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物理之書
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內容簡介

史上最強、科普界全能鬼才皮寇弗力作 趣味故事+詳解數理公式+實際應用法則 從閱讀中體會數學妙用無窮 一本圖文並茂的物理百科/一本博古通今的物理歷史 一本趣味橫生的物理故事/一本條理分明的物理資料庫 關於物理世界裡最重要、最有趣的故事盡在其中 時間旅行是可能的嗎?人類第一次瞥見月球的另一面是何時?我們有可能真的生活在電影《駭客任務》的情節中嗎? 全能科普鬼才皮寇弗在本書中邀請讀者們與他一同進行一趟時空旅行,從數億年前的宇宙大爆炸,到數百兆年之後宇宙的終結及量子復活。跟著皮寇弗的這趟旅程,我們將一同穿梭物理史上二百五十個重大成就,物理是萬事萬物基本道理的科學,從這門學問中可以窺見宇宙事物真相的條理。除此之外,他還討論了一些難解的物理發現,像是1965年的超級球,這個題目不只牽涉到工程學和應用物理,並帶動了人類對天體運行的理解。他也討論了許多生活中的事物,如沙漏、保溫瓶、風箏、聽診器等,並解釋這些概念反應的物理概念,以及它們在人類歷史上受到注意的時間點。 皮寇弗在書中討論的物理主題還包括暗能量、平行宇宙、都卜勒效應、土星環的引力等,也關注了古往今來的科學家們,包括牛頓、愛因斯坦、馬可士威、理查費曼和霍金等人。 依照時間先後順序排列,每個條目都簡短到能在幾分鐘內消化吸收,一旁更附上令人炫目的全彩圖案。 本書作者皮寇弗表示:「對我而言,不論是思想的極限、宇宙的運行,或者是人類身處、以之為家的浩瀚時空,都可以用物理來發掘當中永無止盡的驚奇奧祕。」」 【本書特色】 1.豐富條目:250項物理史上重大里程碑一次收錄。 2.編年百科:條目依年代排序,清楚掌握物理發展演變。相關條目隨頁交叉索引,知識脈絡立體化。 3.濃縮文字:每篇700字左右,快速閱讀、吸收重要數學觀念和大師理論。 4.精美插圖:每項條目均搭配精華全彩圖片,幫助記憶,刺激想像力。 5.理想收藏:全彩印刷、圖片精美、收藏度高,是科普愛好者必備最理想的物理百科。 【名家推薦】 ◎于靖(中央研究院院士、國立台灣大學講座教授) ◎李羅權(中央研究院院士、地球科學所特聘研究員) ◎陳力俊(中央研究院院士、國立清華大學校長) 「皮寇弗縝密思維所構成的王國,已超越一般人所認知的現實世界。」 ──《紐約時報》 「皮寇弗是當今世上最負有原創性與想像力的作者之一。」 ──《趣味數學期刊》 「我無法想像任何一個人的心靈不曾因為閱讀皮寇弗的著作而更加豐富。」 ──科幻大師克拉克(Arthur C. Clarke)(《2001:太空漫遊》作者) 「富勒(Bucky Fuller)曾經是充滿想像力的代名詞,如今,克拉克取而代之,不過,皮寇弗的表現則顯然更勝前人。」 ──《連線》 【相關影片】 https://www.youtube.com/watch?v=Q_vJerirsag

目錄

大霹靂(西元前一百三十七億年)、以太陽為中心的宇宙(西元1543年)、克卜勒的行星運動定律(西元1609年)、伽俐略落體加速度(西元1638年)、氣壓計(西元1643年)、笛卡兒動量守恆(西元1644年)、波以耳的氣體定律(西元1662年)、牛頓的運動定律和萬有引力定律(西元1687年)、富蘭克林的風箏(西元1752年)、黑洞(西元1783年)、奧伯斯悖論(西元1823年)、愛因斯坦特殊相對論(西元1905年)、熱力學第三定律(西元年1905)、超導(西元1911年)、原子核(西元1911年)、波耳原子模型(西元1913年)、薛丁格方程式(西元1926年)、中子(西元1932年)、平行宇宙(西元1956年)、雷射(西元1960年)、巴克球(西元1985年)、哈伯太空望遠鏡(西元1990年)、霍金的星際奇航記(西元1993年)、宇宙的終結……共250則。

