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2018年7月30日 星期一

物理理论

关于宇宙,关于生命


有个牧师,无论走到哪里都会带着一个破旧的随身听,并且放着《圣经》录音带。为了挑战他的信仰,我问他:“你怎么可能相信地球是在 6000 多年前被上帝创造的呢?我们有充分的证据表明地球上很多东西的年龄超过100 万年。”。牧师是这样回答我的。他说,上帝可以创造各种年龄的万物。这就好比说,假设我现在可以创造出一个人,这个人的年龄看上去是 20 岁,可他是什么时候被创造的?现在!
这真是一个完美的理论,我无法从逻辑上质疑它的正确性。如果你相信上帝无所不能,就可以解释任何现象。我对牧师说,我的理论不但能解释各种化石的年龄,还能对尚未发现的化石做出预言。你的理论能解释,可是能预言吗?
判断一个物理理论的好坏不在于这个理论是否符合人的直觉,或者是否够漂亮,而在于它能不能做出预言。物理学家也有一个可以称作“信念”的东西,那就是世界应该是合“理”的。也就是说,物理定律应该适用于所有时间和所有地点,所有事件都必须精确地符合表达物理定律的数学方程。

牛顿在解出行星轨道方程之后发现引力会对这些轨道做出扰动。而这种扰动一旦累积起来就会导致轨道的不稳定,使得行星坠入太阳或者脱离太阳系。据此,他认为上帝必须存在,只有上帝才能时不时地对地球轨道进行微调,确保稳定。要不是拉普拉斯后来证明这种轨道扰动是周期性的,不可积累,物理学家大概也只好认为上帝存在了。

牛顿认为上帝必须存在的另一个理由是,地球在太阳系的位置实在是太幸运了。方程表明,一个行星的轨道在一般情况下应该是椭圆形的,圆形是非常特殊的情况。如果地球轨道是椭圆的,哪怕“椭”得不是特别厉害,其在近日点和远日点的温度也将会非常不同。而地球的轨道几乎就是圆的!地球四季的温差几乎完全来自自转和公转的倾角,与距离太阳远近无关。地球的另一个幸运之处在于这个距离与太阳的质量正好搭配合适,哪怕太阳质量有一点变化,地球也将因为过冷或者过热而不适合生命生存。牛顿考虑到这些巧合,认为这一定是上帝安排的。要不是后来我们发现宇宙中有无数行星系统,其中有一个适合生命生存并不算意外,物理学家大概也只好相信这个巧合是被安排的。
现在,类似的问题仍然困扰着物理学家。
第一个问题是宇宙起源的初始条件。天文观测和经典理论都表明宇宙起源于大爆炸,而量子引力研究的进展则表明大爆炸比此前想象的要快得多。对宇宙微波背景辐射非均匀性的发现证实了暴胀理论,要想实现足以形成我们这个宇宙的暴胀,宇宙起源的初始条件必须满足无比严格的要求。这就好像你要做一个炸弹,这个炸弹的形状必须是一个绝对精确的球形它才能实现预期的爆炸效果一样。

第二个问题是各种物理参数为什么如此恰到好处。计算表明,如果把强相互作用的强度改变0.5%,或者把电磁相互作用的强度改变4%,碳和氧这两个对生命至关重要的元素就不会出现;哪怕把质子的质量增加0.2%,它都会迅速衰变。另外,空间还必须是三维的,否则行星轨道就不会稳定。现代物理学无法从逻辑上解释为什么这些物理参数是这样的,就好像一个网络游戏玩家不能用物理定律解释某些超强boss的武力值一样。唯一的解释似乎是它们是被“设计”成这样的,否则这个宇宙或者游戏就不好玩。
而这些问题的答案,还在物理学家的不断求索中。

2017年2月27日 星期一

宇宙

====== ====== 我们所在的宇宙是有限的,起源于137亿年前的一次奇点大爆炸,直经约920亿光年。整个宇宙是无限的,无边无际,无穷无尽,无始无终,即没有开始的一刻,也不会有结束的一刻。
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加上一个第五维度,麦克斯韦的电磁力理 论就从爱因斯坦的引力方程中脱颖而出了。
虽然我们看不见第五维度,但第五 维度可以形成波纹,而它们是与光波对应的!
这是个皆大欢喜的结果,因为过去 150年中,
一代又一代的物理学家和工程师都不得不死背艰涩的麦克斯韦方程 式。
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「弦理論」原本包含26維的玻色弦理論,和加入超對稱性超弦理論
在近日物理界,「弦理論」 一般是專指「超弦理論」,
較早的「玻色弦理論」則以全名稱呼。
1990年代,受對偶性 (弦論)的啓發,愛德華·維頓猜想存在一11維的M理論,他和其他學者找到強力的證據,顯示五種版本的十維超弦理論與十一維超重力論應該是M理論的六個不同極限。
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2016年3月11日 星期五

宇宙有限大光速

4Q:
影響人一生的生活、目標、成就、以及結果。
它們分別是:
1、我是誰?who am I?問其人本質的認同
2、我那裡來?Where did I come from?問其人的背景的認同
3、我來這裡做什麼?Why am I here?人對其生活工作的認同
4、我往那裡去?Where will I go?問人生終極目標

「宇宙有多大?」是個玩味的問題,這問題和「我們能看到的宇宙有多大」並不一樣,而且很不一樣。
換句話說,
即使現今的宇宙是無窮大,
我們所能見到的範圍卻永遠是有限大。
目前宇宙的年齡大約140億歲(時間),可見宇宙的範圍卻是一個半徑約460億光年(有限大)的球體!

