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薛丁格貓可以有多胖?

科學月刊_96
・2013/07/22 ・2828字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

文 / 曾耀寰

典範轉移

1900年,八國聯軍衝入北京城,除了燒殺擄掠,破壞了清朝的政治經濟中心,也摧毀了代表古代中國的象徵,當時的慈禧太后帶著光緒帝逃到西安,於是開始了近代中國的改革,西方的民主與科學開始進入中國。在西方世界,1900年也象徵著古典物理和近代物理的分野,1900年(二十世紀)之前,是由牛頓的力學定律引領風騷,接著是十九世紀的電磁年代,由馬克士威的電磁波理論帶入高峰,而熱力學三定律也在十九世紀完成,大自然的物理規律幾乎是由這三大領域所掌握。

就在十九世紀末,英國物理學家克耳文(Lord Kelvin)在一場大眾演說提到,斷言熱和光運動方式的動力學理論既美麗又清晰,但目前被兩朵烏雲所遮蔽。這兩朵雲分別是邁克生–莫立測量以太的實驗和黑體輻射的紫外災變。1900年,德國物理學家卜朗克(Max Planck)採用能量量子化的概念,解決了古典物理無法解釋的黑體輻射能量分布,順利解決了紫外災變,成為量子物理的開山祖師。

1905年,愛因斯坦的狹義相對論則是捨棄以太,徹底改變古典物理的時空觀念,量子物理和相對論成為近代物理的兩大支柱。

那麼近代物理又與古典物理有哪些不同?雖然這都牽涉複雜的學門知識和基礎背景,但我們嘗試用幾個簡單的概念來說明彼此的不同。首先是狹義相對論的孿生子實驗,藉由其中一位搭乘幾近光速的太空船往返太空,當他回到地球,發現留在地球上的孿生兄弟變老了。孿生子實驗說明了時空之間的關係是相互影響的,並不是像古典物理將時間當成獨立的變數。而廣義相對論則是進一步將質量、能量與時空緊密結合在一起,美國物理學家惠勒的名句:「時空決定物質如何運動,物質決定時空如何彎曲」,正是最佳說明。雖說相對論看似完全取代古典物理,但除了在運動速度接近光速,或者質量非常大(例如黑洞四周)的情況,日常生活遇上的現象用古典物理都是足夠的。

分立vs連續

量子物理又有哪些是古典物理所不容的,卜朗克的能量量子化便是一例,量子物理與古典物理最大的差異在於分立(discrete)與連續,物質可以切割成最小單位,但古典物理認為能量是連續的,就像人站在手扶電梯,隨著馬達帶動,人可以平順地、連續地上下樓梯,但行走一般樓梯就不是連續的,當中的最小單位就是一階一階的階梯,我們是無法站在9又4分之3梯,量子物理的觀點就是階梯,能量是分立的,不是連續。

又是物質又是波

另一個重要觀念是波粒二象性,簡單地說,物質有波的特性,波有物質的特性(根據哥本哈根詮釋,這個波動是用來說明物質未來的機率分佈,不可看成實在的波)。在古典物理中,物質是有最小單位,而波有連續性,並且有干涉繞射的特性。在量子物理中,物質有波的特性,有干涉效應(1989年首次在實驗室紀錄到電子的雙狹縫干涉),而波有物質的特性,如光電效應證明光子的存在。如果物質有波的特性,就不難想像,一個被關在監牢堅牢的犯人,在不斷撞牆的逃獄過程中,是有機會穿過水泥牆,這就是所謂的量子穿隧效應。

疊加態的薛丁格貓

另一個傳神的比喻是薛丁格貓,薛丁格貓來自奧地利物理學家薛丁格的想像實驗。在量子的世界,物質有波的疊加原理(superposition principle)。薛丁格設計了一個密閉黑箱子,裡頭裝了致命的毒藥機關,該機關的啟動全靠隨機,我們得打開黑箱子才能知道該毒藥機關是否被啟動。薛丁格將一隻倒楣的貓放在黑箱子內,這時外界無從得知薛丁格貓的死活,除非打開箱子。依照量子物理的疊加原理,這隻關在黑箱子的薛丁格貓處在活和死的兩個狀態的疊加,也就是又活又死的情況。在古典物理的架構下,這種匪夷所思的概念是無法想像的,但疊加態確實存於微觀的原子中。為什麼在巨觀世界看不到這種疊加狀態?主要因為在巨觀狀況下,外界太容易干擾系統,很快就離開疊加態。

因此一般狀況下,我們無須用量子物理處理日常生活的現象,唯有進入微觀的原子世界,這時所發生的現象是必須靠量子物理解決。問題來了,古典物理處理的巨觀世界和量子物理處理的微觀世界,二者之間的界線在哪裡?微觀的原子分子要到多大的尺度,便進入所謂的巨觀世界?或者說物質何時可以用波的方式描述?何時可以用波的疊加狀態描述?

