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飛向宇宙,浩瀚無垠!太空跟地球的界線到底在哪?

活躍星系核_96
・2019/04/11 ・1875字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

  • 林傑│有點反骨的人類。談談科學,再談談文學。

「飛向宇宙,浩瀚無垠!」(To Infinity… and Beyond.)——作為玩具總動員主角之一的巴斯光年,他乘載許多孩子成為太空人的夢想。

「飛向宇宙,浩瀚無垠!」圖/imdb

隨著科技的發展,這些年來,飛上太空變得容易許多,人們不需要先成為某個領域的專家,再經過艱苦的訓練選拔才有機會坐上太空梭。

現今,飛上太空根據不同的公司有不同的明碼標價,當然,所需要的金錢是名符其實的「天文」數字。但是「飛上太空」的標準究竟是什麼?想像一下,當你花費全身家產,飛上太空後,卻發現自己沒到達太空,這是多麼令人尷尬。

花錢進行太空旅行,你可能成為沒上太空的太空人。

根據美國空軍定義,太空人是曾經在海拔 80 公里以上飛行的人,並授予他們太空人之翼勳章(Astronaut Wings)。(除了一般太空人外,許多戰機飛行員也獲得此勳章。)

太空人之翼勳章。圖/wikimedia

但根據國際航空聯盟(Fédération Aéronautique Internationale)所承認的大氣層和太空的界線,海拔 100 公里為外太空的起始線。

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事實上,太空的起始點在國際間沒有一致的定義,從海拔 30 公里、80 公里、100 公里甚至是 150 萬公里都有人討論過。現今,最被人廣為接受的是國際航空聯盟所承認的界線:卡門線(Kármán line),它一般被認為位於海拔 100 公里。

全世界最昂貴的界線:卡門線

為了紀念知名航空動力學家及航空學家西奧多·馮·卡門(Theodore von Kármán),太空與大氣層的交界被命名為卡門線,一般被認為位於海拔 100 公里。

大氣層內的飛行器主要倚靠空氣動力飛行。圖/wikimedia

卡門線的判定,主要著眼於從科學的角度來看,「大氣層」與「太空」中的飛行器所使用的飛行動力來源是不同的。

在大氣層內的飛行器主要倚靠空氣動力,如:熱氣球、大型客機等。然而,隨著海拔高度逐漸上升,空氣變得越來越稀薄,漸漸無法提供足夠的動力,到了特定高度後,太空中的人造衛星變得依靠地球引力進行飛行。

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我有異議,太空並沒有那麼高

任職於哈佛-史密森尼天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的 Jonathan C. McDowell 對此提出不同的看法,根據數十年來的數據及理論計算,他認為卡門線應該從海拔 100 公里下修到 80 公里。

圖/wikimedia

首先,卡門線的定義為位於高度之上時,飛行器所受的軌道引力高過於空氣上升力。但這個定義過於粗糙,不同的飛行器並不適用同一個卡門線高度,而飛行環境也是個巨大變數。

當考慮到飛行器本身的密度及環境的空氣密度時,則必須要用有效卡門線(Effective Kármán line)來描述。而空氣密度會受到地球經緯度以及太陽照射所影響。

McDowell 以理論模型進行計算,加入經緯度以及太陽照射等參數,得出大部分飛行器及衛星的有效卡門線位於海拔 70~90 公里,而非現今 100 公里的卡門線。

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太空中飛行器依靠地球引力進行飛行。圖/pixabay

證據顯示,他是對的。

McDowell收集了 4 萬 3000 顆衛星軌道路徑,這一些衛星在墜毀前,曾在地球衛星軌道繞行兩圈以上,這軌道的最低高度位在海拔 66~88 公里,這與他的理論計算結果驚人地相近。

除了理論計算與衛星軌道的紀錄涵蓋海拔 80 公里外,這個高度也是中氣層與增溫層的交界,這時的溫度與大氣成分產生劇烈變化,因此 McDowell 認為太空的最低界線應訂為海拔 80 公里。

卡門線的高度影響到誰

對於太空研究,這條線存不存在似乎都無傷大雅。然而,當牽涉到領空與國家主權時便非同小可。國際法上並未明確定義太空的領空,因此以間諜衛星收集敵國的情報資訊在法理上並未侵犯領空。(這也是為何美軍能夠多次透過衛星發現北韓的飛彈基地。)

