千萬年壓縮成一天,我們廿萬年前出現非洲草原的智人祖先不過是在最後卅秒才現身地球。如果算上地球的歷史 45 億年和銀河系的 132 億年歷史,那更難理解了。

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圖/wikipedia

我們不僅不容易理解超長的時間,也不易理解極短暫的時間,除了禪修者之外。人類的歷史中,精準地計時,才幾百年的歷史,過去絕大多數人只是粗略地計時,不像現代人分秒必爭,一秒幾十萬上下。現在人類可以測量的時間,已經到了阿秒的地步,這也是人類難以想像的短暫時間!

極大時間 & 極短時間

儘管一再強調難以想像,可是科學家就能用理性的分法去理解並且設計測量的方法,但是這些極大和極短的時間究竟有何科學上的意義呢?有本稀有的好書《時間之冪:從極短暫到永恆,囊括各種時間尺度的祕密》(Time in Powers of Ten: Natural Phenomena and Their Timescales),就有兩位荷蘭烏德勒支大學 (Utrecht University) 的理論物理學家特胡夫特 (Gerard’t Hooft) 和范都仁 (Stefan Vandoren) 來告訴大家時間的秘密。

他們以 10 為倍數,從 1 秒、10 秒、100 秒、1,000 秒開始至到 1032秒,然後倒過來從 10-25  秒、1 攸秒、10 攸秒、100 攸秒⋯⋯談回到 1 秒。全書有 48 章,每章談的有衰變、星球軌道、週期及頻率、宇宙學、光,層次分明。極長的時間中,我們進入宇宙學的領域;而極短的時間中,我們進入了量子力學和粒子物理的領域。《時間之冪》探討的尺度不僅是時間,也跨到了空間。

雖然談的是時空,但這本書的內容極為多樣,真佩服作者能收集到這麼豐富的材料,而且還深入淺出地解說,是不可多得的科普好書。他們用樓高 508 公尺的台北 101 大樓解說忽略空氣阻力的自由落體著地需要 10.18 秒。雖然我是物理白痴,但也能讀得趣味盎然。

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他們坦承,這樣的寫法並非原創的,並指出一位住在比爾托芬 (Bilthoven) 小鎮的老師伯克 (Kees Bokes) 先生,在 1957 年出版了《宇宙觀:穿越宇宙的四十步》(Cosmic View: The Universe in 40 Jumps),是短片《十的乘冪》(Powers of Ten) 的前身,不過他們談的是超過半個世紀的科學成就,不僅主要是物理,還包括化學、生物和地質的現象。

時間之冪》提到,理論上,普朗克時間 (Planck time) 是最小的可測時間間隔。普朗克時間是光波在真空裡傳播一個普朗克長度的距離所需的時間。它的數值大約為 5 × 10-44 秒。現行的物理定律預測,在這短暫時間間隔裏所發生的任何變化,是無法測量或探測求得。到 2010 年 5 月為止,直接測量的時間不確定性最小為 12 阿秒 (1.2 × 10-17秒),約為 3.7 × 1026 個普朗克時間。

神岡探測器

時間之冪》有許多彩圖,有些篇章雖然超出我專業所以不見得都讀懂,但是仍舊被物理學家極強的毅力和智慧設計出測量極長和極短時間的儀器給折服到想跪下。質子衰變成 K 介子的生命期上限為 5.9 × 1033 年,為了探測極為罕見的質子衰變,科學家建造了令人印象深刻的大型微中子探測器超級——日本的神岡探測器 (Super-KamiokaNDE,可縮寫為Super-K或SK;スーパーカミオカンデ),是東京大學在岐阜縣飛驒市神岡町的茂住礦山一個深達 1000 公尺的廢棄砷礦建造的。神岡探測器之所以蓋在如此深的地層中是因為要阻隔其他的宇宙射線訊號。