1980年代,萊格特(A. J. Leggett)等人建議,如果一個巨觀系統能有效地與外界環境隔絕,這個巨觀系統就有量子現象,當時常被研究和討論的系統是超導量子干涉儀(superconducting quantum interference device,SQID)。SQID是一個超導環,有數十億顆成對的電子在當中移動,由於高靈敏度,可用作微小磁化率的測量。

在超導環內,電子不受到阻力,形成的電流沒有衰減,但這些電子若有量子穿隧效應,逃離超導環,便會造成電流衰減。如果系統獨立於外界環境,逃出去的電子沒有能量的損失。一旦受到外界環境影響,逃出去的電子就會損失能量,外界環境影響越大,損失能量越多(如右頁圖)。這就可以作為是否與外界隔絕的指標,進而判別古典物理和量子物理應用範圍的邊界。

電子發生量子穿隧效應時,若系統獨立於外界,電子能量不會損失;但當系統受外界干擾,電子的能量損失量受干擾程度影響。

此外,疊加態是量子物理的重要特性,我們可以測量多大的原子或分子能保有疊加態。1999年,維也納大學研究團隊發現C60分子在多狹縫實驗出現量子干涉。2011年奧地利、德國、美國和瑞士的研究團隊則是發現由430顆原子所組成的分子也有量子干涉,看來實驗室裡的薛丁格貓逐漸長大。

但是若用分子的大小作為標示界線的標準,那該是以分子內的原子數多寡,還是所有次原子數總和(質子、中子和電子)作為指標。在今年初,奧地利和德國的物理學家團隊嘗試設計一系列參數作為指標,他們的想法來自於一組量子方程式可以經過修改,而使得一個物體的狀態更接近古典物理,如果實驗可以移除這些修改,則可以描述較大的量子疊加態,也就是更大的巨觀物體,因此實驗能移除越多修改,物體就越大。某些參數有助於移除,當中包括同調(coherence)時間的長短、物質的質量和疊加態的尺度,最後綜合這些參數後,得到描述這個物體的單一指標數µ,用作評比處在疊加態的物體的巨觀程度,這相當於單一電子處在量子疊加態長達10µ秒。而尋找胖薛丁格貓的研究仍在繼續。

上帝是最大的莊家

量子世界的現象令人瞠目結舌,讓人不禁懷疑,這真的是物理世界的本性?因為許多量子現象是與決定論和因果論相違背,例如海森堡的測不準原理和包立不相容原理。即便是寫下量子波動方程的薛丁格,仍是遵循古典的脈絡,相信物理世界的本質是一種波動,他剛開始還將波函數解釋成電磁場中的一種振動,電子的粒子性是純粹波動性的表現,像是一系列波疊加而成的波包,但波動方程出現的複數(complex),以及波的色散(代表電子的體積會隨時間而擴散開來),讓他感到不自在。

但其他的物理學家採取完全不同的看法,例如海森堡、波耳和包立。根據哥本哈根詮釋,這個波函數的振幅平方代表的是發現粒子的機率,這種反實在論和人類長久以來的經驗格格不入。從近代物理發展的過程來看,量子物理不僅是人類瞭解微觀世界的工具,也徹底改變人類看待物理世界的態度,無怪乎,愛因斯坦一直難以相信上帝會擲骰子。

原刊載於科學月刊 第四十四卷第七期

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宇宙到底從哪來?從量子力學和相對論來看「宇宙起源」,解釋完全不一樣!——《宇宙大哉問》
天下文化_96
・2022/09/25 ・2200字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 作者/豪爾赫.陳、丹尼爾.懷森
  • 譯者/徐士傑、葉尚倫

宇宙從何而來?

每當仰望滿天星斗絢爛壯麗的夜空,或驚嘆微觀世界錯綜複雜的美景時,你不禁會問:「這一切從何而來?宇宙為什麼存在?是什麼東西或是誰負責這一切?」

長期以來,人們一直不斷臆測,讓人驚嘆不已的宇宙真實起源。當然,這比起我們擁有物理學或漫畫的時間要長得多。瞭解宇宙起源很重要,因為有可能會解釋我們存在的來龍去脈。我們想知道我們是怎麼來的,因為這問題的答案可能揭露:我們為什麼在這裡,以及我們應該如何度過時間。如果你知道宇宙從何而來,你的生活方式可能會改變。

因此,在所有問題中最大的問題是,物理學究竟可以告訴我們什麼?

在一開始的時候

在我們問宇宙從何而來或它是如何形成之前,我們需要先退一步想想。我們首先要問的應該是「宇宙是誕生出來的,還是本來就一直存在?」

你可能會驚訝的發現,物理學對這個問題有很多論述。可惜的是,很多論述內容並不是很一致。事實上,量子力學和相對論這兩個偉大的理論,在宇宙主題上指出了兩個截然不同的方向。

量子宇宙

量子力學表明宇宙遵循著我們不熟悉的規則。根據量子力學,粒子和能量以奇怪和不確定的方式表現。這可能令人非常困惑,但幸運的是,這跟我們手上的問題並不相關。因為量子力學對宇宙的過去和未來實際上是一清二楚的。

量子力學用量子態來描述事物。量子態告訴你,與量子對象交互作用時,事情可能發生的概率。例如,它可能會告訴你粒子位置的機率。你可能不知道粒子現在在哪裡,但你可以知道它可能在哪裡。

量子態很有趣,因為如果你知道今天量子物體的狀態,你可以用它來預測明天、兩週後,或者十億年後的狀態。量子力學中最著名的方程式是薛丁格方程式,跟貓和盒子無關。薛丁格方程式告訴你:如何利用你對宇宙的瞭解並將宇宙向未來投射。它也可以反推,可以利用你對現在的瞭解,告訴你宇宙在過去是什麼樣子。

