***生命科學閱讀之 4 ***
世界從何而來,生命從何而來,心智從何而來?
量子科學是否能夠解釋這一切?
(有中文版)
“There‘s Plenty of Room at the Bottom" — Richard Feynman
(在最底下的微小的世界中,還有很大的探索空間— 諾貝爾物理學獎得主費因曼)
這是去年第一波疫情期間宅在家買的書,當時覺得如果牛頓在家工作期間可以發展出微積分的概念,那我只是嘗試了解量子科學應該還好吧?可是心裡還是有覺得困難的障礙所以就拖到今年這波疫情,跟著其他生命科學相關的書一起讀。有點難度,但真的好有趣。讀完真的覺得對於感覺困難的東西,不要太快自我設限啊!
這本算是難度比較高的科普書籍,但作者盡量用我們一般人可以理解的現象當成切入點。在我們肉眼可看到的世界牛頓的物理學基本上都是可以充分解釋的。當愛因斯坦把思考的框架拉到整個時空,就發現在那個世界當中古典物理學的概念不能解釋,於是產生出他的相對論。而當我們反向進入極為小的世界當中,發現量子完全不是按照我們平常的邏輯在運作時,感覺又開啟了一個嶄新的世界觀。20世紀初著名的物理學家薛丁格,提出所謂「薛丁格的貓」這個思想實驗,就是已經進入到量子物理學的開端,讓他開始思考是否在更微小的量子級別當中,他們有一套截然不同的運作原理呢?接下來數十年開發出的實驗方式和測量儀器當然就更精準了,看到了量子可以跳動,可以有類似穿牆的能力,甚至可以同時擁有好多不同的狀態(不是只有0和1)。我們真的需要開始跳脫數位的思考,進入量子的世界,才有可能揭開它無窮的潛力。
首先他從候鳥遷徙的故事開始講到基因,這個攜帶生命資訊的程式,到底是如何延續下去以及當中如何產生變化的。我們現代的人比較了解基因和DNA一代一代抄寫下去的概念,可是對於中間變異或是凸槌(例如癌細胞)的部分,卻一直沒有夠好的解釋。記得小時候自然課會講到演化,常常會舉的例子就是那個脖子可以伸最長的長頸鹿才能吃到葉子所以適者生存。從某些角度來講是有它的道理,但脖子在伸長的資訊為什麼這樣的資訊會傳到下一代呢?作者用量子物理學補足了這樣說法當中一些論證不足之處。
再來就是講到能量和動能,即便我們能組合出所有需要的分子,但是所謂的「生命力」是從何而來呢?我很新奇的讀著作者講到大自然中,小學生都知道的「光合作用」,竟然是這麼一個不可思議,效率極高的動能引擎。從工業時代設計的蒸汽機,或是現代的燃油引擎,以及最尖端的發電動能,都無法與光合作用的效能相比。
最後講到人的心識思想和做夢,這是古典物理學完全不能解釋的。作者先帶著我們把人腦和腦細胞想成是類似電路的概念解釋,然後在討入量子物理學驅動實體世界的觀點,才發現原來我們的人腦可能就是一個設計令人讚嘆的量子電腦啊!經他這麼一解釋,我也才稍微明白量子電腦為什麼會有這麼大的潛力,但也明白量子電腦現在為什麼這麼難模擬和製作。
作者最後用一個很有趣的圖來比喻古典物理學和量子力學中間的關係。如果說我們生活的這個實體世界像是航行在海上的一艘船,這艘船受到海面上的浪以及外面的風所影響。但船底下的這個還是深不可測的,他下面有一大部分的底層是由熱力學來支撐的,熱力學底下就是量子物理力學。當上面船隻的航行和節奏與最底層一致的時候,即便有風浪也還算能夠平靜行駛。但是當這樣子的連結被打斷的時候,船就很容易覆沒,而一旦覆沒,也是一個不可逆的現象了 (例如基因突變或是死亡)
探索世界無止境的奧秘,不管是物理,化學,天文,還是生命科學,總會有一種敬畏的心。就像牛頓所說的 :
“我不知道世界怎麼看待我,但我認為我就像沙灘上玩耍的一個男孩,投入在探索中。偶爾會找到一個圓滑的石子,或是一個不尋常的漂亮貝殼。而在我的前方一片像是汪洋大海的真理,等待探索”
“I do not know what I may appear to the world, but to myself I seem to have been only like a boy playing on the seashore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, while the great ocean of truth lay all undiscovered before me”
全文與中文版鏈接在部落格中
https://dushuyizhi.net/life-on-the-edge-%e8%a7%a3%e9%96%8b%e7%94%9f%e5%91%bd%e4%b9%8b%e8%ac%8e/
#lifeontheedge #quantumbiology #quantumphysics #量子科學 #量子物理學 #量子生物學 #解開生命之謎
同時也有1部Youtube影片,追蹤數超過1,790的網紅李基銘漢聲廣播電台-節目主持人-影音頻道,也在其Youtube影片中提到,本集主題:「我們都是時間旅人:時間機器如何推動科學進展,影響21世紀的人類生活」新書介紹 專訪企劃:林進韋 內容簡介: 改變過去X回到未來 當代科普大師葛雷易克 打造現代歷史、哲學、文學、影視和科學中的時間文化誌 ◆ H•G•威爾斯的《時間機器》,告訴我們動動按鈕就能回到一萬年後...