圖/google地圖

神岡探測器主要部分是一個高 41.4 公尺、直徑 39.3 公尺的不鏽鋼圓柱形的容器,盛有 5 萬噸高純度的水。水箱容量被分成由一個直徑為 33.8 公尺和高度為 36.2 公尺的不鏽鋼上層結構的內部探測器 (ID) 區,和包括其餘結構的外部探測器 (OD) 區。容器的內壁上安裝有 11,200 個光電倍增管,用於探測高速微中子在水中通過時產生的契忍可夫輻射 (Cherenkov radiation),那是是介質中運動的電荷速度超過該介質中光速時發出的一種以短波長為主的電磁輻射,其特徵是藍色輝光。

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2015 年日本物理學家梶田隆章就是因神岡探測器的研究「發現了微中子震盪,證明了微中子具有質量」而榮獲諾貝爾物理學獎。梶田的老師小柴昌俊用超級神岡探測器證實反應爐中產生的微中子發生了振盪,因「在天體物理學領域做出的先驅性貢獻,其中包括在探測宇宙微中子和發現宇宙X射線源方面的成就」在 2002 年獲得諾貝爾物理學獎。《時間之冪》提到的許許多多時間的測量,在基礎研究過程中,科學家為了突破測量極限,也都推升了科技的大幅進展,可見基礎研究實力才是先進國家科技發展最重要助力。

描寫時間的那些詞彙

雖然不容易想像,但中文裡還是有許多描寫極長和極短時間的詞彙,除了書中提到,還有如須臾、瞬息、彈指、剎那⋯⋯,以及恆河沙、阿僧祇、那由他⋯⋯從這些名詞不像中文來看,它們應該是外來的。沒錯,這些詞彙都來自印度,熟讀佛典的朋友更不陌生。印度人有很強的邏輯數學能力,我們現在通用的所謂阿拉伯數字,發明者其實就是印度人。以下是佛典的記載,非常長,有興趣可以研究一下:

極短的時間,在《摩訶僧祇律》就記載:「須臾者。二十念名一瞬頃。二十瞬名一彈指。二十彈指名一羅豫。二十羅豫名一須臾。日極長時有十八須臾,夜極短時有十二須臾。夜極長時有十八須臾,日極短時有十二須臾」。意思是 24 小時有 30 個須臾,1.2 萬個彈指,24 萬個「瞬間」,480 萬個「剎那」。推知「一剎那」是 0.018 秒;又據《大毘婆沙論》記載:「百二十剎那成一怛剎那。六十怛剎那成一臘縛,此有七千二百剎那。三十臘縛成一牟呼栗多,此有二百一十六千剎那。三十牟呼栗多成一晝夜」。一日一夜有 30 牟呼栗多,900 臘縛,54,000 怛剎那,6,480,000 剎那、一剎那的時間長度是 1/75 秒(約為 0.013 秒);《仁王護國般若波羅蜜多經觀如來品第二》中提到:「一念中有九十剎那,一剎那經九百生滅」。
而極長的時間,《妙法蓮華經》:「我成佛已來。復過於此百千萬億那由他阿僧祇劫。自從是來。我常在此娑婆世界說法教化。」;《大方廣佛華嚴經卷第四十五》:「佛言:『善男子!一百洛叉為一俱胝 (100 × 10^5 = 10^7),俱胝俱胝為一阿庾多 (10^7 × 10^7 = 10^14),阿庾多阿庾多為一那由他 (10^28),那由他那由他為一頻婆羅 (10^56),頻婆羅頻婆羅為一矜羯羅 (10^102),矜羯羅矜羯羅為一阿伽羅 (10^204),阿伽羅阿伽羅為一最勝 (10^408),最勝最勝為一摩婆(上聲呼)羅 (10^816),摩婆羅摩婆羅為一阿婆(上)羅,阿婆羅阿婆羅為一多婆(上)羅,多婆羅多婆羅為一界分,界分界分為一普摩,普摩普摩為一禰摩,禰摩禰摩為一阿婆(上)鈐,阿婆鈐阿婆鈐為一彌伽(上)婆,彌伽婆彌伽婆為一毘攞伽,毘攞伽毘攞伽為一毘伽(上)婆,毘伽婆毘伽婆為一僧羯邏摩,僧羯邏摩僧羯邏摩為一毘薩羅,毘薩羅毘薩羅為一毘贍婆,毘贍婆毘贍婆為一毘盛(上)伽,毘盛伽毘盛伽為一毘素陀,毘素陀毘素陀為一毘婆訶,毘婆訶毘婆訶為一毘薄底,毘薄底毘薄底為一毘佉擔,毘佉擔毘佉擔為一稱量,稱量稱量為一一持,一持一持為一異路,異路異路為一顛倒,顛倒顛倒為一三末耶,三末耶三末耶為一毘覩羅,毘覩羅毘覩羅為一奚婆(上)羅,奚婆羅奚婆羅為一伺察,伺察伺察為一周廣,周廣周廣為一高出,高出高出為一最妙,最妙最妙為一泥羅婆,泥羅婆泥羅婆為一訶理婆,訶理婆訶理婆為一一動,一動一動為一訶理蒲,訶理蒲訶理蒲為一訶理三,訶理三訶理三為一奚魯伽,奚魯伽奚魯伽為一達攞步陀,達攞步陀達攞步陀為一訶魯那,訶魯那訶魯那為一摩魯陀,摩魯陀摩魯陀為一懺慕陀,懺慕陀懺慕陀為一瑿攞陀,瑿攞陀瑿攞陀為一摩魯摩,摩魯摩摩魯摩為一調伏,調伏調伏為一離憍慢,離憍慢離憍慢為一不動,不動不動為一極量,極量極量為一阿麼怛羅,阿麼怛羅阿麼怛羅為一勃麼怛羅,勃麼怛羅勃麼怛羅為一伽麼怛羅,伽麼怛羅伽麼怛羅為一那麼怛羅,那麼怛羅那麼怛羅為一奚麼怛羅,奚麼怛羅奚麼怛羅為一鞞麼怛羅,鞞麼怛羅鞞麼怛羅為一鉢羅麼怛羅,鉢羅麼怛羅鉢羅麼怛羅為一尸婆麼怛羅,尸婆麼怛羅尸婆麼怛羅為一翳羅,翳羅翳羅為一薜羅,薜羅薜羅為一諦羅,諦羅諦羅為一偈羅,偈羅偈羅為一窣步羅,窣步羅窣步羅為一泥羅,泥羅泥羅為一計羅,計羅計羅為一細羅,細羅細羅為一睥羅,睥羅睥羅為一謎羅,謎羅謎羅為一娑攞荼,娑攞荼娑攞荼為一謎魯陀,謎魯陀謎魯陀為一契魯陀,契魯陀契魯陀為一摩覩羅,摩覩羅摩覩羅為一娑母羅,娑母羅娑母羅為一阿野娑,阿野娑阿野娑為一迦麼羅,迦麼羅迦麼羅為一摩伽婆,摩伽婆摩伽婆為一阿怛羅,阿怛羅阿怛羅為一醯魯耶,醯魯耶醯魯耶為一薜魯婆,婆薜魯婆為一羯羅波,羯羅波羯羅波為一訶婆婆,訶婆婆訶婆婆為一毘婆(上)羅,毘婆羅毘婆羅為一那婆(上)羅,那婆羅那婆羅為一摩攞羅,摩攞羅摩攞羅為一娑婆(上)羅,娑婆羅娑婆羅為一迷攞普,迷攞普迷攞普為一者麼羅,者麼羅者麼羅為一馱麼羅,馱麼羅馱麼羅為一鉢攞麼陀,鉢攞麼陀鉢攞麼陀為一毘伽摩,毘伽摩毘伽摩為一烏波跋多,烏波跋多烏波跋多為一演說,演說演說為一無盡,無盡無盡為一出生,出生出生為一無我,無我無我為一阿畔多,阿畔多阿畔多為一青蓮華,青蓮華青蓮華為一鉢頭摩,鉢頭摩鉢頭摩為一僧祇,僧祇僧祇為一趣,趣趣為一至,至至為一阿僧祇,阿僧祇阿僧祇為一阿僧祇轉,阿僧祇轉阿僧祇轉為一無量,無量無量為一無量轉,無量轉無量轉為一無邊,無邊無邊為一無邊轉,無邊轉無邊轉為一無等,無等無等為一無等轉,無等轉無等轉為一不可數,不可數不可數為一不可數轉,不可數轉不可數轉為一不可稱,不可稱不可稱為一不可稱轉,不可稱轉不可稱轉為一不可思,不可思不可思為一不可思轉,不可思轉不可思轉為一不可量,不可量不可量為一不可量轉,不可量轉不可量轉為一不可說,不可說不可說為一不可說轉,不可說轉不可說轉為一不可說不可說,此又不可說不可說為一不可說不可說轉。』」