根據量子力學,這種預測能力沒有時間限制。它的基本原則是:量子資訊不會消失,只是轉變為新的量子態。也就是說,如果你知道宇宙今天的量子態,就可以計算出它在任何時間點的量子態。量子力學告訴我們,宇宙在時間上永遠向後和向前推展。

這代表一個非常簡單的事實:宇宙一直存在,並將永遠存在。如果我們對量子力學的理解是正確的,那麼宇宙就沒有起始點。

相對論宇宙

然而,愛因斯坦相對論卻告訴我們一個截然不同的故事。量子力學有個問題,它通常假設空間是靜態的,就像一個固定的背景,你可以在那裡懸掛粒子和場。但是相對論告訴我們,這觀念大錯特錯。

根據相對論,空間是動態的,它可以彎曲、伸展和壓縮。我們可以看到空間在黑洞或太陽之類的重物體附近彎曲。愛因斯坦的理論還描述了整個空間如何膨脹。空間不僅僅是平坦的空虛;它被重物局部扭曲,並且愈來愈大。

這個瘋狂的想法最初來自於相對論中的數學,但現在我們有實驗能加以證明。透過望遠鏡,我們可以看到星系每年愈來愈快的遠離我們。宇宙中的一切似乎都變得愈來愈分散和愈來愈冷,就像氣體在膨脹時冷卻一樣。

對宇宙的起源來說,這代表什麼含義呢?呃……如果把時鐘倒轉,我們的觀察預測出宇宙曾經更熾熱、更密集。如果回溯足夠遠的時間,宇宙就會到達一個特殊的點:奇異點。

此時,宇宙的密度實在是太大了,甚至讓相對論的計算結果顯得有點荒謬。相對論預測宇宙變得非常緊密,空間又異常彎曲,最終達到了一個無限密度點。

按照相對論的觀點,宇宙在某種程度上確實有個開端,或者說至少有個「特殊時刻」。我們所看到的一切,包括所有空間,都來自奇異點。可惜的是,相對論不能告訴我們那一刻發生了什麼,但我們知道它與之後的任何時空點都不一樣。它就像一堵無法跨越的牆,無法用相對論解釋。

孰是孰非?

現代物理學的兩大支柱以大相逕庭的觀點來解釋可能的宇宙起源。一方面,量子力學告訴我們宇宙是永恆的,一直存在。另一方面,相對論告訴我們宇宙來自一個發生在一百四十億年前的無限密度點。

我們知道量子力學不可能完全正確,因為它沒有辦法描述關於宇宙的某些事。例如,量子力學沒有辦法描述重力或空間彎曲。但同時,我們也知道相對論並不完全正確,因為它在奇異點處崩潰,並且忽略了宇宙的量子性質。

——本文摘自《宇宙大哉問:20個困惑人類的問題與解答》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

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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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不用數學就可以解釋——相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」
賴昭正_96
・2022/08/26 ・6632字 ・閱讀時間約 13 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

你聽過「雙胞胎悖論」嗎?

我有時會問自己,我是如何發展相對論的。我認為其原因是:一個正常的成年人從不去思考空間和時間的問題——這些都是他小時候就想到的;但我的智力發育遲緩,因此長大後才開始思考空間和時間。

——愛因斯坦(Albert Einstein)),1921年諾貝爾物理獎得主

1905 年,愛因斯坦在題為「關於運動物體之電動力學」的論文裡,從兩個簡單的假設,得到結論謂如果張三與李四相對運動,則張三會認為李四的手錶跑得比較慢。在證明這一稱為「時間膨脹」(time dilation)的現象後,寫道:

由此產生以下奇怪結果。如果(開始時)A 點和 B 點在(靜止坐標)K 中觀察是同步的(即同一時刻),但 A 處的時鐘以速度 v 沿 AB 線到 B,則在到達 B 時,兩個時鐘將不再是同步:移動到 B 後的 A 時鐘將落後於保持不動的 B 時鐘…。我們得出這樣的結論:如果兩個 A 處同步的時鐘,其中一個以恆定速度沿閉合曲線移動 t 秒後返回 A 處,則保持靜止的時鐘將發現剛返回的時鐘慢了 tv2/(2c2)秒(c 為光速)。

昨天才校正過的手錶,怎麼現在又慢了?難道我是在黑洞附近?或是該換新手表的時候了? 圖/作者提供

或許是怕像筆者這樣智力發育遲緩的讀者難懂,愛因斯坦於 1911 年重申並詳細說明這一現象如下:

如果我們把一個活的有機體放在一個盒子裡……我們可以安排這個有機體在經過任意長時間的飛行後,在幾乎沒有改變的情況下返回到它原來的位置。此時保持在原來位置的相應有機體已經早已讓位於新一代,但對於移動的有機體來說,只要運動以接近光速進行,漫長的旅程只是一瞬間而已。

名物理教科書作者雷斯尼克(Robert Resnick)更清楚地解讀謂:

如果靜止的有機體是一個人,而旅行的是他的雙胞胎,那麼旅行者回到家時會發現他的雙胞胎兄弟比自己老得多。但在相對論中,任何一個雙胞胎都可以將另一個視為旅行者,因此再碰面時將比他自己年輕。這在邏輯上看來是一個矛盾的現象,因此被稱為「雙胞胎悖論」(twin paradox)。

雙胞胎悖論」可以說是相對論中最著名的想像實驗,為許多教科書與通俗科學文章所討論的對象;但筆者卻發現在「泛科學」裡只有一篇書評的文章中提到它!

