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密度無限大代表無解?物理學家打臉課本知識、破解愛因斯坦理論
GQ Taiwan | 科普類 | Aug 8, 2021
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我曾讀過一個科幻故事,壞人被丟進黑洞裏,他一邊尖叫着,事實上他是永遠地尖叫着。我是加來道雄博士,理論物理學家,暢銷書《上帝方程式》的作者,我今天要來回答各位在Twitter上的提問,以下是物理學獎知識。
@Calisonotacow問說:為什麼原子總是要相互結合,為什麼它們不自己待着就好,又不會怎樣。
博士:原子結合左一起,所以才有了分子,所以才有了人類和DNA。我們的宇宙是由原子構成的,它們就喜歡相互結合,電子來回震動,將它們結合在一起,所以才有了分子,所以才會有你。你之所以存在正是因為基於量子力學中不同原子間的電子共融。
來自Debora Mroczek的發問:那個物理定律是你的最愛?
博士:我的最愛是動量守恆定律,我最愛的物理定律則是質能等價,愛因斯坦的方程式,E=mc2,這解釋了太陽與行星之所以發光發熱的原因,正因為這樣照亮了宇宙。我們總是覺得物質和能量是完全不同的東西,一顆石頭要如何轉換成能量,然而假如這棵石頭是鈾,那能量便是一顆進行核分裂的火球。你會了解到物質與能量其實是一體兩面的,質能使一體的,在特定的情況下,他們可以互相轉化,比方說在一顆恆心內部。
Sean Harris @InfoSecHotSpot問說:有沒有像加來道雄那樣的人,可以跟我這種人解釋一下弦理論,我可不太聰明。
博士:我就是加來道雄本人,我很樂意回答這個問題。首先,大多數的課本上都說電子是點狀的,我們在原子測量中所見的粒子是點狀的,但如果我有一台超級顯微鏡,就會看到這個點其實像條橡皮筋,從遠處看這條橡皮筋看起來就像個點,近看會發現他是一條震動的弦,這條橡皮筋能以各種模式進行震動,每一種模式都對應到一種粒子。舉例來說,這樣可能是電子,但如果以不同方式旋轉,就變夸克了,那如果像這樣轉,就得另外給他一個名字,我們稱之為微中子。
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那麼一條弦會有幾種震動模式呢?答案顯然意見,同一條弦上會出現無限多種震動模式,所以我們認為宇宙中所有的次原子粒子,包括夸克,微中子、介子、質子、中子,,這些粒子無所不在。他們不過就像一條小橡皮筋上的音符,這條橡皮筋小到看起來就像是一個點。在高中時學得那麼辛苦的物理學,究竟是什麼呢?物理學就像和聲,震動的弦之間的和聲,物理學讓我們知道這些震動的模式。那化學又是什麼呢?化學就是當這些弦互相碰撞,進而形成分子。
Alex@keranskesong問說:什麼是夸克(quark)?
博士:我們認為質子是由三個夸克所組成,質子和中子由次原子粒子所組成,進而構成我們的宇宙。
接着是來自Rick@Sojourner99的提問:我們身處於四維空間,但我們只能看見三維,世界上到底有幾個維度呢?
博士:愛因斯坦說我們身處於四維世界,我們能前後左右上下移動,第四位就是時間。不過現在我們已經超越愛因斯坦的說法,而我們得超越四維空間,往上提升到,比方說十維, 十一維空間,不過其他維度究竟在哪裏呢?我們認為這些維度都捲縮起來了,他們小到你無法進入其中,但或許我們能感受到他們的效應。其他維度在哪裏呢?他其實在你的宇宙平面之外,或許是個正懸浮在你上方的一個平行宇宙,在一個我們看不見也碰不着的維度,或許有個出入口連接着他們,這個出入口便是蟲洞。1953年,愛因斯坦本人提出了蟲洞的概念,一個連接更高維度宇宙間的出入口。
下一個問題來自jMozac,他聞說:所謂量子宇宙,難道代表愛因斯坦的相對論是錯的嗎?
