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如果 LK-99 不是室溫超導體,有研究價值嗎?超導現象到底是什麼?

PanSci_96
・2023/08/13 ・5671字 ・閱讀時間約 11 分鐘

室溫超導發現!人類將迎來科技革命!?我到底要買哪支股票?

韓國團隊發現全新超導體 LK-99,宣稱可以在 1 大氣壓,攝氏 127 度以下維持超導態,溫度甚至比水的沸點還高!

這則新聞想必你已經看到了,不只在科學界,在全世界都炸了鍋,因為這方法簡單到具有污辱性,甚至有人比喻,這就像是有人用某個比例的蘿蔔、香菜跟芋頭煮一煮火鍋就做出長生不老藥一樣誇張。難道我們引頸期盼的材料學聖杯就這樣降臨了嗎?

LK-99 到底是什麼?這個發現有多重要?

7 月 23 日,南韓團隊宣布合成出一種新材料 LK-99,這是一種把鉛磷灰石中的鉛部分替換成銅的材料。團隊說 LK-99 已經產生超導量子阱並表現出抗磁性,是史上第一塊常溫常壓下能維持超導的材料。

如果這是真的,那可能會是本世紀中最偉大的發現之一。

為什麼這麼說呢?因為超導體有一個非常特別的性質——電阻為零。

這能不興奮嗎?要知道,當你掌握一個完美的零電阻材料,意味著用它做電線,能量在傳輸時就不會因為有電阻而消耗能量,如果我們的電力系統全部換成超導體,電力傳輸時就完全不會損耗能量,甚至不用設置高壓電系統。除此之外,零電阻、零能量損耗,也意味電流經過時不會發熱。

這兩點加起來,如果我們的高鐵、超級電腦、粒子加速器甚至核融合,等等需要大量電力的設備如果全部使用超導體作為電力載體,就可以突破過往的負載極限,省下龐大的冷卻設備建置費用和空間。除了讓科幻成真,也是解決全球暖化的奇兵。

但話說回來,超導體為什麼能零電阻呢?

超導體為什麼會零電阻?

我們先回到第一個超導體被發現的時刻。19 世紀末、20 世紀初,當時氫氣、氦氣等在元素週期表靠前的氣體都還未能被人類成功液化,有兩位專攻低溫物理的科學家,詹姆斯.杜瓦和海克.卡末林.昂內斯,則在挑戰這項艱難任務。兩人當中的杜瓦率先液化了氧氣與氫氣,並開發了用來儲存低溫氣體的儲存罐,至今實驗室仍然會以發明者名字命名的杜瓦瓶來儲存液態氮。

左為常壓式液態氮儲存桶(杜瓦瓶),右為正壓式液態氮儲存桶。圖/wikimedia

另一位科學家昂內斯則造出了液態氦,溫度低達攝氏 -269 度,只比絕對零度高 4K。昂內斯接著開始利用液態氦冷卻其他金屬,想觀察金屬在低溫時的特性。當時的科學家對於電阻有幾種不同的猜測,隨著溫度線性降低、停在某個極限,或是隨著溫度降低重新上升。

科學家對於電阻在低溫時的特性有不同的猜測,紅色為電阻隨著溫度線性降低,黃色是指電阻會停在某個極限,藍色則表示電阻隨著溫度降低重新上升。圖/清華大學物理系

但出乎意料的是,1911 年,當昂內斯在量測汞,也就是水銀的電特性時。溫度向下探到 4.2K 時,電阻突然雪崩式下降,突然就變成零了,第一個超導體被發現了。

水銀在溫度向下探到 4.2K 時,電阻會降至零。圖/hyperphysics

超導體研究的大門至此被打開,許多超導材料陸續被發現,但直到昂內斯發現第一個超導體的 46 年後,也就是 1957 前,才有了能解釋超導現象發生的理論。理論提出者是約翰.巴丁、利昂.庫珀和約翰.施里弗三位科學家,並以三人的字首,將理論命名為 BCS 理論。BCS 理論認為,在低溫下,電子在晶格中的移動方式會產生改變。

首先,電子會兩兩成對,形成庫柏對 (Cooper pair)。接著,分散在材料中的大量庫柏對,則會形成一大團的凝聚。此時的電子就如同堅固的方陣,在材料中暢行無阻,要阻擋一顆電子,就等於要跟所有電子做對。也就是如果沒有足夠強的能量,例如高溫、高電流或高磁場一口氣拆散這團凝聚,電子在材料中的電阻就是零。

電子會兩兩成對,形成庫柏對 (Cooper pair)。接著,分散在材料中的大量庫柏對,會形成一大團的凝聚。圖/PanSci YouTube

當然,實際內部發生的事情沒那麼簡單,為什麼原本應該同性相斥的電子會手拉手成為方陣?這就與量子力學有關。電子會因為與晶格中的聲子作用形成庫柏對。所謂聲子,就是在材料晶格震盪中誕生的粒子,用以傳遞聲能、熱能。當電子與聲子作用形成庫柏對,會從原本與中子、質子類似的費米子,變成性質與光子、聲子相似的玻色子。

恩,這邊真的有點難懂,這牽涉到量子力學中粒子的自旋性。如果大家有興趣,可以留言告訴我們,我們有機會再來深入介紹這些燒腦的量子力學。

總之,原本會互相排斥的電子形成了手牽手的庫柏對凝聚,並且在移動時不會與晶格產生能量交換,也就是不會產生電阻,可以在超導體中自由穿梭。

而且超導體除了零電阻之外,還有另外一個有趣的特性,就是能真正做到磁懸浮,這又是怎麼一回事?