難道真如諾貝爾獎得主普朗克(Max Planck)所說的:「一個新的科學真理之所以勝利,不是因為說服了它的對手,讓他們看到了光明,而是因為它的對手最終會死去,而熟悉它的新一代會成長起來」?在習以為常的熏陶下,現在的「新一代」已經不再認為「雙胞胎悖論」是值得討論的悖論?

如果你不是這樣的「新一代」,那本文是為你所寫的,相信你在這裡將讀到在其它地方找不到之「雙胞胎悖論」的白話文解讀(不用任何數學)。

同步與同時的「相對性」

普朗克謂:「光速之於相對論就像基本的作用量子之於量子論:光速是相對論的絕對核心。」

可是如何測量光速呢?從甲處發一道光到乙處,將甲乙之距離除以光旅行的時間就得到光速。當然,要能精確地測得光速,甲乙兩處的時鐘必須是互相校正過的、同步(synchronized)的。如何校正甲乙的時鐘呢?相信很多人小時候就已經知道了:將兩個時鐘帶到同一處,然後像電影中之突擊隊,在出發前由隊長發命令說:「讓我們校正時間,現在是……」 。

可是愛因斯坦不知道為什麼竟然沒有想到這一點?或許真的是「智力發育遲緩」,他竟然建議在乙處放一面鏡子來反射甲處在零時刻所發的光,如果乙處接到光的時刻正是甲處光來回所需之時間的一半,我們便說甲乙兩處的時鐘同步化了。用這種方法來同步化時鐘,很顯然在邏輯上我們便不可能測單方向的光速是否為定值了,所以愛因斯坦增加了一個假設,即光是在真空中的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值 c

如果我們將同步化的甲乙兩個時鐘分別放在火車月台的兩端,讓它們在同一時刻(零點)往月台中心發射一道激光,則站在月台中心的賴教授應該「同時」收到來自甲乙兩端的激光(圖 a)。

但坐在從乙往甲方向以等速 v 行駛之車廂內的李教授,卻發現甲、乙激光發射後一直在以同一速度 c 逼近賴教授(圖 c);但因賴教授在往乙方向運動,因此如果光同時到達賴教授處(任何人都同意的「事件」,否則賴教授不是說謊就是頭腦有問題),李教授將下結論謂:甲乙兩個時鐘並不同步,甲時鐘顯然先發射,因此比乙時鐘快(甲的零點比乙的零點早)!

所以「同時」將因觀察者之運動而異:賴教授說甲乙兩激光是同時發射的,李教授卻說甲激光先發射的!如果李教授坐的火車是由甲往乙方向行駛呢?他將發現乙激光是先發射的!

這似乎是很明顯的結論,為什麼要等愛因斯坦告訴我們、難道牛頓沒想到嗎?牛頓不是沒想到,而是他認為宇宙中有一獨立於任何觀察者的時鐘,稱為「絕對時間」,所以「同時」是絕對,不會因觀察者之相對運動而異。

但事實上這結論與絕對時間無關,而是因愛因斯坦之假設—光的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值—造成的!如果不是這一假設,則光的傳播速率將與發射體運動狀態有關(古典力學),李教授會認為乙激光是以 c-v 逼近、而甲激光則是以 c+v 追趕以 v 速運動的賴教授(圖 b),因此兩道激光當然還是同時到達賴教授處!所以李教授和賴教授都同意時鐘是同步的。

所以很明顯地應是愛因斯坦的「同時相對性」改變了人類根深蒂固的「絕對同時性」觀念。如果我們將「發射激光」改成孿生子(雙胞胎)的「生日慶典」,則賴教授將說他們是同時出生的;但是李教授則會因其運動狀態而說甲孿生子先出生(比較老)或乙孿生子先出生。這不正是「雙胞胎悖論」的一個影本嗎?我們在這裡事實上還看到一個很重要的現象:參考坐標(運動方向)的改變,可能顛倒兩個不同事件的「先後次序」!

雙胞胎悖論

假設雙胞胎張四決定乘坐等速高速太空船去旅行。因他決定一去不回,故在旅行前與張三痛哭擁抱,答應在死前一刻依自己的時鐘將年齡紀錄下來,「寄」回地球。

依照經驗,如果兩人的生理機能完全不受外界的影響,則兩人的壽命應該一樣長;但是依照相對論,張三認為張四是在運動,其(生理)時鐘跑得較慢【稱為「時間膨脹」現象】,因此活得較長;同樣地,張四認為張三是在運動,其(生理)時鐘跑得較慢,因此活得較長!誰對呢?智力發育遲緩的筆者認為這是矛盾的,一定有一個人錯,但愛因斯坦說兩人都沒錯,要筆者耐心地等一等……。

坐上高速太空船旅行的張四,與留在地球的張三,誰活的時間比較「長」呢? 圖/envatoelements

歲月如梭,張四的信終於抵達地球了;打開一看,怎麼?他的壽命竟然與張三一樣!筆者一個頭兩個大,顯然是不應該學物理—尤其是相對論!請讀者幫幫忙吧!