序跋

作者序  物理的範圍
  美國物理學會(The American Physical Society)是當今最重要的物理學家專業組織之一,這個學會是在1899年,由36名聚集在哥倫比亞大學(Columbia University)的物理學家所成立,學會的目標是促進並推廣物理學的知識。該學會在宗旨中提到:   物理學對於了解環繞著我們的世界、我們之內的世界以及我們感知以外的世界,都非常地重要。它是最基本也最重要的科學。物理學裡的相對論與弦論等概念挑戰了我們的想像力,它還引導了電腦與雷射等改變了我們生活的偉大發現。物理學的研究範圍涵括了最大的星系到最小的次原子粒子。除此之外,物理學還是其他許多學科,例如化學、海洋學、地震學以及天文學的基礎。   的確,今天物理學家的研究範圍又遠又廣,包含了各種酷炫的主題以及基本定理,以了解自然、宇宙以及組成真實世界最細微的結構。物理學家探討多重維度、平行宇宙以及連結不同時空的蟲洞存在的可能性。就如美國物理學會所說的,物理學家的發現經常會導致新的科技,甚至改變哲學以及我們看待這個世界的方式。舉例來說,對許多科學家來說,海森堡的不確定性原理意味著物質宇宙並非以決定論者所說的形式存在,而是一個由各種可能性所形成的神祕組合。我們對電磁學的了解導致了無線電、電視與電腦的發明。我們對熱力學的了解則導致汽車的發明。   從這本書中,你將會發現物理學的範圍無法以年代來區分,更難以劃定界線。我採用了一個較寬廣的視角,把工程與應用物理,以及我們對天體了解的進展都納了進來,有些主題甚至還帶有哲學的意涵。儘管這樣的範圍很廣,但是大多數物理領域都有一個共通點,那就是科學家非常仰賴數學工學來了解、實驗並預測自然世界。   愛因斯坦曾說,世界上最難以理解的事就是,這世界是可以理解的。確實我們似乎活在一個可以用簡潔的數學式與物理定律來描述或近似的宇宙中。然而除了這些自然定律之外,物理學家還鑽研一些人類所曾思考過最深奧難解的概念,例如相對論、弦論以及大霹靂宇宙論。量子力學讓我們瞥見一個如此古怪又違反直覺的世界,讓我們對空間、時間、資訊以及因果產生疑問。然而,量子力學的那些神祕指涉姑且不論,這個領域的研究成果已經被應用在雷射、電晶體、微晶片以及核磁共振造影等各式各樣的領域與科技上。   這本書的內容也把提出那些偉大物理概念的「人」納入其中。物理學是現代科學的基石,幾個世紀以來它吸引了無數的人們投身其中。牛頓(Isaac Newton)、馬克士威爾(James Clerk Maxwell)、居禮夫人(Marie Curie)、愛因斯坦(Albert Einstein)、費曼(Richard Feynman),這些史上最偉大而迷人的心靈,都曾將自己奉獻給物理學的進展。他們改變了我們看待宇宙的方式。   物理學也是科學中最困難的學科之一。物理學對宇宙的描述永無止盡地成長,而我們的思考與語言技巧卻有極限。每天都有新的物理被發現,因此我們也需要新的方式來思考與理解物理。德國理論物理學家海森堡(Werner Heisenberg)曾擔心人類或許永遠無法真正地了解原子;但是丹麥物理學家波耳(Niel Bohr)則在1920年代初期樂觀地回應:「我想我們還是可以辦得到,但是在這個過程中,我們或許必須學習『了解』這個字,到底意味著什麼。」