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譚新強:不可輕視拜登 更不可輕視美國
拜登雖是美國史上年紀最大的總統,競選時更經常被特朗普形容為老人癡呆,但上任尚未夠100天,已做了不少事情,不禁令人刮目相看。
最重要成就當然是加速接種疫苗,現今速度已提升至每日近300萬劑,已接種最少一針人數已超過1億人。近日拜登宣布上任100天的接種目標由1億劑翻倍提升至2億劑。
拜登認真治疫,成效立竿見影,每天確診人數已從非常恐怖的30萬,死亡人數4000多,回落至每天確診約6萬,死亡約700。社會逐漸重開,上周復活節期間,每天飛機乘客數目已回升至約150萬,因此美國疫情亦已呈反彈迹象。拜登苦口婆心,提醒國人抗疫仍未成功,且變異病毒已殺入美國,必須維持社交距離;但很多人不理,馬上衝出去玩,民族性格使然,無辦法!
美國接種疫苗速度比全球大部分地區快(中國務必急起直追),總算對國民有點交代,但亦體現美國的無比自私,囤積大量疫苗,導致大多數貧窮國家拿不到,已出現世衛警告的「災難性道德失敗」。即使西方各國也出現醜陋疫苗爭奪戰,加拿大雖已訂購5倍人口的超比例疫苗數量,但仍出現嚴重缺貨情况,已宣布第二針疫苗接種時間將延遲4個月,有效性必然降低。歐洲更慘,正面對第三浪的變異病毒,但BioNTech疫苗供應不足,阿斯利康(AstraZeneca)疫苗又確有嚴重問題,出現不少相關血栓死亡個案,不少歐盟國家又再停止使用。香港政府和不少香港人迷戀英國,聽到牛津已肅然起敬,但科學歸科學,人命關天,在此再次呼籲,港府應盡快取消阿斯利康疫苗的訂單。
拜登治疫有功,民望不錯,現支持率53.6%,遠比特朗普同期的40.4%高,所以有足夠動力促使國會通過1.9萬億美元的緊急刺激方案。且得勢不饒人,拜登連消帶打,繼續推銷高達2.3萬億美元的基建方案,同時亦建議把企業所得稅提升至28%。共和黨人當然極力反對,批評計劃中包含大量浪費。民主黨方面,參議員桑德斯(Bernie Sanders)、沃倫(Elizabeth Warren)和眾議員奧卡西奧—科特茲(Alexandria Ocasio-Cortez, AOC)等,則批評方案仍未到位,需要更宏大綠色經濟計劃,亦應增設針對億萬富翁的「財富稅」(wealth tax),但亦有較傳統民主黨人如前財長薩默斯擔心過度刺激經濟,引發通脹重臨,經濟變得過熱,反而縮短經濟增長期。
美多管齊下 今年GDP增長或達7%
治疫有進展,加上接近現代貨幣理論(Modern Monetary Theory, MMT)的極度寬鬆貨幣政策,再加上接近全民基本收入(Universal Basic Income, UBI)的財政刺激政策,美國經濟強力反彈,預測今年GDP增長或高達7%,或比中國還要高!上月美國新增職位超過90萬份,失業率降至6%,估計年底前可回落至5%以下。市場確有點擔心通脹,10年債息一度回升至1.75厘,但現已回落至1.65厘。一如聯儲局主席鮑威爾所說,通脹長期低於2%目標,通脹預期不可能一下子改變過來,即使短暫超標也不用擔心,反而是好事。2月PCE報1.4%,PPI升至2.8%,但只反映經濟剛重開,不少供應鏈出現短暫供不應求情况,例如半導體芯片。不少人本預測美元,在財赤大增下,必大幅貶值,但今年美匯指數不跌,反微升了2%。美國最擅長的股市就更厲害,拜登上任至今,標指已升了6%,比最吹水的特朗普同期表現的4%還要好。早說過民主黨執掌白宮時代的股市表現比共和黨更好!
