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【2020 諾貝爾物理學獎】廣義相對論與宇宙最黑暗秘密

諾貝爾獎有三個科學奬項，我們在學校也習慣以「物理、化學、生物」等不同科目去區分不同科學領域。這種分界當然能夠方便我們以不同角度去理解各種自然現象，但大自然其實是不分科目的。科學最有趣的是各種自然現象環環相扣，我們不可能只改變大自然的某一個現象而不影響其他。就好像蝴蝶效應，牽一髮而動全身。

慣性

自古希臘時期，對於宇宙的模樣有兩個主要的觀點：地心說（Geocentrism）和日心說（Heliocentrism）。地心說指地球是宇宙的中心，所有天體都環繞地球運動，而日心說則指太陽才是中心。

給妳機會說服科學界占星是科學

我經常說，我們這班真正的科學家是牆頭草，天下間變臉最快的騎牆派。 只要妳能解釋以下幾點，我保證科學界會立即把占星加入天文學教科書之中，妳也可以準備好接受諾貝爾獎的講稿。 一、離太陽系最近的恆星是比鄰星，距離4.2光年。請問離地球至少4.2光年的恆星們，以哪一種基礎交互作用影響人類今天的運程？ 二、不單止水星，所有行星都會逆行，原因與駕車時超車，被超越的車看上去會逆行一樣，是錯覺。請解釋地球超越行星引起的這種錯覺，以哪一種基礎交互作用影響人類今天的運程？ 三、地球自轉軸有個以26,000年為週期的運動，叫做進動，或者中文比較常叫歲差。因此，幾千年前的黃道（太陽一年在天上的軌跡）與現在不同。黃道十二宮現已變成十四宮，而且每個人出生的黃道星座都偏差了一個月，請問哪一種基礎交互作用，能夠以何種機制修正這個誤差，從而影響人類今天的運程？ 我幫妳答吧。 第一道問題，妳需要在以光年計的宏觀尺度，以整體人類規模示範量子超距作用。絕對超越諾貝爾獎級別。成功的話造出量子電腦對妳來說易如反掌，妳發達了。 第二道問題，妳需要證明廣義相對論是錯的，地球本身是個絕對參考座標系。超越愛因斯坦和霍金的諾貝爾獎級別。 第三道問題，妳需要比《流浪地球》更強大的科技，在全地球人不知不覺的情況下移動地球。太陽系的和平都靠妳了，還管他什麼鬼諾貝爾獎？ 最後，以上所有問題都關乎對物理學的基本粒子標準模型作出史無前例的大修正，亦能夠幫妳再賺多幾個諾貝爾獎獎座。到時候，獲得三個諾貝爾獎獎座的居禮家族也要排到妳後面去吧。 理科太太，妳說呢？ 延伸閱讀： 《理科太太與唐綺陽》-Kayue 《別混淆「差的科學」與「偽科學」》-余海峯

