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畢業求職碰壁,在伯爾尼專利局思索的愛因斯坦

賴昭正_96
・2021/05/18 ・7085字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

故天將降大任於是人也,必先苦其心志,勞其筋骨,餓其體膚,空乏其身,行拂亂其所為,所以動心忍性,曾益其所不能。——孟子

物理世界 (Physics World) 雜誌在 20 世紀結束前,對 100 位當時最傑出之物理學家的最偉大物理學家問卷調查中,排名在前面的兩位分別是愛因斯坦及牛頓。牛頓出世前三個月父親就已去逝,為一個早產兒;母親第二次喪偶後,企圖讓他成為農民。18 歲時,在牧師叔叔的推薦下,考入了劍橋三一學院,靠打工來過活,直到大三獲得保證到碩士學位的獎學金後才停止。大學畢業時正逢倫敦大瘟疫,學校關閉而被迫留在家裡兩年,自行研發出了微積分、光學、和重力理論。回校後一年取得碩士學位;又兩年,27 歲即成為劍橋大學的盧卡斯 (Lucasian) 數學講座教授。

與之相比,排名第一的愛因斯坦小時候似乎比牛頓幸福多了:出生在一個小康的猶太家庭,父親從商工程,母親彈得一手好鋼琴;從小就受熏陶愛上設計及古典音樂,拉小提琴。因此愛因斯坦的職業生涯應該是一帆風順才對,可是天不從人願,他成名前的遭遇似乎比牛頓(或你?)坎坷得多!

愛因斯坦的職業生涯應該是一帆風順才對,可是天不從人願,他成名前的遭遇似乎比牛頓(或你?)坎坷得多!圖/Wikipedia

蘇黎世職業技術學校

1896 年,17 歲的愛因斯坦進入訓練老師及技術人員的蘇黎世聯邦理工學校[1];這當時雖然不是一流的學校,但在工程及科學上還是稍有點名氣。他與 11 位新生選擇了專門訓練高中數學及物理老師的學系。愛因斯坦錯誤地認為「一個成功的物理學家只需要知道基本的數學」,因此在四年的大學中,除了「初級物理實驗」被當掉外(在最高分為 6 點的成績等級上,只得到 1 點),他的物理成績都在 5 點以上,但大部分的數學——尤其是幾何——則只有 4 點多[2]

愛因斯坦的主要物理教授魏博而 (Heirich Weber) 早期對他印像很好,因此他雖然前一年沒有通過入學考試,還是要他留在學校上他的課。愛因斯坦早期事實上也非常喜歡他的課;但後來發現魏博而的課均只談舊的物理,很少涉及新的物理發展!一向有點傲慢的愛因斯坦當然沒有掩飾自己的感覺;而基於威嚴的自我意識,魏博而對愛因斯坦毫不掩飾的行為也感到惱火。因此畢業時,他們不歡而散,導致愛因斯坦認為他找不到工作是因為魏博而在後面作怪的關係!

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即使愛因斯坦雖然以「做一個有教養的人和孤獨者」為榮,也有不愛理人的聲譽,他在蘇黎世還是交了一些持久的知性朋友:例如與他無所不談的工程師貝索 (Michele Besso) 及多次拔刀相助的數學鬼才郭世曼 (Marcel Grossmann)。郭世曼不但預測「愛因斯坦有一天將成為一個偉人」,事實上還在數學上幫助愛因斯坦發展了廣義相對論[2],使他成為一個偉人!另一位感性的朋友是他未來的妻子馬里克 (Mileva Marić)。

愛因斯坦的妻子馬里克。圖/Wikipedia

馬里克出生於一個富裕的家庭;在校成績——尤其是數學和物理——一直非常好。蘇黎世職業技術學院的女同學形容她是「非常聰明和認真,纖小、細膩、黑髮、醜陋」,因先天性髖關節脫位而跛行;但愛因斯坦卻因她對物理及數學的喜好、沉思的深度、和迷人的靈魂而深深地愛上這位大他 3 歲的女同學。1903 年,不顧父母親的極力反對,愛因斯坦在瑞士伯爾尼 (Bern) 偷偷地與她結婚。1912 年春天,愛因斯坦重新認識了他的一位母系表姊後,與馬里克的婚姻就開始一直走下坡。在 1914 年分居五年後,他們於 1919 年 2 月 14 日離婚[3]

1900 年 7 月,愛因斯坦終於以 4.9 的平均成績畢業,在 5 名畢業生中排名第 4。馬里克只得 4 點,不但吊在車尾,根本不能畢業,決定留校再奮鬥一年。愛因斯坦對蘇黎世職業技術學校的評語還算不錯,唯一不滿的是考試制度僵化了教育所應該訓練的「知識自由」。他認為在被強迫囫圇吞下一些書本知識後,考試一完就再也提不起興趣了!這不正是台灣教育界的最大缺陷——離開學校就是等於與書本永別——嗎?