為什麼超導體會飄?——超導體的磁懸浮

超導體的零電阻現象,最早在 1911 年昂內斯就發現了。但直到 1933 年,科學家邁斯納才發現,在超導溫度以下的超導體,就算在外加磁場中,內部也完全不會有磁力線穿透。甚至如果材料在常溫時先放進磁場中,讓磁力線通過材料,逐漸冷卻溫度到低於臨界溫度的時候,磁力線竟然也會被自動排除。這個現象稱為邁斯納效應,背後的原因,是因為一個零電阻的完美導體,可以在磁力線通過時產生感應電流,製造相同大小、方向相反的磁力線「抵銷」這些外部磁場,阻止表面磁通量的改變。因此,我們通常會稱超導體是一個完美的抗磁性材料,可以在磁場中產生斥力。

邁斯納效應,當溫度小於臨界溫度 (Tc) 時,材料內部磁場被抵銷。圖/wikimedia

等等,但你有沒有想過,一個完美的抗磁性材料,雖然可以漂浮,但在許多的超導體展示影片中,超導體都能在軌道上滑行,甚至當它懸浮在軌道下方時也不會墜落,感覺好像哪裡怪怪的吧?

例如有種具備反磁性但不是超導的熱解碳,雖然可以漂浮在磁鐵上,但是會在磁鐵上方滑來滑去,無法被固定。沒錯,看到材料漂浮在磁鐵上,不見得就是超導體。

其實邁斯納效應只能解釋一部份的超導體——也就是第一類超導體的抗磁性。在高溫超導體和其他第二類超導體中,還有一個重要的關鍵:磁通量鎖定 (Flux pinning)。

第二類超導體雖然也會在溫度低於臨界溫度時進入超導態和產生邁斯納效應,將磁力線隔絕在外。但是當外加磁場存在的時候,磁力線會穿過某些通道,並且開出一個又一個的小洞,並以漩渦的形式在通道中產生「磁通渦旋」。這些渦漩是超導態被破壞的區域。但特別的是,這些小洞會牢牢抓著從中穿過的磁力線,所以當超導體懸在磁鐵側邊或下方時,仍然會被牢牢抓住。

超導體產生磁通渦旋時的磁力線分布。圖/wikimedia

講到這邊,我們已經知道超導體特別在哪裡了,那我們離將超導體實際應用還有多遠呢?

超導體容易被應用嗎?為什麼很少聽到超導體產品?

在韓國超導體的消息公開之前,一直以來就有各路研究者發現在高壓下可以進入超導的材料,但這些需要高壓的材料,是難以被應用在產品中的,甚至其中的大部分都難以在其他實驗室中被還原。目前在常壓下能達到最高溫的超導體材料是汞鋇鈣銅氧化物,臨界溫度最高大約是 135K,也就是攝氏零下 138 度。雖然離室溫還很遠,但至少靠液態氮就能到達超導態。

而且事實上,要看到生活周遭的電器全部被超導體替代,真的還有一段距離。因為,除了需要臨界溫度 (Tc) 外,超導體還有兩個重要的指標:臨界電流密度 (Jc) 和臨界磁場 (Hc)。仔細想想也很合理,就算材料能允許磁力線和電子通過,也不代表能無上限的開放這些通道。因此當材料被施加過強的磁場,或是通以過強的電流,超導態就會被破壞,回到正常狀態。

雖然常見的釔鋇銅氧、鉍鍶鈣銅氧等高溫超導,已經能做到每平方公分耐受 1 萬安培以上的電流,但目前這一小塊 LK-99 能承受的臨界電流,大約只有數百毫安培。所以就算高溫超導能在實驗室中製作出來,離全面更換電網、應用在核融合等科技還有段距離。為了承受大電流,不是要找到更好的材料,就是需要製作截面積巨大的導線,不論哪一個,成本和技術都還是非常高昂。當然,我們也很期待幾年內就有人成功商業化並跳出來打臉我,我肯定會痛苦卻快樂地接受。

LK-99 能承受的臨界電流,大約只有數百毫安培。圖/PanSci YouTube

但話說回來,這次研究大家最關注的就是臨界溫度突破這一點了。很多人懷疑,至今超導材料的極限是 -138℃,一下子跳到 127℃,顯然不合常理。這就必須說說,關於「高溫超導」的物理機制我們了解多少了?

咦?我們不是前面都講完了嗎?不,雖然我們前面提了 BCS 理論,看似我們對超導體已經有完整認知,可惜的是,BCS 理論涉及庫柏對與聲子的交互作用。而根據用來研究固體材料中聲子行為的德拜模型推估,BCS 理論只能用於解釋凱氏溫標 30K 以下時,材料中能形成庫柏對的原因。

那 30K 也就是 -243℃ 以上的高溫超導體呢?雖然我們知道超導現象必然與庫柏對的形成有關,也有許多論文提出不同的模型與看法,但可怕的是,從 1986 年開始發展銅氧化合物陶瓷高溫超導,第一次突破了液態氫的 40K「溫度壁壘」,至今 40 年過去了,我們還未能完全了解這些超導材料背後的物理機制。

許多年來高溫超導的研究確實是邊摸索著邊前進,藉由替換材料中的特定元素,改變晶格結構,並測量新材料的特性,試著了解其物理機制並繼續改良。例如這次韓國團隊的 LK-99,就是一種把鉛磷灰石中的鉛部分替換成銅的材料,希望通過晶格的壓縮,讓材料間能形成庫柏對。

那麼這次韓國的研究,會成為跨時代的里程碑嗎?