假設張四離開10年(他的時間)時突然想家,於是緊急剎車,將太空船轉個方向,緊急加速到原來的速度(為了方便,我們可以假設整個過程是「瞬間」),10 年後終於又回到地球,跟雙胞胎張三重新會合,正要擁抱時卻發現張三已經比他老多了!這正是上面愛因斯坦及雷斯尼克所說的結果。

這看似矛盾的結果事實上是很容易理解的:張四在太空中的「緊急剎車、將太空船轉個方向、緊急加速到原來的速度」破壞了兩人運動的對稱性。我們雖然沒有辦法感受到自己是在靜止狀態或者是在等速運動,但我們卻可以知道自己是在加速。所以張四在太空中的急轉彎,不但破壞了兩人運動的對稱性,也應該是造成他們年齡差異的原因。我們可以從兩方面來看為什麼改變速度(加速)造成年齡差異。

從相對論來看,在去程及回程的等速運動時,張四應該一直認為張三比他年輕。但在前面的火車站實驗中,我們發現李教授的火車行駛方向改變會造成「先後次序」的顛倒,因此張四在太空急(「瞬間」)轉彎的過程中會發現張三(「瞬間」)老了許多(不怕數學讀者,可參見附錄二):多得超過了剛提到之等速運動時的年輕數,因此張四在相會時將發現張三比他老!從張三的角度來看,他從未加速,因此認為在運動的張四一直比他年輕!不止如此,他依相對論所算出來的年齡差距,也正是張四依他自己之坐標(包括等速與改速)所算出來的!

相信某些讀者要問:「老」是生理現象,張四的坐標轉換怎麼會使張三變老呢?火車站實驗中的「先後次序」顛倒,只是李教授的觀點而已,並沒有實質的物理意義,賴教授不是不同意嗎?1905年的相對論沒有回答這個問題,這答案 10 年後才在廣義相對論中出現(詳見愛因斯坦一生中最幸運的靈感-廣義相對論的助產士):加速可以視為是一種重力現象,時間在重力場中跑得比較慢【稱為「重力時間膨脹」(gravitational time dilation)】。

所以張四在太空中急速的減速及加速將造成強大的重力場,使得其(生理)時鐘變得非常慢,因此在這期間老得也非常慢(在黑洞附近的人—如果不被吸進去的話—幾乎可以長生不老)!

太空中急速的減速與加速,將造成強大的重力場,使時間變得非常慢。 圖/GIPHY

長度收縮

特殊相對論還預測一個稱為「長度收縮」(length contraction)的怪現象,謂:一位快跑健將拿著一根棍子沿著棍子方向以速度v飛跑,旁觀人會認為棍子長度變短。這一個怪現象事實上在月台的實驗上已經看到了:要決定兩點之間的距離,我們必須「同時」測兩點的坐標;李教授認為甲的零點比乙的零點早,因此必須「稍等」甲一下才能「同時」記錄甲、乙兩點的坐標,但這一「稍等」,因為甲在往乙方向運動,不是使得測得的距離變短嗎

如果讀者不怕數學,讓我們在這裡用點數學來看「長度收縮」這一怪現象,希望能幫助讀者更進一步了解。

圖二是旁觀者的坐標,顯示在 t=a 時,棍子的前端進入原點 x=0,然後沿軌跡 x=v(t-a) 繼續前進;棍子的後端則在 t=b 時進入原點,然後沿軌跡 x=v(t-b) 繼續前進。

圖二中的 bc 是棍子後端剛進入原點時,旁觀者的「同時」線,即線上每一點的時間都是 t=b(同步化)。測量棍子的長度必須「同時」觀察其前端及後端的位置,因此他測量得到的棍子長度為 be(他不知道那個時刻棍子前端事實上已經到達 d 點了)!bd 是快跑健將的同時線,其 x 坐標 (xd-xb) 則是 他測量的棍子長度,比 be 長;所以旁觀者說「棍子變短了」。

如果快跑健將的速度不快,則前、後端軌跡將趨近於成垂直,不同運動狀態的「同時」便趨近於相同,我們便又回到我們所熟知的牛頓世界了!

旁觀者測得的棍子長度因快跑健將的速度不同而異(原始長度則是快跑健將所測量道的長度,與其速度無關)。 圖/envatoelements

結論

愛因斯坦1905年的相對論中之「光傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值」假設徹底地毀滅了物理學中「同時」的觀念,因之產生了一些與日常經驗不符的奇怪現象,如「長度收縮」及著名的「雙胞胎悖論」。

希望本文的解釋不但能讓讀者見怪不怪,甚至發現其實不怪;了解相對論裡所有「矛盾」現象都是因為不同觀察者在「自說自話」造成的:例如在棍子的例子裡,靜止觀察者談論的是他(靜止觀察者)在某個時刻測量得到的長度,而移動觀察者談論的則是他自己(移動觀察者)在另一個瞬間測量的長度。