不「隨俗」的傲氣,導致畢業即失業

畢業後曾經回到母校想申請一份助教的工作。這一般都是沒有問題的,但他在校不「隨俗」及具反抗的傲氣,因此沒有一位教授喜歡而落空。在這期間雖然有位朋友說可以幫他在保險公司找到一份工作,但因為那是「一整天八小時不用大腦的苦力工作」,「必須避免這一類無聊的事務」而拒絕。

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在暑期中,愛因斯坦一直在閱讀波茲曼 (Ludwig Boltzmann) 的氣體動力理論。他謂「波茲曼是絕對偉大的」,因此儘管當時大部分的物理學均不認為原子的存在,愛因斯坦還是用分子間也有像牛頓萬有引力一樣的作用力,來解釋毛細管現象及水滴的形成;於 1900 年 12 月投稿到德國名雜誌「物理年鑑 (Annalen der Physik)」,於隔年三月刊出。在寫給馬里克的兩封信中,愛因斯坦使用了「我們」的分子力理論及「我們」的研究等字語,因此導致某些歷史學家認為馬里克對愛因斯坦早期的研究有實質的科學貢獻。

有了這篇論文,愛因斯坦激起了信心;他告訴馬里克說:「從北海到意大利南端的所有物理學家將很快地接受我的求職。」但事與願違,連個禮貌的回應都寥寥無幾。到 1901 年 4 月,愛因斯坦只好附上郵資已付的回郵信封,希望至少能夠得到答覆,但大部分還是石沉大海。在那批偉大的科學家中,他還特別寫了信給後來因稀釋理論得諾貝爾化學獎的德國教授奧斯特瓦爾德 (Wilhelm Ostwald):「您的化學研究啟發了我寫所附的文章。……」在沒有收到回信後,愛因斯坦又假借怕他沒有收到,再寫了一封信謂「您對我的論文的判斷對我很重要。」但還是肉包子打狗,一去不回。

愛因斯坦寄出求職信希望能夠得到答覆,但大部分還是石沉大海。圖/Pexels

天下父母心

1967 年 9 月 9 日,家父來信說:「(剛大學畢業的大弟)昭明尚未找到工作,…近日來雖為他東奔西跑,但乃未得到頭緒。看他每日都是悶悶不樂,提不起精神來…」。天下父母心,愛因斯坦的老爸也不例外,竟背著愛因斯坦寫了一封信給奧斯特瓦爾德:

尊敬的先生、教授,請原諒一個大膽的父親,為了他兒子的利益,向您求助。 阿爾伯特(愛因斯坦)今年 22 歲,他在蘇黎世理工學習了四年,去年夏天,他以優異的成績通過了考試。 從那時起,他便一直在尋找一助教的職位,使他能夠繼續接受物理教育,但均未成功。所有有能力判斷他的人都稱讚他的才華; 我可以向您保證,他非常勤奮,對科學抱有極大的熱愛。 因此,他對自己目前的失業感到非常不滿,並且越來越相信自己已經脫離了職業生涯。 此外,他也因認為自己已經成為我們這一小康家庭的負擔,而感到壓抑。在許多物理學家中,因為我的兒子似乎最欽佩和尊敬您,所以我冒昧且謙卑地請求您閱讀他的論文,並在可能的情況下給他寫幾句鼓勵的話,以便他可以在生活和工作中恢復快樂。 此外,如果您能幫他找個助理職位,我將更不勝感激。 我請求您原諒我對您的不禮貌⎯⎯我的兒子對我此不尋常的舉動一無所知。

奧斯特瓦爾德還是沒有回信;但是 9 年後,他是第 1 位提名愛因斯坦為諾貝爾獎候選人的科學家。

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就在此時愛因斯坦犯了一個可能是「錯誤」的的建議:1901 年 5 月邀請馬里克共同到意大利著名的名勝區 Como 度假。馬里克的懷孕不但中斷了她的學術生涯,也造成了愛因斯坦求職的壓力。他在後來寫給馬里克的信中謂「無論多麼卑微,我都會立即尋找一個職位,我的科學目標和個人虛榮心不會阻止我接受即使是最從屬的職位。」年底,愛因斯坦終於接到他數學好友郭世曼—還記得他嗎?—的來信,謂以前提過之瑞士專利局即將「公開」求才,愛因斯坦應該沒有問題取得[4]。愛因斯坦興奮地告訴馬里克「這(我們的未來)將變得更好。 當我想到它時,我高興得暈眩。我為你比為自己更感到快樂。 我們在一起將是地球上最幸福的人。」

1902 年 6 月 16 日,全世界未來最偉大的物理學家終於在大學畢業後幾乎整整兩年,在政府裡找到了一份最低級的試用期公務員工作。1902 年元月,愛因斯坦從意大利搬到專利局所在地伯爾尼 (Bern)。隔月,他的私生女在「娘家」所在的塞爾維亞(Serbia[5])的第 2 大城市 Novi Sad 誕生了。愛因斯坦雖然曾經告訴馬里克「我非常愛她,可惜到現在還未認識她」,但奇怪的是他從未告訴過任何人——包括他的雙親——此私生女,一生中也從未見過[6]