今天,我們藉由電腦來分析超越我們直覺的事物。事實上,以電腦所進行的實驗已經讓物理學家得以提出在電腦普及以前無法企及的理論與洞見。   現在有一些傑出的物理學家認為在我們的宇宙之外,還有許多像是一層層的洋蔥或是奶昔裡的泡泡一樣平行存在的宇宙。在某些平行宇宙理論裡,我們或許可以偵測到從鄰近宇宙所「洩漏」過來的重力,偵測到這些宇宙。舉例來說,來自遙遠星球的光可能會因為幾釐米外,位於平行宇宙中的不可見天體而產生扭曲。整個多重宇宙的概念並不像它表面上看起來那樣的異想天開。根據美國研究者大衛拉柏(David Raub) 在1998年對72名頂尖物理學家所做的問卷顯示,有58%的科學家,包括霍金(Stephen Hawking),都相信某種形式的多重宇宙。   《物理之書》的內容涵括了從理論與具備卓越實用性的發現到奇特難解的主題。在其他的介紹物理的書籍裡,你可能看不到介紹完1964年的次原子粒子-上帝粒子(God Particle)後,下一篇出現的會是1965年風靡了整個美國,擁有絕佳彈跳力的超級球(Super Ball)。我們還會介紹有朝一日可能會撕裂星系,並造成可怕的大撕裂,終結宇宙的神祕暗能量(Dark Energy);以及開啟了量子力學的黑體輻射定律(blackbody radiation law)。我們將一同沉思涉及與外星生命接觸的費米悖論(Fermi Paradox);探索一座在非洲發現已經運作了20億年的史前核子反應爐。我們將會討論到創造出史上最深沉的黑-比車子的黑色烤漆還要黑上一百倍-的競賽。這種「終極的黑」未來可能可以用來更有效率地從太陽獲取能量或是設計極度靈敏的光學儀器。   本書裡的每一節都很簡短-只有個位數的段落。這種形式可以方便讀者很快地切入一項主題,而省略冗長的說明。想知道人類最早是在什麼時候看到月球的遠側?只要翻到「月球的黑暗面」(Dark Side of the Moon)就可以獲得簡短的介紹。什麼是古老的巴格達電池(Baghdad batteries)之謎?什麼又是黑鑽石(black diamonds)?這本書裡將會提到這些與其他令人好奇的主題。我們將會懷疑真實是否其實只是人為的建構。當我們越來越了解宇宙,而且可以利用電腦來模擬複雜的世界時,即使是嚴肅的科學家也開始質疑真實的本質究竟為何。會不會我們其實都活在電腦所模擬出來的世界裡?   在我們生存的這個小小星球上,我們已經發展出可以用軟體與數學規則來模擬類似生命的行為。有一天,我們或許可以創造出具有思考能力的生物,存活在如同馬達加斯加(Madagascar)雨林那樣複雜而多樣的豐富虛擬空間裡。也許我們還能模擬「真實」本身,而更先進的生命或許早就在宇宙的另一個角落這樣做了也說不定。

內文試閱

西元前一百三十七億年/大霹靂
勒梅特(Georges Lemaitre,西元1894年~西元1966年), 哈伯(Edwin Hubble,西元1889年~西元1953年), 霍伊爾(Fred Hoyle,西元1915年~西元2001年)   1930年代初期,比利時神父兼物理學家勒梅特提出了我們今天所說的大霹靂理論(Big Bang theory)。根據這個理論,我們的宇宙起自一個極為緻密且高熱的狀態,空間從那時以來便不斷地膨脹。科學家相信大霹靂發生在137億年前,今天大多數的星系仍然以高速飛離彼此。這些星系與炸彈爆炸後飛射的碎片不同,他們之所以遠離彼此是因為空間本身正在膨脹。星系間距離增加的方式比較像是氣球膨脹時,畫在氣球表面上的黑點彼此會越離越遠的樣子。