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目錄

簡介

  • 世界只有方糖那麼大
    • 作者:Marcus Chown
    • 譯者:張志義
    • 出版日期:2008年3月6日

討論會

第一次討論會

  • 時間:97.11.25 19:00~21:00
  • 主題:量子力學前半(P.11~P.80)
  • 導讀人:陳玟潔、楊崇安
  • 地點:全家交誼廳
  • 出席人:李昕迪、陳玟潔、楊崇安、楊傑宇、陳思汝

第二次討論會

  • 時間:97.11.28 15:00~17:00
  • 主題:第五章~第七章(P.81~P.144)
  • 導讀人:李昕迪、陳思汝
  • 地點:新館交誼廳
  • 出席人:李昕迪、陳玟潔、楊崇安、楊傑宇、陳思汝

第三次討論會

大綱與心得

「在你吸入的每一口氣中,起碼有一個原子是瑪麗蓮夢露所呼出的。」、 「假如你把電視轉到空台,螢幕上的雪花有百分之一是宇宙大爆炸的殘餘物所引起的。」、 「可以把全人類都擠進一塊方糖大小的空間裡。」這些看起來匪夷所思的句子,其實都是正確的!在微觀原子的世界裡,還有太多我們所不瞭解的,新奇有趣的觀察結果。作者從這些生動的描述中去引發讀者的興趣,誘使讀者更願意主動去接觸他所架構的奧妙世界。藉著一次次的討論,我們更深入的去瞭解,也互相分享對這些高中就接觸過的名詞的看法和學習。當然精深的物理並不是醫學大學的專精科目,但基礎的自然學科可以被廣泛的延伸和應用在各種專業的領域,或許這也是大學一二年級時,特別講求通識和普等教育的根本立意吧。

一本好的科普書往往是通往探索未知的窗口。隨著資訊發達和知識的普及,坊間越來越多的科普書籍問世,一掃過去對科學知識「專業」、「冷僻」的印象,打破了「隔行如隔山」的藩籬,更加深了一般大眾對科學的認識。像近年來天下文化出版的一系列醫學有關的書籍或醫師經驗談,也是有效讓民眾更貼近醫療文化很好的例子。在各種科普刊物中,進代理論發展迅速且有廣大實用效益的物理這科,尤其佔有一席之地。在微觀和巨觀的衝突之下,量子論、相對論乃至於暗能量、宇宙論等紛紛被提出,擴展了我們的視野。那麼科普的精髓是什麼?或許,堅信各種存在於宇宙中奧妙的物理思維,可以是全人類共有的文化資產,可以被一般人理解的,就是科普最原始也最珍貴的精神。

量子力學

第三章:精神分裂的原子-干涉,量子電腦與平行宇宙

  • 量子電腦的概念是源於波疊加的特性。干涉的基本特點是混合同一光源的兩組光,但微小到僅容光子一粒粒通過的狹縫竟也能產生干涉,這只有一個解釋:光子同時通過兩條狹縫而自我產生干涉。應用在量子電腦1和0的位元上,便可同時平行地做龐大苛細的運算。
  • 多重宇宙是這章裡另一個重要概念。理論上一個量子位元可以做兩個運算,十個可以同時做1024個運算;那麼同時做數億億個運算,甚至超過宇宙中所有粒子的總和理論上是可行的,但宇宙中有這麼多資源嗎?所以Hugh Everett III 大膽提出了多重宇宙(multiverse)的概念,認為組成疊加態的各個態存在於許多各自獨立的現實中;而由干涉建立起他們彼此溝通的橋樑,建構出最後我們所觀察到的「狀態」。所以我們只能觀察到一顆原子同時存在於兩地造成的結果,而不是在兩地看到「同一顆原子」。

第五章:宇宙感應

  • 自旋(spin): 基本粒子所擁有的性質。
    • 一種類似角動量的性質,但和粒子有沒有在轉並沒有關係。
    • 不同基本粒子有不同的spin,不能被改變。但我們可改變他的指向。
    • 以電子為例,他的自旋量值為1/2,不能被改變。但考慮指向,他可以有1/2, -1/2
  • 糾纏(entanglement)
    • 我們創造一對電子,根據角動量守恆,這兩個電子的角動量將會是1/2, -1/2
    • 當我們不去理會他(不觀察他而影響粒子狀態),電子自旋可能是1/2, -1/2, 也可能處於疊加態(superposition):(1/2)(-1/2), (-1/2)(1/2)
    • 當我們去觀察時,將觀察不到粒子的疊加態,我們只能看到1/2, -1/2
    • 若其中一個粒子為1/2, 則另一顆必為 -1/2。
    • 即使這兩顆粒子相距很遠,或是有障壁在兩者之間,也會有這樣的情形。而訊息傳遞的速度比光速還快,和相對論相違背。
    • 能否將 纏應用在通訊上,以突破相對論中光速的限制呢? 答案是不行的,因為傳訊時我們必須知道我們在傳什麼,也就是檢查量子的狀態,這樣的動作會破壞掉干涉,干涉對糾纏是很重要的,這樣我們就沒辦法做到糾纏
  • 非侷域性(nonlocality)
    • 非侷域性: 倆物之間互相影響,不論距離有多遠。
    • 侷域性: 影響物質的只有在其附近的事物。如萬有引力,距離太遠則引力趨近於零。
  • 電傳(Teleportation)
    • 糾纏告訴我們瞬間移動是可能的
    • 現再我們有個東西叫作P,放在A處;另外我們在B處放一個P*,另外再做個X,X和P*彼此糾纏。
    • 現在我們讓X和P也糾纏在一起,這時P* 會因為糾纏的關係變成P。
    • 舉個例子,若P原本是個spin為1/2的電子,那X和P entanglement後X會變成 -1/2 的電子,P*和X互為糾纏,故P*會變成1/2的電子,就是原來的P
    • 根據測不準原理,我們把P和X做糾纏時,P會消失掉,所以只能做到瞬間移動,而不是複製
    • 當我們把P和X做糾纏時訊息的傳遞受相對論限制,故不超越光速。但X和P*感應的速度比光速還快
    • 如果要用這種方式把一個人做瞬間移動,則需要相當大的能量,目前科學尚無法達成
  • 衍生出來的哲學思想