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即使各國太空計畫蓬勃進行加上太空旅行的「普及化」,到目前為止,大部分國家仍拒絕有個太空邊界與共同的太空法。這就像是個燙手山芋般,裡頭牽扯的政治利益太過於龐大複雜,各國政府都不願正視。一旦太空旅行如同航空飛行一樣普及時,衛星與太空船的航線會如同現今飛機航線一樣緊密,勢必需要有法律及相關機構統一管理。

最後,到底太空的邊界要定在何處?至今仍眾說紛紜。

參考資料:

  1. Jonathan C. McDowell, The edge of space: Revisiting the Karman Line, Acta Astronautica, Volume 151, 668-677.
  2. Outer space may have just gotten a bit closer
  3. Where, exactly, is the edge of space? It depends on who you ask.
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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想變年輕?就靠時空旅行!——《高手相對論》
遠流出版_96
・2022/04/29 ・2673字 ・閱讀時間約 5 分鐘

孿生子弔詭

這難道不是一個讓人活得年輕的方法嗎?的確是,而且後面講到廣義相對論的時候還會介紹另一個讓時間變慢的機制。科幻作品經常使用這種素材,比如電影《星際效應》(Interstellar)裡,太空人去黑洞附近執行任務,回來的時候還挺年輕的,可是自己的女兒卻已經很老了。

正所謂「山中方七日,世上已千年」。我想提醒你的是,這裡說的時間變慢只是不同座標系對比的結果。對於參加星際旅行的你來說,你實實在在活過的時間還是正常的壽命。在相對性原理之下,你根本感覺不到自己多出來什麼時間,如果你在地面上一輩子能讀一萬本書,在太空船上過這一輩子也只能讀一萬本書;你在山中過的這七天,也是一日三餐,共吃二十一頓飯。

在相對性原理之下,你根本感覺不到自己多出來什麼時間。圖/envato elements

但是你的確比地面上的人老得慢。說到這裡,有個著名的問題,叫「孿生子弔詭」。

假設你有一個雙胞胎妹妹,在你們二十歲這一年,你乘坐接近光速的太空船前往遠方執行任務,你的妹妹留在地球上。在你妹妹眼中看來,你這一走就是五十年,你回來的時候她已經七十歲了。可是因為相對論效應,你在太空船座標系下體會到的這段旅程只有三十年,你回來的時候才五十歲。

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你離開的時候,兩人一樣大,回來的時候妹妹比你老了二十年。這個事實是沒問題,但人們會有一個疑問。相對於你的妹妹,你在太空船上是高速運動,所以會有時間變慢的效應,所以你比你妹妹年輕。可是反過來說,相對於你,你妹妹在地球上難道不也是在高速運動嗎?為什麼不是她比你年輕呢?

這個問題的答案是你和你妹妹所在的座標系並不是等價的。你妹妹一直待在地球上,可以近似為一個等速直線運動的座標系。而你離開地球必須首先加速到接近光速,到達目的地要減速、掉頭、再加速,回到地球還要再減速,你經歷的並不是等速直線運動。你在加減速的過程中得使用力量,你會有「貼背感」,而你的妹妹沒有。

相對於從地球出發又折返的星際旅行,一直待在地球上比較像是等速直線運動。圖/envato elements

考慮到這些,精確計算你在每個階段相對於你妹妹是什麼年齡就比較麻煩了,這裡先不講,在本書番外篇會專門進行一點技術性的討論。

確定的是,這個效應是真實的,你真的比你妹妹年輕了二十歲。孿生子的效應已經有實驗證實。

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驗證這個效應不需要真的進行星際旅行,你只需要一種精度非常高的原子鐘。先將兩個原子鐘對時,然後將一個放在地面不動,把另一個帶上一般的民航機的國際航班飛一圈。飛回來後,再把這兩個原子鐘放在一起,就會發現它們的時間有一個極其微小的差異——這個差異是實實在在地存在的。參加了飛行的那個原子鐘,現在確實比留在地面的那個「年輕」一點。

如此說來,那些經常在天上飛的飛行員和空服員都比一般同齡人要年輕一點!但是他們參與飛行的速度不夠快,一輩子也差不了一秒。而如果你能把自己的速度提高到接近光速,那麼你的一天是地面上人的一年,甚至一千年,在理論上都是可能的。你就等於穿越到了未來。

一輩子也比別人年輕不了一秒的飛行員們(?)圖/envato elements

時空是相對的

與時間膨脹相對應的一個效應是「長度收縮」。

還是以太空人為例。同樣一段距離,我們在地面看他應該飛二十五年才能到,在他自己看來,飛十五年就到了。而且請注意,不管是哪一方看來,太空船相對於這段距離的飛行速度是一樣的。