不管你位在哪個黑點上,都可以觀察到這種膨脹的現象。從任何一個黑點上看出去,其他的黑點都正在遠離。   觀測遙遠星系的天文學家可以直接觀察到這種現象,美國天文學家哈伯在1920年代首先發現了宇宙正在膨脹。霍伊爾則在1949年的一次廣播中首次提出「大霹靂」這個詞。大霹靂後過了40萬年,宇宙才冷卻到足以讓質子和電子結合成中性的氫原子。大霹靂在宇宙誕生的最初幾分鐘就創造出氦原子核和其他的輕元素,提供了形塑第一代恆星所需的原料。   依尚恩(Marcus Chown)的著作《神奇的大爐子》(The Magic Furnace)的說法,在大霹靂發生後,氣體團很快地開始凝聚,然後宇宙就像棵聖誕樹一樣突然間亮了起來。這些星星早在我們的銀河系出現之前就已經存在,而且已經死亡。   天文物理學家史蒂芬霍金曾經估算過,如果大霹靂之後一秒宇宙的膨脹速率再小個十萬兆分之一,宇宙就會重新塌縮,而無法演化出智慧生命。
西元1609年/克卜勒行星運動定律
克卜勒(Johannes Kepler,西元1571年~西元1630年)   天文學家歐文金格里奇說:「雖然今天克卜勒最為人所知的是他的行星三大運動定律,但這只是他對宇宙秩序的追尋的一小部分⋯⋯他留給(天文學)的是,一個比過去精確將近一百倍,物理學一以貫之的日心系統。」   克卜勒是德國天文學家、神學家及宇宙論者,發現了描述地球與其他行星如何以橢圓形軌道繞著太陽運行的克卜勒定律(Kepler’s Laws of Planetary Motion)。在克卜勒提出他的定律之前,他必須先揚棄當時盛行的看法:圓是用來描述宇宙與行星軌道的「完美」曲線。當克卜勒提出他的定律時,並沒有理論的支持。這些定律只是提供了一個優雅的方式描述了觀測到的行星軌道。大約過了七十年,牛頓才用萬有引力定律(Law of Universal Gravitation)證明了克卜勒定律。   克卜勒第一定律(也稱軌道定律,西元1609年)指出在我們的太陽系中,所有的行星都以橢圓軌道運行,而太陽就位於橢圓的兩個焦點其中一個。第二定律 (也稱等面積定律)說的是當行星離太陽較遠時,其運動速度比離太陽近時慢。如果用一條假想的線把行星和太陽連起來,則這條線在同樣時間段落內掃過的面積是相等的。有了這兩條定律,我們就可以輕易地計算出行星的軌道和位置,而且與觀測的結果一致。   克卜勒第三定律(也稱週期定律)說的是任何行星,其繞太陽公轉周期的平方與橢圓軌道的半長軸距離成正比。因此離太陽遠的行星,其公轉週期非常地長。克卜勒定律是人類所提出最早的科學定律之一,這些定律不只將天文學與物理學結合再一起,也促使後來的科學家去嚐試用簡單的方程式來描述真實世界的運作。
西元1687年/牛頓運動定律和萬有引力定律
牛頓(Isaac Newton,西元1642年~西元1727年)   牛頓說:「上帝以計數、衡重、測量創造了萬物。」牛頓是英國數學家、物理學家及天文學家,他發明了微積分、證明了白光是各種顏色的光所組成解釋了彩虹的成因,打造了第一具反射式望遠鏡,發現了二項式定理(binomial theorem),提出極座標系(polar coordinate),而且證明了使物體掉落的作用力和造成星球運轉及產生潮汐的作用力是同一種。   牛頓運動定律(Newton’s Laws of Motion)探討施加在各個物體上的作用力和這些物體的運動彼此有何關係。而萬有引力定律(Newton’s Laws of Gravitation)則說明物體間會互相吸引,且引力的大小與物體的質量乘積成正比,與物體間的距離成反比。