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「量子重力理論」的推薦目錄

量子重力理論 在 市川 瑛子 Instagram 的最佳貼文

2020-05-01 10:46:09

私は、コペルニクスの時代に生まれてみたかった。 天動説が覆された時の民草の様子を味わってみたかった。 ・ 明治維新の時代にも生まれてみたかった。 着物から洋服へ、生活様式が日々変わる様を肌で触れてみたかった。 ・ 自分の概念が覆されるのは、 どんなに受け入れ難いか。けれどもそれは途方もなく極上の、知...

  • 余海峯 David . 物理喵 phycat

    量子重力理論 在 余海峯 David . 物理喵 phycat Facebook 的最讚貼文

    2020-10-13 15:11:45
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    【立場轉載】【2020 諾貝爾物理學獎】廣義相對論與宇宙最黑暗秘密

    打風落雨留在家，為何不試試學習黑洞的理論呢？😹😹😹

    ／／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。

    廣義相對論間接推論暗物質存在的必要

    廣義相對論是目前最先進的重力理論，它能夠解釋迄今為止所有實驗和觀測數據。然而，天文學家發現銀河系的轉速和可觀測宇宙的物質分佈，都顯示需要比觀測到的物質更加多的質量。這是物理學的其中一個未解之謎，有時會被稱為「消失的質量」問題。那些「應該在而卻看不到」的物質，就叫做暗物質 (dark matter) 。

    有些物理學家猜測，會否根本沒有暗物質，而是廣義相對論需要被修改呢？他們研究「修正重力 (modified gravity) 」理論，希望藉由修正廣義相對論去解釋這些觀察結果，無需引入暗物質這個額外假設。可是從來沒有修正重力理論能媲美廣義相對論，完美地描述宇宙一切大尺度現象。

    天文學研究向來難以得到諾貝爾獎，因為天文發現往往缺乏短期實際應用。然而過去十年之間，有關天文發現的研究卻得到了五個諾貝爾物理學獎。換言之，過去幾十年間改變人類對宇宙的基本認知的，有一半是來自於天文現象。其中有關廣義相對論的包括 2017 年的重力波觀測、 2019 年的宇宙學研究，以及 2020 年的黑洞研究。

    不過很少人提及這三個關於廣義相對論的發現其實同時令暗物質的存在更加可信。因為這些發現測量得越精確，就代表廣義相對論的錯誤空間更小。換句話說，物理學家越來越難以靠修正重力去解釋「消失的質量」問題，所以暗物質的存在就越來越有其必要了。

    換句話說，如果證明黑洞存在，其對科學的影響並不單止是為愛因斯坦的功績錦上添花，而是能夠加深人類對構成宇宙的物質的理解。

    描述四維時空的圖

    談黑洞之前，我們首先要理解一下，物理學家是如何研究時空的。研究時空的一種方法，就是利用所謂的時空圖 (spacetime diagram) 。一般描述幾何空間的圖，在直軸和橫軸分別表示長和闊，形成一個二維平面。有時更可按需要加多一條垂直於平面的軸，代表高度。長、闊、高，構成三維空間。但如果要再加上時間呢？那麼就再在垂直於長、闊、高的第四個方向畫一條軸吧。咦？

    怎麼了，找不到第四個方向嗎？這是當然的，因為我們都是被囚禁在三維空間之中的生物。如果有生活在四維空間裡的生物，牠們會覺得我們很愚蠢，問我們：「為什麼不『抬頭』？第四個方向不就在這邊嗎？」就像我們看著平面國的居民一樣，在二維生物眼中，牠們的世界只有前後左右，沒有上下。到訪平面國的我們也會問：「為什麼不『抬頭』？第三個方向不就在這邊嗎？」但牠們無論如何也做不到。

    宇宙是三維空間，另外加上時間。如果要加上時間軸這個「第四維」的話，我們就必須犧牲空間維度。物理學家使用的時空圖就是個三維空間，直軸代表時間（時間軸）、兩條水平的橫軸代表空間（空間軸）。當然，把本來的三維空間放在二維的平面上，我們需要一些想像力。在時空圖上，每個點都代表在某時某地發生的一件事件 (event) ，因此我們可以利用時空圖看出事件之間因果關係。一個人在時空中活動的軌跡，在時空圖上稱為世界線 (world line) 。

