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M理論和11維空間-《平行宇宙》

PanSci_96
・2015/06/13 ・3535字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

科學家曾以懷疑的眼光審視平行宇宙這一思想,因為它太神秘、太誇張和太離奇了。任何敢於研究平行宇宙的科學家都會受到嘲笑和傷害他的事業生涯,因為即便是現在也沒有實驗證據證明它的存在

但是,近年來潮流急劇改變,本星球傑出的思想家都在極為興奮地探討這一課題。這種突然的轉變是由於一個新的理論,「弦理論」的出現,它的最新版本叫做「M理論」。該理論讓我們不僅有可能揭示多元宇宙的性質,還讓我們能「解讀上帝的心思」,正如愛因斯坦曾經雄辯地指出的那樣。

如果這一理論證明是正確的,這將代表過去兩千年自希臘人首先開始探索單一的、一致的和全面的宇宙理論以來的物理學研究的最高成就。

關於弦理論和M理論所發表的論文數量是驚人的,有幾萬篇。關於這個課題舉辦了幾百次國際會議。世界上每一個主要的大學或者有一個小組在研究弦理論,或拼命地想認識它。儘管此理論不能用我們今天薄弱的儀器來檢測,它仍然激發了物理學家、數學家、經驗主義者的極大興趣。他們希望能在將來利用外太空強大的重力波檢測器和巨大的原子對撞機檢測此理論的正確性。

最終,此理論可能回答自大霹靂理論提出以來一直困擾宇宙學家的問題:在大霹靂之前發生了什麼?

big bang
Source from Matthew Roth

這要求我們運用物理學知識的全部力量,運用幾個世紀以來所積累的每一個物理發現。換句話說,我們需要一個「萬物的理論」,一個包括驅動宇宙的各種物理力的理論。愛因斯坦花費了他生命的最後三十年追尋這種理論,但他最終未能成功。

目前,能夠解釋控制宇宙力多樣性的最重要的(和唯一的)理論是弦理論,或者它最近的化身M理論。(M代表「膜」,也包含「神秘」、「魔法」甚至「母親」的意思。儘管弦理論和M理論基本上是相同的,但M理論是一個更神秘的、更完善的、統一各種弦理論的框架。)

自古希臘以來,哲學家就已推測:最終組成大塊物質的可能是微小的叫做原子的粒子。今天,用我們強大的原子對撞機和粒子加速器,我們已經能夠將原子分裂為電子和原子核,原子核又可分裂為更小的次原子粒子。但是我們找不到一個優雅的、簡單的框架,從加速器發現的是幾百個次原子粒子,名字也很奇怪,如:微中子、夸克、介子、輕子、強子、膠子、W玻色子,等等。很難相信,大自然在它最基本的層次上會產生這麼多令人糊塗的奇異的次原子粒子群。

弦理論和M理論是根據一個簡單的和美妙的思想,即構成宇宙的讓人困惑的各種次原子粒子,類似於可以在小提琴琴弦上演奏的音調,或在鼓膜上演奏的鼓點。(「弦」和「膜」不是普通的弦和膜,它們存在於第10維和第11維超空間。)

傳統上,物理學家把電子看做是無限小的點粒子。這意味著物理學家不得不為他們發現的幾百種次原子的每一個引進不同的點粒子,結果造成十分混亂的局面。但是根據弦理論,如果我們有一個超級顯微鏡能夠探測到一個電子的心臟,我們將會看到它根本不是點粒子,而是一個很小的振動的弦。只是因為我們的儀器太粗糙,它才看上去是一個點粒子。

這些很小的弦依次以不同的頻率振動和共鳴。如果我們撥動這個振動的弦,那麼它就會改變模式,變成另一個次原子粒子,如夸克粒子。再把它撥動,它又將轉變成微中子。用這種方式,我們可以將眾多的次原子粒子解釋為不是別的,而是弦的不同音調。我們現在可以將實驗室看到的幾百個次原子用一個單一的弦這個物體來代替。