韓國超導體研究有什麼重要意義?

這次超導新聞一爆發,幾乎撼動了整個世界,各國專家甚至鄉民們紛紛投入實驗,想複製出一模一樣的東西。我們這些吃瓜群眾,也理所當然關心這項科技會不會引發下一次科技革命,或忙著找概念股準備投資。結果很快的,發表在 arXiv 上地論文也引起不小風波。首先,arXiv 上的論文不須經過審查,再來,隔沒幾天就爆出此文章連續兩天發布,作者名單卻不同等等的爭議。

另一方面,也有許多實驗室宣布投入研究,嘗試復刻出一樣的結果。不論是實驗復刻結果或是學術倫理的爭議,目前我們確實也只能等待其他實驗室的回饋。什麼?你說實驗很簡單,要有實驗精神,幹嘛不自己動手試看看?

LK99 還具有研究意義嗎?

但話說回來,就算這次結果出爐,LK99 不是完美的超導體,只是個具備抗磁性的材料,我們也不需要直接將此研究視為敝屣。因為只要它仍存在部分反磁性或或是特殊的電阻特徵,對於材料科學研究上就一定還是有所貢獻的。

最早,我們認為世界上的物質分為氣、液、固三態,隨著科學進步,我們逐漸發現物質在特定條件下可以出現許多有趣的特性,每次的新發現都帶來新科技革新與生活便利,例如大氣和燈管中的電漿態、主宰數十年螢幕科技的液晶態、在化學工業、半導體產業發光發熱的超流體、還有我們這集提到的超導體、凝聚態等等。

物質狀態相圖。圖/Wikimedia

在微觀尺度下,許多材料的特性我們都還未完全了解,而這方面正是我們最需要的。例如當今的半導體產業,電晶體的尺寸在物理尺度上已趨近極限,當電晶體縮到只有幾層原子甚至單層原子後,過去在塊材中沒見過的物理特性就會一個一個冒出來。

而高溫超導體中觀察到的庫柏對、玻色子、費米子之間的交互作用,更是量子力學中的重要研究對象。

最後,即使超導體無法立刻普及在生活,高溫超導體也被視為量子電腦的救星之一。目前量子電腦的候選材料有很多種,半導體、離子阱、超導體等等。但不論哪種方法,幾乎都要求極低溫。因為只要溫度一高,晶格一擾動,量子位元就會被破壞。

如果超導體可以在更高溫中運作,或至少,藉由這個研究學到的凝態物理能幫助我們開發更好的材料,都能讓我們在量子電腦科技中向前推進一大步。

這次的爆炸新聞,是成是敗還需要持續來觀察,如果有什麼後續的消息,我們也會持續關注。我們由衷希望它真的能成為超導體科技發展的一盞明燈——一盞電阻為零的明燈。

你覺得呢?你覺得這次的 LK-99 會掀起科學革命嗎?

  1. 會,不論結果如何,新的研究領域密室已經被撬開了
  2. 實驗太粗糙了,我先多打幾個問號
  3. 通用AI、核融合商轉越來越近,現在又加上室溫常壓超導,這這這,外星人應該快發出警告了吧?

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我們需要覆蓋率更高的網路!低軌道衛星通訊的好處在哪?臺灣有機會發展自己的「星鏈」嗎?
PanSci_96
・2023/12/04 ・6223字 ・閱讀時間約 12 分鐘

要是海底電纜被截斷,馬斯克的星鏈又不幫忙?台灣會不會成為資訊孤島?

近年 SpaceX 不斷發射 Starlink,看起來野心滿滿,多到都成為光害了。

在烏俄戰爭爆發後,Starlink 為烏克蘭提供的不間斷網路服務,更讓全世界看見低軌道衛星通訊的重要性。

通訊戰已經逐漸打到太空,台灣也不遑多讓。今年 11 月 12 日,鴻海與中央大學合作的兩枚低軌道通訊衛星珍珠號,以及成功大學與智探太空合作的立方衛星「IRIS-C2」已經成功升空,三顆衛星都已經取得了聯繫。台灣,也能很快擁有自己的星鏈嗎?我們還欠缺哪些關鍵技術呢?

什麼是低軌道衛星?它可以取代海底電纜嗎?

在全民都會上網的現代,我們的電腦網路依靠光纖等實體線路,手機、WIFI 通訊則仰賴周遭的基地台,因此只要手機離基地台太遠,就會收不到訊號。未來,這些問題低軌道通訊衛星都能解決。這些在天上快速移動的衛星,只要數量夠多,就能覆蓋整個地球表面。因此不論你是在遠離基地台的深山,甚至是高空中的飛機,都能透過通訊衛星來連線上網。

除此之外,在 5G 通訊逐漸成熟的現在,下一代通訊技術 B5G 追求更快、更低延遲的數據傳輸,也會需要低軌通訊衛星來解決傳統基地台功率與覆蓋性不夠的問題。

但因為人口密集、土地面積小,台灣現在的無線網路服務覆蓋率已經很高了。台灣需要擔心的另一個問題是對外的海底電纜斷裂,使我們與世界失去聯繫手段。

除了要擔心戰爭爆發時敵人為了封鎖台灣消息,而主動破壞電纜以外。台灣周邊的電纜也常因為底拖網、抽砂船作業時被破壞,甚至天災都可能導致電纜被破壞。例如 2006 年恆春地震發生時,高屏海底峽谷就產生海底濁流,也就是海底的土石流。這股海底濁流一衝而下,破壞了呂宋海峽的數條電纜,不只影響了整個東亞以及東亞到美國、英國之間的通訊,包括許多跨國銀行交易。海底電纜斷裂的影響層面非常廣,2006 年恆春電纜斷裂事件發生後,還被聯合國國際減災策略署(ISDR)形容為「現代新型態災難」。