牛頓第一運動定律(Law of Inertia,慣性定律)說,除非受到外力的影響,否則物體不會改變其原本的運動狀態:靜止的物體保持靜止;運動中的物體除非受到一個淨外力,否則會依原本的方向持續進行等速運動。牛頓第二運動定律則是說,當物體受到外力時,其動量(momentum)變化率與作用力的大小成正比。最後根據牛頓第三運動定律,當第一個物體施加一個作用力於第二個物體時,第二個物體也會施加一個大小相等方向相反的作用力於第一個物體。例如當湯匙掉落在桌子上時,湯匙向下施加於桌子的作用力,與桌子向上施加於湯匙的作用力相等。   牛頓終其一生都深受到躁鬱症的困擾。他非常痛恨他的母親和繼父,曾在青少年時期威脅要把他們活生生地燒死在房子裡。牛頓也寫過一些與聖經及預言有關的論文。很少人知道牛頓花在研究聖經、神學以及煉金術上的時間比科學還多;而且他在宗教上的著作也多於自然科學。無論如何,這位英國數學家及物理學家仍然是史上最有影響力的科學家。
西元1752年/富蘭克林的風箏
富蘭克林(Benjamin Franklin,西元1706年~西元1790年)   富蘭克林是個發明家、政治家、出版家、哲學家及科學家。他雖然多才多藝,但歷史學家辛多(Brooke Hindle)說:「富蘭克林在科學上的興趣主要是閃電以及與電有關的現象。他那個在暴風雨中放風箏的著名實驗,成功地將閃電和電學連結起來,讓科學向前邁進了一大步。美國與歐洲也因此廣泛地使用避雷針來保護建築物。」雖然和本書許多其他在物理上的里程碑比起來,富蘭克林的風箏可能不是那麼重要,但是它已經成為一種科學求真態度的象徵,而且啟發了幾個世代來的小朋友。   1750年,富蘭克林提議可以藉由在很可能會雷電交加的暴風雨中放風箏來驗證閃電究竟是不是電。雖然歷史學家這個故事的細節有些爭論,但根據富蘭克林自己的記錄,他是在1752年6月15日於費城進行了這個嘗試將電能從雲端引下來的實驗。在某些版本的故事裡,他手握著一條絲帶,絲帶的一頭綁著風箏線尾端的鑰匙,以避免自己在電流從風箏線傳遞到鑰匙並進入萊頓瓶 (一種將電儲存在兩個電極之間的裝置) 時觸電。有些研究者不像他那麼小心,結果在進行類似的實驗時被電死。富蘭克林寫道:「當風箏線被雨沾濕並開始導電時,你可以感覺到電就從你指結附近大量地流經鑰匙,然後⋯⋯灌進了萊頓瓶⋯⋯。」   歷史學家卓別林(Joyce Chaplin)提到,風箏實驗並不是第一個指出「閃電就是電」的實驗,但風箏實驗驗證了這個發現。富蘭克林「想要知道雲是否帶電,如果雲真的帶電,那是正電還是負電?他想確認自然界中的確存在著電。如果只是把他的發現簡化成避雷針,實在是低估了他所作的努力⋯⋯」。
西元1851年/傅科擺
傅科(Jean Bernard Leon Foucault,西元1819年~西元1868年)   戴維斯(Harold T. Davis)說:「擺的運動,不是因為外來超自然或神祕力量,只不過是擺錘下方的地球正在轉動而已。但它又不像看起來的那麼簡單,因為一直到了1851年,傅科才第一次以實驗證明了這個解釋。很少有簡單的事實會拖這麼久才被發現⋯⋯而這也證明了慘遭火刑的布魯諾與受盡折磨的伽利略都是無辜的。地球真的在轉動!」   1851年,法國物理學家傅柯在萬神殿,一座位於巴黎的新古典圓頂建築中展示了他的實驗。一顆南瓜大小的鐵球懸掛在67公尺的鋼纜上。當擺錘擺動時,它的擺盪平面會逐漸地改變,以每小時11度的速率順時鐘旋轉,證明了地球確實在轉動。現在讓我們想像把萬神殿搬到北極。此時當擺錘擺動時,其振盪平面不受地球運動的影響,只有地球單純地在擺的下方旋轉。因此在北極時,擺的振盪平面會以順時針方向每24小時旋轉360度。