用這個新的詞彙,經過幾千年的試驗仔細構造的物理學定律不是別的,只是人們為弦和膜書寫的協調規律。化學定律是人們可以在這些弦上演奏的悅耳音調。宇宙是弦的交響曲。愛因斯坦意味深長地所譜寫的有關「上帝的心思」是整個超空間的宇宙音樂共鳴。(這又產生了另一個問題:如果宇宙是弦的交響曲,那麼有作曲家嗎?我在後面的第十二章討論這個問題。)

宇宙的終結

WMAP不僅讓我們更精確地看到早期的宇宙,它也給出我們的宇宙將如何死亡的最詳細圖片。正如神秘的反重力在創世之初將星系推開一樣,這同一個反重力正將宇宙推向它的最終命運。以前,天文學家認為宇宙的膨脹正逐漸減慢。現在,我們認識到,宇宙的膨脹是加速的,星系正以不斷增加的速度飛快地離開我們

構成宇宙物質和能量百分之七十三的同一個暗能量正在加速宇宙的膨脹,以日益增加的速度將星系推開。太空望遠鏡研究所的亞當.里斯(Adam Riess)說:「宇宙就像一個見到紅燈減慢速度的駕駛員,當紅燈變成綠燈時踩油門加速前進。」

除非有什麼意外的事情發生使這個膨脹過程逆轉,在一千五百億年內我們的銀河系將變成一個孤島,99.99999%的銀河系附近的星系將跑到可見宇宙的邊緣之外。夜晚天空中熟悉的星系將跑到離開我們如此遙遠的地方,以致它們的光線永遠也不能到達我們。

這些星系本身不會消失,但它們離得太遠,我們的望遠鏡不能再看到它們。儘管可見宇宙包含大約一千億個星系,但在一千五百億年後僅能見到局部超星系團中的幾千個星系。在更加遙遠的將來,只有由三十六個星系組成的本地星群構成整個可見的宇宙,幾十億個星系將漂出地平線的邊緣之外。(這是因為本地星群的重力足以克服膨脹力。反過來說,當遙遠的星系離開視野,生活在這個黑暗世紀的任何天文學家可能根本檢測不到宇宙的膨脹,因為本地星系群內部不膨脹。在遙遠的未來,第一次分析夜晚天空的天文學家可能認識不到有任何膨脹,於是得出結論說:宇宙是靜態的,僅由三十六個星系構成。)

如果這個反重力繼續下去,宇宙將最終死亡,形成大凍結。由於深層空間的溫度趨於絕對零度,分子本身都很難運動,宇宙中的所有智慧生命最終將被凍死。在幾兆的幾兆年之後,星星將不再發光,它們的核火因燃料耗盡而熄滅,夜晚的天空將永遠是漆黑一片。宇宙膨脹留下來的僅僅是由矮星、中子星和黑洞構成的寒冷的、死亡的宇宙。更遠更遠的將來,黑洞本身也將蒸發掉它們的能量,留下一個無生氣的由漂浮基本粒子顆粒構成的寒冷的霧。在這樣一個荒涼的寒冷宇宙中,任何可以想像的生命形式實際上都是不可能的。在這樣一個凍結的環境中,熱力學的鐵則不允許有任何資訊傳遞,所有的生命必然滅絕

在十八世紀就有人開始認識到宇宙最終將可能冰凍而死。查理斯.達爾文(Charles Darwin)在評論物理學定律似乎註定了所有智慧生命必將滅亡這一令人沮喪的結局時,寫道:「我相信在遙遠將來的人類,比起現在將是更加完善的生物,一想到人類和所有其他有知覺的生物,在這個長期持續的緩慢過程中註定要完全滅絕,讓人不能忍受。」不幸的是,從WMAP衛星得到的最新資料似乎證實了達爾文的擔憂。

逃往超級空間

物理定律決定了宇宙間的智能生命將註定面臨死亡。但是也有演化定律,當環境改變時生命可以適應環境而生存下去,或者死亡。因為生命不可能適應因凍結而死亡的宇宙,因此為了避免死亡唯一的選擇是離開我們這個宇宙。當宇宙面臨最終死亡的時候,幾兆年後的文明是不是有可能具備了必要的技術,乘坐太空「生命之船」離開我們的宇宙,漂向另一個更年輕、更溫暖的宇宙呢?或者是不是他們能夠利用超級技術構建「時間彎曲」,返回到過去他們自己的那個更溫暖的年代呢?

