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物理總考不好怎麼辦?一起從根本改變吧!──《如何學好高中物理》

天下文化_96
・2019/09/30 ・3496字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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快還要更快!學習物理的重點就是要「快速解題」?

不能只有快,還要更快?圖/giphy

在我的教學經驗中,有些學生會問我:「老師這一題有沒有更快的解法、一個式子就可以解出來?」我總是笑笑的說:「有,不過你還是要完全了解整個物理意義與過程,才能知道快速解法的來由,才能說出一番道理,才能有你自己的想法。」

我完全可以理解學生為什麼需要「快速的解法」,癥結還是:面對學校期中考或 未來的升學考試時,有答題時間限制的壓力。

一般學校期中考,物理科答題時間為 70 分鐘,考題大約 20 題到 25 題左右;升學考試自然科學測 68 題,答題時間 110 分鐘;指定考科物理科答題時間 80 分鐘,回答 26 題到 30 題左右,題數多寡由命題老師依據題目難易度來酌量。因為答題時間有限制,為了能拿到高分數,學生自然希望每一單元都能有快速解題法。

學習過程畢竟不是只為了考試,升學考試只是其中一個目標。圖/Pixabay

然而,學習過程畢竟不是只為了考試,升學考試只是其中一個目標,高中的學科基礎,會影響大學的學習成效,學習物理還是要建立蓋房子的鷹架模式——九層之台,起於累土;合抱之木,生於毫末;千里之行,始於足下。學習物理還是要「盈科後進」,不宜囫圇吞棗,避免「繁枝容易紛紛落」的速成之弊,才能體會學習物理時「嫩蕊商量細細開」的自然生發之美。

有一則幽默小品文:

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聯合國給全世界的小朋友出了一道題目:「對於其他國家糧食短缺的問題,請您談一談自己的看法。」非洲的小朋友看完題目後,不知道什麼叫「糧食」;拉丁美洲的小朋友不知道什麼叫「請」;歐洲的小朋友不知道什麼叫「短缺」;美國的小朋友不知道什麼叫「其他國家」;台灣的小朋友不知道什麼叫「自己的看法」。

雖然只是一則網路幽默文章,可是台灣學生努力符合標準答案,戮力要得知快速解法,恐怕是不爭的事實。我鼓勵大家在學習時,多思考、多質疑,或許就有更多人能超越標準答案和快速解法,提出創造性的看法。

所以說,解題最重要的核心到底是什麼?

有句話說:「得魚忘筌」,「教材課本」是這個「筌」,而「思考能力」是那個「魚」。我期盼同學們學習物理時,能完全了解整個物理單元和例題習題的思考過程,不必急著要公式和快速解題方法,因為完整的物理概念才能讓我們具備帶得走的能力。

我舉個物理運動學的題目來說明:

有一飛行物體以速度 19.6 公尺/秒等速度上升,在離地面 24.5 公尺高空處掉落一個包裹,忽略空氣阻力的影響,且該處重力加速度 9.8 公尺/秒2,回答下列的問題:

  1. 此包裹上升的最大高度約為多少公尺?
  2. 離開飛行器至落地的時間有多久?

請你先仔細閱讀題目並且了解問題在問什麼之後,再看以下的解釋。

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第 1 小題

分析:以包裹離開飛行物體的位置為坐標原點,建立一鉛直的坐標系統,方向以向上為正,向下為負。

包裹離開飛行器示意圖。

此包裹離開飛行器時,為初速度 19.6 m/s 的鉛直上拋運動,此包裹上升至最高點時的速度量值為 0 。求解:如圖,包裹由出發點上升至最高點的位移 h 表示如下:

\begin{equation}0 = (19.6)^{2}-2\times 9.8\times h \rightarrow h=19.6(m)\end{equation}

所以,包裹離地的最大高度 H 為:

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\begin{equation}H = 24.5 + 19.6 = 44.1 (m)\end{equation}

第 2 小題

  • 第一種解法:

此包裹由釋放至最高點的時間 \(t_{1}=\frac{19.6}{9.8}=2(s)\)