擺的振盪平面的轉動速率與緯度有關,在赤道上,振盪平面不變。而在巴黎,擺的振盪平面旋轉一圈所需的時間大約是32.7小時。   當然,早在1851年之前,科學家就已經知道地球會自轉,但是傅科擺(Foucault’s Pendulum)提供了一個非常簡單而生動的證明。傅科這樣形容他所設計的擺:「事情就這樣安靜的發生,但它不可抗拒,也無法停止⋯⋯來到這個擺面前的人,在安靜地停留一會後,都帶著沉思的表情默然離去,然而他已深刻地體會到,我們正在太空中永無止境地移動著。」   傅科早年修習的是醫學,但後來發現自己怕血,於是轉而研究物理。
西元1905年/特殊相對論
愛因斯坦(Albert Einstein,西元1879年~西元1955年)   愛因斯坦的特殊相對論(Special Theory of Relativity)堪稱人類智慧最偉大的結晶之一。當時的愛因斯坦只有26歲,他使用了一個特殊相對論中最重要的假設:真空中的光速不會隨著光源的運動而改變,而且無論觀察者以什麼方式運動,觀察到的光速都一樣。這和音速不同,音速會隨著觀察者與音源的相對運動而改變。光的這種特性讓愛因斯坦得以推導出「同時的相對性」(relativity of simultaneity):對某個坐在實驗室座標系裡的人來說同時發生的兩個事件,對另一個正在相對於該座標系運動的人來說是在不同的時間發生的。   由於時間是相對於觀察者的運動速度而定,因此宇宙中不會有個放諸宇宙皆準的標準時鐘。你的一生對於某個以接近光速的速度遠離地球的外星人來說只是一瞬間,當它們在一小時後回到地球時,會發現你已經死亡好幾個世紀(之所以使用「相對性」這個字的原因是,事實上這個世界所顯現出來的樣子與我們的相對運動狀態有關─所有的表象都是相對的)。   雖然人們已經了解狹義相對論推導出來的怪異結果超過一個世紀,學生仍然時常在學習狹義相對論時感到恐懼而疑惑。然而事實證明,狹義相對論的確精確地描述了從次原子粒子到星系的宇宙特性。   為了瞭解狹義相對論的另一個論點,想像你坐在一架等速度相對於地表移動的飛機上。我們可以把這架飛機稱為一個移動座標系。相對論讓我們了解到,如果不往窗外看,你將無法判斷自己的移動速度。因為當你看不到從窗外閃過的風景時,你可能會以為自己正在一架靜止的停留在地表上的飛機。
西元1927年/海森堡不確定性原理
海森堡(Werner Heisenberg,西元1901年~西元1976年)   保羅斯(John Allen Paulos)說:「我們唯一確知的就是不確定性。而安全的唯一方法就是知道如何與不安全共處。」海森堡不確定性原理(Heisenberg Uncertainty Principle)說,我們無法同時準確地得知一個粒子的位置與速度。更精確地說,當我們量到的位置越準確時,量到的動量就越不準,不確定性原理對微觀尺度的原子和次原子粒子尤其重要。   在海森堡發現這條定理前,大多數的科學家都相信,任何量測的精準度只受限於使用的儀器。但德國物理學家海森堡提出了一個假設,認為即使我們可以建造一個無限準確的儀器,也無法同時精確地決定一個粒子的位置與動量(質量速度)。不確定性原理關心的並不是我們在量測粒子的位置時對動量所造成的擾動。我們可以非常準確地量測出粒子的位置,但與此同時,我們對其動量將幾乎一無所知。   對那些同意量子力學的哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)的科學家而言,海森堡不確定性原理意味著,物質宇宙事實上並非以決定論的形式存在,而是機率的集合。