第六章:全同

相對論

第七章:時空之死

光速是每秒三十萬公里,並不是無限大。但是為什麼我們還是無法超越光速?愛因斯坦的理由如下。當你追上光速時,你與光速的相對速度是0,也就是說,就你的觀察而言,光是靜止的。但是由麥克斯威爾方程式得知,不存在靜止的電磁波,所以不存在靜止的光(光就是電磁波)。於是沒有任何物體追得上光,光速就是宇宙中速度的極限。

  • 狹義相對論的兩大支柱:
    • 光速與光源無關-就靜止的觀察者而言,他觀察到的光速應該是原本的光速再加上光源的速度,但是我們知道沒有任何的東西比光速快,於是光速與光源無關。
    • 相對性原理-伽利略發現物體間的相對運動並不會影響物理定律。
  • 收縮的空間,延長的時間:
    • 在這個宇宙中,不變的並不是時間和空間,而是光速。而為了讓光速保持恆定,物體在等速移動中,空間會收縮,而時間會膨脹。然而,這個效應只有在非常接近光速時才表現得比較明顯。
  • 時鐘的快慢:
    • 對於兩個做相對運動的觀察者來說,在狹義相對論的效應下,他們的時鐘快慢會不一致。
  • 時空的影子:
    • 光速恆定使得時間和空間可以互相轉換,這是因為真正基本的是「時空」,時間和空間都只不過是它的兩個影子。也就是說,時間和空間與觀察者所採取的觀點(速度)有關。
  • E=mc2以及其他
    • 如果時間和空間可以互相轉換,那麼電場和磁場、動量和能量也是糾纏不可分的。於是就有了電磁場和E=mc2的概念。

第八章:E=mc2以及陽光的重量

我們知道彗星在接近太陽時,會拖著一條長長的尾巴。這是因為它受到太陽風(太陽光)的吹拂。可是光子本身是沒有質量的,那麼究竟是甚麼造成彗星的尾巴呢?光子雖然沒有質量,但是它有能量,如果我們可以把能量和質量看成一體兩面的東西,便能理解彗星的現象了。以下說明能量有質量的現象。假設將一個物體推到將近光速,由於光速不可能達到,所以會愈來愈難推動它。於是我們推斷它的質量變重了。由此可知,能量有等效的質量。

  • 無中生有:
    • 如果能量和質量可以互相轉換,那麼質量可以從能量製造過來,則質量是可以無中生有的。
  • 比炸藥猛烈一萬倍:
    • 太陽燃燒的能量是來自於內部氫核融合成氦所消失的質量。而這巨大的能量是由原子核在核吸引力的碰撞下釋放出來的。它比同重量的媒所釋放出來的能量大一百萬倍。
  • 由物質變為純能量:
    • 雖然氫彈只能釋放其百分之一的能量,但自然界的黑洞可以釋放它吸入物質的百分之四十三。反物質則可以釋放所有的能量。當物質遇到反物質時,瞬間所有的質量會百分之一百轉化成能量。倘若我們想要實現星際旅行,我們就需要建造反物質動力的太空船。

第九章:重力並不存在

廣義相對論緣起
  • 狹義相對論的不足:僅限於描述等速運動的物體
  • 與牛頓重力理論的衝突:
    • 牛頓認為重力的傳播是瞬時的,意即傳播速度是無限大的,違反狹義相對論中任何速度不可能大於光速的描述。
    • 牛頓認為重力的來源是質量。然而狹義相對論中,所有能量都有等效的質量,所以應該各種型式的能量都能夠產生重力。
  • 廣義相對論的目的,其實這兩項看似獨立,卻是一體兩面的。
    • 推廣狹義相對論,讓它適用於加速運動的物體。
    • 推導出相容於狹義相對論的重力理論。
廣義相對論的突破
  • 重力就是加速度。
  • 重力是能量(包括質量)對時空造成的扭曲。
    • 證據:白矮星的光子震動頻率較低產生的重力紅移
廣義相對論的影響
  • 重力本身也是一種能量型式,故也會產生重力。所以在一個很大的質量體附近,重力場是十分複雜的。可以解釋水星的軌道為何不如預期。
  • 對時光機的預測

第十章