Tag: speed of sound

光速：宇宙高速公路的速度限制

為什麼夜空是黑色的？ 這是一個非常古老的問題。問題的答案並不簡單，涉及對光線本質以及宇宙的理解。 想像宇宙是一個大球體，地球在球體正中心。球體裡面有隨機分佈的發光點，代表一顆又一顆的恆星。有些星星離中心點地球比較近、有些比較遠。想像這個球體不斷變大，新的星星在新的空間裡隨機生成。如果這個球體趨向無限大，星星的數量就會趨向無限多。由於星星的分佈是隨機的，我們從中心點往任一方向觀測，視線都必然會落在某一顆星之上。如果光線不需要傳播時間，即光速無限，那麼夜空就應該是白色的！ 這個問題叫做奧伯斯悖論 (Olbers’ paradox)，是從前一個著名的科學悖論。現在我們知道宇宙並非無限大、可觀測宇宙大小有限、宇宙中星星的數量並非無限多、光速亦非無限快，因此從較遠的恆星出發的光不夠時間傳播到地球。 1861 年，馬克士威證明光是電磁波。當時的科學家都相信，就如同其他波動需要傳播媒介一樣，傳播光波亦需要一種假想的媒介，稱為以太。1907 年，阿爾伯特・邁克生 (Albert Michelson) 因為使用干涉儀非常準確地測量出光的速率而獲頒諾貝爾物理學獎。光速大約為每秒 30 萬公里，只需 1.3 秒就能從地球走到月球。 邁克生干涉儀實驗的另一目的是測量地球在以太之中運行的速率。他以為於一年四季不同時間做同樣的光干涉實驗，實驗結果理應會顯示光速因地球在以太中運動方向不同而有所分別。可是，邁克生和莫雷 (Edward Morley) 的干涉儀實驗結果顯示，不論地球的運動方向，光速都沒有改變。 愛因斯坦在 1905 年發表狹義相對論，解釋了邁克生和莫雷的實驗結果。相對論之中，時間和空間被結合成為一體，叫做時空。由於時間和空間的物理單位不同，我們需要一個因子去在兩者之間轉換。這個因子有著距離除以時間的單位，即是速率。這個速率是宇宙間所有物質的極限速度，因為跟據相對論，質量非零的物質需要無限多能量才能達到此極速。 愛因斯坦認為光是傳播資訊的最快方法。邏輯裡的因果定律成立是因為沒有資訊能傳遞快過光。因此，光速就是這個宇宙中的終極速度限制，而這個極速跟據相對論是個常數，永恆不變。在光速不變的前提下，空間會因觀測者的運動狀態不同而收縮。所以，相對論亦意味著光波不需要以太或任何傳播媒介。 相對論其實並沒要求光速不變而且為宇宙極速，只是這個極速必須剛好等於光速，才能解釋我們所觀察到的所有物理現象。因此，一直有理論物理學家研究可變光速理論。 理論物理學家 João Magueijo 自 1990 年代起研究可變光速，亦寫了一本不錯的科普書講述他在發表論文時遇到的困難和科學家之間的合作與衝突。由於光速可變這假設會動搖所有物理理論的基礎，很少科學家會投入自己一生職業去研究。 今年 10 月，Magueijo 與合作者 Niayesh Afshordi 在科學期刊 Physical Review D 上發表了一篇新的可變光速研究論文，他們推導出宇宙微波背景 (cosmic microwave background, CMB) 的純量光譜指數 (scalar spectral index)。這是第一次可變光速理論研究能夠提供一個實在的數字去與觀測作比較。 現在的觀測結果雖然與 Afshordi 和 Magueijo 理論的數字吻合，但他們未能解釋光速可變會導致其他物理常數改變的後果。例如，光速可變意味著電磁力的大小在過去、現在、未來都不相同。這樣的話，依靠電磁力的化學知識全部都要改寫，科學家就很難解釋宇宙如何演化成今日的模樣、甚至地球上亦未必可以演化出生命。 “The predicted value is…… Continue reading 光速：宇宙高速公路的速度限制

無線新聞，你快得過光？

剛剛出去上德文課，幾位朋友同時傳來同一張無線新聞的截圖： 將達時速14000公里，是光速的三倍 原來是是但但的無線新聞，在晚間新聞報導中說 NASA 的信使號將以「三倍光速」墜落水星。短短一個小時，這個錯誤已經在香港網絡界來回流傳了不知多少次了。 其實，如果不是物理專業的人，聽起來會覺得很正常，沒有問題啊！在日常生活中，我們很少會接觸到「光速」。光速就是光的速度，每秒鐘 30 萬公里，即時速 10 億 8 千萬公里。即是有多快？快到只需要 1 秒就能夠到達月球。 光速除了快，還有另外一個特徵，就是光速是宇宙間最快的速度。根據相對論，無論信使號如何加速，最多也只能達到 99.99999999999……….% 光速。就算把全宇宙的所有能量都輸給信使號，也永遠不可能達到 100% 光速。有興趣的讀者，可以參考我寫的講解相對論的科普文章《你也能懂相對論》。 不過，我認為其實重點不在於文字上。雖然寫報導的人有責任確保新聞內容無誤，我們就當這是手民之誤，袋住先吧。愛因斯坦也說過，學習之重要應該是去學習如何思考，而非死背資料性的數字。這一點相信大家都非常同意，尤其是非物理專業的人，不懂得相對論有何出奇？如果個個人都懂得相對論的話，我寫的文章也沒有人看了。 但問題是，我剛發現在四個小時後，是是但但的無線新聞靜靜雞改了原文，變成： 將達時速14000公里，是音速的三倍 Oh god, 這次又錯在哪裡？ 第一，既然大家知道水星上沒有大氣層 (其實有，但非常稀薄)，哪又何來「音速」？沒有大氣，聲音如何傳播？ 第二，就算其中的音速指的是地球上的音速，也只不過是秒速 340 米，即大約時速 1220 公里。14000 除以 1220，是 10 多倍呢。 其實，不懂科學真的不要緊。一個人可以不懂科學，這是完全沒有問題的。我不懂煮飯，相信比不懂科學更大問題！問題在於，錯完一次，再錯第二次，就不是知識的問題，而是寫報導的態度問題了。 我相信，要看一個人做事是否認真，可以從他看待事物細節之中看出來。小事求其，大事又豈會嚴謹？ 給你兩次機會，兩次都是但求其。是是但但，真的實至名歸。