更重要的是拜登的所謂「美國救援計劃」(American Rescue Plan),並非只是一個短期拯救方案這麼簡單,部分為福利政策的結構性改革,包括為單親媽媽提供長期援助,對少數族裔幫助最大,有人甚至預測可減少貧窮人數30%!分為8年的基建方案,長遠作用應更大,不止將翻新日久失修的公路、橋樑、隧道和機場等設施,更將大力推行電動車與充電樁網絡,同時提升電網和再生能源。部分計劃亦包含大量增加教育和科研經費。
主流傳媒如《紐約時報》,已開始吹捧拜登正帶領着一場影響深遠的「大政府革命」,推翻從40年前開始的所謂「列根革命」,列根當年在就職演講中說:「Government is not the solution to our problem, government is the problem」。今天面對疫病大流行和全球氣候變化等問題,不可能倚賴個人或企業來解決,確需要強大和有遠見的政府來領導政策,其實更需要全球合作。
美國擅長打造超級大牛市
有人指出,2008年美國次按引發金融海嘯,結果由中國放水4萬億人民幣大建高鐵,帶領全球走出危機,但至今仍在消化債務。今次疫情,不論源頭,大規模爆發確從武漢開始,但中國經濟政策一直克制,反而美國不停放水,現在更計劃以扶貧和基建來刺激經濟,明顯在模仿中國行之有效的大政府政策!所以有些人亦預測美股表現將近似2009年金融海嘯後的A股,今年見頂,然後徘徊數載。
股市很難講,什麼都有可能,亦未必與實體經濟有太大關係。但按過去經驗,美國最擅長(中國相反)的正是打造愈來愈長,可以長達10年,甚至20年的大牛市。去年牛市終被疫情打斷了,但反彈亦超預期般迅速,未到年底已創新高。我無意估頂,但美國充滿流動性,且投資者永遠樂觀,不少人已在討論會否再現一次「咆哮的二十年代」(Roaring Twenties)?雖百年前的世紀泡沫最終也爆破,更招來大蕭條,但黃金十年,如小說《大亨小傳》(The Great Gatsby)中的燦爛派對,所有人紙醉金迷,活在當下,誰管過後的「宿醉」(hangover)有多痛苦!
在2001年,「股神」巴菲特(Warren Buffett)提出了一個他認為是市場價值的最佳指標──股市總值兌GDP比例,自此被稱為「Buffett Indicator」(BI)。巴菲特的建議非常簡單,如BI跌至70%至80%,買入股票的中長線贏面非常大;但當BI升至200%時,他形容危險程度就有如玩火。BI有點像諾貝爾經濟學獎得主席勒(Robert Shiller)的周期調整市盈率(Cyclically Adjusted Price-Earnings Ratio, CAPE),有參考價值,但未必能幫你發達。BI在1999至2000年科網股1.0泡沫期,一度短暫升至200%,不久之後就爆破(巴菲特也是事後孔明)。2008年全球金融危機前夕,BI反而只約140%。
我近日剛想起BI,無獨有偶,前天竟看到馬斯克(Elon Musk)向「女股神」Cathie Wood垂詢有關BI問題:「標普500總市值兌GDP比例已達150%,總市值BI更高近230%,市場是否已亮起紅燈?」近日Wood手風雖不太順,但仍不失其大好友風格。她答案兩點,分母和分子,分母的GDP產自工業革命年代,早已過時,不能準確量度數據年代的生產力進步,因此嚴重低估了GDP數值。我也有同感,但總不能說說就算,必須有完整理論和數據支持。分子方面,Wood認為現今科技經濟已逐漸成熟,有盈利支撐,且增長快速,跟2000年時不可同日而語。她更提到通脹溫和,證明盈利質素變得非常高,言下之意即是股市合理估值,可較從前的水平高。
大政府革命倘成功 美貧富懸殊將拉近
大致上贊同她的解釋,但漏了其他4個重點:
(1)利率水平對合理價值有極大影響,所以能否支撐高BI水平,取決於聯儲局掌控能力。通脹不足為懼,加密貨幣(crypto)功能在炒,並非替代美元,人民幣國際化遙遙無期,在在反映可見將來,美元地位穩如泰山。
(2)拜登的大政府革命亦很關鍵。如成功,貧富懸殊拉近,社會變得較穩定平和,綠色高科技經濟亦可帶來很多創新機會。
(3)美國亦非常擅長操控傳媒。雖然不少世人已看穿西方傳媒的假面具,但無奈中國傳媒影響力仍遠遠不及西方。美國人包括傳媒,不論左右,都自誇非常愛國。愛國固然是高尚情操,但絕對沒有中立,愛國必須偏頗,必會有雙重標準。愛國與國家主義,甚至種族主義,只有一線之差,差別區分亦非常主觀。在中國崛起的世紀挑戰面前,西方傳媒絕不會示弱,絕不會大力自我批評股市泡沫,只會久不久提醒一下,製造一些健康調整,使到慢牛股市走得更久更遠。
(4) Wood漏了最重要的一點是美國企業雄霸全球。數據年代,美國Big Tech的全球優勢,可能比石油年代的埃克森美孚(ExxonMobil)、通用汽車(GM)和波音(Boeing)更大。FAAMNG等企業的盈利來自全球,增長快速,賽道仍很長。所以根本以美國股市總值跟美國本土GDP作比較,已很過時,意義也不大。要比的話,可能要以全球GDP減去中國GDP作為分母來計算。