時間及空間是人類製造出來便利溝通的語言,如果李教授不認為甲地先發射,他沒辦法解釋為什麼賴教授同時看到甲乙兩地發射出來的光(實際經驗到的物理現象);所以「自說自話」原來是為了保持物理定律的不變性(物理定律是用來解釋我們實際經驗到的物理現象)。這些「自說自話」事實上也不是隨便說的,而是靠「洛倫茲轉換」(Lorentz transformation)連接在一起的。

附錄一:「後見之明」輕鬆地推導「洛倫茲(坐標)轉換」公式

K’ 坐標以 + v 速度相對於 K 坐標運動。如果坐標在 t=0 時重合,加上時、空的均勻性(變數沒有二次方):

…………………………………………………………(1)

β 為待解的常數。如果在 t=0 時發射一道光,則光的軌跡為 x=ct;代入上式,得

…………………………………………………………(2)

因為 K’ 坐標及 K 坐標的對稱性:

…………………………………………………………(3)

將 (3) 代入 (2) 解得

…………………………………………………………(4)

從 x = β ( x’ + vt’ ) 解 x’ ,然後代入(1),化簡可得到

…………………………………………………………(5)

公式(1) 、(5), 及(4)就是「洛倫茲(坐標)轉換」公式。長度收縮中之快跑健將棍子的同時線方程式為公式(5) :

附錄二:雙胞胎悖論的數學

假設雙胞胎甲留在地球,雙胞胎乙決定以 v 速度往太空地球 S 旅遊,則甲(x , t)、乙( x’ , t’)兩人的坐標轉換為(為了方便,將光速定為 1,所以 v 應該小於 1 ):

圖三為甲的坐標圖:太空地球 S 的位置為( xs , ts)。依照上面公式轉換,對乙來說,其坐標為( x’s , t’s )。去程時,乙在 S 時的同時線(該線上每一點的時鐘都「同步」) t1s 為:

在到達 S 時,乙瞬間改變方向,其同時線瞬間變為 t2s :

這兩個方程式的時間零點分別為 t0t3 ,因此不能直接用它們來算去程及回程的同時點 t1 及 t2 ;但因為對稱的關係,我們可以將 t1s 延長到 x=2xs 處,用  t’s=β ( t-vx ) 解得:

所以乙的回程坐標轉換一下子讓甲老了

t2 – t1 = v2xs

……舉個實際的例子:如果 v=0.6, xs=6,則 β=1.25,所以對甲來說,乙需要 10(=6/0.6) 年才能到達 S ,也需要 10 年才能回來,因此乙回來時,甲應該已經 20 歲了(為了說明方便,假設他們一出生,乙就到太空旅行)。甲的 S 坐標為(6 , 10),透過坐標轉換,乙的 S 坐標為(0 , 8);所以甲認為乙的時鐘比較慢,只要花 8 年(乙時鐘)的時間就可以到達 S,同樣地也只要花 8 年時間回來,所以乙回來時應該只有 16 歲!

透過乙在 S 時的同時線,可以解得當 x=0 時,t1=6.4。所以對乙來說,他已經 8 歲了,但甲才 6.4 歲,顯然比他年輕(老得慢)!同樣地,在回程時,乙也應該認為他老了 8 歲,但甲才老了 6.4 歲,所以乙回到老家時,乙應該已經 16 歲,但甲才 12.8 歲,比他年輕!

但前面不是說過甲應該已經 20 歲了嗎?矛盾?不!我們忘了乙坐標轉換時的「時差」 :7.2 年!將這「時差」加進去,乙也計算出甲的年齡應該是 20 歲(=6.4+7.2+6.4)!

甲、乙兩個人的結論相同,沒有矛盾!愛因斯坦沒有騙我們!

註:

要決定兩點之間的距離,我們必須「同時」測兩點的坐標;同樣地,要決定兩個事件發生的時差(時間),我們必須在「同點」測兩個事件發生的時刻。相對論不但毀滅了物理學中「同時」的觀念,事實上也摧殘了「同點」的觀念:沒有絕對的空間,「同點」因運動者而異。所以我們也應該可以在類似月台的簡單實驗上尋找到「時間膨脹」的現象(請讀者幫幫忙吧)。

延伸閱讀

愛因斯坦一生中最幸運的靈感-廣義相對論的助產士(科學月刊,2021 年 5 月號)。

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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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除了發現量子力學,普朗克還有第二個重大發現是什麼?
賴昭正_96
・2022/07/16 ・4593字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

(瓦特斯頓)論文的歷史說明了:… 價值不確定的文章,高度投機性的研究⎯⎯尤其是不知名的作者⎯⎯最好(先)通過科學界以外的其它渠道呈現給世界。

-瑞利爵士(Lord Rayleigh)1904年諾貝爾物理獎得主

在「抱歉了愛因斯坦,但我真的沒辦法頒獎給那個酷理論—為何相對論與諾貝爾獎擦身而過?」裡,筆者提到了 19 世紀末的物理學家曾經非常自滿地認為物理學上的基本問題都已經解決了,剩下的只是細節問題。例如 1874 年,量子師祖普朗克(Max Planck)的指導教授久利(Philipp von Jolly)就告訴他說:「在這個(物理)領域,幾乎所有的東西都已經被發現了,剩下的就是填補一些不重要的漏洞。」普朗克回答說他不想發現新的東西,只想「了解」這個領域的已知基礎。