另一個極端的構思是:有些物理學家提出了一些似乎可信的計畫,利用可利用的最先進物理學,提供最現實的空間入口或通往另一個宇宙的通路。當物理學家計算人們是不是可能利用「外來的能量」和黑洞,找到通往另一個宇宙的通道時,全世界物理實驗室的黑板上充滿了抽象的方程式。幾百萬年到幾十億年以後的文明是不是能在技術上開發出已知的、進入另一個宇宙的物理定律呢?

劍橋大學的宇宙學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawkin)曾俏皮地說:「蟲洞,如果存在的話,會是快速太空旅行的理想通道。你可以穿過蟲洞到星系的另一側,然後趕回來吃午餐。」

如果「蟲洞」和「空間入口」尺寸太小,無法讓大批的人離開我們的宇宙,那麼還有另一個選擇:將高級智慧文明的總訊息量縮減到分子級別,讓它們通過通道,然後在另一端重新自我裝配。用這種方式,整個文明可以將它的種子通過空間通道,然後重建它的光輝。超空間不是理論物理學家手中的玩物,在宇宙面臨死亡時,它是拯救智能生命的最終途徑。

但是要完全理解這些內容的含義,我們必須首先瞭解宇宙學家和物理學家是怎樣經過千辛萬苦才得到這些令人吃驚的結論的。在《平行宇宙》這本書中,我們將審閱宇宙學的歷史,幾個世紀以來在這個領域所產生的矛盾,最後闡述與所有實驗資料相符合的暴脹理論,以及我們不得不接受的多重宇宙的概念。

平行宇宙--正封面

本文摘自《平行宇宙》。本書由暖暖書屋出版社出版

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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強核力與弱核力理論核心:非阿貝爾理論——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/28 ・1733字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

非阿貝爾理論

量子色動力學與弱核力理論有個更為奇特的性質,兩者都是「非阿貝爾理論」 (non-Abeliantheories)。非阿貝爾的意思是強核力與弱核力理論核心(參見【科學解釋 6】)的對稱群代數是不可交換的。簡單來說就是「A 乘 B」不等於「B 乘 A」。

一般人的常識會告訴你,如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣,你用計算機怎麼試答案都不變。一個袋子裝三塊錢、兩個袋子總共是六塊錢;一個袋子裝兩塊錢,三個袋子總共還是六塊錢。

如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣。圖/pixabay

這件事對數字永遠都成立,是千真萬確的事實。然而,我們有個很好的方法能定義出一套數學架構,其中的 AB 不等於 BA。實際上,數學家已經鑽研這個領域很多年了。

條條大路通數學

或許更驚人的是,物理學家竟然也在許多地方應用這套數學,因為某些和物理學相關的事物也是 AB 不等於 BA。矩陣就是我們表示這些東西的一種方式。現在我在倫敦大學學院為新生上的數學方法課就有介紹矩陣力學。以前我的學校制定了一套「新數學」的課綱,所以我在年僅十五歲的時候就多少認識一點矩陣了。