兩三年前,不少中國科技龍頭企業如阿里(9988)、騰訊(0700)、華為、字節跳動和小米(1810)等,雄心勃勃,都有衝出國際,跟美國Big Tech一較高下,爭奪全球巿場霸權的壯志。不幸經歷不公平的貿易和科技戰,和不停的無道德底線抹黑,已形成對中國企業極不利的國際環境。
被美國打壓的企業如華為和字節跳動,中國比較支持。較莫名其妙的是對尚未被美國真正開火的科技龍頭如阿里和騰訊等,自己反而有點過敏,已急急展開反壟斷調查。近日美國最高法院,極少開金口的大法官托馬斯(Clarence Thomas),也提出有可能需要把Big Tech監管如公共事業。但為時尚早,即使有監管,美國也絕不會愚蠢到真的搞死FAAMNG等科技龍頭企業,他們對美國的全球霸權太重要了。
中國科技龍頭創始人「退休」是浪費
中國科技龍頭的CEO廚房已變得超熱,不少創始人紛紛急流勇退,有的享受打打太極,打打高爾夫球的「退休」日子,有的搖身一變成慈善家。有的更妙想天開,人到中年,突然想重拾當科學家的初心。志氣可嘉,但不幸科學家跟運動員一樣,黃金時間都在少年,大部分的偉大發現如牛頓的萬有引力,愛因斯坦的狹義相對論,以至薛丁格的量子力學方程式,都是在30歲前完成的。相反,對企業家來說,40歲後的中年,才是黃金時間。年輕企業家提早「退休」,可能有助宣泄仇富情緒,但其實是一種可惜的浪費,亦對真正收窄貧富懸殊沒甚幫助。
壟斷固然不好,有一定經濟代價,扼殺不少初創企業的創意、盈利,甚至生存空間。一個餅分得較平均,亦確對社會和諧有幫助。但說到底,不可太過故步自封,無論人口或GDP,中國都只佔全球20%不到,如何先把餅做大,爭取更大市場份額,不是更重要嗎?
勿忘西方人喜征服全球
最近拜登已說得很明白,美國加上歐洲和亞洲盟國的GDP,佔全球的60%,遠比中國大。言下之意是只要團結,定必能抑制中國崛起。
中國雖已表明發展的目的並非超越美國,而是不斷超越自我。但請不要忘記西方人(尤其美國人)的特性,從十五世紀的航海探險年代起,已喜歡征服全世界。雖說帝國主義年代已過去,但西方人仍霸佔全球最大面積,最肥沃的土地,絕大部分發達國家亦屬於西方人。現今數據年代,除軍事外,資訊科技最重要,其實金融也只是資訊行業的一種。美國企業擁有無止境野心,即使中國只安於現狀,美國也絕不會長期接受此「8比2」的比例,仍必企圖攻破防線,征服中國市場。
最後想起華盛頓的至理名言:「進攻才是最好的防守。」
(中環資產持有GM、facebook、Amazon、Apple、Microsoft、Netflix、Google、阿里、騰訊及小米的財務權益)
中環資產投資行政總裁
[譚新強 中環新譚]
愛因斯坦與愛丁頓 在 余海峯 David . 物理喵 phycat Facebook 的最佳解答
【立場轉載】【2020 諾貝爾物理學獎】廣義相對論與宇宙最黑暗秘密
打風落雨留在家,為何不試試學習黑洞的理論呢?😹😹😹
//諾貝爾獎有三個科學奬項,我們在學校也習慣以「物理、化學、生物」等不同科目去區分不同科學領域。這種分界當然能夠方便我們以不同角度去理解各種自然現象,但大自然其實是不分科目的。科學最有趣的是各種自然現象環環相扣,我們不可能只改變大自然的某一個現象而不影響其他。就好像蝴蝶效應,牽一髮而動全身。
廣義相對論間接推論暗物質存在的必要
廣義相對論是目前最先進的重力理論,它能夠解釋迄今為止所有實驗和觀測數據。然而,天文學家發現銀河系的轉速和可觀測宇宙的物質分佈,都顯示需要比觀測到的物質更加多的質量。這是物理學的其中一個未解之謎,有時會被稱為「消失的質量」問題。那些「應該在而卻看不到」的物質,就叫做暗物質 (dark matter) 。
有些物理學家猜測,會否根本沒有暗物質,而是廣義相對論需要被修改呢?他們研究「修正重力 (modified gravity) 」理論,希望藉由修正廣義相對論去解釋這些觀察結果,無需引入暗物質這個額外假設。可是從來沒有修正重力理論能媲美廣義相對論,完美地描述宇宙一切大尺度現象。
天文學研究向來難以得到諾貝爾獎,因為天文發現往往缺乏短期實際應用。然而過去十年之間,有關天文發現的研究卻得到了五個諾貝爾物理學獎。換言之,過去幾十年間改變人類對宇宙的基本認知的,有一半是來自於天文現象。其中有關廣義相對論的包括 2017 年的重力波觀測、 2019 年的宇宙學研究,以及 2020 年的黑洞研究。
不過很少人提及這三個關於廣義相對論的發現其實同時令暗物質的存在更加可信。因為這些發現測量得越精確,就代表廣義相對論的錯誤空間更小。換句話說,物理學家越來越難以靠修正重力去解釋「消失的質量」問題,所以暗物質的存在就越來越有其必要了。
換句話說,如果證明黑洞存在,其對科學的影響並不單止是為愛因斯坦的功績錦上添花,而是能夠加深人類對構成宇宙的物質的理解。
描述四維時空的圖
談黑洞之前,我們首先要理解一下,物理學家是如何研究時空的。研究時空的一種方法,就是利用所謂的時空圖 (spacetime diagram) 。一般描述幾何空間的圖,在直軸和橫軸分別表示長和闊,形成一個二維平面。有時更可按需要加多一條垂直於平面的軸,代表高度。長、闊、高,構成三維空間。但如果要再加上時間呢?那麼就再在垂直於長、闊、高的第四個方向畫一條軸吧。咦?
