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蟻人Q&A-在虛構中尋求真實感一定有問題

A編
・2015/08/19 ・1438字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

上回的「物理也說:『沒錯,蟻人可能會回不來。』」深獲大家關愛,本人不勝惶恐(跪)。而我在下方討論串中,看到幾個有趣的問題。今天,還是秉持著學過物理的優良傳統(三觀盡毀與偏執),跟大家分享這些問題以及可能的回答。

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Q1:縮小到那個尺度,應該什麼都看不到吧?

A:要回答這個問題,我們得先想想如果眼睛變小的話會發生什麼事情,最直接就是眼睛瞳孔的孔徑勢必會縮小,而這時我們不得不討論所謂「繞射現象」。這裡容我節錄Halliday中的句子:

「繞射現象使得將電磁波以射線表示的幾何光學有所限制……只有在障礙物、狹縫或是孔徑大小不會相等或小於波長的時候,幾何光學才成立。」

Single_Slit_Diffraction_First_Minimum.svg
單狹縫繞射 來源:wiki

也就是說,當眼睛孔徑縮小到可見光波長以下,可能會無法正常運作。

Q2:質量不變那密度不就爆增?螞蟻為什麼不會被踩死?

A:是的,按照電影中的設定的確是那樣,而且坦克車也沒辦法當作鑰匙圈。這裡不訪想想,僅是改變原子間的距離,能夠縮到無限小嗎?難道原子是不佔體積的?

Q3:為什麼縮小到一奈米後路徑會不穩定?

A:有人回答不確定性原理(曾被稱為測不準原理),的確這是目前我能想到最好的解釋。詳細解釋可以參考海森堡的測不準原理,總之,只要觀察則必然會有最小誤差。而這必然誤差,理論上非常小,巨觀世界中並不需要考慮。

Q4:如果縮到量子級數,不確定性原理還會有效於蟻人嗎?

A:不知道,但應該會吧?不過首先必須要有另外一個觀察者來證實。

Q5:在還沒縮小至量子尺寸前,該生物早已死亡。主要是因為面積與體積比已經無法達到產熱及散熱平衡。

A:不知道(真的)。如果把蟻人裝看成一個裝著人類分子的密閉容器,就可以借用理想氣體方程(PV = nRT)來模擬看看,為了維持容器內所有分子造成的壓力固定(人不會被擠爛)且總體積縮小,必須讓整體溫度降低才行……(大概吧?)。

Q6:我在想…會不會那”縮小”同時也影響到和希格斯場的互動造成質量也縮小,而體積和質量的縮小比例不太一致,可能體積縮成跟螞蟻一般但質量大概從九十公斤縮成九公斤或更小,於是造成動作不符合九十公斤重的螞蟻以及地板沒被壓爆等等怪現象?

A:實在,就是,不知道(被揍)。那不過是科幻,認真你就輸嘍(被揍飛)。這問題要問正在研究該專業領域的人才知道,我沒辦法對這方面提供任何觀點。

——————————————————————————————————

想想生活周遭的事物,對幾百年前的人來說,就如同像科幻小說令人無法接受。曾經被當作瘋子的預言家,最後當然還是被當作瘋子!不過運用現有的科學,思考他們的幻想,或許可以找到一些迷人(但可能無用)的可能性。

如果您還有更多疑難雜症想要討論(不一定是蟻人),或對上述我不知道的問題有所感想,也歡迎您在下方留言跟大家一起討論喔!

參考文獻:
Walker, J., Resnick, R., & Halliday, D. (2008). Fundamentals of physics. Wiley.
蕭如珀、楊信男譯。海森堡的測不準原理,物理雙周刊,32卷1期。
國立師範大學物理系Wiki。繞射
科學online。理想氣體方程

文章難易度
A編
9 篇文章 ・ 21 位粉絲
PanSci 編輯|讀物理毀三觀的科學宅,喜歡相聲跟脫口秀,因為它們跟我一樣是個笑話。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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