玻璃中的天文物理：約瑟．馮．夫琅和費（Joseph von Fraunhofer）

宇宙間一切物質，包括天上都星辰和地球上的生命，都是由同樣的原子所構成。原子的數量非常、非常多，我們每呼吸一口氣，就有比可見宇宙裡所有恆星的數量更多的原子進入我們的身體。原子有不同種類，構成地球上一切生命的主要原子是碳、氧、氫、氮等等，而構成恆星的也差不多都是這幾種原子，只不過各種原子數量的比例跟人體不大相同而已。 牛頓使我們知道，宇宙間一切都遵守相同的物理定律。可是，同時代的人卻不知道天上的恆星是否也由同樣的物質所構成。不，在二十世紀以前，原子亦並未被證實存在。天文學剛與迷信占星分道揚鑣，利用星光研究天體的運行秩序，而物理學則剛被伽利略和牛頓等人發明，利用物理定律研究地球上的現象。那麼，天上的現象呢？ 牛頓死後60年，約瑟．馮．夫琅和費在巴伐利亞慕尼黑附近的斯特勞賓（Straubing）出生。由於父母雙亡，他在11歲時就要到慕尼黑的一間玻璃工廠工作。工廠的老闆非常刻薄，更不准他上學，而他只能住在老闆家中。不幸地，或者應該說幸運地，這房子在夫琅和費14歲時的一個晚上倒塌了，夫琅和費被困於瓦礫之中。當時的巴伐利亞候選帝馬克西米利安一世（Maximilian I）帶領營教，把夫琅和費教了出來。 馬克西米利安買書給夫琅和費，並派人協助他的一切所需。馬克西米利安的介入使工廠老闆不得不讓夫琅和費上學。後來，夫琅和費成為了出色的光學物理學家，他製造的玻璃鏡片品質在當年使巴伐利亞領先全世界，已經成為巴伐利亞國王的馬克西米利安一世繼續支持夫琅和費的研究，更把他的玻璃鏡片製造技術列為國家機密。 1814年，夫琅和費把棱鏡放在望遠鏡前面觀察太陽（這是相當危險的，讀者千萬不要模仿），這就是世上第一台光譜儀。白色光線穿過棱鏡分成彩色光譜，是牛頓當年的發現。夫琅和費更進一步，他透過光譜儀觀看太陽光譜，發現裡面有很多黑色的線。換句話說，太陽光譜並不是連續的，而是有著許多「空隙」。太陽光譜中的這些黑線，被稱為夫琅和費線。 夫琅和費亦發現，在火焰發出來的光之中也可以看見黑線。他繼續研究，發現其他恆星的光譜裡亦含有黑線，但黑線的位置各不相同。因此，他認為黑線並非地球大氣的影響，而是來自恆星本身。天上的物質，原來與地球上的物質一樣。 夫琅和費是首個發現和研究恆星光譜的人。今天，研究恆星光譜並應用物理定律去解釋天體構造的學科，就是天體物理學。夫琅和費結合天文與物理，創造了天體物理學這門新學問。可是，夫琅和費並不能解釋這些黑線的成因，要一直到19世紀中期，科學家才發現黑線是原子的吸收光譜。原子中的電子會吸收特定頻率的光線，由於不同原子的電子結構都不同，所以如果各恆星中蘊含的元素有所分別，它們的吸收光譜也就彼此相異了。 夫琅和費因早年在玻璃工廠惡劣環境下工作而導致重金屬中毒，於1826年病逝，年僅39歲。如果夫琅和費沒有在玻璃工廠工作，會不會有更多發現？或許，那樣他就不會得到馬克西米利安的協助，利用玻璃鏡片發現天文和物理的關聯？ 封面圖片：夫琅和費展示他的光譜儀。（Richard Wimmer “Essays in Astronomy”）