怎麼了,找不到第四個方向嗎?這是當然的,因為我們都是被囚禁在三維空間之中的生物。如果有生活在四維空間裡的生物,牠們會覺得我們很愚蠢,問我們:「為什麼不『抬頭』?第四個方向不就在這邊嗎?」就像我們看著平面國的居民一樣,在二維生物眼中,牠們的世界只有前後左右,沒有上下。到訪平面國的我們也會問:「為什麼不『抬頭』?第三個方向不就在這邊嗎?」但牠們無論如何也做不到。
宇宙是三維空間,另外加上時間。如果要加上時間軸這個「第四維」的話,我們就必須犧牲空間維度。物理學家使用的時空圖就是個三維空間,直軸代表時間(時間軸)、兩條水平的橫軸代表空間(空間軸)。當然,把本來的三維空間放在二維的平面上,我們需要一些想像力。在時空圖上,每個點都代表在某時某地發生的一件事件 (event) ,因此我們可以利用時空圖看出事件之間因果關係。一個人在時空中活動的軌跡,在時空圖上稱為世界線 (world line) 。
由於時間軸是垂直的,並且從時空圖的「下」向「上」流動。一個站在原地位置不變的人的世界線會是平行時間軸的直線。由於光線永遠以光速前進,光線的世界線會是一條斜線。而只要適當地選擇時間軸和空間軸的單位,光線的世界線就會是 45 度的斜線。因為沒有東西能跑得比光快,一個人未來可以發生的事件永遠被限制在「上」的那個由無數條 45 度的斜線構成的圓錐體之間,而從前發生可以影響現在的所有事件則永遠在「下」的圓錐體之間。這兩個「上」和「下」的圓錐體內的區域稱為那個人當刻的光錐 (light cone) ,而物理學家則習慣以「未來光錐 (future light cone) 」和「過去光錐 (past light cone) 」分別表示之。
所有東西的世界線都必定被位於未來和過去光錐之內。在沒有加速度的情況下,所有世界線都會是直線。如果涉及加速,世界線就會是曲線。而廣義相對論的核心概念,就是重力與加速度相等,兩者是同一種東西。因此我們就知道如果在時空圖上放一個質量很大的東西,例如黑洞,那麼附近的世界線就會被扭曲。不單是物質所經歷的事件,連時空也會被重力場扭曲,因此時空圖上的格網線和光錐都會被扭曲往黑洞的方向。換句話說,越接近黑洞,你的越大部分光錐就會指向黑洞內部。因為你的世界線必須在光錐之內,你會剩下越來越小的可能逃離黑洞的吸引。
2020 年的諾貝爾物理學獎一半頒給了彭羅斯 (Roger Penrose) ,以表揚他「發現黑洞形成是廣義相對論的嚴謹預測」。在彭羅斯之前的研究,大都對黑洞的特性作出了一些假設,例如球狀對稱。這是因為以往未有電腦能讓物理學家模擬黑洞,只能用人手推導方程。但廣義相對論是非線性偏微分方程,就算不是完全沒有可能也是極端難解開的,所以物理學家只能靠引入對稱和其他假設去簡化方程。因此許多廣義相對論的解都是帶有對稱假設的。這就使包括愛因斯坦在內的許多物理學家就疑惑,會不會是因為額外加入的對稱假設才使黑洞出現?在現實中並沒有完美的對稱,會不會就防止了黑洞的出現?
黑洞只是數學上的副產品嗎?