愛因斯坦的公務員生活

就這樣,愛因斯坦開始了每天 8 小時的公務員生活。還好,他後來回憶說:「你如果認為審查專利申請是繁瑣的,那就錯誤了。因為它的工作方式非常多樣化,我非常喜歡這辦公室工作的。」幾個月後他就已經駕輕就熟,每天只需要花兩、三個小時時間就可以完成審查專利申請的工作;其它時間就可以自己胡思亂想。幸運的是他也碰上個好老闆哈勒 (Friedrich Haller),對他的「課外活動」似乎是掙一隻眼閉一隻眼。哈勒的教條「當你一拿起專利申請時,(必須)認為發明人所說的一切都是錯誤的」正符合愛因斯坦懷疑及反抗的個性。顯然「課外活動」沒有影響愛因斯坦的工作,因為大約一年多後,他就變成正式職員。

雖然愛因斯坦的職位等級是專利局裡最低的,但是事實上薪水是比一般大學新聘教授還高;但是因剛為人之父,需要負起家庭的責任,因此愛因斯坦廣告尋求當物理家教。索洛文 (Maurice Solovine) 是羅馬尼亞的留學生,在伯爾尼大學攻讀哲學,但卻不知道到底想成為一個哲學家、物理學家、或其它家,因此去敲了愛因斯坦的大門。沒想到三堂課後,愛因斯坦發現課後的談天說地似乎更有意思,因此告訴他說:「你不必接受物理輔導。想要的時候就來找我,我很高興與你交談。」 他們決定讀些偉大思想家的著作,然後討論個人的心得。沒多久,也是蘇黎世理工畢業(數學系)的哈比希特 (Conrad Habicht) 也加入,合創了三人的「奧林匹亞學院 (Olympia Academy)」。

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愛因斯坦在這學院所學習到的事實上比正式的教育學院或研究所更豐富,該學院的主要閱讀清單都是在探討科學與哲學的交界。透過閱讀這些大師[如 David Hume(1711-1776, 懷疑任何沒有透過感官所得到的知識)、Ernst Mach(1838-1916, 只有當我們可以指出物體以及適用於這些物體的規則時,概念才有意義)、Baruch Spinoza(1632-1677,上帝不是超然而是心靈與肉體合一的自然界本身)等]的名著,年輕的愛因斯坦發展出自己的科學哲學,深深地影響了他後來的物理與宗教信仰

年輕的愛因斯坦發展出自己的科學哲學,深深地影響了他後來的物理與宗教信仰。圖/Pexels

物理的奇跡年

索洛文及哈比希特不但成了愛因斯坦的終生好友,也是參加他與馬里克在伯爾尼舉行之公證結婚的唯二親友。1905 年 5 月底,愛因斯坦寫了一封科學歷史上最有名之一的私人信給剛搬走的哈比希特:

為什麼你(哈比希特)還沒有將你的論文寄給我?你這混蛋傢伙,你難道不知道我是會以有趣和快樂的方式去閱讀它的一又二分之一位同伴之一嗎?

我向你保證將以四篇論文回饋你。第一個涉及輻射和光的能量特性,非常具有革命性:如果你先將作品寄給我,你便可以看到它。第二篇論文是對原子真實大小的確定…。第三篇是證明懸浮在液體中的千分之一毫米(微米)量級的物體必因熱產生可觀察到的隨機運動:生理學家將其稱為布朗分子運動,並已經觀察到懸浮體的這種運動。第四篇論文現在還只是一個粗略的草稿,它是對時空理論進行修改之運動體的電動力學。

就這樣,愛因斯坦在專利局創造了理論物理的一個「奇跡年」:1905 年一口氣寫了五篇諾貝爾獎級的論文;信中所提到之第四篇論文就是「狹義相對論」。

愛因斯坦曾以為發表在「物理年鑑」上的四篇論文會讓他聲名大噪;沒想到事與願違,除了「物理年鑑」編輯委員、當時的理論物理大師普朗克 (Max Planck) 之外,並未受到物理學界廣泛的重視。普朗克雖然對他的第 1 篇論文不以為然(詳見「太陽能與光電效應」,科學月刊,2013 年 4 月),但對相對論文卻「立刻引起了我的關注」;在該論文出版(9 月 26 日)後,立即在柏林大學講授相對論!愛因斯坦興奮的告訴索洛文:「我的論文倍受讚賞,並引起了進一步的研究。 普朗克教授最近寫信告知我此事。」事實上普朗克還提將到伯爾尼拜訪他!後來雖然未能成行,但還是派他的助理、比他本人更早獲得諾貝爾獎的 Max Laue 去[7]

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有了理論物理界權威普朗克教授做後盾,愛因斯坦平步青雲、離開專利局、及成名應只是遲早的事情,本文也應該準備收場了。有科學歷史學家謂普朗克在物理學上有兩大重要發現:能量量化及愛因斯坦!