博士:算是,也不算是。愛因斯坦曾說過一句名言:「量子力學理論越成功,看起來就越蠢。」他認為原子物理學,量子力學其實是不完整的。當海森堡獲頒諾貝爾獎時,他曾說「就給他們諾貝爾吧,他們是有在做點什麼。」愛因斯坦對於量子論作為最終理論是有所保留的,他認為還有一個在這之上的理論,所以愛因斯坦的說法也並非完全錯誤。
O I Uchenna Laing問說:什麼事上帝方程式?
博士:愛因斯坦在他人生最後的30年都在不斷追尋上帝方程式,一道寫起來長度不超過一英寸的方程式,或許能使我們讀懂上帝之心。一個能將兩個物理學分支合二為一的理論,一方面來看我們有所謂的大理論,包含廣義相對論、黑洞、大爆炸,還有所謂的小理論,也就是量子論和原子物理學,要如何把這兩者匯集成一個理論呢?目前這兩個理論互不相容,他們是基於不同的數學方程式,不同原理,不同概念,然而在我們內心深處卻深信著肯定有個能統一這兩者的理論存在,那個物理學中的聖杯,我們認為那就是上帝方程式,
目前最主要的唯一候選就是弦理論。順帶一提,如果你發現了上帝方程式,請先來告訴我,我們可以平分諾貝爾獎的獎金,就你和我。
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接著是來自普林斯頓大學出版社的提問:你最喜歡的物理學家是誰?有46.2%的人說愛因斯坦是他們的最愛、53.8%則覺得理察費曼是他們最喜歡的物理學家。
博士:我最愛的物理學家是艾薩克牛頓,他提出了一個時代性的問題,假設蘋果會掉落,把月亮也會往下掉嗎?他也很清楚並沒有任何數學算法可以計算出月亮是否向下墜落,那他做了什麼呢?他發明了一套數學概念,也就是微積分,而這個理論也是有史以來最偉大的理論之一,牛頓的萬有引力定律。在1666年黑死病橫行之時,歷史上最偉大的人物之一將人們從迷信推向數學時代,促使了工業革命,他改變了世界歷史,這點是無法超越的。愛因斯坦和理察費曼的能力也都不在話下,不過艾薩克牛頓仍是位居第一。
下一個問題來自Hassan Babaji,他問說光線是會轉彎的嗎?無論是或不是,都請說明原因。
博士:是的,光是可以轉彎的,坦白說,這就是為什麼眼鏡會用玻璃的原因,光線在穿過玻璃時會慢下來,因為速度放慢,所以會偏離直線,所以才會有眼鏡,望遠鏡,顯微鏡,因為玻璃會使光線轉彎。重力也會是光線彎曲,正如愛因斯坦所言,當光線繞過一個星系時,我們是可見其彎曲的。那麼接下來的問題就是能否讓光線彎曲繞着一個物件,這樣一來此物件就能隱形了,答案是肯定的,這完全在物理學法則的範疇內。如果你能控制玻璃的原子結構,確保光線彎曲的方式,是能完全環繞着一個物件,那麼在這之中的任何物件就能隱形了,總有一天我們會運用納米科技,製作出一種超材料,能讓可見光彎曲,在這裏面的任何東西都會變隱形。當心囉,哈利波特。
Boxxy Fan 2001問說:黑洞是如何扭曲時間的?這到底是什麼意思呢?
博士:宇宙中的時間流逝速度並不一致,月球上時間流逝的速度會比地球上來得快,以在木星上,時間流逝的速度會比地球慢,恆星的重力越大,時間就走得越慢,這代表在恆星上,以太陽為例,時間流逝的速度有更慢了,那麼終極行星,當然就是黑洞,他是恆星死亡時留下的殘餘物。我們認為在黑洞的中心,時間是靜止的,假設說你掉進黑洞,會發生什麼事呢?從你的角度來看,掉進黑洞的過程可能會發上幾分鐘,這取決於你的起始點,你的手錶會顯示出你直通黑洞正中心,不過從外邊看來,如果有人透過望遠鏡從外太空觀察你的話,會看到你整個人靜止慢慢墜入黑洞之中。因為時間流逝的速度是裡外不同的,動動腦思考一下,時間在宇宙中各個地方會有不同的流逝速度。
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Shelby問說:黑洞和密度無限大怎麼有可能存在?怎樣才會密度高到向內塌縮的程度?我好想知道。
博士:我們都曉得如果將一個大恆星或星系進行壓縮,他的重力會大到科學上所知的任何東西都無法逃脫其重力魔爪,所以光線本身也被困在黑洞之中。根據課本上所說的,他會塌縮到密度無限大。我們面對現實吧,其實根本沒有所謂的密度無限大,我們之所以在課本上這樣寫,是因為我們也不曉得,當恆星塌縮成一個點是會發生什麼事。密度無限大這個說法就相當於「我不知道」,我們真的不知道黑洞正中心到底是什麼狀況,如果你非常仔細地進行數學運算,你會發現黑洞是在旋轉的,而旋轉的恆星會塌縮成一個環,他們其實不會塌縮成一個點,如果你掉進這個環裏,根據數學運算,你不只是掉到這個環,你還會進到平行宇宙的另一端,也就是黑洞的另一端,所謂的白洞,所有掉進去的東西都會在另一端出現。
The Village Celeb @TheVillageCeleb問說:我有個對物理學家的提問,我坐在一輛公車的座位上,以時速120公里行駛,有隻蒼蠅從我的肩上起飛一路飛到前方,在駕駛的身上降落,這代表這隻蒼蠅的速度比公車更快嗎?