彭羅斯發現普通的高等數學並不足以解開廣義相對論的方程,因此他就轉向拓撲學 (topology) ,而且必須自己發明新的數學方法。拓撲學是數學其中一個比較抽象的分支,簡單來說就是研究各種形狀的特性的學問。 1963 年,他利用一種叫做共形變換或保角變換 (conformal transformation) 的技巧,把原本無限大的時空圖(因為空間和時間都是無限延伸的)化約成一幅有限大小的時空圖,稱為彭羅斯圖 (Penrose diagram) 。
彭羅斯圖的好處除了是把無限縮為有限,還有另一個更重要的原因:故名思義,經過保角變換後的角度都不會改變。其實在日常生活中,我們經常都會把圖變換為另一種表達方式,例如世界地圖。由於地球表面是彎曲的,如果要把地圖畫在平面的紙上,就必須利用類似的數學變換。例如我們常見的長方形或橢圓形世界地圖,就是利用不同的變換從球面變換成平面。有些變換並不會保持角度不變,例如在飛機裡看到的那種世界地圖,在球面上的「直線」會變成了平面上的「曲線」。
扯遠了。回來談彭羅斯圖,為什麼他想要保持角度不變?因為這樣的話,光錐的方向就會永遠不變,我們可以直接看出被重力影響的事件的過去與未來。彭羅斯也用數學證明,即使缺乏對稱性,黑洞也的確會形成。他更發現在黑洞裡,一個有著無限密度的點——奇點 (singularity) ——必然會形成。這其實就是彭羅斯-霍金奇點定理 (Penrose-Hawking singularity theorem) ,如果霍金仍然在世,他亦應該會共同獲得 2020 年諾貝爾物理學獎。
在奇點處,所有已知物理學定律都會崩潰。因此,很多物理學家都認為奇點是不可能存在宇宙中的,但彭羅斯的計算卻表明奇點不但可以存在,而且還必定存在,只是在黑洞的內部罷了。如果黑洞會旋轉的話(絕大部分都會),裡面存在的更不會是奇點,而是一個圈——奇異圈 (singularity ring) 。
黑洞的表面拯救了懼怕奇點的物理學家。黑洞的表面稱為事件視界 (event horizon) ,在事件視界之內,你必須跑得比光線更快才能回到事件視界之外。因此沒有任何物質能夠回到黑洞外面,所以黑洞裡面發生什麼事,我們都無從得知。就是這個原因給予了科幻電影如《星際啟示錄 (Interstellar) 》創作的空間——在黑洞裡面,編劇、導演和演員都可以天馬行空。只要奇點永遠被事件視界包圍,大部分科學家就無需費心去擔心物理學可能會分崩離析了。甚至有些科學家主張,研究黑洞的內部並不是科學。
雖然如此,卻沒有阻礙彭羅斯、霍金等當代理論天體物理學家,利用與當年愛因斯坦所用一樣的工具——紙和筆——去研究黑裡面發生的事情。雖然或許我們永遠無法證實,但他們的研究結果絕非無中生有,而是根據當代已知物理定律的猜測,即英文中所謂 educated guess 。利用彭羅斯圖,我們發現不單奇點必定存在,而且在黑洞裡面,時間和空間會互相角色。
但這是什麼意思?數學上,時間和空間好像沒有分別,但在物理上兩者分別明顯:在空間中我們可以自由穿梭,但在時間裡我們卻只能順流前進。彭羅斯發現,帶領掉入黑洞的可憐蟲撞上奇點的並非空間,而是時間,因此我們也說奇點是時間的終點。亦因為在黑洞裡面掉落的方向是時間,向後回頭是不可能的,所以一旦落入黑洞,就只能走向時空的終結。
看見黑洞旁的恆星亂舞
另一半諾貝爾獎由 Reinhard Genzel 和 Andreas Ghez 平分,以表揚他們「發現銀河系中心的超大質量緻密天體」。銀河系中心的確有一個超大質量的物體,而且每個星系中心都有一個。這些質量極大的物體,就是所謂的超大質量黑洞 (supermassive blackholes) 。
上世紀 50 年代開始,天文學家陸續發現了許多會釋放出無線電輻射的天體,稱為類星體 (quasars) 。之後其中一個類星體 3C273 被觀測確認是銀河系外的星系中心。根據計算, 3C273 釋放出的無線電能量是銀河系中所有恆星的 100 倍。起初,天文學家認為這些能夠釋放巨大能量的類星體,必然是些比太陽重百萬倍的恆星。但是理論計算結果卻表明,這麼重的恆星會是極不穩定的,而且壽命會非常短,因此類星體不可能是恆星。