博士學位與教授職

1901 年愛因斯坦曾提出一篇論文向蘇黎世大學申請博士學位;但受理教授克萊納 (Alfred Kleiner) 謂它「挑戰」了當時的物理界權威,要他撤回。1905 年 7 月,愛因斯坦學乖了:信中所提到之第一篇論文雖然具革命性,但一定會引起爭議,因此決定以古典的第二篇論文再向蘇黎世大學申請博士學位。這次克萊納教授毫無異意,欣然接受。父親從未寄予重望的愛因斯坦,終於也可以冠用「博士先生」 (Herr Doctor) 了!他在專利局的職稱也從最低的「三級技術專家」升到「二級技術專家」。

克萊納一直想說服官方在蘇黎世大學增加一名理論物理學教授位置以便提高大學的地位;1908 年他終於成功了:學校批准了在他底下增加一名副教授的職位。在擺平一些小問題後,愛因斯坦終於因為「自從在相對論原理上開展工作以來,就被公認為是最重要的理論物理學家之一」而被聘了。他諷刺地告訴同事說:「所以,我現在也是妓女行會的正式成員。」1909 年 10 月,愛因斯坦終於又回到蘇黎世,在他母校附近的蘇黎世大學擔任初級教授。

愛因斯坦在他母校附近的蘇黎世大學擔任初級教授。圖/Wikipedia

在伯爾尼專利局的椅子上

愛因斯坦回不到學校,被迫接受了公務員職位達 7 年之久,可是塞翁失馬焉知非福?那時歐洲的鐵路及電報正高速發展,如何校正各地的時鐘同步是一個申請專利的很實在問題——這不正是狹義相對論的起跑點嗎?而也正是在這種無製造論文壓力的環境下,讓愛因斯坦能在 1907 年 11 月的某一天,「…坐在伯爾尼專利局的椅子上時,突然想到…」了發展廣義相對論的「等效原理」。愛因斯坦承認「在專利局(期間)獲得的知識與理論結果之間存在明確的聯繫。」

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  • 延伸閱讀:「愛因斯坦一生中最幸運的靈感」,科學月刊,2021年6月號。

愛因斯坦深深了解大學發表論文的壓力,他曾謂「一個人被迫大量撰寫科學論文的學術職業會造成思想膚淺的危險」;因此如果他當初一畢業後,立即順利地找到助教工作,進入大學的研究環境,不知道他是否也只會製造出一些膚淺的論文?事實上愛因斯坦在專利局的工作輕鬆,但前兩年半僅發表過幾篇無關痛癢的論文,如果在大學,學校可能已經在考慮炒他魷魚了!

愛因斯坦 26 歲得到博士學位,30 歲當了教授,看起來還算順利[8];但是大學畢業後那兩年,找不到工作,靠家教及家人救濟糊口,則可能不是大部分大學畢業生所曾經歷過的[9]。是藐視權威及不甩傳統的個性使愛因斯坦早期到處碰壁,但也是這些個性使他能夠推翻傳統與權威的時空觀念,改寫了近代物理!

註釋

  1. Eidgenössische Polytechnische Schule,1911年改名為「聯邦理工學院」 (Eidgenössische Technische Hochschule)。
  2. 因此導致許多報章、雜誌及書籍均錯誤地報導愛因斯坦小時候的數學不太行;事實上愛因斯坦的數學是很好的(參見「數理化科學裡有天才嗎?」)。他只是認為數學對物理並不重要,因此他後來很後悔:在發展廣義相對論時,常求教於大學數學好友郭世曼及大學數學老師明考斯基 (Hermann Minkowski)。
  3. 愛因斯坦正式結婚兩次,但婚外情不斷。
  4. 郭世曼的父親認識專利局局長,因此公開求職的條件可以說是依愛因斯坦的專長與教育開出的,他當然是最符合條件的候選人。這是逃避法律規定之「必須公開求職」的方法,在美國現在也很盛行;當初筆者離開清華大學在美國 IBM 「找到」工作,可能也正是如此(因沒看到廣告,不敢肯定)。
  5. 1920 年代,塞爾維亞成為南斯拉夫不可分割的一部分。
  6. 此私生女的命運是一個謎:有謂被領養,也有說因猩紅熱早夭。後育有二子:長子移民美國後,任加州大學伯克利分校的水利工程學教授,是世界上名泥沙輸送專家;次子 20 歲時被診斷出患有精神分裂症,一生中的大部分時間都在精神病院渡過。
  7. Max Laue 於 1906 年夏天拜訪本以為應該在伯爾尼大學的愛因斯坦。兩人相談甚歡,不但成為終生好友,Laue 在此後四年內還寫了八篇相對論論文,包括嚴格地證明了 E=mc2。該方程式爲「奇跡年」的第五篇論文主題(詳見「愛因斯坦其實沒那麼神」,泛科學,2016 年 3 月 16 日)。
  8. 其好友郭世曼畢業後到高中教數學,也同時在母校當助理做研究,於 1902 年(24 歲)獲蘇黎世大學數學博士。1907 年回到母校任正教授。
  9. 家弟在家父來信一個月後就在武田藥廠找到工作了,退休時為副廠長(台灣人在日本公司所能當之最高職位)。