圖/pixabay

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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肺癌不只是抽菸惹禍!PM2.5、油煙、腸道菌失衡全都中,TW01 益生菌提升肺部保護力!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/07 ・2808字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文與 江欣樺營養師 合作,泛科學企劃執行。

肺癌連四冠 成為台灣十大癌症之首的背後原因

根據衛福部國民健康署於 2024 年 12 月公布的最新數據,肺癌已穩居台灣十大癌症榜首。這不只是發生人數最高,更同時擁有死亡率最高、晚期發現比例最高、醫療費用最高等三項不名譽的紀錄,可說是名副其實的「癌症四冠王」。

肺癌不只是台灣十大癌症榜首,更同時是發生人數最高、死亡率最高、晚期發現比例最高、醫療費用最高的疾病。圖 / unsplash

肺癌新確診人數在過去十年中持續上升,尤其在 2022 年 7 月政府推動肺癌篩檢政策後,越來越多過去未被發現的病例被篩檢出來。這項針對高風險族群的篩檢措施,有助於提高早期發現的比例,但也凸顯出台灣肺癌潛藏病例數量之大。

過去,大腸直腸癌曾長期穩居癌症發生率第一位,如今退居第二位,仍值得高度關注。不過,肺癌的快速上升與普及化趨勢,則反映出不僅吸菸者受影響,越來越多不吸菸卻罹患肺癌的人也在增加,使得肺癌防治策略面臨新的挑戰。

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基因變異遇上空污 PM2.5:台灣肺癌高發生率的雙重危機

在肺癌逐年升溫的背後,科學家持續探究其背後的成因。其中,一篇刊登於《Cell》2020 年 7 月號的研究引起了國際關注。這項研究由中央研究院團隊主導,聯合臺灣大學、臺北醫學大學及臺中榮總等單位共同完成,發現一種名為「APOBEC 變異」的基因特徵,可能與臺灣女性罹患肺癌發生率偏高有關。該變異會影響細胞內 DNA 的穩定性,使其更容易累積損傷並進一步發展為癌症,這項研究也讓人們開始重新思考肺癌與遺傳體質之間的關聯性。

除了基因之外,環境因素依然是不可忽視的關鍵。2023 年 4 月《Nature》的一篇封面故事則指出,空氣污染對肺癌的影響,可能不是直接造成新的 DNA 突變,而是透過誘發「慢性發炎」的機制,促使原本已帶有變異的細胞被「喚醒」並增殖形成腫瘤。這如同將原本處於沉睡狀態的壞細胞,因長期的空氣污染刺激而被激活。

由此可見,預防癌症的策略或許不應僅著重於防止癌細胞的「產生」,更重要的是避免讓它們「活化」。這也代表預防策略的重點,正從過去單純的「避免基因突變」,轉向同時「減少發炎反應」。而導致這些發炎與突變的因素,其實仍然是我們熟悉的環境污染源,例如 PM2.5、香菸二手煙、油煙與室內空氣品質等。

值得注意的是,這種風險機制並不只侷限於肺癌。大腸直腸癌的發生同樣與基因變異及環境因子的交互作用密切相關,顯示癌症成因不再是單一來源,而是多層次、需整合多面向來防範的健康議題。