2006 年恆春地震震央與海底電纜位置。圖/wikimedia

不論海底電纜斷裂的原因會是什麼,我們都需要有充足的準備來應對,而低軌道通訊就是其中的首選。

目前全球有在發展低軌道通訊的不只有 SpaceX 的 Starlink,其他還有 Amazon 的 Kuiper、加拿大的 Telesat 和由美國、歐洲、日本等企業投資的 EutelSat OneWeb 等等。

當然,其中最受矚目的當然還是 Starlink,而且它的發展速度真的有夠誇張。Starlink 在 2020 年才開始在北美提供服務, 去年 4 月我們製作了一集節目在介紹 Starlink,當時就已經總共有 2,000 顆星鏈衛星被發射上太空,服務使用者有 25 萬人。到了今年 8 月,短短又 16 個月經過,在低軌道運行的衛星數量,從兩千顆增加到了 4500 顆,用戶人數從 25 萬人暴增到突破 200 萬人,這肯定是打了針或是吃了藥。當然,訂閱 Starlink 的服務可能需要考慮考慮,但訂閱泛科學頻道,請不要再考慮了,就在這邊,趕快按下去吧! 然後別忘了,SpaceX 的野心,是在天上佈下總計 42000 顆的通訊衛星,大約是現在數量的再十倍,當這個目標達成時,我們的通訊手段可能將迎來天翻地覆的變化。

你可能好奇,這些距離地面遙遠的通訊衛星,能提供多快的上網速度?會不會衛星通訊到頭來只是個噱頭?在光纖電纜的技術進步下,海底電纜的速度確實已經非常快,傳輸速度是低軌衛星的五千到十萬倍左右,這根本是阿烏拉對上芙莉蓮,只有被虐的份啊!

世界越快心則慢,但網路越慢心更急。Starlink 到底夠不夠用呢?依照 Starlink 實際用戶的實測回饋,雖然星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右,下載約 100 Mbps,上傳約 15Mbps,但對於一般消費者來說已經算是能接受的了。尤其對於偏遠地區、研究站的通訊,又或是未來 B5G、6G 物聯網中,與大量自動駕駛汽車、智慧裝置的連動,通訊衛星都將成為可考慮的另類選擇。

星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右,下載約 100 Mbps,上傳約 15Mbps。圖/PanSci YouTube

但如果我們未來不想只看馬斯克或是大公司的臉色,勢必需要發展屬於自己的通訊衛星。那麼,發展一顆通訊衛星,需要哪些技術呢?

低軌道有多「低」?低軌道通訊衛星需要哪些技術?

實際上,在低軌通訊衛星出現之前,我們早就有使用衛星進行通訊的經驗,例如衛星電視使用的廣播衛星。然而廣播衛星和低軌道衛星卻有著完全不同的設計邏輯,這是挑戰,也是機遇。

廣播衛星位於地球同步軌道,距離地面約 4 萬 2 千公里,優點是距離地面遠,因此一顆衛星的覆蓋範圍極廣,只要三顆衛星就能覆蓋地球大部分地區。缺點就是距離地面真的太遠了,就算以光速傳遞訊息,來回 8 萬 4 千公里,就有 0.28 秒的延遲,想必沒有人希望用這種速度來上網。 而低軌道衛星,例如 Starlink,就將他們的衛星分布在距離地面 350 至 1500 公里之間,只有地球同步軌道的 120 分之一到 28 分之一的距離和訊號延遲。反過來說,低軌道的優點是延遲短,缺點就是覆蓋面積小,因此才需要那麼多的衛星來覆蓋整個地球。

再來,在天線的設計上也完全不同。接收廣播衛星訊號的天線,就是我們暱稱為小耳朵的衛星碟形天線,通常設計成凹面鏡的樣子。根據光學原理,平行光入射凹面鏡後,會聚焦在焦點。也就是說,接收器不是圓盤本身,我們會將接收器放置在焦點來接受最強的訊號。除了小耳朵之外,大型電波望遠鏡的設計,也是出於同樣的原理。

Starlink 的做法則不是這樣,因為用戶不只有接收訊息,還需要發送訊息。Starlink 的天線,是一個稱作 Dishy McFlatface 的小圓盤,只是後來變成方形了就是了。當你在自家屋頂或庭院設置了 Dishy,它內建的 GPS 會鎖定自己與附近 Starlink 衛星的位置,並且建立點對點的雙向資料傳輸。

Starlink 的方形天線。圖/PanSci YouTube

重點來了,要做到點對點的傳輸,代表這些電磁波訊號不能再是廣播衛星那種廣發的波狀訊號,而是要聚集到一條又窄、能量密度又高,如同雷射般的筆直路線上。

有在看我們節目的泛糰肯定有印象,這是我們今年第三次提到這個技術了。沒錯,在無線獵能手環還有宇宙太陽能這兩集中,都有遇到需要遠距傳遞電磁波能量或訊號的情況。其實用到的技術都相同,那就是波束成型(Beamforming)。誒,我們都報明牌那麼明顯了,還不趕快找概念股,然後訂閱一下泛科學嗎?