包裹的高度與時間關係圖。

由最高點落至出發點的時間 \(t_{2}=t_{1}=2(s)\),最後由出發點落至地面的時間\(t_{3}\)為\(-24.5=-19.6t_{3}-\frac{1}{2}\times 9.8t_{3}^2\)\((t_{3}+5)(t_{3}-1)=0\rightarrow t_{3}=-5\)(不合)或 \(t_{3}=1(s)\)

所以由出發至落地的時間為\(t_{1}、t_{2}、t_{3}\) 的總和為 5 秒。

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  • 第二種解法,為符合物理概念的快速解法:

此包裹由出發至落地的位移,根據所訂定的坐標系統為 −24.5 m,包裹從出發至落地的時間示如下:

\((t-5)(t+1)=0\rightarrow t=5\) 或 \(t =-1\)(不合)

所以,包裹由出發至落地的時間為 5 秒。

學習物理的運動學單元時,鉛直上拋是很重要的等加速運動的例子,這是因為(1)鉛直上拋的「速度」及「時間」這兩個物理量,都具有對稱的性質,以及(2)從最高點落地的過程為自由落體運動;因此,要能了解這當中的物理概念,充分利用這些性質,才可以簡化解題過程。

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討論運動學時,誰是「觀察者」很重要。圖/pixabay

討論運動學時,有一重要概念需「常在我心」,那是「誰看誰的相對運動」,換句話說「誰是觀察者」很重要。這絕對無法透過背公式、快速解題就能得到答案。讀者不妨思考以下這題北一女期中考的題目:

忽略空氣阻力影響,重力加速度 g 為 10 公尺/秒2。雙十國慶日上午,一架直升機在高空以 50 公尺/秒 等速度沿直線水平飛行。機上搭載兩名傘兵甲和乙,準備在廣場上空表演特技。對飛機而言,甲先從機上靜止落下, 2 秒後乙接著也靜止落下,但兩者的傘具皆暫時不張開,而在空中自由下降。回答下列問題:

  1. 甲跳落 5 秒後,甲與乙之間相距多少公尺?
  2. 當乙剛跳落時,甲利用一彈射裝置將一小球相對於甲以初速度量值 24 公尺/秒對準乙射出,則經過多少秒後,乙可以接到小球?

說明:

這是運動學的相對運動問題,對地面或地球而言,傘兵甲和乙的水平速度等於飛機的水平航速 50 公尺/秒,因此當乙從機上跳落時,甲的位置正在其正下方處。

1.甲跳落 5 秒後,乙正好跳落 3 秒後,此時甲與乙相距 H

H =(甲掉下來位移)−(乙掉下來位移),寫成\(H=\frac{1}{2}\times 10\times 5^2-\frac{1}{2}\times 10\times 3^2=80\)公尺。

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2.當乙剛跳落時,甲與乙兩者對地面的加速度相同,也就是乙觀察甲並不是等加速運動,而是等速度運動,兩者的相對加速度是零。

此時甲對地面的速度垂直分量為\(V_{Y}=gt=10\times 2=20\)公尺 / 秒,甲乙相距\(Y=\frac{1}{2}\times 10\times 2^2=20\) 公尺。

從甲看乙,乙以 20 公尺 / 秒的相對速度垂直向上遠離甲,當小球相對於甲以初速度量值 24 公尺 / 秒對準乙射出,則小球對乙的相對速度為 \(24−20=4\) 公尺 / 秒等速向上接近乙,經過 \(\frac{20}{4}\) 秒後, 也就是 5 秒後,乙可以接到小球。

此時甲、乙兩人相距\(20\times 5+20=120\) 公尺。

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「考得好差,我肯定不適合讀物理」這樣想就錯囉!