為什麼這些類星體不可能是恆星?因為恆星的發光度是有極限的,而且正比於恆星的質量。這個極限稱為愛丁頓極限 (Eddington limit) 。如果恆星的發光度超出愛丁頓極限,光壓(radiation pressure ,即光子對物質所施的壓力)就會超過恆星自身的重力,恆星就會變得不穩定。因此,天文學家逐漸改而相信類星體是位於星系中心的超大質量黑洞。這也令類星體多了一個名字:活躍星系核(active galactic nucleus)。
每個黑洞旁邊都有一個最內穩定圓形軌道 (innermost stable circular orbit) ,依據黑洞會否旋轉而定,大概是黑洞半徑的 3–4.5 倍。比最內穩定圓形軌道更接近黑洞的範圍,環繞黑洞運行的物質都會因不穩定的軌道而墜落黑洞之中,並在墜落的過程中釋放出 6–42% 的能量,因此可以解釋活躍星系核的強大發光度。
另一方面,彭羅斯在 1969 年亦發現一個旋轉的黑洞能夠把能量轉給物質,並且把物質拋出去,這個過程稱為彭羅斯過程 (Penrose process) 。換言之,從黑洞「偷取」能量是有可能的。科學家估計,科技非常先進的外星文明有可能居住於黑洞附近,並利用彭羅斯過程從黑洞提取免費的能源。這個過程亦進一步支持超大質量黑洞能夠釋放巨大能量的理論。
由於 E=mc2 ,能量即是質量,因此被偷取能量的黑洞的質量就會減少。霍金在 1972 年發現一個不會旋轉的黑洞的表面積不可能減少。黑洞質量越大,其表面積就越大,因此不會旋轉的黑洞不會有彭羅斯過程。他亦發現,如果是個會旋轉的黑洞,其表面積是有可能減少的。因此霍金的結論支持了彭羅斯的理論。
Genzel 和 Ghez 兩人的研究團隊已經分別利用位於智利的歐洲南方天文台 (European Southern Observatory) 的望遠鏡和位於夏威夷的凱克望遠鏡 (Keck Telescope) 監察了距離地球約 25,000 光年的銀河系中心區域將近 30 年之久。他們發現有很多移動速度非常快的恆星,正在環繞一個不發光的物體轉動。這個不發光的物體被稱為人馬座 A* (Sagittarius A*, 縮寫為 Sgr A*) 。 Sgr A* 會放出強大的無線電波,這點與活躍星系核的情況相似。
他們不單確認了這些恆星的公轉速率與 Sgr A* 的距離的開方成反比, Genzel 的團隊更成功追蹤了一顆記號為 S2 的恆星的完整軌跡。這兩個結果都表明, Sgr A* 必然是一個非常細小但質量達 400 萬倍太陽質量的緻密天體。這樣極端的天體只有一種可能性:超大質量黑洞。
霍金輻射 黑洞的未解之謎
諾貝爾物理學委員會在解釋科學背景的文件中亦特別提及霍金的黑洞蒸發理論以及霍金輻射 (Hawking radiation) 。現時仍然未能探測到霍金輻射的存在,未來若成功的話除了將再一次驗證廣義相對論以外,更會對建立量子重力理論 (quantum gravity theory) 大有幫助。就讓我們拭目以待吧!
重力波研究、宇宙學研究、黑洞研究,都是直接檢驗廣義相對論預言的方法。加上 2019 年 4 月 10 日公布的黑洞照片,大自然每一次都偏心愛因斯坦。相信愛因斯坦在天上又會伸出舌頭,調皮地說:「我早就知道了!」//
愛因斯坦與愛丁頓 在 李基銘漢聲廣播電台-節目主持人-影音頻道 Youtube 的最讚貼文
本集主題:「我們都是時間旅人:時間機器如何推動科學進展,影響21世紀的人類生活」新書介紹
專訪企劃:林進韋
內容簡介:
改變過去X回到未來
當代科普大師葛雷易克
打造現代歷史、哲學、文學、影視和科學中的時間文化誌
◆ H•G•威爾斯的《時間機器》,告訴我們動動按鈕就能回到一萬年後?
◆殺死希特勒,卻無法改變死傷慘重的第二次世界大戰?
◆費茲傑羅讓班傑明的生老病死順序與常人相反!
◆伍迪•艾倫讓現代人穿越百年與海明威當朋友!
◎ 推動百年科學進展的,始自H‧G‧威爾斯的《時間機器》?
人類原本活在當下,但當十九世紀末,H‧G‧威爾斯寫下《時間機器》、將時間與旅行兩字結合一起,人類自此打開了對於時間軸的想像。時間不再像箭般往前奔射,我們透過遠觀過去和千百年後的樣貌,改變了對時間的認知,展開了二十世紀物理學的華麗序幕。
想像宇宙裡存在無數個時間裂縫,我們只要找到其中一個就能改變世界。改寫歷史甚至開拓新世界的夢想,讓愛因斯坦、艾丁頓、惠勒、霍金等理論物理學家無不懷抱希望,紛紛提出重力場、蛀孔理論、多重宇宙等新學說,可以說,時間機器不只存在文學裡、也不是瘋狂科學家的兒時夢想,學術圈的熱烈討論促成近代物理理論和實驗的無數進展。
◎ 如果可以重新定義「時間」,「我們」會是什麼樣子?