一般來說,電磁波都會如同水波般向外發散,波束成型會先把一個訊號源拆成數個小訊號源,將這些訊號源排成一排,並且控制大家的相位。在電磁波的互相干涉下,就會形成一條筆直前進的電磁波。你可以想像一群本來正各自單兵作戰的士兵,透過整隊與喊口號將大家都動作同步,那麼這些士兵就會一起筆直地朝一個方向前進。在比較舊的 Dishy 型號中,寬 55 公分的圓形接收器上,裡面共有 1280 個六角型,每個六角形裡面都是一個天線,這些天線在波束成型後,會構成一個筆直、能量又強的電磁波束,與天上的衛星展開通訊。

咦?但衛星一直在動啊,難道天線也要一直追著衛星跑嗎?其實不用,我們只要對這群士兵下向左轉、向右轉的口令就好。例如我們喊向左轉,那只要左邊的士兵步伐放慢,右邊的士兵加快速度,就能完成轉向。同樣的道理,我們只要改變每個訊號源發出訊號的時機,改變每個波的相位,就能讓干涉出的訊號朝向特定角度,而不用機械式的移動天線本身。而能做到這種功能的天線,我們稱為相控陣列天線。

相控陣列天線(Phased array)的工作原理是改變每個訊號源發出訊號的時機和每個波的相位,讓干涉出的訊號朝向特定角度。圖/wikimedia

知道了地面天線如何和低軌道通訊衛星取得聯繫後,還沒完。這些丟出去的指令,衛星收到了沒錯,但如果你想要連上網際網路,最終這些訊號還是要能連上有線網路。

在星鏈 1.0 時,每顆 Starlink 衛星都是單獨運作,衛星在接收地面天線發出的訊號後,會傳遞到附近的地面接收站 Gateways,接著 Gateways 一樣會走光纖電纜的方式與網際網路連接,讓用戶得以上網。地面接收站一般設有 9 個雷達天線,每個直徑 2.86 公尺。衛星本體,例如 Starlink 2.0 上,則配有四個陣列天線,兩個用來與使用者相連,兩個連向地面接收站。

然而,這樣的設計限制了 Starlink 的服務,因為這代表地面接收站與你的天線,必須同時在同一顆衛星的訊號範圍內。但是低軌衛星的覆蓋範圍又不大,一個地面站只能照顧方圓 800 公里內的用戶。因此如果你家附近沒有地面接收站,抱歉,你還是收不到訊號的。如果你在廣闊的大海上,就更不用想了。再來,就算 Starlink 提供全台灣的無線網路服務,但如果這個地面接收站就設置在台灣,那麼當台灣的對外海底電纜斷了,就一樣回天乏術,星鏈的設置可說是毫無價值。

Starlink 2.0 上配有四個陣列天線,兩個用來與使用者相連,兩個連向地面接收站。圖/PanSci YouTube

SpaceX 當然也想擺脫地面接收站的束縛,況且如果到了海上就收不到訊號,那可遠遠無法稱上「全球通訊」。因此到了 Starlink 2.0 時,衛星間通訊技術 LISL (Laser Inter Satellite Link) 全面安裝到了衛星上,藉由衛星間的通訊,取代海底電纜的作用,進行跨地區的通訊服務。你看,現在不只海底有資訊高速公路,在天上也出現了網路任意門。比起過去衛星間使用的無線電傳輸,使用 LISL 技術的衛星與衛星之間,用的是雷射。雷射傳訊不僅頻寬較寬,因為光在真空中的速度是最快的,比在光纖中還快。因此與海底電纜相比,傳輸速度反而有可能更快,衛星間的雷射通訊技術,也成為目前太空研究領域中非常重要的一環。

在通訊研究中,除了硬體技術的革新外,另一個最大的問題是,如此龐大的星鏈星座網路該怎麼設計?如何選擇地面天線要與哪個衛星通訊?每個衛星該攜帶多少個雷射發射器與接收器?資料傳輸要經過幾個衛星,才不會因為過多的路由,造成網路延遲飆升。哇~諸如此類的網路設計難題,都是因應通訊衛星而生的新型態網路結構所需面對的課題。而當這些問題被解決,那麼 Starlink 將真正全面擺脫地面接收站,並且能向地球上任何一個角落提供不受限的網路服務。

台灣的低軌道通訊衛星

根據中央社報導,台灣和 SpaceX 從 2019 年開始就展開嘗試性商談,但至今仍未能談妥。今年 11 月 14 日,中華電信成功與另一家公司簽署了台灣低軌衛星的獨家代理合約。這間搶在 SpaceX 之前簽約的公司,就是前面也提到過的 Eutelsat OneWeb。相較於 SpaceX 已經發射升空的 Starlink 大約有 4500 顆,Eutelsat OneWeb 現在的低軌衛星數量大約有 600 顆。台灣的目標,則是在 2024 年底前,布建國內 700 個、國外 3 個非同步軌道衛星的終端設備站點、以及 70 個將資訊候傳的設備站點,建構能完整覆蓋全台的衛星通訊。

除了與現有的低軌道通訊服務公司簽約外,在打造自製台版星鏈的道路上,也傳來令人振奮的消息,就在簽約的兩天前,11 月 12 日,由中央大學與鴻海科技集團共同研發的珍珠號 PEARL-1C 和 PEARL-1H,兩顆立方衛星升空,並且與地面取得聯繫。搭載的儀器除了中央大學的電離層探測儀之外,還包含了 Ka 頻段的通訊酬載以及剛剛介紹的相控陣列天線,希望能為台灣自製的低軌道衛星通訊打下基礎。