參考資料

  1. Walter Isaacson,「Einstein⎯His Life and Universe」(Simon & Schuster, New York, NY, 2007).
  2. 賴昭正 (2018)。我愛科學。華藤文化
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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 ・5940字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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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思考的極限:宇宙創造出「空間」與「時間」? ——宇宙觀的發展史(下篇)|20 世紀後
賴昭正_96
・2023/05/17 ・6928字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

空間與時間都根本不存在:它們只是分別用來說明物體間之相對位置與事件間之前後秩序的「語言」而已。沒有物體就沒有空間的必要;沒有事件就沒有時間的必要。
——賴昭正(不可能得到諾貝爾獎的科普作者)

宇宙在十六世紀以前一直被認為是宗教與哲學的範圍。圖/Envato Elements

宇宙的起源、歷史、與結構,在十六世紀以前,一直以人及地球為中心,被認為是屬於宗教與哲學的範圍。1543 年,哥白尼(Nicolaus Copernicus)粉粹了地球為宇宙中心的幻想;約百年後,伽利略(Galileo Galilei)改進了望遠鏡,並將其鏡頭轉向天空,開啟了觀測天文(observational astronomy)之門,並大力支持哥白尼之地球繞日的理論。

慢慢地,科學家不再須要依靠信仰來解決、而是利用科學儀器去「看」宇宙像什麼樣子及如何演化。又再約百年後,牛頓(Isaac Newton)用萬有引力及距離平方反比定律,解釋了一系列以前不相關的天上人間現象,並且可以計算出行星繞太陽的週期,使得天文學正如其它科學訓練一樣,不再是信仰的爭論,而是證據與理論的問題。

當天文學家了解到了人不可能是宇宙的中心時,科學家再沒有任何理由認為我們所處在的地方在宇宙中佔了一個很獨特的地位;同樣地,也沒理由認為我們所處在的時刻是個很特殊的時刻——稱為「宇宙學原理(Cosmology principle)」。顯然地,宇宙應該永遠就是那樣地存在,它沒有開始,也不會有終結。

膨脹的宇宙

如果星星可以自由移動,那麼宇宙還是不是靜態?圖/Envato Elaments

牛頓的力學統領了三百多年的物理學及天文學發展,直到 1905-1915 年間,愛因斯坦(Albert Einstein, 1897-1955)相繼地發表了狹義相對論及廣義相對論後才被修正。

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愛因斯坦發表了他的重力場方程式後,當然也在思考著宇宙的問題;但卻發現他場方程式的解不可能是一個靜態的宇宙!為了符合當時的宇宙觀,二十世紀近代物理學革命先鋒的愛因斯坦竟然屈服於「共識」,修改其方程式來取得靜態解。

事實上早在 1718 年,英國天文學家哈雷(Edmond Halley,1656-1742)就發現了三顆明亮的恆星不再處於古代觀測所確定的位置,嚴重地質疑恆星固定位置的假設。而如果星星可以像正常的物理物體一樣地自由移動,那麼宇宙是不是靜態呢?

1922 年至 1924 年間,俄國數學家佛里曼(Alexander Friedmann,1888-1925)假設宇宙中物體的分佈是均勻(宇宙學原理),解廣義相對論場方程式,發現這些物質在空間的分佈只有三種可能:
從開始的一點,空間隨著時間增大而

  1. 慢慢趨近到一個定值;
  2. 永遠繼續膨脹增大;
  3. 膨脹一段時間後開始收縮。
圖/作者提供

1927 年,比利時魯汶天主教大學(Catholic University of Louvain)教授勒梅特(Georges Lemaître,1894-1966,麻省理工學院物理博士)神父也獨立地發現了佛里曼解;但因他對其物理意義比較感興趣,從中預測了真實的星系宇宙膨脹,得出距離我們越遠的星群後退速率應越快、但沒有人在意的革命性結論——愛因斯坦接受了他的數學,但拒絕了他的物理解釋。

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1929 年,美國天文學家哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)分析了一些從遙遠星群傳來之光譜的測量結果,發現其頻率很有系統地往頻率較低之紅色位移(red shift),其位移值隨星球離我們之距離的增加而加大。顯然地,遙遠星群是依一定的規則在遠離我們:距離我們越遠,後退速率越快——稱為「哈柏—勒梅特定律」(Hubble-Lemaître law)。

