萬聖節科學

兩年前,我寫過一篇文章討論鬼可不可能在已知物理定律下存在,引起了一點迴響。其中有人讚同我的看法,也有人說我不應以科學去解釋鬼。

鬼存在與否,對作為物理學家的我來說,就如同傳播光線的介質「以太」存在與否的問題。愛因斯坦獨力完成廣義相對論,時至百年後今天仍能以其重力波的預言使諾貝爾獎委員會頒出奬項,舉世無雙。光線的速度是馬克士威電磁波動方程的解——秒速三十萬公里,而相對論則說這個數字永不改變。光以這個速度跟隨與質量互動的時空行進,無需介質。

如果硬要往宇宙塞進一種看不見、與宇宙中所有粒子都沒有交互作用的介質,會違反物理嗎?不會。如果硬要往宇宙塞進一種看不見、與宇宙中所有粒子都沒有交互作用的叫做鬼的「東西」,會違反物理嗎?也不會。

(抱歉,鬼不可能是「能量」,因為質能等價,能量亦可被測量)

有把科學剃刀,專門剃走這種沒有作用、多此一舉的「理論」,而事實上這些「理論」連科學假設的程度也達不到。這就好比我說有種完全透明、不能被任何實驗探知的獨角獸存在,更要求把這種獨角獸加入生物學課本裡。這把剃刀的作用,就是幫助我們分別現實和幻想。

我經常強調科學家並非沒有感情的生物。相反,我認為科學家的感情非常豐富,否則怎麼可能會覺得數學公式很美麗、被邏輯推理結果感動到落淚?我相信大部分科學家與你我一樣,都會被牆上的蛇影嚇到,亦會不敢獨自在夜深裡看鬼片。

對未知事物的恐懼,並加以超越現有知識的解釋,是人類演化的結果。我們不難想像,恐懼黑暗中的幽靈,有助我們遠離可能的危險,有利於物種繁衍。而科學卻告訴我們,哪裡沒有鬼怪,不過卻可能有野獸。兩者分別在於,科學能幫助我們找出解決方法,而怪談則使人不敢前進。

科學,某種程度上來說是違反人性的。正因如此,我們才更應重視科學,因為科學使我們面對自己內心的恐懼。我們恐懼鬼怪、恐懼黑暗、恐懼無知。戰勝害怕鬼怪的心魔,可能只需要勇氣;而戰勝黑暗中的野獸,除了勇氣,你更需要一支火把。

當然,如果你真的發現有鬼,煩請把我的聯絡方法交給他,好讓我的臉書專頁多些來自不同次元的讚之外,也能拍部新人鬼情未了電影,寫篇跨越人鬼界線的論文,屆時獲得諾貝爾獎,一定邀請你來觀禮。

封面圖片:Fermilab/Anatoly Evdikomov

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新星新理論

在沒有雲的晚上,抬頭望向夜空,可以看見數不清的星星。夜闌人靜時,又有否想過星空是否永恆不變?

除了一年四季周期改變外,星空的確不是永恆不變的。恆星亦會誕生、會移動、會轉變、會死亡,如果用天文望遠鏡長時間細心觀察,人類在短暫的一生中還是可以看出些端倪。

恆星以組成自身的原子為燃料,靠著把原子熔合在一起而產生能源,這個過程叫做核聚變。可想而知,核反應的燃料總會有用盡的一刻。核燃料用盡後,依據恆星的質量,其死亡方式會有所不同。

如果恆星不太重,死亡後就會變成白矮星。白矮星是密度高的天體,雖然其質量與太陽相當,但大小卻只有地球尺寸。雖然白矮星中心的核反應已經停止,但因為其密度高,表面重力非常強,當有物質被吸積到其表面,就有可能在表面發生核聚變反應。

由於核聚變直接在白矮星的表面釋放能量,白矮星看起來就會突然變得非常光,有時候在地球上也能以肉眼看見。這種天文現象,我們稱之為新星(nova)。

從前,天體物理學家認為新星釋放的光的能量主要來自白矮星表面。然而,來自香港、現於美國密西根州立大學進行研究的李君樂博士和他的研究團隊最近在《自然天文》期刊(Nature Astronomy)發表的論文,提供了一個更可靠的理論。

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李君樂博士使用 Fermi/LAT 觀察的新星 ASASSN-16ma。Credit: Li, K. L., et al. (2017).

他們利用費米伽瑪射線太空望遠鏡大面積望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope/Large Area Telescope, Fermi/LAT)和全天超新星自動搜索(All Sky Automated Survey for SuperNovae, ASAS-SN),分別以伽瑪射線和可見光波段觀察了位於銀河系內的一顆稱為 ASASSN-16ma 的新星。他們發現,這顆新星的可見光亮度變化竟然與伽瑪射線的亮度變化一致。這表示兩者極可能來自同一物理過程。

這就造成了一個難題。根據理論計算,白矮星表面的核反應根本不足以提供能源給如此猛烈的伽瑪射線和可見光。另一方面,ASASSN-16ma 釋放出的可見光亦達到了所謂的超愛丁頓亮度(super-Eddington),即超過了向外的壓力和向內的重力能保持平衡的極限。因此,這顆新星的電磁輻射極不可能來自白矮星表面。