    由於時間軸是垂直的，並且從時空圖的「下」向「上」流動。一個站在原地位置不變的人的世界線會是平行時間軸的直線。由於光線永遠以光速前進，光線的世界線會是一條斜線。而只要適當地選擇時間軸和空間軸的單位，光線的世界線就會是 45 度的斜線。因為沒有東西能跑得比光快，一個人未來可以發生的事件永遠被限制在「上」的那個由無數條 45 度的斜線構成的圓錐體之間，而從前發生可以影響現在的所有事件則永遠在「下」的圓錐體之間。這兩個「上」和「下」的圓錐體內的區域稱為那個人當刻的光錐 (light cone) ，而物理學家則習慣以「未來光錐 (future light cone) 」和「過去光錐 (past light cone) 」分別表示之。

    所有東西的世界線都必定被位於未來和過去光錐之內。在沒有加速度的情況下，所有世界線都會是直線。如果涉及加速，世界線就會是曲線。而廣義相對論的核心概念，就是重力與加速度相等，兩者是同一種東西。因此我們就知道如果在時空圖上放一個質量很大的東西，例如黑洞，那麼附近的世界線就會被扭曲。不單是物質所經歷的事件，連時空也會被重力場扭曲，因此時空圖上的格網線和光錐都會被扭曲往黑洞的方向。換句話說，越接近黑洞，你的越大部分光錐就會指向黑洞內部。因為你的世界線必須在光錐之內，你會剩下越來越小的可能逃離黑洞的吸引。

    2020 年的諾貝爾物理學獎一半頒給了彭羅斯 (Roger Penrose) ，以表揚他「發現黑洞形成是廣義相對論的嚴謹預測」。在彭羅斯之前的研究，大都對黑洞的特性作出了一些假設，例如球狀對稱。這是因為以往未有電腦能讓物理學家模擬黑洞，只能用人手推導方程。但廣義相對論是非線性偏微分方程，就算不是完全沒有可能也是極端難解開的，所以物理學家只能靠引入對稱和其他假設去簡化方程。因此許多廣義相對論的解都是帶有對稱假設的。這就使包括愛因斯坦在內的許多物理學家就疑惑，會不會是因為額外加入的對稱假設才使黑洞出現？在現實中並沒有完美的對稱，會不會就防止了黑洞的出現？

    黑洞只是數學上的副產品嗎？

    彭羅斯發現普通的高等數學並不足以解開廣義相對論的方程，因此他就轉向拓撲學 (topology) ，而且必須自己發明新的數學方法。拓撲學是數學其中一個比較抽象的分支，簡單來說就是研究各種形狀的特性的學問。 1963 年，他利用一種叫做共形變換或保角變換 (conformal transformation) 的技巧，把原本無限大的時空圖（因為空間和時間都是無限延伸的）化約成一幅有限大小的時空圖，稱為彭羅斯圖 (Penrose diagram) 。

    彭羅斯圖的好處除了是把無限縮為有限，還有另一個更重要的原因：故名思義，經過保角變換後的角度都不會改變。其實在日常生活中，我們經常都會把圖變換為另一種表達方式，例如世界地圖。由於地球表面是彎曲的，如果要把地圖畫在平面的紙上，就必須利用類似的數學變換。例如我們常見的長方形或橢圓形世界地圖，就是利用不同的變換從球面變換成平面。有些變換並不會保持角度不變，例如在飛機裡看到的那種世界地圖，在球面上的「直線」會變成了平面上的「曲線」。

    扯遠了。回來談彭羅斯圖，為什麼他想要保持角度不變？因為這樣的話，光錐的方向就會永遠不變，我們可以直接看出被重力影響的事件的過去與未來。彭羅斯也用數學證明，即使缺乏對稱性，黑洞也的確會形成。他更發現在黑洞裡，一個有著無限密度的點——奇點 (singularity) ——必然會形成。這其實就是彭羅斯-霍金奇點定理 (Penrose-Hawking singularity theorem) ，如果霍金仍然在世，他亦應該會共同獲得 2020 年諾貝爾物理學獎。

    在奇點處，所有已知物理學定律都會崩潰。因此，很多物理學家都認為奇點是不可能存在宇宙中的，但彭羅斯的計算卻表明奇點不但可以存在，而且還必定存在，只是在黑洞的內部罷了。如果黑洞會旋轉的話（絕大部分都會），裡面存在的更不會是奇點，而是一個圈——奇異圈 (singularity ring) 。