這無可避免的結論是:宇宙正處於一膨脹狀態!此一完全出乎意外的發現,改變了宇宙論這一研究的整個面貌!可惜在哈柏去世前,天文學顯然還是被認為是屬於宗教與哲學的範圍,因此他從未得到諾貝爾獎。

宇宙的開始

一個膨脹的宇宙是一個在改變的宇宙,因此應該具有生命的歷史。1931 年,勒梅特開始追溯宇宙的足跡,得出了他所謂的「原始原子假說」(primeval atom),在《自然》雜誌上發表了一篇 457 字的短文謂:

「如果我們回到過去,我們必須找到越來越少的量子,直到我們發現宇宙的所有能量都包含在幾個——甚或是一個獨特的——量子中。……,如果世界始於一個單一的量子,那麼空間和時間的概念在開始時完全沒有任何意義。……,我們可以以一個獨特原子的形式設想宇宙的開始,其原子量是宇宙的總質量。」

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無神論宇宙學家霍伊爾(Fred Hoyle,1915-2001)因為不相信「原始原子假說」,在 1949 年諷刺地稱它為「大霹靂」(big bang),沒想到這一名詞竟然廣為科學家所接受的,稱勒梅特的宇宙觀為「大霹靂宇宙論」。

1979 年 12 月,麻省理工學院古士(Alan Guth,1947-)教授突然心血來潮,懷疑他的研究——超冷(supercooled)的希格斯場(Higgs field)——或許也適用於宇宙論。

美國理論物理學、宇宙學家 Alan Harvey Guth 亦是暴脹模型的創立者。圖/維基百科

古士的研究顯示,如果當初宇宙充滿了稱為急脹子(inflaton)的希格斯場,則在慢慢膨脹而冷卻下來時,這急脹子可能被困在一能量不為零的非常不穩定之超冷狀態。此狀態的急脹子因具負內壓,可以提供非常強大的排斥力,促成瞬間非常巨大的膨脹(「大霹靂」的原因)。

但因此一狀態非常不穩定,因此急脹只維持了大約 10-35 秒之久;但在這期間宇宙膨脹率隨著時間而急速加快的!在此之後,宇宙的膨脹率才因重力的關係又恢復到其越來越小的正常狀態!

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此一巨大迅速加速膨脹不但能解釋為何現今的宇宙是如此地均勻;它甚至還告訴了我們現今我們所觀測到的宇宙,事實上只是整個宇宙中非常小的一部份!這正又說明了為什麼我們現今觀測到的宇宙是平的——正如大球表面上的一個小面積看起來是平的一樣。此一偶然發現,一下子解決了宇宙大霹靂論的三大謎題(詳見愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數)!在大約 10-35 秒後,此一大霹靂才停止,急脹子才放出其多餘的超冷能量,產生我們現今所看到的一般物質與能量。

科學家稱此一改良的大霹靂宇宙論為「急脹宇宙論」(inflationary cosmology),原來之大霹靂宇宙論為「標準大霹靂宇宙論」(standard cosmological Big Bang model)。

宇宙沒有邊緣

一個以獨特原子「大霹靂」出來的時空當然應該是有界限的,有界限的時空當然應該是有邊緣的。可是如果有邊緣,那應該有很獨特的中心點,這不違反了「宇宙學原理」嗎?還有,邊緣的外面是什麼?如果是空間,那應該是「大霹靂」造出來的,應該是宇宙的一部分,所以宇宙應該是沒有邊緣的。

沒有邊緣的宇宙不一定必須是無限大的:愛因斯坦 1917 年提出的宇宙就是一個沒有邊界的有限宇宙:生活在二度球面上的怪人,它們生活的球面是有限的,但卻沒有邊界。球面不平,故可以彎回形成一個封閉的無邊緣空間;但如果宇宙的幾何是平的,不能彎回來,那麼宇宙便應該是無限大的,沒有邊緣的;儘管如此,宇宙的膨脹還是在繼續製造空間的,所以空間隨著時間變成「更無限大」。

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圖/作者提供

時空的膨脹

我們對「膨脹」的了解都是置身事外、隔岸觀火的:像看正在膨脹的氣球,只見其體積越來越大。但是宇宙只有一個,我們不可能置身事外;而如果宇宙是無限大的,則不管我們在哪裡,都會覺得我們正處於膨脹中心點,正像球面上的任何一點,發現其它各點離我們之速率與其距離成正比(這正是哈柏的發現)。

還有,隔岸觀火讓我們可以看到氣球外的膨脹空間,我們可以量得在膨脹時氣球上任何一點對地球的「運動」速度;但如果我們置身正在膨脹的宇宙中,當然看不到宇宙外的膨脹空間。

不,等一等,宇宙是無限的,它怎麼還有「外面」讓它膨脹呢?當然沒有!所以現在的物理學家認為空間像氣球的表面一樣,是膨脹——不是運動——「製造」出來的!兩個物體的空間距離因膨脹——不是相對運動——而加大。