李博士認為,他們觀察到的 ASASSN-16ma 的輻射實際上來自於向外噴出的物質外向流(outflow)裡產生的衝擊波(shock)。新星會突然改變外向流速度,比較快的外向流會追上較慢的外向流,碰撞並產生衝擊波。他們以外向流中的 Hα 發射線的寬度計算出其速度,發現較慢的速度約少於秒速 1100 公里,較快的速度約少於秒速 2200 公里。

李博士的團隊更進行電腦模擬,發現衝擊波釋放能量的應為強子(hadron)而非輕子(lepton)。強子是由夸克組成的粒子,參與強核力,而輕子則是不參與強核力的粒子,例如電子。儘管兩個理論都能解釋測量到的光譜,但輕子理論要求外向流是高度磁化的,可是輕子理論同時預言物質中的磁場是非常微弱的,因此輕子理論就有個矛盾。所以他們認為強子理論比較能合理解釋觀察結果。

這項研究不單提出了一個新的新星輻射模型,解決了新星的超愛丁頓亮度問題,更為新星外向流裡的輻射機制提供了線索。當我們未來探測到越來越多新星,就能為這理論提供更多證據。

封面圖片:新星(中心紅色)與外向流(黃色)。Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF.

延伸閱讀:

“A nova outburst powered by shocks” Li, K. L., et al. 2017, Nature Astronomy 1, 697

密西根州立大學寫的介紹文章

科學與數學-人類對大自然的理解

愛因斯坦:「這個宇宙最不能理解的事,就是它竟然能被理解。」

科學是理解宇宙的方法。沒錯,而我相信科學是理解宇宙最有效的方法。

科學能理解宇宙,這是什麼意思?何謂理解?如果我們想深一層,「理解」的過程是沒有盡頭的。為什麼我們存在?因為有太陽提供能量給地球上的生命。為什麼太陽存在?因為星塵經由萬有引力結合成太陽。為什麼有星塵?因為宇宙誕生時產生了能量和質量。

那麼,為什麼有宇宙?

每種問「為什麼」的過程,都能夠追蹤到宇宙誕生,包括為什麼今天不小心打破了玻璃杯,其終極原因也是宇宙誕生。同樣,問基本粒子的本質是什麼,最後也只能答「因為宇宙誕生就是這樣啊」。

科學家在很久以前,問的是「為什麼(why)」,答案亦普遍停留於「定性(qualitative)」階段。然而,隨著主要由伽利略等人開始的科學革命,科學家漸漸發現使用數學能夠描述自然定律之餘,亦能做出非常精確的預測。其中,以牛頓萬有引力定律推算出彗星重臨時間的哈雷,最為人津津樂道。由17世紀發展以來的現代科學,變成一門精密的「定量(quantitative)」學問。

科學家學會了去問大自然「如何(how)」運作。這比問大自然 why 這樣運作容易回答,因為問大自然 how to 運作的答案可以用數式、數字,加上統計、歸納觀測和實驗數據而得到,並且非常精確。數學(包括統計學在內)不單止是大自然的語言,更是科學家用來理解大自然定律的語言。

在科學中,「理解」就是數學方程式。不管我們願不願意接受,數學都是描述和預測自然定律最精確的語言。把我們觀察到的數據歸納,以最少的假設建立一個能夠描述這些數據的數學模型,並對大自然作出預測,就是現今科學家的日常工作。

當然,我們可能不會滿足於問 how。人類是求知慾很強的生物,我們渴望知道 why。這也是很多著名的科學家說過的;很多科學家都說我們應該理解數學背後的物理概念,而非單純滿足於公式和數字。

我們會高興地說:「看!愛因斯坦和費曼等科學家都說過,理解物理公式不代表真正理解物理!」且慢。這個結論下得太快了;快點把你寫滿數式的筆記找回來。可能理解物理公式真的不代表理解物理概念,我不肯定;但我能肯定的是,不理解物理公式,就不可能理解物理概念。

會說出「物理不是數學」的科學家,他們之所以會這樣講,是因為他們已經把物理公式理解得相當透徹。他們達到一個層次、擁有的堅實數學能力讓他們是時候向下一步進發:不用數學而理解物理。不過,這一步,誰也不能保證成功,就連愛因斯坦、費曼等人都不可能保證成功。

每個科學家都知道,能夠不用數學就理解的自然定律少之又少;大部分的情況下,人類對自然定律的最終理解就是那堆數式、符號和數字。

這代表我們理解宇宙的嘗試失敗了嗎?非也。能夠利用數學去描述自然定律,還能得到非常不錯的預測,已經是非常厲害的壯舉。如果我們仔細思考,我們甚至會認為這個壯舉厲害得近乎不可思義。例如在2015年探測到的重力波,竟然是愛因斯坦在100年前發表的高度數學化的重力理論——廣義相對論——的預言。又例如在上世紀發展到今天的量子力學,其預測能力只有越來越精準,百多年來無數個實驗測試它都一一通過了。這些科學成就,無不是建立在科學家對物理公式的徹底理解之上。

我們應該謹記,無論我們對「理解物理定律」的解釋為何,首先都必須理解物理公式。正如做事要由基礎開始,學科學也要由科學定律的根基——數學——開始。當我們可以問 why 的時候,就代表我們已經理解 how 了。

或許有一天,我們所有人都能夠理解宇宙為何如此不可思議。我是這樣希望的。