    黑洞的表面拯救了懼怕奇點的物理學家。黑洞的表面稱為事件視界 (event horizon) ，在事件視界之內，你必須跑得比光線更快才能回到事件視界之外。因此沒有任何物質能夠回到黑洞外面，所以黑洞裡面發生什麼事，我們都無從得知。就是這個原因給予了科幻電影如《星際啟示錄 (Interstellar) 》創作的空間——在黑洞裡面，編劇、導演和演員都可以天馬行空。只要奇點永遠被事件視界包圍，大部分科學家就無需費心去擔心物理學可能會分崩離析了。甚至有些科學家主張，研究黑洞的內部並不是科學。

    雖然如此，卻沒有阻礙彭羅斯、霍金等當代理論天體物理學家，利用與當年愛因斯坦所用一樣的工具——紙和筆——去研究黑裡面發生的事情。雖然或許我們永遠無法證實，但他們的研究結果絕非無中生有，而是根據當代已知物理定律的猜測，即英文中所謂 educated guess 。利用彭羅斯圖，我們發現不單奇點必定存在，而且在黑洞裡面，時間和空間會互相角色。

    但這是什麼意思？數學上，時間和空間好像沒有分別，但在物理上兩者分別明顯：在空間中我們可以自由穿梭，但在時間裡我們卻只能順流前進。彭羅斯發現，帶領掉入黑洞的可憐蟲撞上奇點的並非空間，而是時間，因此我們也說奇點是時間的終點。亦因為在黑洞裡面掉落的方向是時間，向後回頭是不可能的，所以一旦落入黑洞，就只能走向時空的終結。

    看見黑洞旁的恆星亂舞

    另一半諾貝爾獎由 Reinhard Genzel 和 Andreas Ghez 平分，以表揚他們「發現銀河系中心的超大質量緻密天體」。銀河系中心的確有一個超大質量的物體，而且每個星系中心都有一個。這些質量極大的物體，就是所謂的超大質量黑洞 (supermassive blackholes) 。

    上世紀 50 年代開始，天文學家陸續發現了許多會釋放出無線電輻射的天體，稱為類星體 (quasars) 。之後其中一個類星體 3C273 被觀測確認是銀河系外的星系中心。根據計算， 3C273 釋放出的無線電能量是銀河系中所有恆星的 100 倍。起初，天文學家認為這些能夠釋放巨大能量的類星體，必然是些比太陽重百萬倍的恆星。但是理論計算結果卻表明，這麼重的恆星會是極不穩定的，而且壽命會非常短，因此類星體不可能是恆星。

    為什麼這些類星體不可能是恆星？因為恆星的發光度是有極限的，而且正比於恆星的質量。這個極限稱為愛丁頓極限 (Eddington limit) 。如果恆星的發光度超出愛丁頓極限，光壓（radiation pressure ，即光子對物質所施的壓力）就會超過恆星自身的重力，恆星就會變得不穩定。因此，天文學家逐漸改而相信類星體是位於星系中心的超大質量黑洞。這也令類星體多了一個名字：活躍星系核（active galactic nucleus）。

    每個黑洞旁邊都有一個最內穩定圓形軌道 (innermost stable circular orbit) ，依據黑洞會否旋轉而定，大概是黑洞半徑的 3–4.5 倍。比最內穩定圓形軌道更接近黑洞的範圍，環繞黑洞運行的物質都會因不穩定的軌道而墜落黑洞之中，並在墜落的過程中釋放出 6–42% 的能量，因此可以解釋活躍星系核的強大發光度。

    另一方面，彭羅斯在 1969 年亦發現一個旋轉的黑洞能夠把能量轉給物質，並且把物質拋出去，這個過程稱為彭羅斯過程 (Penrose process) 。換言之，從黑洞「偷取」能量是有可能的。科學家估計，科技非常先進的外星文明有可能居住於黑洞附近，並利用彭羅斯過程從黑洞提取免費的能源。這個過程亦進一步支持超大質量黑洞能夠釋放巨大能量的理論。

    由於 E=mc2 ，能量即是質量，因此被偷取能量的黑洞的質量就會減少。霍金在 1972 年發現一個不會旋轉的黑洞的表面積不可能減少。黑洞質量越大，其表面積就越大，因此不會旋轉的黑洞不會有彭羅斯過程。他亦發現，如果是個會旋轉的黑洞，其表面積是有可能減少的。因此霍金的結論支持了彭羅斯的理論。