萊布尼茲(Gottfried Leibniz,1646-1716)終於戰勝了牛頓:沒有物質的地方就沒有空間,空間根本不存在,空間只是用說明物體之間的相對位置的「語言」而已。所以哈柏所測到的遙遠星群有系統地離開我們,並不是因為星群「運動」的結果——星群並沒有在牛頓之「絕對空間」中運動。

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如果空間是被製造出來的想法很難接受,相信時間就容易瞭解多了!想一想:「現在」根本沒有「明天」,「明天」是在明天的「現在」才出現的,所以「明天」是製造出來的;「時間」是在膨脹,往現在不存在之「明天」膨脹;「現在」與「明天」之間沒有界限,所以時間應該沒有邊緣;沒有邊緣就沒有邊緣外是啥的問題!

而沒有邊緣、又是「我的青春小鳥一去不回來」(註一)的時間不應是無限大嗎……,所以宇宙的膨脹事實上不止製造了空間,同時也製造了時間!

西漢(公元前 202 年-公元 8 年)《淮南子》的首篇《原道訓》謂上下四方為之「宇」,古往今來為之「宙」;這句話闡明了「宇」就是空間,「宙」就是時間;宇宙就是時空,宇宙歷史就是製造時空的歷史!

宇宙歷史就是製造時空的歷史!圖/Envato Elements

宇宙年齡與黑暗夜空

如果時間是因為大霹靂而製造出來的,那現在的宇宙到底都老了?精確測量的「遙遠星系的速度及其距離比」(稱為「哈柏常數」)估計現在的宇宙年齡為 138 ± 10 億年。

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2013 年,歐洲航天局的普朗克太空望遠鏡繪製了一張詳細的宇宙微波背景溫度之波動圖,估計宇宙的年齡為 138.2 ± 0.5 億年。去年 3 月 30 日,由約翰霍普金斯大學韋爾奇(Brian Welch)博士領導的一群天文學家宣布發現了有史以來最遠和最早的恆星:一個在 129 億年前(大霹靂之後 9 億年時)發出的光點。

哈柏對星系系統性紅外移的發現終於讓我們解決了牛頓之無限宇宙論與宗教之有限宇宙論間的衝突。

起初人們認為僅紅移效應就足以解釋為什麼夜晚的天空是黑暗的:來自遙遠星系中恆星的光會被紅移到可見光範圍之外的長波長。然而,現在共識是,宇宙的有限年齡是一個更重要的影響。即使宇宙在空間上是無限的,但由於光速及重力傳播速有限,來自遙遠星系的光子或重力根本還沒有足夠時間抵達到地球。

如果現在宇宙的年齡是 138 億年,那麼我們將感覺不到距離地球 138 億光年外的光或重力,而認為宇宙是有限的。我們稱這個半徑 138 億光年的球面內宇宙為「可觀測宇宙」(observable universe)。在這個宇宙視界內的星數大約 2 萬億個,太少了,無法使夜空明亮或將地球撕裂。

還有,如果牛頓當時知道宇宙是在膨脹,他根本不需要一種「無限而永恆」的神力來防止星雲被拉到一起。

獵戶座大星雲揭示了恆星與行星系統的形成過程。圖/維基百科

思想的貧乏

如果時空是大霹靂製造出來的,那在這之前根本沒有時空!沒有時空?那這大霹靂在什麼「地方」發生的?又為了解釋如果爆炸有中心點,那便違反了「宇宙學原理」,有些理論天文學家甚至提出大霹靂是「到處」同時發生的!可是「到處」不是空間嗎?……這不正是「先有雞還是先有蛋」的矛盾問題嗎?

儘管哲學家盧梭(Jean-Jacques Rousseau, 1712-1778)認為:「現實的世界是有止境的,幻想的世界則是無垠的」,但在寫這一節時,筆者還是一個頭兩個大!

紐約州立大學石溪分校的天體物理學家舒特兒(Paul Sutter)在去年 2 月 25 號的宇宙之外有什麼東西嗎?一篇文章結尾說:「如果這一切聽起來複雜而令人困惑,請不要擔心。……,這就是現代宇宙學的力量之一:它(數學)使我們能夠研究難以想像的事物。」

恐怕我們所能做的就是接受這些悖論並努力去適應它,就像前面提到之萬有引力,當初不是被認為是「魔法、神秘、非科學」嗎?但現在已經沒有人懷疑這種力之存在了。同樣地,近代的物理(相對論、量子力學)裡不也是充滿了很多違反我們日常生活邏輯的奇怪觀點嗎?