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這就意味著,太空人看到的這段距離,比我們看到的要短。

如同時間,長度也是個相對的概念。一個物體的長度在相對於它靜止的座標系中是最大的,如果你和它有一個相對的運動,你會覺得它比靜止的時候短一些。這就是長度收縮。

當我們和某物體有相對運動時,它的長度看起來會短一點。圖/envato elements

我還記得小時候看過一個日本動畫片,裡面用極其誇張的手法描寫了這個現象:幾個孩子騎自行車,其他人感覺他們都變瘦了。

其實嚴格地說,有人透過計算,得出三維物體的長度收縮效應是你「觀察」到的,而不是你「看」到的。考慮到物體各個部分的光到達你眼睛的距離不一樣,你的眼睛實際看到的感覺,只是這個物體旋轉了一個角度而已,在視覺上不會覺得它變短了;但是如果你考慮到光速是有限的,物體不同部分的光線到達你的眼睛有個時間差,你根據這個時間差做一番計算,即會得到長度收縮的結果。

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時間膨脹和長度收縮這兩個效應告訴我們:空間的長短也好,時間的快慢也好,都與座標系有關,不同座標系中的觀測者所看到的時間和空間是不一樣的。時空並不是一個客觀不變的、一視同仁的大舞臺,每個座標系都有自己的時空數字。當不同的座標系要想交流,得先做「座標變換」,把對方的時空數字轉換成自己的。

想跟不同的座標系交流,記得先調整時空數字。圖/envato elements

但是,在每個等速直線運動的座標系內部,你所用的物理公式,都是一模一樣的。

如果永遠不聯繫,你在太空船的生活和我在地面的生活就沒有任何差別。可是一旦要聯繫,我們的數字則會非常不一樣。而這些不一樣,又恰恰是因為光速在所有座標系下都一樣。

相對論是如此讓人不好接受,卻又是如此簡單。

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相對性原理是一個信念,但物理學家從來都沒有把相對論當作「信仰」——科學的精神是實驗結果說了算。物理學家始終對相對論保持開放的態度。二○一一年,物理學家一度以為微中子的速度能超過光速,但是後來發現那是一個烏龍,是實驗設備有問題。

現在,我們只能說愛因斯坦完全正確。

遠流出版_96
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遠流出版公司成立於1975年,致力於台灣本土文化的紮根與出版的工作,向以專業的編輯團隊及嚴謹的製作態度著稱,曾獲日本出版之《台灣百科》評為「台灣最具影響力的民營出版社」。遠流以「建立沒有圍牆的學校」、滿足廣大讀者「一生的讀書計畫」自期,積極引進西方新知,開發作家資源,提供全方位、多元化的閱讀生活,矢志將遠流經營成一個「理想與勇氣的實踐之地」。

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光如何被重力彎曲,構成黑洞的獨特景象?——黑洞旅行團,出發!(上)
ntucase_96
・2021/12/18 ・2499字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 撰文/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報黑洞旅行團,出發!(上)——彎曲的光與重力透鏡

在嚴峻的疫情下,雖然我們無法親自外出旅遊,但是想像力可不會被輕易束縛。今天讓我們一起前往廣袤的宇宙中,在那裡散布著無數龐大的天體,它們扭曲從旁擦身而過的光線,形成各式獨特的景象。在本篇文章中,我們將帶領各位讀者一起了解光線是如何被彎曲。

電影《星際效應》中,一幅令人印象深刻的畫面是主角們乘著太空梭在黑洞附近時,所看到的黑洞景象(如圖一)。但是以人類目前的太空實力,尚無法脫離太陽系,抵達巨型黑洞附近更是無法實現。那這幅景象只是純粹虛構的嗎?並不是,它是藉由物理理論將我們的認知延伸到遙遠的宇宙彼端,讓我們也有能力推測,遙遠的未來,黑洞旅行團會看到的景象!

圖一、《星際效應》中,「巨人」黑洞附近的景色。版權所有:華納兄弟。

黑洞附近獨特景象的原因,是因為它極為龐大的重力。因此,在討論黑洞景象之前,我們要先來認識描述重力的理論,那便是鼎鼎有名的廣義相對論。廣義相對論使得人們有能力理解宇宙中發生的各種現象,其中一個重要的洞見是:「重力的本質是時空的彎曲」。這句話看起來十分抽象,以下我們舉個例子試著讓各位讀者體會,力與時空彎曲這兩件看來毫無相關的事情是如何扯上關係的。