你的腦筋是否已經打結了呢?

要估算樹的年齡,用年輪,

要估算宇宙的年齡時,得先找到「宇宙年輪」:
一個會隨時間改變的物理量。

目前已找到且被應用的宇宙年輪是
「宇宙微波背景輻射」(cosmic microwave background, CMB),
它是來自宇宙初生時的光,它的溫度是宇宙溫度

由於能量守恆,CMB的溫度會隨宇宙的膨脹而下降,因此可由CMB目前的溫度 「2.73K」,
推得宇宙已膨脹了約「140億年」之久
(宇宙溫度由初生時的近無窮大降至3,000K,約40萬年的時間,
因此宇宙初生時的確實溫度對這140億歲(時間)的估算值影響甚小)。
但在這個推算過程中,實際上已使用了一些額外的資訊,
包括現今宇宙的組成中暗能量約佔70%、暗物質約佔20% ,
因此,如果未來,這些資訊因新觀測數據而有所改變,或宇宙學模型有重大修正,
則這140億歲的估算值將會再重新估算。

由於宇宙的年齡是有限大的,所以光源太遙遠的光,將在宇宙現今的有限之齡還來不及到達我們這裡,

它還在半路上。因此我們目前所能見到的宇宙大小,
受限於光自宇宙誕生至今所能走的最遠距離,
由此距離為半徑所畫出的球體,便是我們現今所能觀測到的宇宙範圍。
也就是說距今10億年後,我們所能見到的宇宙範圍將會更大,
因為來自宇宙誕生、更遠處的光將會陸續抵達我們。

那麼「光」走140億年的距離不就是140億「光年」嗎?

為何可見宇宙範圍的半徑竟高達460億光年?
那是因為宇宙一直在膨脹!
光走一年的距離原本應為一光年,但由於宇宙膨脹的關係,會把原本光已走過的一光年拉得更長!
因此依理論計算,同時採用上述暗能量和暗物質的比例資訊,

我們可推得目前可觀測宇宙的範圍,約是一個以我們為球心、半徑為460億光年的球體。

舉一反三,就一個位在遠處的外星人而言,他所能見到的宇宙大小雖和我們相同,但實際的範圍卻不相同,
這就像在霧中行車,每位駕駛的視線距離是相同的,皆受限於霧的濃度,
但駕駛的視線範圍卻不相同,因為他們的位置不同。

你腦中的結已解開了嗎?但願沒有更糟!


我們都知道光速很快,約每秒30萬公里,一秒鐘可繞地球七圈半。
就是因為太快了,古希臘學者一直相信光速是無窮大。
笛卡兒甚至認為,光速如果不是 無窮大,整個哲學體系都要重寫。

1676,丹麥天文學家 O.Roemer羅莫 發現木衛一每次月食開始的時間都不太一樣。
而且,我們越靠近木星,月食開始時間越早。
羅莫推估,這個時間差,就是光穿越地球軌道所需要的時間。
只要知道地球繞太陽公轉的軌道半徑,就可以推估光速。
當時由於精準度不太理想,羅莫的測量值,大約比 精確值短少了約26%,
不過這是首次測量出光速數值,也確認了光速是有限的,而不是無窮大。

1905年,愛因斯坦提出狹義相對論,更大膽地做了一個假設:

真空中的光速在等速相對運動的座標系中都相同,意味著即使我們等速朝著光源跑,看到的光速也 不會增加。
以前有助教在上相對論課時,講個笑話:
某甲以0.8光速,乙以0.7光速互相接近,這樣甲看乙接近的速度,不就應該超過光速嗎?
事實上, 當我們看著高速運動的物體乙時,不但同向的長度會縮短,上面的時鐘也會走得比較慢,
也就是乙的時空會隨著運動而扭曲,我們看到的會是一個非常奇異的世界。 
愛因斯坦的假設經過了多次實驗證實,後來造成深遠的影響,然而實在是超乎想像,
對一般民眾而言,恐怕是20世紀最震撼的結果。

也因為光速在任何時間、任何地點量都一樣,

1983年,國際度量衡標準局ISO正式將一公尺的定義改成光行進1/299792.4580秒的距離。
從那天開始,精確測量光速的意義,變成精確測量一公尺的長度為何。

有質量的物體,運動速率永遠沒有辦法超過光速,則是相對論的另一個重要結論。


愛因斯坦的狹義相對論,質能可以互變,其公式就是E=mc2。
而且有質量 的物體,一旦動起來,質量不但會增加,而且速率一旦接近光速,
物體的質量,也就是能量會急速飆升,當速率挺進到光速時,能量就會變成無窮大。
換句話說,要 把有質量的物體加速,剛開始還算古典的困難,一旦速率越來越快,加速就會越來越困難,需要補給的能量當然就會越來越不像話。不難想像,任何有質量的物體, 想要達到光速,絕對是不可能的任務。

光速是不可超越的這件事,在歷史上也曾遇上不少挑戰,但後來一一以失敗告終。

愛因斯坦和波耳的世紀大論戰,最後發現兩個纏結的基本粒子,即使距離再遙遠, 也會透過量子效應瞬間互動,好像雙生子的心電感應。
愛因斯坦認為這個結果違背相對論。但是,有人認為這些量子互動,也許是經由微觀蠹孔傳遞,並沒有違背相 對論。另外最近很熱門的微中子超光速事件,最後則被證實是烏龍一場。雖然我們無法證明一個理論是對的,但是相對論的普適性,至今沒有任何可信的反證,因此 多數物理學家相信,光速是不可超越的。