同樣的,即是在理論上,我們也無法藉由無限精準的量測來預測光子等基本粒子的路徑。   1935年,海森堡的導師索莫菲(Arnold Sommerfeld)在慕尼黑大學的教職理應由他來接任。但是納粹要求「德國物理」必須要取代包含量子力學與相對論在內的「猶太物理」,因此雖然海森堡並非猶太人,仍然被排拒在慕尼黑大學之外。   二戰期間,海森堡負責帶領德國失敗的核子武器計畫。今天,科學史學家仍在爭論,這個計畫之所以失敗,是因為缺乏資源、團隊中缺乏適合的科學家、海森堡本人缺乏意願為納粹提供威力強大的武器或其他的因素。
西元1988年/蟲洞時光機
索恩(Kip Stephen Thorne,西元1940年生)   我們在〈時光旅行〉一節中曾談到,戈德爾在1949年所提出的時光機必須運作在巨大的尺度上—整個宇宙都必須隨之旋轉才行得通。而另一種完全不同的時光機,則是索恩和他的同事,在一篇1988年發表於著名的《物理評論通信》(Physical Review Letters)上的文章中所提出的,從次原子量子泡沫(quantum foam)中所產生的蟲洞(Wormhole)。他們在論文裡描述了一個連接了存在於不同時間下的兩個區域的蟲洞,因此蟲洞可以連結過去與現在。由於經由蟲洞的旅行幾乎是發生在一瞬間,因此我們可以藉由蟲洞來回到過去。索恩的時光機與威爾斯(H. G. Wells)的時光機不同,需要極為龐大的能量,而我們的文明在未來的許多年內都不可能產生如此龐大的能量。然而索恩樂觀地在論文中提到:「一個夠先進的文明,都可以藉由單一的蟲洞建造出回到過去的時光機。」   把宇宙中無所不在的量子泡沫中的微形蟲洞放大,也許可以產生索恩的時光蟲洞。把蟲洞放大後,可以把其中一端短暫地加速到非常高的速度,或是把其中一個開口移到重力非常大的天體旁,然後回頭。這兩種方法都可以讓蟲洞移動過的那一端因為時間延遲而經歷較短的時間(跟相對於實驗室座標從未移動過的那一端相比)。例如放在加速過那一端的時鐘顯示的時間可能是2012,而靜止不動那一端的時鐘顯示的可能是2020。如果你跳進2020年那一端的蟲洞,你將會回到2012年。但是你無法回到蟲洞時光機建造之前的日期。建造蟲洞時光機的困難之一是為了讓蟲洞保持開啟,需要大量的暗能量(dark energy,例如具有負質量的稀罕物質),而我們現今的科技仍無法製造出這種物質。
西元1993年/霍金的星際奇航記
霍金(Stephen William Hawking,西元1942年生)   根據調查,天文物理學家霍金是二十一世紀初時「全世界最知名的科學家」。由於他所帶給人們的啟發,這本書特別把他列為單獨的一節。就像愛因斯坦一樣,霍金也橫跨到流行文化的領域,並且在許多電視節目,例如《星際奇航記:銀河飛龍》(Star Trek: The Next Generation)中扮演自己。由於頂尖的科學家極少成為文化的象徵,因此我們用這一節的標題來彰顯他的重要性。   許多與黑洞有關的定理都是霍金的貢獻。例如質量為M的史瓦茲黑洞(Schwarzschild black hole),其蒸發速率可以寫成dM / dt=-C / M2,其中的C是常數,t是時間,就是由霍金所提出。另一條霍金所提出的定律說,黑洞的溫度與其質量成反比。物理學家李.斯莫林(Lee Smolin)說:「一個質量與喜馬拉雅山相當的黑洞,其大小不會超過一個原子核,但是它的溫度會比恆星中心的溫度還要高。」   1974年,霍金發現黑洞會散發出由次原子粒子所組成的熱輻射,這種過程就是所謂的霍金輻射(Hawking radiation)。