現在我們當然知道事與願違,19 世紀末的物理不但未靜如止水,反而是刮起大風大浪的預兆。例如誰想到就在那個世紀結束前的 12 月,普朗克為「了解」靠猜測所提出來的黑體輻射公式,被「迫」提出能量量化的觀念,成了發現量子力學的第一大功臣(參見「黑體輻射光譜與量子革命」),改變了整個物理學家對客觀世界的看法。

普朗克為「了解」靠猜測所提出來的黑體輻射公式,被「迫」提出能量量化的觀念。圖/Wikipedia

而後在 20 世紀才開始不久的 1905 年,瑞士專利局最低等級的審查員愛因斯坦(Albert Einstein)更不知道從何處突然冒出一篇題爲「關於運動物體的電動力學(On the Electrodynamics of Moving Bodies)」論文,吹起了 20 世紀的第一個物理革命號角,徹底改變了統領物理界 300 多年的牛頓時空觀念。可是良馬⎯愛因斯坦這一篇論文—如果沒有遇到伯樂,它會是一匹良駒嗎?如果不會,那誰是那一篇論文的伯樂呢?

誰會是愛因斯坦的伯樂?

這篇題為「關於運動物體的電動力學」的論文事實上是很奇怪。這標題通常應是討論磁性或介電物質在電磁場中的運動特性,但愛因斯坦根本沒有分析這個主題,而是花了很多篇幅在前半部分討論:許多物理學家都認為理所當然之某些基本物理概念的性質。而論文中唯一明確討論之法拉第的電磁感應實驗,則是用當時的理論就可以充分解釋、大多數物理學家認為已不甚重要性的題目;最後建議丟棄一些廣泛使用的概念(例如「同時」及以太等)。更不尋常的是:作者是一位名不見經傳、任職於專利局的小職員,其撰寫的風格和格式都非正統,沒有引用任何當時的文獻!

愛因斯坦曾希望他當年在《物理年鑑》這傑出期刊上的大量論文能夠讓他擺脫默默無聞的三流專利審查員,獲得一些學術認可,甚至找到一份學術工作;因此在論文出版後,他妹妹後來回憶說:

「(愛因斯坦)曾努力翻閱《物理年鑑》,希望能找到對他理論的回應。……但他非常失望,出版之後(的反應)是冰冷的沉默。」

愛因斯坦寫出「關於運動物體的電動力學」受到普朗克的讚賞,圖為 1929 年愛因斯坦獲得普郎克獎(Planck medal)時,與普朗克的合影。圖/AIP

在無奈的失望中,愛因斯坦突然於 1906 年 3 月收到了第一個物理學家的反應;令他驚奇的是:這位物理學家竟然不是別人,而是當時歐洲受人尊敬的理論物理學大師普朗克!普朗克給愛因斯坦寫了一封充滿熱情洋溢的信,謂其相對論論文「立即引起了我的熱烈關注」,並將到專利局所在地伯爾尼(Bern)拜訪他!愛因斯坦當然很興奮,立即寫信告訴他以前的家教學生、合創「奧林匹亞學院(Olympia Academy)」、剛剛搬離伯爾尼的好友索洛文(Maurice Solovine):

「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。」

普朗克是如何成為愛因斯坦的伯樂

普朗克當時擔任《物理年鑑》編輯,在接觸到愛因斯坦那篇關於空間、時間、和光速的想法前,他事實上已經相當明白:當涉及到由不同觀察者測量的光速時,古典物理學存在一個令人討厭的問題,即測不出地球在絕對靜止之以太中的速度,迫使當時一些名物理學家到處貼補漏洞。因此當愛因斯坦大喊(開玩笑的,當時他還是一位無名小卒,怎麼敢大喊):不要再費心了,讓我們假設(在任何慣性參考系中測量的)光速為一定值,來取代「標尺和時鐘不會永遠誤導我們」之錯誤概念時,普朗克立舉雙手贊成。在其 1949 年的自傳裡,普朗克謂:

「光速之於相對論就像基本的作用量子之於量子論:光速是相對論的絕對核心。」

在該論文出版後,普朗克立即在柏林大學講授相對論!由於他的影響,這個理論很快在德國被廣泛接受,因此德國在許多方面對愛因斯坦之相對論的反應是獨一無二的;例如 1905-1911 年期間有關相對論的論文,沒有其它國家在數量上能夠與德國相媲美。在法國、英國和美國的回應中,雖然也有熱情的支持,但只有在德國才有人說「我理解愛因斯坦的研究」。但當時的「不敢苟同」聲事實上也不少;例如德國物理學家索末菲 (Arnold Sommerfeld)一大早就認為愛因斯坦的理論方法有某種猶太色彩(後來被利用成為反猶太主義者的工具),對秩序和絕對的概念缺乏應有的尊重,而且似乎沒有堅實的基礎。1902 年諾貝爾物理獎得主、荷蘭理論物理大師洛倫茲(Hendrik Lorentz)在 1907 年更寫道:

「愛因斯坦的論文雖然出色,但在我看來,這種難以理解和無法形象化的教條裡仍然存在一些幾乎不健康的東西。一位英國人幾乎不會給我們這種理論。」

普朗克顯然是第一位認識到愛因斯坦在相對論方面開創性工作的主要人物,也是愛因斯坦在科學界最忠誠的擁護者。兩人在個性上雖然非常不相似(前者非常保守,後者不理傳統),但也成為最親密的朋友。普朗克於 1906 年公開為愛因斯坦理論辯護,反對一波又一波的懷疑論者,寫信給愛因斯坦說「(我們)必須團結一致」。他將愛因斯坦的理論描述為洛倫茲理論的「延伸」(generalization),並將「洛倫茲-愛因斯坦理論」命名為現在大家所接受的「相對論」。儘管如此,普朗克還是不接受狹義相對論之無可避免的「不需要以太」結論。

普朗克不接受狹義相對論之無可避免的「不需要以太」結論。圖/wikipedia

普朗克是第一位以愛因斯坦理論為基礎來發展的物理學家。他在 1906 年春天發表的一篇文章中,證明愛因斯坦的相對論符合物理學基礎之「最小作用原理」(least action principle):任何物體(包括光)在兩點之間的移動都應該遵循最簡單的路徑,開展了如何在這個新的彈性時空中正確處理物體的動力學。

 普朗克並未履約到伯爾尼拜訪愛因斯坦,只派比他更先獲得諾貝爾獎(1914 年)的助手勞鴻(Max von Laue)於 1906 年夏天去拜訪本以為應在伯爾尼大學任教的愛因斯坦。勞鴻與愛因斯坦兩人相談甚歡,不但成為終生好友,前者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。愛因斯坦謂勞鴻 1911 年所寫的第一本相對論教科書「是一個小傑作,其中的一些內容是他的知識產權」,並從中學習到了一些他後來創建廣義相對論所需的張量(tensor)數學。

瓦特斯頓發展的氣體動力學

瓦特斯頓(John Waterston,1811-1883)是蘇格蘭物理學家,在印度工作期間發展了氣體動力學理論,謂氣體分子與容器表面的碰撞導致我們感受到氣體壓力,正確地推導出理想氣體定律。他於 1845 年投稿到英國皇家學會,但審稿人認為那論文「不過是胡說八道」而被拒絕出版;現在的物理學家都認為馬克斯威(James Maxwell)為氣體動力學(kinetic theory of gases)的創始者。

John James Waterston。圖/Wikipedia

瓦特斯頓去世幾年後,瑞利爵士(Lord Rayleigh,1904 年諾貝爾獎得主,當時的皇家學會秘書)從皇家學會的檔案中挖掘出那篇論文,將它重新發表於1892年的《皇家學會哲學彙刊》上。瑞利爵士警告說:。

(瓦特斯頓)論文的歷史說明了:因為科學界不願在其印刷品中記錄價值不確定的文章,高度投機性的研究⎯⎯尤其是不知名的作者⎯⎯最好(先)通過科學界以外的其它渠道呈現給世界。也許有人可能會更進一步(建議)說,一位相信自己有能力做大事的年輕作家,應該在開始更高的飛行之前,先通過範圍有限、且價值容易判斷的工作來獲得科學界的良好認可。

相信這類事件在物理學上是時常發生的。在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文裡,筆者就提到了 1924 年 6 月 4 日,一位任教於東巴基斯坦的講師波思(Satyendra Bose)將一篇被英國名《哲學雜誌》(The Philosophical Magazine)退稿的論文,轉寄給愛因斯坦,並附函謂「……如果你認為它值得發表,可否請您將它譯出(成德文),投稿到《物理學雜誌》(Zeitschrift für Physik)… 」。波思毫無疑問地是一位「不知名的作者」,那篇文章也毫無疑問地是「價值不確定,高度的投機性」!還好愛因斯坦眼光獨特,否則不但波思可能淪為另一個瓦特斯頓,量子統計力學是否會那麼早就出現就不得而知了。

結論

有歷史學家說普朗克在近代物理上有兩大貢獻,其一是發現量子力學,另外一個則是發現愛因斯坦!愛因斯坦發表那篇「價值不確定」之狹義相對論論文時也是一位「不知名的作者」,因此如果沒有普朗克慧眼識英雄,幫他推銷與辯護,愛因斯坦或許也可能淪為另一個瓦特斯頓,那篇論文可能於 1908 年在閔可夫斯基(Hermann Minkowski)的時空(spacetime)中消失[註]

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、進入學府、及成名應只是遲早的事情。說來有趣,在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文裡,筆者談到了如果沒有愛因斯坦興風作浪,普朗克是否會成為創建近代物理的第一革命先鋒(量子力學);而在這裡我們卻在懷疑如果沒有普朗克拔刀相助,愛因斯坦是否會成為創建近代物理的第二革命先鋒(相對論)。

至於愛因斯坦是否真是首位發現狹義相對論的物理學家,則請待下回分解。

註解

事實上普朗克及愛因斯坦本人完全低估了該篇論文的創見性,認為它只是洛倫茲理論的「延伸」而已。愛因斯坦的數學老師閔可夫斯基於1908年將時間和空間組合成一個現在稱為「閔可夫斯基時空(Minkowski space或spacetime)」的嶄新觀念,奠定了相對論的數學基礎,成為現在物理學家學習、了解、與討論愛因斯坦相對論主要(唯一)工具。

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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。