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萬物有沒有唯一解?愛因斯坦未完成的統一場論——《愛因斯坦的宇宙》

時報出版_96
・2019/04/02 ・2184字 ・閱讀時間約 4 分鐘

編按:一九零五年,愛因斯坦剛完成狹義相對論,對此馬上失去興趣,因為他將視野放在更大的挑戰上,即廣義相對論。一九一五年歷史重演,當他完成重力理論後,隨即又將焦點放在企圖心更大的計畫上,即統一場論,希望結合希望結合重力理論與馬克士威的電磁理論,

有相對論和量子論已經很棒了,幹嘛還提統一場論?

到了一九二○年代晚期,相對論與量子論這物理學兩大支柱已經屹立不搖,人類對於物理世界的知識總和可由這兩項理論涵括。相對論是講非常大的理論,是大霹靂與黑洞的理論,而量子論是談非常小的理論,探討奇異的原子世界。雖然量子理論建立在違反直覺的想法上,但無人能否認該理論在實驗上的驚人成功。

實際上,諾貝爾獎如雪片般飛向願意應用量子理論的年輕物理學家。愛因斯坦是經驗老道的物理學家,絕不會忽略量子理論突飛猛進的進展;他沒有駁斥實驗上獲得的成果,也承認量子力學是「我們這個時代最成功的物理理論」。愛因斯坦並沒有阻礙量子力學的發展,雖然比較不入流的物理學家可能會這麼做(一九二九年,愛因斯坦還推薦薛丁格與海森堡共享諾貝爾獎)。相反地,愛因斯坦改變策略,不再攻擊這個理論不正確,他的新策略是將量子理論收進統一場論裡。

圖/flickr

當波耳陣營砲轟愛因斯坦忽視量子世界時,他反擊說自己真正的目標極為宏大,是要將整個量子理論包納入自己的新理論當中。他拿自己以前的研究打比喻:相對論並未證明牛頓理論完全錯誤,只是顯示他不夠完整,可以再併入更大的理論當中。因此,牛頓力學在其特有的領域當中是有效的,也就是在小速度與大物體的領域內可以成立。同樣地,愛因斯坦相信量子理論對於貓可以同時又生又死的怪異假設,一定能夠以更高的理論來解釋。在這方面,有太多愛因斯坦傳記的作者沒能了解到這點。

愛因斯坦的目標不是像許多批評人士所宣稱,只想證明量子理論不正確,他老是被描繪成古典物理中最後一隻恐龍,年老的叛逆者卻發現自己變成反對的聲音。愛因斯坦真正的目標是要凸顯量子理論的不完整,並利用統一場論來使之完整。

統一場論的企圖:和相對論一起解釋物質起源

愛因斯坦的策略是利用廣義相對論與統一場論,來解釋物質本身的起源,亦即從幾何學中建造出物質。一九三五年,愛因斯坦與羅森研究一種新穎的方式,讓量子粒子(如電子)會成為其理論的自然結果,而非是基本的物體。他希望利用這種方式,可以不必面對或然率的問題而導出量子理論。在絕大多數理論中,基本粒子是以奇異點出現,也就是方程式變為無限大的地方。例如在牛頓的方程式中,力與兩物體間的距離平方呈反比,當距離為零時,引力會變得無限大,也產生了奇異點。因此愛因斯坦想從更深的理論中導出量子理論,他了解到自己需要一個完全沒有奇異點的理論(在簡單的量子理論當中,便可找到這種例子,稱為「孤立子」[soliton],就像是太空中的結一般。這類孤立子非常平滑,不是奇異點,但卻會彼此碰撞反彈,並保持相同形狀。)

愛因斯坦–羅森橋(蟲洞)在二維環境的模擬。圖/wikipedia

愛因斯坦與羅森提出一個新奇的方式,來促成這種解。他們一開始在兩張平行的紙上定義兩個史瓦茲卻德黑洞,然後用一把剪刀剪掉兩個黑洞的奇異點,再將兩張紙黏回在一起,便得到一個平滑、沒有奇異點的解了,愛因斯坦認為這或可代表次原子粒子。因此,量子粒子可視為微小的黑洞。(這個想法六十年後在弦論裡重生,有個數學關係式可讓次原子粒子轉變成黑洞,或讓黑洞變回次原子粒子。)

不過,這個「愛因斯坦–羅森橋」可從另一個角度來看,代表了科學文獻上第一次提到連接兩個宇宙的「蛀孔」(wormhole,舊多譯為「蟲洞」)。蛀孔是穿透空間與時間的捷徑,就像是通道或閘口,可連接兩張平行的紙張。將蛀孔的概念介紹給大眾的是牛津大學數學家查爾斯.道吉森(Charles Dodgson),他的筆名是路易斯.卡羅,也就是家喻戶曉的小說《愛麗絲夢遊仙境》與《鏡中奇遇記》的作者。當愛麗絲將手放進鏡子中,她進入連接兩個宇宙的愛因斯坦–羅森橋,一邊是夢境中的奇幻世界,一邊是牛津的鄉下地方,當然,我們後來知道任何掉入愛因斯坦–羅森橋的人會被強大的重力擠死,甚至是將體內的原子扯散;若黑洞是靜止的,則想要通過蛀孔到另一個平行宇宙是不可能的。(要再過六十年,蛀孔的概念才會在物理學中占居要角。)

蛀孔是穿透空間與時間的捷徑,就像是通道或閘口,可連接兩張平行的紙張。圖/flickr

最後,愛因斯坦放棄這個點子了,部分原因是他無法解釋豐富的次原子世界,他無法全部用「彈珠」來說明「木頭」的各種奇特性質,無法從理論推導出次原子的諸多特徵(如質量、自旋、電荷、量子數等等)。他原先希望能找到一幅圖象,讓統一場論能夠大放光采,但關鍵的問題在於,當時對於核力的特質所知太有限了。愛因斯坦超前時代數十年,後來威力強大的粒子對撞機才提供資料,釐清次原子物質的本質。因此,他從未找到這幅圖象。

本文摘自《愛因斯坦的宇宙》, 2018 年 11 月,時報出版。

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。
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