    Genzel 和 Ghez 兩人的研究團隊已經分別利用位於智利的歐洲南方天文台 (European Southern Observatory) 的望遠鏡和位於夏威夷的凱克望遠鏡 (Keck Telescope) 監察了距離地球約 25,000 光年的銀河系中心區域將近 30 年之久。他們發現有很多移動速度非常快的恆星，正在環繞一個不發光的物體轉動。這個不發光的物體被稱為人馬座 A* (Sagittarius A*, 縮寫為 Sgr A*) 。 Sgr A* 會放出強大的無線電波，這點與活躍星系核的情況相似。

    他們不單確認了這些恆星的公轉速率與 Sgr A* 的距離的開方成反比， Genzel 的團隊更成功追蹤了一顆記號為 S2 的恆星的完整軌跡。這兩個結果都表明， Sgr A* 必然是一個非常細小但質量達 400 萬倍太陽質量的緻密天體。這樣極端的天體只有一種可能性：超大質量黑洞。

    霍金輻射　黑洞的未解之謎

    諾貝爾物理學委員會在解釋科學背景的文件中亦特別提及霍金的黑洞蒸發理論以及霍金輻射 (Hawking radiation) 。現時仍然未能探測到霍金輻射的存在，未來若成功的話除了將再一次驗證廣義相對論以外，更會對建立量子重力理論 (quantum gravity theory) 大有幫助。就讓我們拭目以待吧！

    重力波研究、宇宙學研究、黑洞研究，都是直接檢驗廣義相對論預言的方法。加上 2019 年 4 月 10 日公布的黑洞照片，大自然每一次都偏心愛因斯坦。相信愛因斯坦在天上又會伸出舌頭，調皮地說：「我早就知道了！」／／

  • stu sis

    量子重力理論 在 stu sis Facebook 的最讚貼文

    2020-07-19 10:41:50
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  • 阿鴻投資

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    2018-05-12 09:02:26
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    2018week 19學習心得

    延續上周說要多看科普和心理學，這周看了霍金的"時間簡史"，這本是科普神書，銷售了幾千萬冊，但我有超過七成看不懂...
    後來霍金又出了一本"新時間簡史"，是上一本的簡單版。

    講了宇宙觀，相對論、量子力學、蟲洞、時間旅行...
    我已經感受的到霍金盡量講的淺顯了，但我還是很多地方看不太懂，之前著名的傳記作者Isaacson寫的那本愛因斯坦傳，我看到一半就看不下去，裡面太多相對論了，搞得我好糊塗...之後有時間再來看國家地理頻道的紀錄片，看有沒有親民一點...

    我整理一些重點：

    西元前300多年前的宇宙觀，亞里斯多德主張地球靜止不動，日月星辰皆繞著地球轉，地球是宇宙的中心。西元二世紀托勒密更進一步延伸其說法，並獲得教會認可，認為這模型更符合聖經說法。
    到了15世紀，哥白尼發現地球繞著太陽轉，卻只敢匿名提出，怕被教會抓起來。近百年後，克卜勒和伽利略才公開支持哥白尼，這惹惱了亞里斯多德派的學者，教會命令伽利略永遠不得再提出該學說，並判伽利略終身軟禁。事實上，伽利略一直是虔誠的天主教徒，但他仍堅持科學獨立，直到過世前4年，將著作偷偷給出版社，這部"新科學對話"促成了現代科學的誕生。

    現在已知太陽只是銀河系一千億個恆星之一，銀河系只是本星系群眾多星系之一，本星系群又只是數千個星系群團組成宇宙中的一個星系群而已。(太陽有壽命的，不過燒完還要幾十億年)

    要討論宇宙的本質，是否有開始與結束，要先了解科學理論的意義。一個好的理論，須符合兩項要求：
    (1)以幾項要素的模型為基礎，對一大類觀察做出正確描述。
    (2)並能對未來的觀察做準確預測。
    例如亞里斯多德的萬物由水火土氣四大元素理論，雖然看似簡單，卻不能準確預測未來。而牛頓的重力理論，就能對日月星辰的運動做高精準預測。
    任何理論都是暫時的，永遠無法證明，不管多少次實驗與理論符合，只要產生一個反例，就會把理論打破，必須修正。一個好的理論要提出預測，以供檢驗。
    新理論往往是舊理論的延伸，例如在地球日常生活的現象用牛頓重力都可解釋，但到了水星軌道的預測，就發現愛因斯坦的廣義相對論才說得通。(不能只考慮物理的質量，還要考慮星體的成份結構)