宇宙又再次加速膨脹

1998 年加州大學伯克萊分校(University of California, Berkeley)的波米特兒(Saul Perlmutter)及澳洲國立大學(Australia National University)的思密特(Brian Schmidt)相繼宣佈超級新星 la 型的數據顯示,在大霹靂後的 70 億年,宇宙的膨脹率又再次加速了!約翰霍普斯金大學(Johns Hopkins University)的雷斯(Adam Riess)於 2006 年再次肯定了這些觀查結果。

此一發現再次重寫了人類對宇宙演化的看法,因此諾貝爾獎委員會將 2011 年的物理獎發給這三位科學家。

真是一波剛平,一波又起!好不容易物理學家總算了解了大霹靂的原因,在它之後宇宙的膨脹因為萬有引力的關係應該逐漸慢下來,怎麼現在它的膨脹又加速了?牛頓重力只有相吸的作用,因此要解釋此一加速膨脹,看來只有求助於愛因斯坦那修改方程式內之「宇宙論常數」(cosmological constant)了。

不錯,波米特兒及思密特思考著:在大霹靂(急脹)後,宇宙靠大霹靂時的衝力(物理學上稱為慣性)而繼續膨脹,但因萬有引力的關係,膨脹速率將越來越慢;可是如果真有愛因斯坦的宇宙論常數,則因其排斥強度不會隨宇宙膨脹而降低(萬有引力則會因宇宙膨脹而降低),它總有一天它會強過萬有引力,使宇宙的膨脹率由減速再次變成加速!這一天顯然就發生在他們所發現之大霹靂後約 70 億年時!

可是愛因斯坦的宇宙論常數是啥東西呢?沒有人知道,但一定不是普通的物質,否則早就應該被發現了——因此科學家稱它為「暗能量」(dark energy)。物理學家及天文學家正努力地在尋找此一充滿了宇宙、及必須具有負內壓的怪物。

宇宙膨脹的藝術構想圖。 圖/維基百科

結論

今日大部分的天文學家都認為宇宙是平的(佛里曼解 1),是在膨脹、沒有界限、無限大的。黑洞及重力波的相繼發現鞏固了廣義相對論在現今宇宙研究的理論地位。我們現在所看到的宇宙只是整個宇宙之一小部分而已;138 億年前離我們最遠那些星群因為宇宙加速膨脹的關係,事實上現在都已經離我們 460 億光年了(因為不是運動造成的,它們可以以大於光速的速度遠離我們)。

很難想像一個沒有邊緣、無限大的空間是什麼樣子?在那裡又如何能不停地製造出空間來?……,這些無法理解的「矛盾」邏輯或許正是羅素(Bertrand Russel,1872-1970)所說的「認為事物必須有一個開始(邊緣、大小、結束、……)的想法,實際上是由於我們思想的貧乏」?或普朗克(Max Planck,1858-1947)所說的:「科學無法解開自然界的終極奧秘,因為歸根結底,我們自己是我們試圖解開的謎團的一部分」?

這使筆者想到:人工智慧是人類製造出來的,它能像我們一樣創造出牛頓力學、相對論、量子力學嗎[註2]?甚或超越人類創造出一個沒有「矛盾」的宇宙觀嗎?

筆者在「日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI」一文裡最後提到:或許筆者下篇文章已經不是自己寫的了。讀者認為本文是人工智慧代寫的嗎?為什麼?

註解

  1. 黃駱賓:《青春舞曲》
  2. 筆者覺得不可能,因為筆者認為創造是屬於靈感和直覺的非理性活動,無法表達的;愛因斯坦曾謂:「我很少用語言思考。(雖然)一個想法出現了,我可能會嘗試用文字來表達它」。當我們無意識地思考時,邏輯及演繹推理就被拋在腦後;愛因斯坦曾謂:「我從來沒有通過理性思考的過程做出任何發現」。
    人工智慧有能夠有靈感、直覺、或無意識的思考嗎?還有,科學上不少大發現都是意外的,例如注意到胰臟被割除之狗,小便過的地板上蒼蠅特別多而發現了胰島素,忘了收拾細菌培養皿就去度假而發現了盤尼西林,錯誤的假設發現了量子統計力學等等。人工智慧如何「學習」或碰到這種運氣呢?

延伸閱讀

  1. 賴昭正:《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號),「牛頓的水桶」(科學月刊,2011 年 8 月號),「愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數」(科學月刊,2011 年 12 月號) ,「暗物體與暗能量」(科學月刊,2014 年 6 月號),「愛因斯坦其實沒那麼神?」(泛科學,2016/03/16)。
  2. 50年的追尋-宇宙之演化(科學月刊,2019 年 8 月號)。
  3. 宇宙是靜態還是在膨脹?又是誰先發現宇宙微波背景輻射?(泛科學,2022/04/22) 。
  4. 從圓周率與無理數,談數學也有其無法理解、不精確、和不確定性(泛科學,2019/06/03)。
  5. 賴昭正譯(P.C.W. Davies 原著):《近代宇宙觀中的空間與時間》(新竹國興出版社,1981 年 8 月出版)。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。