國家太空中心則預計在 2026 年,將第一顆低軌通訊衛星送入太空,2028 年發射第 2 顆。希望能推動 B5G 的發展,並成為發展台版星鏈的敲門磚。

目前台灣的太空領域,許多的技術都正在發展、測試階段。除了這集提到的相控陣列天線、衛星間通訊技術,還有這集還來不及提到的長時間航行的充電問題、姿態校正問題,甚至是未來自行發射衛星的所需要的火箭科技,都需要一步步來解決、實踐。而且根據太空中心估計,至少要擁有 120 顆低軌道通訊衛星,才能確保全台 24 小時的通訊都不間斷,要達成這個艱鉅的任務,我們還有好多路要走,好多衛星要升空。

但千里之行,始於足下,千星之鏈,始於發射架。從福衛系列衛星到獵風者衛星,台灣的太空路線越來越鮮明,也讓人期待包括火箭、衛星到通訊技術的未來發展。

這集我們以 Starlink 為例,詳細的介紹了低軌通訊衛星的重要性,以及需要面對的技術突破。

也想問問大家,你覺得未來低軌通訊衛星,會如何改變網路市場呢?

  1. 衛星通訊成為常態,到哪都可以上網,等等這代表不管去哪都無法以網路不穩當藉口了嗎?可惡!
  2. 衛星通訊只是壁花配角,有線的海底電纜終究是主流
  3. 先等等,衛星競爭太激烈,衛星都比星星還要多了,真的不會在天上發生連環車禍嗎?

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參考資料

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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。

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。」

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。

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。

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。

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?

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。

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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暗能量是什麼?看不到也摸不著,我們該如何找到它?
PanSci_96
・2023/11/27 ・5683字 ・閱讀時間約 11 分鐘

愛因斯坦對於宇宙的理解錯了嗎?

愛因斯坦的廣義相對論重新改寫我們對於時間、空間、與質量的認知,也開啟我們對廣大宇宙研究的大門。

在宇宙物理學如同大霹靂快速發展之時,我們也發現愛因斯坦最早提出的宇宙模型,可能並不完全正確。

正確來說,我們發現我們過去對宇宙的理解,可能真的太少了。少到我們至今所觀測到的所有物質,可能仍不到整個宇宙組成的百分之五。並不是說這些能量或物質距離我們太過遙遠,而是他們可能就在附近,而我們卻全然不了解它。

其中佔了將近宇宙組成七成的「暗能量」,到底是什麼來頭?我們能徹底了解它,同時能為我們宇宙的存在,提供一個正確的解釋模型嗎?又或者我們能掌握它,來改變宇宙的未來嗎?

暗能量(dark energy)到底是什麼?這聽起來有夠中二的名字,難道是暗影大人的新能力嗎?

其實暗能量的「暗」,指的是我們看不到也摸不到,用上各種波段的電磁波都察覺不到,甚至現今沒有任何儀器能偵測到它的存在。因為我們無法感受到它、不知道他們的型態,所以稱為暗能量。也就是說,如果暗影大人或是哪個最終 BOSS 的絕招是「暗能量波動」,當巨大的能量朝你襲來,不用擔心,站在原地就好,因為它只會穿過你的身體,打不中你的。同樣的,你可能聽過的「暗物質」,指的也是我們無法探知的未知物質。也就是說,暗物質並不是指某種特定物質叫做暗物質,任何我們現在還無法探測到的,都可能是暗物質的其中一種。題外話,近年某些暗物質面紗底下的容貌,已經逐漸能被我們窺見,例如微中子。這部分,之後我們介紹暗物質的節目中,再來好好討論,今天先來和大家聊聊佔了宇宙質能 7 成的暗能量。

矛盾大對決來了,既然我們摸不到,也看不到,我們怎麼知道暗能量存在,還是僅存在我們的中二想像中呢?我們得將時間回推到最早認為宇宙中有未知能量存在的那個人,他不是別人,就是鼎鼎大名的愛因斯坦。

1916 年愛因斯坦推導出廣義相對論,解釋物質和能量如何影響時空的彎曲和演化。愛因斯坦當時認為,宇宙應該是靜態的,但是若宇宙中只有物質,宇宙應該會受重力吸引而塌縮,因此需要與反向的能量來平衡重力,這股能量平均地存在在空間當中。愛因斯坦當時引入了宇宙常數 Λ 來平衡他的靜態宇宙模型,而直到非常近期的 1998 年,暗能量 (dark energy) 這個詞才由物理學家麥可.特納提出。

在愛因斯坦之後,著名宇宙學家傅里德曼提出不同看法,他認為宇宙不一定是平衡的,也可能正在收縮或膨脹當中,並根據廣義相對論推導出 Fridemann 方程式,關於 Fridemann 方程式的故事,先前我們有好好介紹過。

暗能量不只存在於理論上的預測,同時期天文學家開始發現我們熟知的銀河系,並無法代表整個宇宙,原來夜空中很多像星雲的天體,其實是遙遠的星系!宇宙遠比以前認為得大的太多了!1929 年,哈伯進一步發現,這些星系竟然正在遠離我們而去,而且距離我們愈遠的星系,遠離的速度就愈快!宇宙竟然真的是以地球為中心,而地球利用強大的排斥力,將其他星系用力向外推開嗎?當然不是,想像一下,宇宙就像一個葡萄乾麵包,上面布滿的葡萄乾就是各種天體,當麵包發酵膨脹時,不論站在哪顆葡萄乾的視角,所有天體的距離都是互相拉遠,而且距離愈遠的天體,彼此遠離的速度就愈快。

