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宇宙的存在,是永無止境的奧祕——《機器人會變成人嗎?33 則最令現代人焦慮的邏輯議題》

PanSci_96
・2020/02/14 ・3466字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

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  • 作者/彼得.凱夫(Peter Cave);譯者/丁宥榆

「好久好久以前,宇宙間空無一物……」

這故事不好發展下去。

如果我們接著說「……然後,有個東西出現了」,一定會有很多人要問:「那個東西是怎麼突然出現的?無中生有嗎?是嗎?」我們能給出的回答也只有:「就是出現了。」

「就是出現了。」圖/GIPHY

可是這樣聽起來很弱。有些物理學家提到有自然法則在「支撐」,但是我們要納悶,都空無一物了,是要支撐什麼?我們還要納悶,何以見得自然法則存在,而不是不存在。

我們試著把故事重講一遍。

「好久好久以前,宇宙間有個東西……」

終於有東西可以發揮了。但是很多人不禁又要問:「這東西哪裡來的?」對於這個問題,我們可以提出幾個暫時令人滿意的答案。我們可以宣稱這個東西是由另一個東西引發的,另一個東西又是由另另一個東西引發的,另另一個東西又是……云云,把解釋的責任全推到另一件事身上。

姑且不論這種「引發它」的串連鏈能否一直下去,不斷往回推,找不到起點,仍有一個問題存在:這種串連鏈,無論有無盡頭,怎麼會存在?為什麼不是什麼都沒有?

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讓我們第三次把故事重來一遍。

「好久好久以前,宇宙間存在一切萬物……」

這會兒我們可能開始擔心,問題會不會出在一直被我們忽略的「好久好久以前」。

我們可能會指出,在好久好久以前的那個時候,並沒有什麼都已經存在。有在那之前就已經存在的所有事物,還有在那之後才出現的所有事物,即,所有那些過去事物和所有那些未來事物。

我們可能開始沉思是否只有現在存在,或只有現在和過去存在而尚未有未來,抑或是,過去、現在、未來三者都存在。在這裡我們先不考慮這麼複雜的問題。

「好久好久以前」的故事蘊含變動在內,常訴說著某些事件如何作為其他事件的結果出現。因此,我們要再來改一下故事的開頭。

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「好久好久以前,宇宙間存在著直到並包括那個時候所存在的一切……」

為何萬物存在呢?

為何現在會存在這些存在的一切萬物?為何過去會存在那些已經存在的一切萬物?

即便這些「萬物」已經包含引發一連串已經發生的事物在內,上述問題仍然還是會被問起。我們還可以加問一句:「為何未來會存在即將存在的一切萬物?」

為何現在會存在這些存在的一切萬物?為何過去會存在那些已經存在的一切萬物?圖/Nejc Košir@Pexels

上述問題可歸類成兩個問題:「現在或過去為何會有萬物存在?『及』現在或過去萬物為何會帶著它們所具有的特質存在?

我們先來討論第一個問題,它有兩種理解。第一種理解中,這個問題經常被各種社會階層的人提出,人們想知道答案,也有人提出答案。另一種理解中,這個問題也常被各種人問起,不過大家不是真的想知道答案,也未曾有人提出過很好或很具體的答案。這兩種理解都聚焦在問題的「一切」或「萬物」。

  • 第一種理解認為「萬物」涵括整個宇宙,即科學家所研究的一切:恆星、行星、電、遊戲主機、汽車、中央暖氣、男人、女人、糖漿餡餅—所有的一切,包含心智、金錢等制度、法律和道德。

這裡需要留意複雜的用詞問題:近年來有部分哲學家以及物理學家認為,可能有好幾個宇宙存在。我們這裡所說的「宇宙」就是涵蓋這一切的全部。

當我們這樣理解「萬物」,有人便要問:「『萬物』是怎麼出現的?或為什麼會出現?」就算這個「萬物」是由一連串沒有起頭的事件所組成,那麼為何會有這樣的串連呢?有些人認為這才是個真正的問題,找不到答案就將之化為奧祕。

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結果導致許多人主張,如此必有個作為造物主的上帝(或神明們)存在。他們說,唯有主張造物主存在,才能解釋宇宙之存在。

  • 第二種理解則是這樣子的。「萬物」的意思,說來奇怪(登楞!),就是一切萬物。它包含整個宇宙,也包含任何存在的上帝或神明。

那麼這個被認為已經涵蓋一切的「萬物」是怎麼來的?弔詭的是,有些人對這個問題反而不以為意。

祂既是萬物的一部分,也創造其他萬物。圖/GIPHY

他們回答,必須有個造物主(或神明們)存在,祂既是萬物的一部分,也創造其他萬物。宇宙也許只是偶然存在,可上帝不是。上帝必然存在。你我也許不曾存在;我們是有條件的存有,不是必要的存有。要不是我們的父母某天(某晚的可能性更高)從事了奇怪的身體交易,我們也不會存在。上帝不一樣。祂的存在不取決於祂自身之外,祂必然存在。