殺死希特勒能不能改變二戰結果?如果世界即將毀滅,回到過去有沒有可能找到解決辦法?住在時間機器裡會不會變老?「過去」與「未來」有沒有可能同時存在於另一個時空?一個世紀以來,文學再度奪回人類想像力的主導權,從吳爾芙的《歐蘭朵》、費茲傑羅的〈班傑明的奇幻旅程〉、波赫士的《歧路花園》,到海萊因的《4=71》、查爾斯•游的《時光機器與消失的父親》,時間不再是單線道,而是無限多重的分岔路,文學超越科學,如同H‧G‧威爾斯,再度領先於物理的進展。
繼暢銷書《混沌》後,葛雷易克在時間系統化和全球時區化的今天,探索為何現今物理學仍要追索時間的本質,以及當代影視文化中懷念過去和渴望未來的時間旅人為何不曾斷絕。在這本時間的觀念史裡,他認為現實生活中早有「時間機器」:人們跟著全球時區所規定的時間作息,往前往後都有明確時間座標可循。從那時開始,時間感就是人類文化中不可或缺的一部分,對「歷史時間」敏感更是近來的事,我們如此汲汲營營打造時間膠囊和歷史博物館,當中都藏有人類對活在當下的困惑,以及對回到過去美好年代的盼望。時間機器不只是一本書、一種觀念,也是一種科技物,改變過去、回到未來的渴望促成了時間膠囊的發明、蛀孔旅行的新技術,甚至在二十一世紀的今天,推特(twitter)上的古人都有自己的穿越帳號,他們穿越來的生命都將會活得比真實中的我們更長久。
作者簡介:詹姆斯.葛雷易克 James Gleick
全球知名科普作家,長期關注科學、科技及文化影響力議題。
1954年出生於紐約,1976年畢業於哈佛大學,在《紐約時報》擔任編輯及記者職務達十年。多年來為《紐約時報》科技專欄「Fast Forward Column」撰稿,1989~1990年間曾擔任普林斯頓大學麥格羅名人講座講師(McGraw Distinguished Lecturer)。他也是《全美最佳科普文選》叢書第一位編輯,並於2017年當選美國作家協會會長。
2012年出版暢銷書《資訊:一段歷史、一個理論、一股洪流》,並獲得英國皇家協會科普書獎。他的第一本書《混沌:不測風雲的背後》入圍美國國家書卷獎及普立茲獎決選,「蝴蝶效應」等複雜理論觀念自此廣為人知,並在世界各地掀起一股討論的熱潮。其他知名暢銷科普著作包括《理查・費曼:天才的軌跡》、《牛頓傳》、《毫秒必爭——全面加速的時代》(Faster)、《方才之事》(What Just Happened)都曾入圍普立茲獎決選,翻譯成三十國語言出版。
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早上沒事轉轉電視看到HBO
純粹是因為他的片名而感到興趣
就給他看下去
發現還滿好看的
像科普書籍一樣
應該可以稱他是科普電影吧
還滿喜歡這種小品電影的
就像故事書或人物傳記
可以多些知識或是常識
好了廢話不多說
開始講講電影吧!
--------<<正題開始>>--------
電影剛開始是愛丁頓和另一位科學家(忘記名字了)
好像正在做甚麼研究或是任務的
等著日全食的發生
然後沒多久就開始回到過去來好好說明囉
一開始一個想是默劇演員的人(卓別林XDDD)
跟他的兒子在小船上
卻是躺著操控
原來就是愛因斯坦(看起來就是一副天才瘋子的感覺)
從這裡發現他不但聰明
還很有趣,像個小孩子
不過他們回到家後就發現他跟太太好像不是這麼好
後來馬克斯來找他說要帶他到柏林(討厭的量子立學= =)
這時的愛因斯坦還是個默默無聞的人
不過馬克斯似乎對他有所期待
看似生活還滿不錯的
不過這時也認識了另一個女人(原來愛因斯坦也很會把妹
因為正處大戰期間
愛丁頓因為被英國皇家科學會奉命要研究德國人的科學
尤其是當被召集的科學家中有個沒有名氣的人愛因斯坦
所以要求他去了解這個科學家是做甚麼研究的
經過翻譯和閱讀愛因斯坦的出版
他發現愛因斯坦的研究有個問題
同樣的現象他和牛頓有不同的結果
也就是......也許萬有引力是錯的
因此他與愛因斯坦通信討論水星
因為水星以牛頓的方式來解是位置會有偏差
所以他想知道以愛因斯坦的理論是否可以解釋
沒想到是可以的
因此他們不段的通信
不過好景不常
後來愛因斯坦因為對以毒氣毒殺敵人感到反感
在科學家面前說出不滿的意見
被德國視為不愛國
因此不得再進入大學
不過當時他的信都寄到大學裡
加上生病
整個人就像個街友
後來他透過馬克斯幫忙
成功把他的理論寄給了愛丁頓
愛丁頓也想證明這個理論的正確
才到了非洲與夥伴觀測拍攝日全蝕的星星照片
得到了光線會彎曲的理論
解釋了廣義相對論是對的
也讓愛因斯坦聲名大噪(推翻了牛頓)
P.S.我很喜歡他用桌巾跟麵包解釋萬有引力的那邊,麵包看起來好好吃
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