《復仇者聯盟3：無限之戰》中最強的是雷神索爾？（不戴手套的話）

此文章為我的泛科專欄《動漫物理學》文章，原文於 2018 年 5 月 8 日刊於泛科學。 ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— 如果你已看過《復仇者聯盟3：無限之戰》，想必已經知道⋯⋯ ——————最終劇透封鎖線—————— 好了，如果你還未看過，請馬上點擊「上一頁」。 電影中，身為奧丁之子的雷神索爾為了打敗薩諾斯（Thanos，也譯為滅霸、魁隆）為眾人復仇，與銀河守護隊的火箭浣熊和格魯特來到尼德威阿爾（Niðavellir）找矮人鐵匠幫忙鑄造新的雷神之鎚「風暴毀滅者（Stormbreaker）」。 根據威漫官方資料，舊的雷神之鎚「妙爾妮爾（Mjölnir）」是由「Uru金屬」鑄造的。天體物理學家尼爾．德格拉斯．泰森（Neil deGrasse Tyson）猜測Uru金屬可能是中子星的核心物質，即超導超流簡併態，不過後來一位北歐神話教授指出這是錯誤的猜測。（順帶一提有趣的是，泰森曾在DC超人電影中飾演他自己XD） 延伸閱讀：人人都不能拿起雷神之鎚，因為它是來自中子星的超導材料！？ 然而，尼德威阿爾上的矮人幫忙薩諾斯鑄造無限手套之後，就被全部殺害，剩下的一人也被奪去雙手，只能以金屬義肢代替，失去了鑄造武器的能力。這個工廠以一顆「垂死的恆星」作為能量來源，可是工廠已停止運作，而失去雙手的矮人亦無法修理。索爾必須修好工廠，並協助矮人鑄造出風暴毀滅者。 雖然這些劇情好像很公式化，但也正好令我們能試試估計一下察索爾的力量到底（至少）有多強！ 官方並沒有解釋「垂死的恆星」到底是指什麼，不過從覆蓋著恆星的工廠大小，我們可以假設這是一顆中子星。中子星是恆星演化的其中一個終點。高質量恆星的核心形成鐵元素時，會失去抵抗重力的氣體和輻射壓力，恆星外殻就會坍縮，與密度極高的核心碰撞反彈，在幾秒鐘內釋放出比整個銀河系所有恆星更多的輻射。這個過程就是超新星爆發。 超新星爆發後，恆星大部分質量都會被拋到宇宙深處，成為孕育下一代恆星、行星，甚至生命的星塵。剩下來的核心有可能變成中子星，直徑通常只有約20公里，大概一個紐約市的大小，可是質量卻相當於一兩個太陽。由於中子星密度極高，它的表面溫度也非常高，大約為60萬度。 密度高也就代表重力強。從電影中估計，索爾打開覆蓋中子星的閘門時，離開中子星的距離頂多只有幾百米。假設該中子星與我們的太陽一樣重，並且半徑為10公里，那麼在其表面100米高的距離，重力就是地球表面的1千3百億倍！能夠在1千億倍的重力下徒手打開能抵受中子星重力的巨大閘門，索爾的力量已經不是任何生物能夠比較的吧！ 「最強復仇者」明顯是索爾啊，東尼．史塔克！ 我們知道一個物體所輻射出的光譜與其表面溫度有關，這就是馬克斯．普朗克（Max Planck）在1900年發現的黑體輻射定律（Blackbody Radiation Law）。例如我們都知道在煮食時，溫度較高的火的顏色偏藍，較低溫的火則偏紅，因為黑體輻射光譜的峰值會隨溫度移向偏藍、較高能量的光。又例如我們的太陽表面溫度約為6千度，其黑體輻射光譜峰值位於綠色可見光。 一個小小的測驗題：既然太陽光譜峰值在綠色，為什麼我們見到的太陽是橙紅色的？ 表面溫度為60萬度的中子星，其黑體輻射光譜峰值已遠遠超出可見光範圍，位於X射線的波段之內。因此，中子星釋放的能量，絕大部分是X射線。X射線能量非常高，是比紫外線更致癌的輻射。索爾是有帶特製的防曬油的吧？ 利用斯特凡—波茲曼定律（Stefan-Boltzmann Law），我們可以計算出不同表面溫度的恆星釋放出的輻射功率。而根據計算，中子星表面的黑體輻射功率為每平方米7千萬億億億瓦！與之比較，地球每平方米接受太陽照射的功率只有，呃，1千多瓦…… 除了黑體輻射，其實中子星還有以其他方法產生的輻射，例如由極強磁場產生的同步輻射等，在此暫且不提。 就算不計其極強的重力，索爾能夠抵受7萬億億億倍的太陽光輻射而不被烤成一堆基本粒子，根本就已經是逆天強橫好不好！而且實際上，根據廣義相對論，中子星附近的時空會被扭曲至極端狀態，反方向輻射也會照到索爾身上，因此實際數字會比以上計算更多！ 物理證明，最強復仇者雷神索爾，實至名歸！