學習任何一科目難免會碰到瓶頸與困境,學習高中物理亦然。

絕對不要因為成績低就下結論說自己不是學物理的料,高中物理沒救,這樣思考太悲觀。圖/energepic@Pexels

初學物理的高中生常有刻板印象,認為物理科很困難,原因可能是受到學長姊的經驗談所影響,也可能是國中時期就產生的感受,或受到期中考題難度高、分數低的影響。

遇到物理成績低時,究竟該如何面對?我建議同學們學學白居易面對被貶時的心境轉變,偶遊大林寺,竟然有新的發現,找到心中的「桃花」。

你不妨想一想:物理成績低的原因是不是學習方法不正確?是不是沒有完全消化上課內容?我確實認真學習嗎?我把心思放在物理嗎?物理成績低的原因很多,但絕對不要因為成績低就下結論說自己不是學物理的料,高中物理沒救,這樣思考太悲觀。

自我探索、改變方式,再給物理和自己一次機會

到底該怎麼讀才好呢?圖/GIPHY

每一年都有學生問我:「老師,怎麼辦?我兩次物理期中考都不及格,我有能力學物理嗎?」「老師,我的物理成績這麼低,我還有救嗎?」聽完這些吶喊,我總耐心地告訴他們:「我們來分析你怎麼學習物理,給物理的時間足夠嗎?」「上課認真聽講嗎?整理筆記嗎?做了哪些基本功?」與學生互動後,幫這些心中有迷惑的學生找出路,鼓勵他們突破迷思,回到最基本的「實事求是」,並且確實能執行自己要改進的計畫。

經過自我探索,改變學習方式後,大部分的同學在期末考都能重新出發,找回學習物理的信心。當然,如果只停留在「半暝全頭路,天光沒半步」(台灣俗諺)的「坐而言,起不行」,成績就沒有起色。

物理成績低代表的應是「學習方法和態度有問題」,並不代表自己的腦袋不好。

想突破學習困境,還有一件事很重要:練習多思考,不要「人云亦云」。譬如學到摩擦力的時候,可以試著想一想:摩擦力是不是都是阻力?它的方向永遠與運動方向相反嗎?有沒有可能方向相同或垂直呢?

改變學習方法,學會深入思考、多思考,是學習的不二法門。千萬不要輕易因為物理成績低,就下定論自己能力差而學不好物理。

本文摘自《如何學好高中物理》,2019 年 7 月,天下文化出版。

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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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【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5966字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

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圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

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圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

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可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

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1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

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但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

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阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

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舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

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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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為什麼時間總是「往前」?熵是什麼?和時間有關聯嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/07 ・2581字 ・閱讀時間約 5 分鐘

為什麼時間向前走?

既然我們不能回到過去,你可能會合理的問:「為什麼時間向前走?」

對我們來說,時間不向前走的概念是匪夷所思的。你不會期待烤箱能把煮熟的食物變回原料,或杯子內的飲料在炎熱的日子裡形成冰塊,甚至女童軍餅乾也不會憑空出現。所有事情都以我們非常熟悉的方式隨時間前進,但如果你看到逆著時間走的情形,你可能會想自己是否是藥吃多了。

同樣的,你可以記住過去發生的事,但是你不能想起未來發生的事 *1。時間似乎有一個偏好的方向,我們不知道為什麼。

為什麼時間只向前走?這個基本問題長久以來深深困擾著物理學家。事實上,「時間向前」到底意味著什麼?在某些宇宙中,時間可能流向其他方向。他們的科學家可能會定義往「那個方向」向前。 所以真正的問題應該是:「為什麼時間朝著它前進的方向移動?」

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我們先來考慮,如果時間往其他方向走,宇宙是否能夠運作。 物理學定律要求時間往單一方向流動嗎?想像你正在看某些宇宙影片,你能透過仔細檢查,來判斷影像是否正在向前或向後播放嗎? 例如,假設你正在觀看一個球上下彈跳的影片,只要球完全彈跳 (並且不會因為摩擦或空氣阻力失去任何能量),那麼這個影像無論是往前或往後播放,看起來都會一模一樣!在罐內反彈的氣體粒子或在河中流動的水分子也是如此。即使量子力學也能逆著時間運作 *2。事實上,幾乎每個物理定律在時間往前或往後都可以成立。

但這不是全部的故事。

完全彈跳球的例子是不現實的,因為它忽略了球在地面上的摩擦力、空氣阻力以及諸多其他讓球的能量耗散成熱量的方式。經過幾次彈跳後,即使寵物雪貂最喜愛的超級彈力球也會停止彈跳,最終穩定在地面上。球的所有能量將轉化成熱,傳至空氣分子、球分子或地面分子。