但是怎麼會有某件事物必然存在呢?有時答案也只是:「那是個奧祕。」

「到此為止吧,」我們很想這樣回答,「不要再說什麼唯有接受上帝存在,才能合理解釋這看似成謎的宇宙存在問題。」倘若我們提出宇宙本身也必然存在,不需要由上帝創造,一定會有人搖頭回答:「如果那樣就會是個奧祕了。」

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會嗎?還有比必然存在一個行動奧祕的造物主還要奧祕的事情嗎?

環環相扣的充分理由定律

這些教人摸不著頭腦的思想之所以出現,也許是我們太期望得到解釋。

萊布尼茲採納「充分理由定律」:萬物之存在必有其充分理由。

當我們提出理由或解釋時,往往會訴諸於解釋對象以外的事物。我們用 B 來解釋 A,再用 C 來解釋 B,依此類推。以至於當我們成功解釋了一件事,無可避免須涉及另一件事,因此又需要另一個解釋,也就是還要再找出一個另一件事。

體認到必須在某處終結這些解釋,於是訴諸於造物主。然而一旦又體認到這一點,就沒有必要去索求是誰創造了宇宙,也許,宇宙就是偶然發生的吧。

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如果「宇宙」就是個偶然……

假如宇宙就只是偶發,有沒有可能最初真的空無一物?或者必然已存在某個宇宙,唯獨不一定是我們這個宇宙。

一想到原本可能空無一物,真教人頭昏腦脹。當我們試著想像一個空無狀態,我們腦子裡可能把宇宙間所有的東西都拿掉,可縱使清空,不是還有時間和空間嗎?時間和空間要怎麼拿掉?然而不能因為我們無法想像「空無一物」(假如我們真的無法想像的話),便說宇宙最初不可能空無一物。

時間有可能是空的嗎?圖/GIPHY

時間與空間有可能是空的嗎?讓我們聚焦在時間上。假如沒有任何事情產生變化,沒有時鐘滴答響,沒有電子活動,沒有心臟跳動,如何定義時間流逝?也許時間之存在仰賴活動與事件之存在;當然,活動與事件也需要占據時間才能發生。

有沒有可能有某樣東西,既不存在於空間亦不存在於時間?

有人回答,上帝獨立於空間與時間之外。倒是有種非空間性與非時間性是我們可以理解的:數字,假如數字存在的話,既不存在於空間,也不存在於某一特定時間。

但是,假設上帝沒有時間性,另一個奧祕便要出現:創造乃為一種活動、一項事件,在時間中占據位置。假設上帝不存在於時間中,祂要怎麼進行創造?至少數字不用創造東西,可上帝卻往往被認為要創造東西。

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還有其他更多奧祕。其中一個關注的焦點是:時間本身到底有沒有開端?

時間當然不可能找到起點,如果時間可以無限回推,是否代表至今已完成的「時間段」是個「無窮級數」,即沒有盡頭的序列呢?這怎麼可能?

即便某樣事物的存在可以不需要解釋,仍有人堅持這一樣事物是需要理由的,它便是充滿有意識、有智慧(偶爾啦)生命的宇宙。這個宇宙極可能不是經由精心設計而來的,不是嗎?

好多好多的奧祕在這裡。圖/GIPHY

我不大確定當我們探討宇宙時,對於何為可能、何為不可能有任何理解,對於宇宙我們知之甚少,亦只有單一宇宙作為參考。無論我們對可能性做出什麼樣的結論,何以宇宙只是偶發的可能性,會小於上帝創造宇宙的可能性?

毫無疑問,我們將繼續被灌輸上帝的行動是很奧祕的,那麼為什麼上帝的奧祕會比宇宙存在的奧祕來得不奧祕,還真是個奧祕。

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好了,奧祕來奧祕去的,也夠了。不能再繼續製造奧祕,也不能再繼續解釋下去了,不過這倒是令我想到……我們的故事該如何作結呢?

「到最後,事情就這麼戛然而止」

「到最後,宇宙間將空無一物。」

「到最後,沒有最後。」

人們的關注往往圍繞在「萬物」的起源,但是也許「萬物」的結局也一樣成謎。果真又製造出更多奧祕。

——本書摘自《機器人會變成人嗎?33 則最令現代人焦慮的邏輯議題》,2019 年 10 月,EZ 叢書館出版

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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從太陽發光到生命突變,一切都歸功於量子穿隧效應?
PanSci_96
・2024/10/19 ・1962字 ・閱讀時間約 4 分鐘

在這個充滿光與生命的宇宙中,我們的存在其實與一種看不見的力量密切相關,那就是量子力學。沒有量子力學,太陽將不會發光,地球上的生命將無法誕生,甚至整個宇宙的運行規則都會截然不同。這些微觀層次的奧秘深深影響了我們日常生活的方方面面。

其中,量子穿隧效應是一個看似違背直覺但至關重要的現象,從太陽的核融合反應到基因的突變,這種效應無處不在,甚至還牽動著當今的高科技產業。

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什麼是量子穿隧效應?