同一年,他被選為倫敦皇家學會最年輕的院士之一。黑洞會散發出這種輻射,最後因為蒸發而消失。霍金在1979到2009年之間一直擔任劍橋大學的盧卡斯數學教授(Lucasian)這個牛頓也曾擔任過的職位。霍金也猜測在虛數時間中(imaginary time),宇宙既沒有邊緣也不具界限,這表示「宇宙開始的方式完全由科學定律所決定」。霍金在1988年10月17日的《明鏡周刊》上說:「宇宙是如何開始的很可能是由科學定律所決定⋯⋯而不需要由上帝來決定宇宙該如何開始。這並不表示上帝不存在,只是表示上帝並不是必要的。」
一百兆年後/宇宙的終結
弗雷德亞當斯(Fred Adams,西元1961年生), 霍金(Stephen William Hawking,西元1942年生)   詩人佛洛斯特(Robert Frost)曾寫道:「有人說世界將會終結於火中,有人說終結於冰裡。」我們的宇宙的最終命運取決於它的幾何形狀,暗能量的行為以及物質的總量等因素。而天文物理學家弗雷德亞當斯以及格雷戈里勞克林則描繪了一個黯淡的終點:現在這個充滿星星的宇宙,到最後將成為一個由次元子粒子所組成的巨大海洋,所有的恆星、星系和黑洞都將消失不見。   在其中一個情境裡,宇宙的死亡分成好幾幕。目前上演的這一幕,恆星所產生的能量正驅動各種天體物理的過程。雖然我們的宇宙已經有137億歲,但是大部分的恆星都才剛剛開始發亮。但是所有的恆星都會在100兆年後死亡,屆時將不再有新的恆星誕生,因為星系已經耗盡它們的燃料—那些用以產生新恆星的原料。到了此刻,滿天繁星的這一幕將迎來它的終點。   第二幕,宇宙繼續膨脹,但是能量不變且星系逐漸萎縮,物質逐漸聚集到星系的中央。只剩因為質量不足而無法像恆星一樣發光的棕矮星仍在苟延殘喘。到了這時候,重力已經把死亡恆星的殘骸聚集成超級緻密的天體,例如白矮星、中子星與黑洞。到最後,即使是這些白矮星和中子星也都會因為質子衰變而消失。   第三幕,是黑洞的時代,這時候重力已經將所有的星系都轉換成看不見也質量非常巨大的黑洞。藉由天文物理學家霍金在1970年代所提出的一種能量輻射過程,黑洞會逐漸地流失其巨大的質量。這表示一個巨有大型星系質量的黑洞,在大約1098到10100年後,會蒸發殆盡。   當黑洞時代落幕後,還有什麼東西留下來嗎?有什麼來填滿這個寂寞的巨大宇宙空洞?有生命能夠存活嗎?到最後,我們的宇宙可能只是一片漂散著無數電子的海洋。

作者資料

柯利弗德.皮寇弗(Clifford A. Pickover)

他是一位多產作家,涉獵主題從科學、數學一路涵蓋到宗教、藝術及歷史,累計發行已超過四十本書,並被翻譯成數十種語言。皮寇弗在耶魯大學取得分子生物理化博士學位,在美國擁有四十多項專利,並擔任數本科學期刊的編輯委員。他的研究內容獲得CNN、《連線》(WIRED)、《紐約時報》(New York Times)等諸多媒體重視。著有《數字的異想世界:125個有趣的數學遊戲》、《光錐.蛀孔.宇宙弦》、《數學之書》和《物理之書》等書。個人網頁(www.pickover.com)的造訪人次更是數以百萬計。

基本資料

作者:柯利弗德.皮寇弗(Clifford A. Pickover) 譯者:顏誠廷 其他:高涌泉、黃小玲/審訂 出版社:時報出版 書系:科學人文 出版日期:2013-01-07 ISBN:9789571356983 城邦書號:A2200594 規格:平裝 / 彩色 / 264頁 / 19cm×26cm
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