想像一下,倒著播放的彈跳球影像會變得多麼奇怪,坐在地上的球會突然開始彈跳起來,而且愈彈愈高。能量流將看起來更奇怪:空氣、球和地面會冷卻下來,失去的熱將轉化為球的動能。

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在這個例子中,你可以肯定指出時間向前和向後的區別。烹飪食物、融化冰塊和吃餅乾等也都相同。但是,如果物理學的大部分定律都能反向工作,特別是熱和擴散等微觀物理,為什麼宏觀過程似乎只在一個時間方向發生?原因是系統中的無序量,也就是熵,非常強烈傾向於單一時間方向。

熵總是隨時間增加。這稱為熱力學第二定律。熵視為某些事物中的無序量。你忘記餵食雪貂時,雪貂會毀壞客廳,撞翻整疊有完整簽名的這本書,雪貂透過增加亂度來提高客廳的熵。

如果你回家重新整理客廳,可以減少客廳的熵,但是這樣做需要相當程度的能量,你把能量釋放成熱、沮喪和低聲咒罵著要如何告訴室友說:「養雪貂是個壞主意。」在整理客廳時,你釋放的能量將保持總熵的增加。每當你產生任何局部秩序,例如:堆疊書籍、在方格紙上做標記,或打開空調時,你都會同時產生亂度這個副產品,且通常以熱的方式呈現。根據熱力學第二定律,平均而言,總熵沿順向時間減少是不可能發生的事。

(注意:這是機率描述。技術上來說,一群憤怒的雪貂有可能意外的組織一個完全有序的隊伍,從而減少了牠們的熵,但機率微乎其微。孤立事件可能發生,但平均熵總是增加。)

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這會導致令人不寒而慄的後果:因為熵只會增加,在最終非常非常久遠的未來,宇宙將會達到最大亂度,這有個聽起來很酷的名字:「宇宙熱寂」。在這種狀態下,整個宇宙將處於相同溫度,這表示一切都將完全無序,沒有一丁點有用的有序結構(如人類)。在熱寂之前,我們仍然有空間可以創造局部秩序,只因為宇宙還沒有達到最大亂度。

現在我們逆著時間回想。過去每個時刻,宇宙的熵比現在更少(更有秩序),一直回溯到大霹靂時。把大霹靂當成是搬家卡車和小孩來到新房子之前的那一刻。宇宙的初始狀態(當熵最低時)決定了宇宙從誕生到熱寂之間有多少時間。如果宇宙從一開始就已經有大量亂度,不需要太多時間就能達到熱寂。在我們自身的例子中,宇宙似乎始於非常有序的狀態,在達到最大熵之前給了我們很多時間。

為什麼宇宙從一開始是從高度有組織的低熵狀態中啟動?我們不知道,但是我們確實很幸運,因為宇宙在開始和結束之間,留下了很多時間來做有趣的事情,比如製造行星、人類和冰棒。

熵是否幫助我們了解時間?

熵是少數幾個關心時間如何流逝的物理定律之一。

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影響熵的多數過程(例如影響氣體分子如何互相反彈的運動學定律),可以完美的逆著時間走。但大體來說,它們遵循一項定則:有序數量隨時間前進而遞減。所以時間和熵互相以某種方式連接起來。但到目前為止只有一個相關性:熵隨時間而增加。

這是否代表熵導致時間只能向前流動,就像是山丘只讓水往下流那樣;或者熵是遵循時間的箭頭,像被捲入龍捲風的碎片?

即使你接受熵隨時間前進而增加,仍然不清楚為什麼時間只會向前進。例如,你可以想像一個時間向後的熵,熵隨負時間而減少,這將保持熵和時間的關係,而不會違反熱力學第二定律!

與其說熵洞察了時間的一切,不如說它是個線索。熵是我們關於時間如何運作的少數線索之一,所以值得注意。熵是理解時間方向的關鍵嗎?雖然很多人如此臆測,但我們還是毫無頭緒。不僅如此,我們能把這問題弄清楚的辦法也寥寥無幾。

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註解

  1. 如果你能記得未來的事,請打電話給我們,我們有些問題想請教你。
  2. 除了波函數的崩陷之外,有些人認為它是不可逆的、有些人則認為是失去同調性,而其他人只是為了辯論而辯論。

——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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