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遠離肺部發炎:從廚房油煙到腸道保健的肺癌預防關鍵

在空氣品質頻頻亮紅燈的臺灣,要保護肺部健康,關鍵就在於避開引發發炎反應的因子。國民健康署明確指出,「吸菸」仍是肺癌最主要的危險因子,佔所有患者的七至八成。然而,非吸菸者也絕不能掉以輕心,二手菸、交通廢氣、PM2.5 等空氣污染物,同樣是導致肺部慢性發炎的重要元凶。

肺癌元凶不只有吸菸,空污也是一大原因。圖 / unsplash

此外,有一項常被忽略卻與肺癌風險高度相關的危險因子,來自我們每天的廚房——烹飪油煙。國民健康署指出,臺灣女性長期暴露於烹飪油煙中,罹患肺癌的風險不容忽視,尤其是在長時間未使用抽油煙機的情況下。國民健康署指出,未使用抽油煙機的非吸菸女性,其肺癌風險竟比有使用者高出約8.3倍。這項數據提醒我們,日常看似平常的行為,可能正是健康風險的關鍵所在。

除了遠離風險因子,江欣樺營養師也提出,從「腸道」著手是提升免疫力、降低全身發炎反應的新方向。維持腸道健康不僅能調節整體免疫系統,更與肺部的發炎反應息息相關。以益生菌株 TW01 為例,研究指出它能有效抵達腸道內的免疫關鍵區域——貝爾斑(Peyer’s patch),調節 T 細胞中 TH1 與 TH2 的平衡,有助於緩解過度的免疫反應或過敏現象。

此外,TW01 菌株也能促進B細胞分泌 IgA 免疫球蛋白,強化腸道黏膜層的保護力,減少「腸漏」的發生,進而間接保護其他器官免受炎症的侵擾。更令人關注的是,該菌株亦在研究中展現抑制大腸癌細胞的潛力,對於目前台灣排名第二的大腸直腸癌,可能提供另一層預防上的助力。

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國民健康署指出,未使用抽油煙機的非吸菸女性,其肺癌風險竟比有使用者高出約8.3倍。圖 / shutterstock

TW01 益生菌對抗肺癌:從腸-肺軸線降低空污引發的肺損傷

腸道與肺部之間存在一條重要的生理連結,稱為「腸-肺軸線」。今年初發表於《Nutrients》期刊的一項臺灣研究指出,TW01 益生菌能透過腸-肺軸線機制,從腸道出發,間接守護我們的肺部健康。研究結果顯示,TW01 益生菌有三大關鍵作用:首先,有助於減輕空污 PM2.5 所造成的肺損傷;其次,可降低肺部發炎物質(如 TNF-α、IL-6、IL-10 等);第三,降低肺纖維化,主要透過調節 TGF-β1/Smad 信號傳導來達成。

其實,腸道與其他器官之間也存在類似的「軸線」關係,例如腸-腦軸線影響情緒與睡眠,腸-皮膚軸線與皮膚狀況密切相關。這些軸線代表著腸道菌叢的健康與代謝活動,很容易影響到其他器官。反過來,器官之間的影響同樣是雙向的——空污中的 PM2.5 不只損害肺部,也會擾亂腸道菌相,甚至引發「腸漏症」,讓體內毒素再次回到肺部,進一步惡化發炎反應。

預防肺癌、對抗 PM2.5,從 TW01 益生菌構築更健康的防線

面對癌症這個複雜的敵人,我們或許無法改變基因,但我們可以從每天的選擇中,建立更堅固的健康防線。越來越多研究顯示,身體各個器官並非獨立運作,而是彼此緊密串聯——肺與腸的關聯,正是一個明顯的例子。從腸道微生物的平衡,到肺部的免疫狀態,生活中的每一項小習慣,其實都可能悄悄影響著我們罹癌的風險。

空氣品質意識、健康飲食內容、規律運動習慣、定期健康檢查,這些看似平凡的日常行為,正是最切實且有效的預防行動。特別在台灣,肺癌與大腸癌長期高居發生率前兩名,更提醒我們——預防不能等到症狀出現才開始,而應該從日常做起。

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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

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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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