力與彎曲空間

假設有兩位螞蟻探險家,在他們眼中,地球是一個巨大的平面。有一天,他們相約從赤道上兩個不同的位置出發,拿著指北針,約好一起向正北方,以相同速度前進。在他們心中,地球是一個平面,因此兩人同時向北走,路徑會互相平行,應該永遠不會相遇(圖二a)。但經過了數個月,他們在北極點碰到了彼此,感到驚訝無比。為了解釋此結果,他們推斷:「由於地球是平的,我們會碰在一起,代表我們之間有某種吸引力,將我們越拉越近(圖二b)」。但是我們站在第三人稱的視角便會明白,他們倆最後會碰在一起,並非因為彼此之間有吸引力,而是他們所在的地球是個曲面而非平面。力與空間的彎曲似乎沒有我們想像的那麼毫無關係!

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圖二、兩位相約向正北前進的螞蟻旅行家,兩條軌跡在平面上由於互相平行,應該永遠不會相遇(a)。但在球面上兩位會在北極點相遇(b),由於他們認為自己身處在平面上,會認為相遇是因為彼此之間具有吸引力,將他們的前進軌跡彎曲。

愛因斯坦偉大的洞見,便是他了解到:我們時刻感受到的重力,其實本質上是具有質量的物體造成附近時空的彎曲;我們因為認為時空是平坦的,因此把他詮釋為一種「力」,就如同兩位螞蟻探險家。細心的讀者可能留意到,我們在此使用了「時空」,而非「空間」。相對論中,時間與空間不再互相獨立,而可以互相影響。

讀者可能會疑惑:重力是一種力或是時空的彎曲,這聽起來只是詮釋角度的不同,有實質上的差別嗎?其中一個主要的差別在於對「光」的影響。古典描述重力的理論:牛頓力學,對於光通過一個大質量天體附近時,路徑會如何改變的預測,和廣義相對論的結果並不一致。1919 年,艾丁頓爵士在日蝕發生時,向太陽的方向觀測,發現竟然能夠看到理應被太陽擋住的星光。其原因便是太陽的重力造成附近的時空彎曲,遙遠的星光在通過該區域時發生路徑的偏折,使我們有機會在地球上看到它。

一個物體附近時空彎曲的程度,會和其質量大小有關。因此當光線通過愈大質量的天體附近時,路徑的改變就會越大。這個效果就如同光線通過一個透鏡時會發生偏折(如圖三)。天文學中,人們會使用由透鏡、反射鏡等組成的望遠鏡來觀察遙遠的天體。那我們是否可以使用這些天體形成的「透鏡」,來觀察宇宙呢?答案是肯定的,這便是在當前天文與宇宙學領域中,一個正蓬勃發展的觀測方式:重力透鏡。

圖三、遙遠的星光經過大質量天體時,發出的光線會如同經過透鏡一樣被彎曲,使得在地球上的我們可以看到本該被擋住的星星。

重力透鏡

根據光線彎曲的程度(也代表著透鏡天體的質量大小),重力透鏡可以被分為:微重力透鏡、弱重力透鏡以及強重力透鏡。其中強重力透鏡,由於光線的彎曲程度較大,在地球上的觀察者可以看到十分有趣的圖像。例如愛因斯坦十字、愛因斯坦環。對此議題有興趣的讀者,可以參考[3],該文章有深入淺出的解釋。

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由於光線偏折的程度,與通過的天體質量有關。因此,如果我們對於光源的性質十分了解,重力透鏡可以反過來提供給我們透鏡天體的質量資訊。這特別適合拿來進行暗物質的分布量測。由於暗物質只透過重力和其他物質作用,它並不會放出任何的電磁波,要「看」到它,只能透過重力的效應。若是我們在宇宙中,發現某一個區域具有非常大的質量,造成通過的光軌跡有所偏移,但是我們又無法在該區域中,利用各種電磁波望遠鏡,看到可識別的天體,那很可能那裏有緻密的暗物質;再透過分析光線的彎曲情形,科學家們便可以推測出其中的暗物質質量分布。

在本篇文章中,我們向各位讀者介紹了光是如何受到重力的彎曲,以及相關的應用。這個效應在黑洞附近會更為劇烈,在下一篇文章中,我們將會介紹該如何「模擬」黑洞附近的景象。

延伸閱讀

本系列文章:
黑洞為什麼不黑?彎曲的光與重力透鏡——黑洞旅行團,出發!(上)
巨大的黑洞反而不危險?——黑洞旅行團,出發!(中)
怎麼模擬出真實的黑洞樣貌?光線追蹤技術——黑洞旅行團,出發!(下)

參考資料

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ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。