也就是說,哈伯觀測到的結果顯示整個宇宙正在膨脹。但還有一個問題,就是這個宇宙的膨脹速度,是隨著時間經過越來越快的加速膨脹,還是膨脹速度正隨著時間在趨緩的減速膨脹呢?為什麼這個問題很重要?因為如果是減速膨脹,靠現有的重力理論就可以解釋,宇宙中天體所提供的重力,正在使宇宙減速膨脹,甚至宇宙的結局可能會是宇宙重新塌縮。但如果宇宙正在加速膨脹,那麼只考慮重力就不夠了,為了抵抗向內塌縮的重力,勢必要有一股力量要將宇宙向外加速推開。這時,就需要加入暗能量的存在了。

宇宙真的正在加速膨脹?

為了確認宇宙正在減速或加速膨脹,好推算暗能量是否存在,科學家再次將目光投向宇宙深處。隨著觀測技術愈來愈進步,天文學家可以透過不同方式,觀測更早期的宇宙。

愈遠的天體發出的光,需要經過愈長的時間才能傳到地球。假設我們觀察離地球1億光年遠的星球,由於我們看到的影像是從星球出發後,經過 1 億年後才到達地球,因此在望遠鏡中看到的,其實是該星球一億年前的樣子。只要利用這點,如果我們將望遠鏡頭對向更加遙遠的宇宙深處,就能看到更早期的宇宙樣貌,幫助我們了解宇宙過去的樣子。

科學家主要透過三種方法,分別用來觀測晚期、中期、到早期的宇宙。第一種方法是觀測 Ia 型超新星爆炸,它指的是當一顆緻密白矮星到了生命末期,吸收大量鄰近伴星的氣體,使得內部重力超過某個極限,引發失控的核融合而形成的超新星爆炸。這個爆炸會在瞬間釋放出許多能量,亮度甚至可以媲美整個星系,因此即使是很遙遠的超新星也可以被地球觀測到。最受天文學家關注的是,因為每個 Ia 型超新星爆炸時產生的尖峰光度都相同,可以直接作為觀測或是亮度的比對參考點,又稱為標準燭光。當它離我們愈遠亮度就愈小,只要觀測亮度就可以得知它離我們的距離。

Ia 超新星殘骸。圖/wikimedia

接著,透過光譜分析,我們還能得到這個超新星遠離我的的速度。這就像是救護車在靠近和遠離我們的時候,警笛的聲音頻率會因為我們和救護車相對速度的改變而產生變化,同樣的道理放在電磁波上,當超新星遠離我們,電磁波頻譜的頻率會下降,我們稱為頻譜「紅移」。最後,只要我們同時觀測好幾顆超新星,並且量測每一顆的距離和遠離我們的速度,看看是不是真的離我們越遠的超新星離開的速度越快,就可以知道宇宙正在加速或是減速膨脹。

第二種方法是觀測宇宙大尺度結構,宇宙中星系的分佈其實是不均勻的,有些地方有星系團,也有一些地方是孔洞,整個宇宙就像是網子一樣。這是因為宇宙在形成星系時,向內的重力以及向外的氣體與光壓力會彼此抗衡,就像我們在擠壓彈力球一樣,向內壓時內部壓力會增強,導致物質向外拋射,壓力減弱後又會停止拋射,這樣來回震盪的過程,就在宇宙中形成一個個震波漣漪,稱為重子聲學振盪(BAO,baryon acoustic oscillations)。有趣的是,當好幾個地方都在震盪,就會產生類似好幾個水波互相撞在一起的干涉現象。而這個宇宙規模的超大水波槽中,波腹部份聚集較多物質就會形成星系團,波節部份不足以形成星系就形成孔洞,是不是覺得我們的宇宙就像是一鍋湯,而我們只是裡面毫不起眼的一顆胡椒粒呢?不過即使是連一粒胡椒都不如的我們,透過觀測宇宙星系分布並透過理論計算,人類科學家還是可以得知這些結構的大小,並且推知這些結構上的星系距離我們多遠,最後再搭配紅移光譜,一樣可以算出宇宙膨脹的速度。今年七月升空,11 月 8 號從太空傳回第一張照片的歐幾里得太空望遠鏡,它的其中一項任務,就是專門觀測重子聲學振盪,來研究宇宙大尺度結構。歐幾里得太空望遠鏡有望帶給我們對宇宙的全新認知,關於這一部分,我們很快會再來深入介紹。

第三種方法是透過觀測宇宙微波背景輻射,它是宇宙的第一道曙光,在此以前,宇宙能量很高,光和電漿相互作用,不會走直線。但是到了宇宙三十八萬歲時,宇宙已經冷卻到足以讓電子與原子核結合,宇宙終於變得乾淨了,光也終於可以走直線。而三十八萬歲時的早期宇宙的畫面,至今仍不斷經過遙遙 137 億年的時間抵達地球,被我們觀測到,稱為宇宙微波背景輻射。有趣的是,根據這些照片,我們能發現早在 137 億年前,宇宙各處就不是均勻的。透過分析這些微波的分布,科學家能計算出當時宇宙的組成成份。這時我們發現,目前的已知物質,也就是元素週期表上看得到的原子,只佔所有能量的 4.93%,而看不到的暗物質,佔 27.17%,那還有 67.9%,將近七成的組成分是什麼?科學家認為就是暗能量。

