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《大設計》:當代物理學科普書的必讀之作

EverDark
・2011/10/30 ・1382字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

『——看來我們只是生物機器而已,所謂的自由意志不過是幻覺罷了。』

——史蒂芬.霍金
Stephen Hawking

 

 

雖然久仰其大名,不過這本《大設計》是我第一次接觸霍金的著作。
首先不得不說,不愧為大師級的科學家,其文字擁有可怕的感染力,《大設計》全書讀來恰如醍醐灌頂,十分暢快!

這本書與一般泛論性的科普著作有一個決定性的差異,那就是作者自始至終持唯一看法,並對其深信不疑而作推廣。我們都知道當代量子力學帶來了多少爭議,費曼說「沒有人懂量子力學!」大致上凸顯了此一事實。而《大設計》這本著作它不是一部從各方面角度切入來看待現代物理學諸多哲學意涵的科普書,這本書有它自己的唯一選擇——也就是作者史蒂芬.霍金的選擇。或許也是因為這份專一性,讓這本書具有額外的力道。你最終不見得能被他說服,但你仍然震懾於整套想法的活力甚至可謂是魅力。

霍金的想法在全書裡歸納而言我認為有兩個最重要且基礎的面向,首先就是「科學決定論」的態度——即便量子力學揭發了微觀尺度底下的隨機本質,但這個隨機和我們日常所描述的那個隨機卻又有所不同。當我們在談日常中的隨機,或者機率的時候,反映的其實是我們對特定事實的無知。在巨觀尺度下古典牛頓力學是良好的「等效理論」來描述物質的運行,意味著我們應該能準確判斷一枚硬幣拋出去之後究竟是哪一面朝上,前提是我們知道整個系統所有數值的起始狀態。事實上我們不知道完整的起始狀態,所以硬幣丟擲的結果在我們的觀察中成為受機率掌控的隨機事件。

這在量子事件中卻不然。量子運動的隨機性是大自然本質存在的,本質的隨機。這馬上牽引出一個問題,量子力學的成立是否給予「科學決定論」一記當頭棒喝?霍金的答案是明確的否定。量子力學的登場只意味著新型態的決定論隨之浮現,現在如果給定起始狀態,我們被決定的是各種過去和未來的機率分配。在這樣的框架底下,我們本能就強烈在乎的「自由意志」又位於何處、扮演什麼角色?誰不好奇呢?尤其在當前腦科學實驗進一步發現大腦中動作電位的產生比意識的形成還要更快,我們對這個疑惑的直覺式答案無不動搖。而霍金的答案,就在他的著作裡。

霍金給予肯定的第二個重要概念,則是「模型依存真實論」。(Model-dependent realism,在書中譯為「模型相關真實論」,然而我私自以為「模型依存」這樣的用詞會比「模型相關」更適合這個理論的核心概念。)

講得更銳利一點,事實上所謂的「真實」也只是一種腦輸入訊息,是一種感知,它並不客觀。若我們要談真實——霍金以為——必須在模型的框架底下來談。

『人腦打造了世界的模型,據以詮釋感官輸入;

當模型能成功解釋事件,我們便賦予模型真實的特質。』

如果兩個模型都能正確預測同一事件,它們彼此就沒有誰更加地真實。波粒二象性是這個觀點的良好範例。波動說與粒子說都能解釋微小粒子的行為,那麼它們就都是真實。

霍金在《大設計》全書就以這兩個觀點為骨架,貫串了現代物理學的哲學境地,從相對論、量子力學、標準模型乃至於量子場論、到最後他奉為圭臬的M理論,從微觀事件擴及到宇宙整體的命運,章章引人入勝,絕對是當代物理學科普書的必讀之作!

最後附上本書主要目錄:

1 存在之奧祕
2 法則的支配
3 真實是什麼?
4 多重歷史
5 萬物理論
6 選擇我們的宇宙
7 乍看下的奇蹟
8 大設計

 

 

*本文原文同步發表於Alienatio.

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EverDark
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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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