數學的一個矩陣是一群按照行列排列整齊的數字。把兩個矩陣 A 和 B 相乘,會得到另一個矩陣 C,方法是把對應的列和行上面的數字依序相乘。

這種矩陣聽起來可能不像某部電影裡面那掌控一切、創造虛擬實境的超級電腦一樣迷人,卻有用的多。這部電影的角色身穿黑色皮衣,還有出現著名的慢動作躲子彈鏡頭

慢動作躲子彈鏡頭。圖/giphy

我來舉個例子。

你可以用一個矩陣來描述你移動某個物體的結果。相乘的順序(AB 或 BA)在這個例子有明顯的區別。物體先在原地轉九十度再向前直直走十公尺,和先走十公尺再轉九十度,兩種移動方式最後的終點顯然不會相同。假設矩陣B代表旋轉,矩陣 A 代表直行,那麼合在一起的「旋轉後直行」就是矩陣(C = AB);這和「直行後旋轉」的矩陣(D = BA)必定不會相同。C 不等於 D,所以 AB 不等於 BA。要是 AB 和 BA 永遠相同,我們就沒辦法用矩陣來描述這類的移動過程了。正是因為矩陣的乘法不可交換―非阿貝爾,這個工具才會如此有用。

數學和真實世界密不可分

在狄拉克試圖要找出能描述高速電子的量子力學方程式時,矩陣被證實是他所需要的工具。實際上,電子有某項特性讓狄拉克不得不使用矩陣來表示它,這項特性與他描述電子自旋的語言同出一轍;所有原子的行為和元素周期表的規律,都與自旋有深刻的關聯。除此之外,這個性質也啟發狄拉克去預測有反物質的存在。

數學和真實世界之間似乎有緊密的關係,這讓我讚嘆不已。優秀的研究要能解決問題、也要能提出好的問題。而問題永遠比解答還要多,為了研究我們要付出許多的時間和金錢,因此大家得做出抉擇。數學是威力極大的工具,能幫助科學家檢查實驗數據、並從結果當中尋找最有趣的新實驗方向。就算有些方法和結論,好比矩陣及反物質,看起來可是相當古怪的。

秉持著這份精神,我要在繼續討論希格斯粒子搜索實驗之前,先繞個路來講微中子,最後這回要介紹的是一個很重要的真實結果。2012 年 3 月 7 日,中國的大亞灣核反應爐微中子實驗(DayaBay Reactor Neutrino Experiment)發表了最新的研究成果。

One of the Daya Bay detectors.圖/wikipedia

他們的實驗結果不但對標準模型影響重大,也會決定粒子物理學未來的研究走向。如果你只想要繼續讀希格斯粒子的故事,大可跳過這一段沒關係,下一節再見。但是微中子的粉絲可千萬別錯過精彩好戲了!

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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數學有多好用?從種馬鈴薯到上太空,那些我們沒發現的數學——《大自然的數學遊戲》
天下文化_96
・2022/12/25 ・2278字 ・閱讀時間約 4 分鐘

數學的共振系統存在於太陽系中

太陽系的動力系統充滿了共振。

月球的自轉由於受到其他天體的攝動(perturbation),因而有輕微的起伏,不過它的自轉週期與它環繞地球的公轉週期相同,這是自轉週期與軌道週期的「一:一」共振。因此,我們在地球上總是看到月球的同一側,從來無法看到月球的「背面」。

水星每隔五十八.六五日自轉一周,每隔八十七.九七日公轉太陽一周。二乘八十七.九七等於一七五.九四,而三乘五十八.六五等於一七五.九五,因此水星的自轉週期與軌道週期是一個「二:三」共振。事實上,長久以來,天文學家一直以為兩者構成「一:一」共振,以為兩個週期大約都是八十八日。

因為想要觀察像水星這麼接近太陽的行星,實在是一件很困難的事情。這使得天文學家相信,水星的一側熱得不可思議,而另一側則冷得不可思議,最後卻發現事實並非如此。不過共振還是存在,而且比單純的「一:一」更有意思。

在火星與木星之間,有一個寬闊的小行星帶(asteroid belt),其中包含了數千個微小的天體。這些小行星的分布並不均勻,在某些與太陽距離固定的軌道上,我們發現還有些「小行星子帶」,在其他距離上則幾乎找不到它們的蹤跡。這兩者都得歸因於與木星的共振。

火星與木星間的小行星帶。圖/wikipedia

希耳達群(Hilda group)小行星就位在小行星子帶,它們與木星形成「二:三」共振。也就是說,這群小行星所處的位置,剛好使它們在木星公轉兩圈的時間中環繞太陽三圈。而最有名的小行星帶隙(gap of asteroid),則是「一:二」、「一:三」、「一:四」、「二:五」與「二:七」的共振。