宇宙微波背景輻射。圖/wikimedia

哇!暗能量佔的比例這麼高?那我們未來有機會從空間中汲取無限的能量嗎?先不要想的這麼美,其實暗能量在宇宙中的密度很低,依照質能等價公式,質量跟能量是可以互相換算的。換算下來暗能量每立方公分只有 10 的負 24 次方公克,相比之下,水的密度是立方公分 1 公克!真的微乎其微。之所以暗能量在宇宙中佔的能量比這麼大,是因為它均勻的存在在廣大無垠的宇宙中,不像一般的物質,只集中在一些星系和星體中。

現在我們知道暗能量存在,而且量也不少,但回到最關鍵問題,這些暗能量到底是怎麼來的呢?

宇宙與暗能量的未來

科學家普遍認為暗能量是來自「真空能量」,根據量子力學,我們過往認為的真空,其實會不斷短暫的出現粒子並消失。而這些量子漲落便會產生真空能量。雖然這聽起來很玄,但各位看完我們的影片並按下訂閱之後,這些訂閱數就一定會是真的。都看到影片最後一段了,就拜託大家再多動一下手指吧!

而量子力學除了能在真空中產生真空能量以外,這個過程甚至可能幫助我們開啟蟲洞!關於真空能量與時空旅行的關係,可以參考我們的這一集哦(閃電俠)。

為了重新認識我們的宇宙,科學家此時再次拿出了宇宙常數 Λ 和 Fridemann 方程式,建立了一個可以完美解釋前面三種觀測結果的模型-ΛCDM 模型。

ΛCDM 是近代在解釋宇宙微波背景輻射、宇宙大爆炸時,最常被使用的理論。目前對於宇宙歷史與加速膨脹的圖像,也都基於此模型。

ΛCDM模型,加速擴張的宇宙。圖/wikimedia

不過 ΛCDM 理論仍有兩個致命的問題待解決。第一個是理論中的宇宙常數 Λ,應該要與位置、時間無關,是一個不隨時間變化的常數。然而針對觀測早期和晚期宇宙所計算出來的宇宙常數數值卻不一樣,要如何解釋這個觀測差異?第二個問題是,假設暗能量是真空中的量子漲落所造成,依此推算出的宇宙常數數值,還跟觀測差了 120 個數量級!也就是 10 後面有 120 個零,整個宇宙中的原子數量也才 82 個數量級而已!

因此科學家也提出其他可能的暗物質理論。比如認為暗能量不是來自真空能量,而是由一種未知的粒子場所驅動,而這個場與時間有關,導致早期和晚期宇宙的觀測結果有差異。還有人認為根本沒有暗能量存在,宇宙會膨脹,是因為愛因斯坦的廣義相對論在宇宙學這種大尺度中是不適用的!就像牛頓的萬有引力公式在地球上管用,到了太陽系規模就會出現誤差。或許在宇宙規模還有比廣義相對論更完備的其他理論等待我們發現!另一派科學家也認為沒有暗能量,我們會看到加速膨脹,只是因為銀河系剛好位於宇宙大尺度結構的孔洞中,也就是葡萄乾麵包裡面空氣比較多,口感比較鬆的地方,由於這個地方總體重力比較小,天體也就是葡萄乾之間向外膨脹的速度比較快,但不代表整個葡萄乾麵包都在加速膨脹,宇宙加速膨脹只是局部觀測的假象。

這些理論或許可以解釋部份的問題,但沒有一個能解釋所有觀測數據,而且由於觀測的限制,這些理論都缺乏數據的佐證。因此目前我們只能說,暗能量的效應確實存在,但我們還不知道它確切是什麼。

有人可能想問,研究暗物質對我們真的那麼重要嗎?其實,它不只影響了宇宙過去演化的歷史,也影響著我們將來的命運。由於宇宙膨脹,物質的密度會因為膨脹被稀釋,但如果暗能量是常數,就代表密度不會改變,因此宇宙會膨脹的愈來愈快,導致遙遠的星系加速離我們遠去,最後暗能量會超過所有的基本作用力,包括重力、電磁力和核力,星系、太陽系、地球都將被拉開,甚至中子和質子都互相分離,使原子不復存在,進入大撕裂時期,也將是宇宙最孤獨的結局。不過這是一百多億年後的事情,在那之前地球會先被死去的太陽吞沒,我們應該要先煩惱的是要如何移民其他星球才是。

最後總結一下,暗能量到底是什麼?很抱歉,經過了幾十年的努力,這個問題依舊是一個問號,但藉由宇宙學的研究,使我們更謙卑更加發覺自身的渺小,我們或許已經掌握許多物質運作的原理,也開發出許多高科技產品,但這些只是整個宇宙的 5% 仔,宇宙中還有許多未知等待我們去探索,而它深深關係到我們的過去和未來。

最後也想問問大家,你覺得當一切真相大白之時,我們會發現暗能量是什麼呢?

  1. 符合最直覺的 ΛCDM 理論,它就是宇宙加速膨脹的元凶!
  2. 它根本不存在,我們甚至需要比廣義相對論更強的理論來解釋!
  3. 依照人類這個物種的感知等級,可能永遠無法了解暗能量的真相!
  4. 我、我已經無法抑制我左手的暗能量了!啊啊啊~

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