我們可以將量子穿隧效應比作一個奇妙的穿牆術。想像一下,你身處一個被高牆包圍的城市,牆外是未知的世界。通常,如果你要越過這道牆,需要極大的力量來翻越它,或者用工具打破它。然而,在量子的世界裡,情況並不如此。

在微觀的量子力學世界中,粒子同時具有波的特性,這意味著它們並不完全受限於傳統物理的規則。當一個微觀粒子遇到能量障礙時,即使它沒有足夠的能量直接穿過障礙,卻仍有一定機率能出現在障礙的另一邊,這就是「量子穿隧效應」。粒子彷彿直接在牆上挖了一條隧道,然後穿越過去。

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這聽起來像魔法,但它背後有深刻的物理學道理。這個現象的發生取決於量子粒子的波動性質以及能量障礙的高度和寬度。如果障礙較矮且較窄,粒子穿隧的機率就較高;反之,障礙越高或越寬,穿隧的機率則會降低。

太陽發光:核融合與量子穿隧效應的結合

量子穿隧效應的存在,讓我們能夠理解恆星如何持續發光。以太陽為例,太陽內部的高溫環境為核融合反應提供了所需的能量。在這個過程中,氫原子核(質子)需要克服極大的電磁排斥力,才能彼此靠近,進而融合成為氦原子核。

然而,單靠溫度提供的能量並不足以讓所有質子進行核融合。根據科學家的計算,只有約10的 434 次方個質子中,才有一對具備足夠的能量進行核融合。這是一個極小的機率。如果沒有量子穿隧效應,這種反應幾乎不可能發生。

幸好,量子穿隧效應在這裡發揮了關鍵作用。由於量子粒子具有波動性,即便質子沒有足夠的能量直接跨越能量障礙,它們仍然能透過穿隧效應,以一定機率克服電磁排斥力,完成核融合反應。這就是為什麼太陽內部的核融合能夠源源不斷地發生,並且持續產生光與熱,讓地球成為適合生命生存的家園。

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量子穿隧效應與生命的演化

除了恆星的發光之外,量子穿隧效應還對生命的誕生和演化起到了關鍵作用。地球上物種的多樣性,很大一部分源於基因突變,而量子穿隧效應則幫助了這一過程。

DNA 分子是攜帶遺傳訊息的載體,但它的結構並不穩定,容易在外界因素影響下發生變異。然而,即使沒有外界因素的干擾,科學家發現 DNA 仍會自發性地發生「點突變」,這是一種單一核苷酸替換另一種核苷酸的突變形式。

量子穿隧效應讓氫原子隨時可能在 DNA 結構中進行位置轉換,從而導致鹼基對的錯位,這在 DNA 複製過程中,可能會引發突變。這些突變若保留下來,就會傳遞給下一代,最終豐富了基因與物種的多樣性。

量子穿隧幫助促進 DNA 突變,協助生命的演化與物種多樣性。圖/envato

半導體技術中的量子穿隧效應

除了在宇宙和生命中發揮作用,量子穿隧效應還影響著我們的日常生活,尤其在現代科技中。隨著半導體技術的發展,電子設備的體積不斷縮小,這也讓電子元件的性能面臨更大的挑戰。

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在微小的電子元件中,量子穿隧效應會導致電子穿過元件中的障礙,產生不必要的漏電流。這種現象對電晶體的性能帶來了負面影響,因此設計師們需要找到方法來減少穿隧效應的發生,以確保元件的穩定性。

雖然這是我們不希望見到的量子效應,但它再次證明了量子力學在我們生活中的深遠影響。設計更有效的半導體元件,必須考慮到量子穿隧效應,這讓科學家與工程師們需要不斷創新。

量子力學是我們宇宙的隱藏力量

量子穿隧效應看似深奧難懂,但它對宇宙的運作和生命的誕生至關重要。從太陽的核融合反應到基因突變,甚至現代科技中的半導體設計,量子力學影響著我們生活的方方面面。

在這個充滿未知的微觀世界裡,量子現象帶來的影響是我們難以想像的。正是這些看似不可思議的現象,塑造了我們的宇宙,讓生命得以誕生,科技得以發展。當我們仰望星空時,別忘了,那閃耀的光芒,背後藏著的是量子力學的奇妙力量。

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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

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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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。