各位讀者也許有些擔心,為什麼共振同時能夠解釋小行星帶的叢聚與間隙呢? 答案是每一個共振都具有本身的動力學特徵,某些會造成叢聚效應,某些的作用則剛好相反,全都由共振比例數字來決定。

用數學來預測未來

數學的另一項功能是進行預測。

在了解天體的運動之後,天文學家便能預測月食、日食,以及彗星的回歸等等。他們知道應該將望遠鏡對準何處,才能重新發現運行到太陽背面、暫時無法觀測的小行星。由於潮汐主要是由日、月與地球的相對位置所控制,所以他們也能預測許多年後的潮汐。

(但這種預測的主要困難並非來自天文學,而是大陸的形狀與海底的地形,它們都能使某個高潮提前或延後。然而,即使過了一個世紀,這些地理因素也幾乎不會有什麼改變,因此一旦了解它們造成的效應之後,將這些效應考慮在內只是例行公事。)

反之,想要預測天氣則困難無數倍。對於控制天氣的數學,我們知道的跟控制潮汐的數學一樣多,可是天氣天生就有一種不可預測性。縱使如此,氣象學家仍能做出有效的短期預測,比方說三、四天以後的天氣。不過,天氣的不可預測性與隨機性毫無關聯。在第八章中,當我們討論到混沌概念的時候,將會詳加探討這個題目。

數學所能做的遠不止於預測。一旦了解某個系統如何運作,我們就不必再做個被動的觀察者了。我們可以試圖控制這個系統,讓它照我們的意思行事。可是最好不要野心太大,例如天氣控制就仍處於嬰兒期,我們還無法隨心所欲地造雨,即使天上有一大團現成的雨雲。

控制系統的例子不勝枚舉,從保持汽鍋溫度固定的恆溫器(thermostat)到中世紀式的造林。還有,假如沒有精妙的數學控制系統,太空梭就會在空中橫衝直撞,因為任何太空人絕對沒有足夠迅速的反應,可矯正它固有的不穩定性。至於使用電子式心律調節器幫助心臟病患者,則是控制的另一項實例。

這些例子,讓我們看到數學最為實際的一面,也就是它的實際應用:數學如何造福人群。

隱身文化幕後的數學工具

我們的世界奠立在數學基礎上,數學不可避免地深植於全球文化中。我們並非總能夠了解數學對我們的生活有多大影響,理由是它被人盡可能藏在幕後。

這是很合理的,譬如您找旅行社安排一次度假旅遊時,不必了解設計電腦或電話線的數學與物理理論,也不必了解使某座機場能起降最多架次飛機的最佳化(optimization)程式,或是為駕駛員提供正確雷達影像的信號處理方法。

當您收看電視節目的時候,也不必了解在螢幕上製造特殊效果的三維幾何、藉由衛星傳送電視訊號的編碼方式、解出衛星軌道運動方程式的數學技巧,以及在製造可將衛星送到定位的太空的各個零組件時,每個步驟所應用的數千種不同的數學工具。

還有,農夫在種植新品種的馬鈴薯時,也不必知道遺傳學統計理論,不必知道這理論如何幫助育種學家找出何種基因使這品種具有抗病性。

然而,以前一定有人了解這一切,否則飛機、電視、太空船、抗病性的馬鈴薯都不可能發明出來。現在也需要有人了解這一切,否則它們就不會繼續運作。而將來也需要有人發明新的數學,以便解決新出現的或迄今尚未有解的難題,否則當我們面對某種改變,必須解決新的問題,或是舊問題需要新的解答時,我們的社會便會崩潰。

假如數學以及所有植基其上的發展,突然之間從我們的世界消失,人類社會將在瞬間四分五裂。又假如數學從此停滯不前,再也不會向前邁出一步,我們的文明便會很快開始倒退。

——本文摘自《大自然的數學遊戲 》,2022 年 11 月,天下文化出版,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。