博士:讓牛頓來回答這個問題吧,也就是說速度是可以往上加的,假設說你是個旁觀者,從外邊看這輛巴士和蒼蠅,你就會說蒼蠅的速度就是公車的速度再加上公車內蒼蠅的速度,速度是可以往上加的。換過來,看假如你在公車裏,蒼蠅的飛行速度似乎是很慢,如果這輛公車是一艘太空船,以迫近光速的速度行駛,在太空船內的這隻蒼蠅,顯然是突破光速屏障了,這怎麼可能呢?愛因斯坦會以相對論而言,速度不能往上加,這隻蒼蠅是無法突破光速屏障的,無論這艘太空船的速度有多快,無論這隻蒼蠅飛得有多快,都是無法超越光速的。牛頓物理學是錯誤的,這代表說這兩個速度必須進行調整,因為事實上,太空船來的時間是慢下來的,這十分驚人,但的確說得通,我們也用粒子加速器和實驗反覆進行測量。
David H. ap Hywel問說:暗物質是什麼?我們摸得到嗎?是危險的東西嗎?
博士:宇宙有一大部份是由暗物質所組成的,暗物質環繞在銀河系外圍,如果沒有暗物質的存在,銀河系就會因轉速太快失控解體,地球就會被拋向外太空。我們摸得到他嗎?沒辦法,因為他會直接穿過你的指尖,穿過你體內的原子。他危險嗎?不回的,因為我們不會與他相互作用。一大問題來了,他到底是什麼?有一座諾貝爾獎正在等待那個能破解暗物質的人。
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Heeks@heekytak問說:理論物理和實驗物理之間有可不同?
博士:實驗物理學投入現實,會以可觸碰可感覺到的東西做實驗,理論物理學則是試圖去解釋這一切如何發生以及背後原因。愛因斯坦本人並沒有進行光束實驗,他也沒有透過望遠鏡實際進行恆星與星系的實驗,愛因斯坦是運用紙筆進行計算,這就是所謂的理論物理學。繁重的任務由實驗加完成,他們建造粒子加速器和望遠鏡,以及那些讓我們能探測行星和星系中心的裝置。
Jehan H問說::對物理學家來說,在超級英雄的裝備中加上斗篷,會增強飛行能力嗎?
博士:我還真希望有魔法斗篷的存在,被想去就能瞬間變成一飛沖天的超人,不過事實并非如此,鳥會飛行並不是因為他們會拍打翅膀,而是因為他們翅膀的形狀,他們翅膀的形狀是標準的翼型,鳥類的翅膀是淚滴形,空氣從淚滴形上下方流過,在翅膀上方形成部份真空,這部份真空代表空氣得向上升,才能使翅膀保持飛行形狀,這就是白努利定律,所以重點不在於披風,翅膀的形狀才是得以飛行的關鍵。
以上就是今天的問題,要記着一點,世上沒有所謂的蠢問題,多年前,有一名16歲的少年,他提出一個蠢問題說:「你能超越光的速度嗎?」這名16歲少年就是阿爾伯特愛因斯坦,這個蠢問題為物理學家和我們打開了整個宇宙。感謝各位收看物理學長知識。
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