    相對論指出要放棄絕對時間的概念，這讓牛頓很難接受，因為與他"絕對上帝"的信仰有衝突。兩人在不同的速度下或在不同的高度下，會有不同的時間(住在山上的人會老的比較快呢)，這點已經實驗得出。(科學家在水塔的頂端和底部各擺一具時鐘)

    現在，我們又發現量子力學跟廣義相對論產生了一些衝突，於是再修正。量子力學發現永遠無法準確測量一個粒子的位置與速度，每次都會發現有一些結果是A，一些結果是B，這個重要理論來自測不準原理，因為光子會影響觀測粒子的運動，使物體在一個震動的狀態，這使的物體必定會存在隨機性與不可預測性。愛因斯坦對此非常排斥，說了一句名言："上帝不會擲骰子！"。
    但量子力學成為了現代科技的重要基礎，支配了電晶體的運作。

    連牛頓還有愛因斯坦這麼牛的人都無法擺脫意識形態，我這種凡夫俗子就更難做到事事客觀了，繼續努力...

    目前已知共有四種作用力，重力、電磁力(電子與夸克)、弱核力(原子的衰變)、強核力(質子與中子結合)
    電磁力比重力強上許多(兩個電子之間的電磁力與比重力強上1後面42個零倍)，這是為何電子會繞著原子核轉的原因。

    原來沒有查克拉跟念能力啊...我的小小童心被抹滅了...

    目前科學家正在尋找將量子力學跟重力結合的新理論，"量子重力理論"。
    物理的終極目標，在於提出一個能描述整個宇宙的理論。包含宇宙如何隨時間演變，以及宇宙一開始的狀態。(有些人不準談論後者，任何那是上帝創造的)
    目前無論是相對論或量子力學等...理論，都能解釋宇宙大部分的狀況，那一直繼續追尋終極理論有用嗎？(不過以前大家也認為相對論跟量子力學沒有用，但這些理論後來帶來了核能與微電子革命)
    可能發現終極理論無助於提升人類生存的機率，但至少能滿足人類求知的天性。

    在牛頓的時代，一個受教育的人士自認為掌握人類全部的知識，然而，後來理論不斷更新，一般人很難消化，目前大眾對於科學進展所知寥寥無幾，即便是專家，也只能了解一小部分。學校學的東西多半過時，只有極少數科學家能掌握最先進知識，但這些人必須全力投入，也只能專精極小領域。

    古代為了解釋宇宙，往往認為是具有人類七情六慾的神靈所控制，其行事作風就像一個無法預測的人類，人類必須敬畏供奉神靈，以求風調雨順。後來，人類慢慢注意到這些現象有跡可循，發現了許多理論。到目前為止，科學家都忙著繼續發展新理論來解釋宇宙如何運作，卻沒有去問"為什麼"。另一方面，應該研究"為什麼"的哲學家，卻跟不上科學的腳步，在18世紀前，哲學家仍把人類所有知識納入自己的研究範圍，但之後科學變的相當技術化和數學化，除了少數科學家，哲學家和一般人都難以掌握，使的哲學家不斷縮小自己的範圍，讓20世紀最著名的哲家學維根斯坦感嘆："哲學剩下的唯一任務是分析語言"。這對亞里斯多德到康德傳下來的偉大哲學思想，無疑是一大打擊。

    不過，若是未來發現完整的統一理論，經過普羅大眾的消化，那大家就能開始討論為什麼我們和宇宙會存在的問題，若是真能找到答案，將是人類理性的最終勝利，因為我們將會明白神的心意。

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    書裡有談蟲洞和時空扭曲的問題，但超出我理解範圍...有興趣的朋友可以去翻翻，有空歡迎指導小弟<_ _>
    不過還真是佩服這些科學家，探究這些理論超級困難，用各種複雜的科學測量方式去理解比銀河系還遠的東西，比質子還小的東西...
    探究這些沒什麼錢賺，只是為人類的知識天花板再突破...更佩服像伽利略那樣，就算被關起來，還是要講自己認為對的事，令人敬佩！

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