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時間反演:一個簡單的粒子能揭開新物理學

only-perception
・2011/10/13 ・2271字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

一個簡單的原子核就能揭開某種特性,那與稱之為時間反演(time reversal,時間逆轉)的神秘現象的相關,且導致對物理學中最大謎題之一 — 宇宙中物質與反物質的不均衡 — 的一種解釋。

物理世界最近受到一則新聞的震撼:有一類稱為微中子的次原子粒子也許超越了光速。

為新點子的輕率加油添醋, Arizona 大學理論物理學家 Bira van Kolck 最近提出,以另一種小粒子,稱為氘核(deuteron,重氫核),進行實驗,將導致對物理學家所面對最令人挫敗的難題之一 — 宇宙中物質與反物質的不均衡 — 做出一種解釋。

氘核是一種簡單的原子核。它的簡易性使得它成為核子物理實驗中的最佳目標之一。

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氘核有種特性稱為「磁四極矩(magnetic quadrupole moment)」,能揭露「時間反演違逆(time reversal violation)」這種現象的來源,Van Kolck 以及同僚,包括最近從 UA 畢業的博士生 Emanuele Mereghetti,在最近一篇發表於 Physical Review Letters 的論文中報告。

物理學家所認識的絕大部份宇宙可由粒子物理學的標準模型來解釋。由 Van Kolck 的前指導教授、諾貝爾桂冠 Steven Weinberg(溫伯格)所開發,標準模型描述牛頓運動定律到次原子粒子行為(量子力學)的每一件事。

“這個理論幾乎解釋了到目前為止我們對於宇宙所知的每一件事,” Van Kolck 說。”然而,” 他補充,”這裡有個問題,標準模型無法解釋。”

“好比光子與中子 — 此粒子構成原子的核心 — 每種粒子都有所謂的反粒子,如反光子或反中子這些東西。宇宙的粒子似乎比反粒子多了許多,” Van Kolck 說。”所以,這有個問題:為何在粒子與反粒子之間,宇宙似乎有這樣一種不對稱存在。”

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“目前的跡象是,宇宙始於一種非常稠密的狀態,某些人稱之為大霹靂,並從那演化而來。如果我們能證明,「宇宙伊始時粒子與反粒子數量均衡,而目前我們觀測到有更多粒子的這項事實,現在能用宇宙演化中的過程來解釋」,這將會十分吸引人。”

當事物看起來不平衡時,物理學家問為什麼。解釋可能位於時間反演現象中的罕見違逆。

時間反演?

“讓我們假設你在玩撞球,” Van Kolck 說。”你有二顆撞球且你敲它們使其在桌上對撞。假設你把過程拍下,但你把影片以倒轉方式播放。如果你沒有告知觀者正在看的版本那個是向前、哪個是向後,那麼此人將無法區別。”

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與影片中一樣,時間在描述我們世界的等式中可以顛倒,而等式仍然維持平衡。

例如,你車子的最大速度是它每小時可含括的哩數,對於物理學家來說則是距離除以時間。如果時間反演,所以那變成了一個負數,等式依然平衡,因為速度與距離的幅度(magnitudes,數的絕對值)維持相同。

你說,且慢。時間只朝一個方向前進:人變更老,不是變更年輕。

“這是一種顯著的時間方向,” Van Kolck 說。”那與初始狀態有關。我們可以有在二種方向上均有效的物理定律,但仍出現時間有方向的現象。”

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“讓我們繼續提到撞球的例子,” Van Kolck 說。”當遊戲開始時,桌上有一副排成三角形的球,然後有人將一顆球射入這堆球,導致所有的球四散。如果你倒著播影片,絕大部份的人會說,在原始電影中有個方向,因為你不太可能用正確的速度開所有的球,使它們相撞,全部的球停下後,形成三角形,然後只有一顆球跑出來。”

“我們感知某種偏好方向的理由與這個事實有關:從一種簡單的初始狀態開始比從非常複雜的狀態開始要更容易,” Van Kolck 說。所以時間可在物理學方程式中逆轉而不會影響結果,不過時間逆轉的效應在我們的日常生活中仍無法察覺。

“一直到 1960 年代,物理學家認為當時間變換(transformation)成負數時間,物理學定律完全不變,” Van Kolck 說。”他們接著發現,有些涉及次原子粒子的現象似乎稍微違逆了這種對稱。”

換言之,如果你拍攝桌球影片,然後以倒轉方式播放,倒轉的版本與正常播放的版本事實上會有一點點的差異 — 如同 “母體(譯註:指電影《駭客任務》中的那個母體)中的小瑕疵。”

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“那好像在某方向上發生的某些事情的過程,與相反版本相較,不會以相同的速率發生,” Van Kolck 說。這種現象稱為時間反演違逆。

當時間反演被違逆時,等式將無法平衡;你的車跑的不會像回程時那樣快。物理學家認為,正是這種不平衡,也許能解釋宇宙中數量不相等的物質與反物質。

當物理學家首度在次原子粒子中開始尋找時間反演違逆的來源時,他們測量過粒子的一些特性,稱電偶極矩(electric dipole moments,EDMs)。

EDM 是由次原子粒子的一種特性所產生,稱為自旋。自旋能被視覺化成,一個粒子繞著它的中心旋轉,而不是像地球那樣繞著它的軸自轉。

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時間反演時,自旋看起來會顛倒,如同一部粒子的影片倒轉播放。但為了等式的平衡,EDM 得等於零。任何非零值將會產生不一樣的等式結果 — 倒轉版本的影片事實上與正常播放的版本不同。

“物理學家得要尋找粒子的 EDMs,因為如果你測得一個,你就知道時間反演受到違逆了,” Van Kolck 說。”我們知道,在標準模型中有非常少的一點點的時間反演違逆。但那似乎不足以解釋物質/反物質的不對稱,因為時間反演的違逆非常小。所以,我們正尋找產生其他過程的來源,而我們在此過程中會看到這種現象。”

然而:”測量單單 EDMs 並不會告訴你許多,” Van Kolck。”那會告訴你一些,不過我們所證明的是,如果你能測量氘核的另一種特性,稱為磁四極矩(magnetic quadrupole moment),那麼你就更能辨別此機制。”

“如同電偶極,磁四極(magnetic quadrupole)違逆了時間反演對稱,” Van Kolck 說。他與他的同僚確定時間反演違逆的機制,那與氘核之磁四極矩的不同測量方式相關。

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“在分離這些機制上,先前沒人指出這會是一種如此有效的方法,” Van Kolck 說。”我們正提倡,人們試著去測量磁四極矩以了解時間反演違逆的來源。”

揭露先前未知的 t-violation 來源,能導致對物理學所面臨的最大問題之一做出解釋:宇宙中物質與反物質不均勻的理由。

以氘核進行的實驗,將探索的能量規模與 CERN 的 LHC 相同,且能導致物理學中的全新發現,Van Kolck 表示:”那是一種在標準模型之外,看待物理學的不同方法。”

資料來源:PHYSORG:Time reversal: A simple particle could reveal new physics[October 11, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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