物理雙月刊 [第42卷1期]:2019諾貝爾物理獎

點閱:3

其他題名:Physics bimonthly

作者:雜誌編輯團隊編

出版年:2020.02

出版社:台灣物理學會

出版地:臺北市

格式:PDF,JPG

附註:雙月刊


本期內容簡介
總編輯的話
物理雙月刊的舊雨新知大家好。在下是新任的總編輯楊仲準。自今年一月一日起,由陳惠玉教授的手中接下這個位置。在此首先要感謝過去惠玉老師以及前面許多位總編輯的努力,將雙月刊打造成一個物理新知的知識平台。今後也希望在這個基礎上,繼續推動知識的傳播。
本期雙月刊的內容為諾貝爾獎特集。2019 年的諾貝爾獎物理獎,頒給了三位天文物理學家。其中菲利浦·詹姆士·愛德華·皮布爾斯 (Phillip James Edwin Peebles),以其在物理宇宙理論的發現,獲得今年一半的諾貝爾物理獎。皮布爾斯的天文學教科書,也是許多天文學家重要的參考文獻。而另外兩名得主–米歇爾·居斯塔夫·愛德華·梅爾 (Michel Gustave Édouard Mayor)和迪迪埃·派屈克·奎洛茲 (Didier Patrick Queloz),則是以第一個發現環繞太陽類型恆星的系外行星,共享另一半的獎勵。在本期的專文中,將有這些研究的相關報導。
此外,本次的專文也納入了與化學獎的相關文章。2019 年的諾貝爾化學獎,頒給了約翰·班尼斯特·古迪納夫 (John Bannister Goodenough)、麥可·史丹利·惠廷翰 (Michael Stanley Whittingham)、以及吉野彰(Yoshino Akira)等三人,以表彰他們在鋰離子電池開發上的貢獻。其中古迪納夫是一個傳奇人物,其一生的研究不但跨越固態物理學與化學,也是目前諾貝爾獎最高齡得獎的紀錄保持人。許多研究錳氧化物的物理學家,想必都讀過古迪納夫的學術論文,也同時會對他在論文上的名字 (Goodenough,夠好了!),感到會心一笑。這三位科學家開發的鋰離子電池,造成了高密度儲能裝置的革命。使得大家今日可以使用手機、平板、甚至電動車等許多移動式裝置。並徹底的改變了人類的生活型態。因此在今年度獲得諾貝爾化學獎,可以說是相當地實至名歸。
無論諾貝爾獎頒給的是目前尚未看到實際應用層面的研究 (如本次的物理獎),或是已經廣泛出現在生活中的科研成果 (如本次的化學獎),都是許多科學家們嘔心瀝血的知識結晶。許多尚未能實際應用的研究,可能在其研究的過程中,也同時產生了其他新的技術。例如天文學中的許多影像分析方法或是電腦分散式運算。都能直接或是間接地用來改善人類生活。也許在未來的某一天,當人類真的能在宇宙中航行時,這些對於宇宙時空結構、暗物質、與暗能量的知識,就可以如同大航海時代的羅盤、時計、與天文學知識一樣,能夠直接用來作為宇宙探險的基礎。
 
尋找外星生命的科學方法與科幻想像
人類自從走出東非大裂谷後,便不斷地向外面的世界拓展生活領域,並逐步地擴散到整個地球上的大陸。其原因無論是來自於地質氣候的變遷,亦或是人口增加的壓力,無不與生命所需要的資源不斷上升有關。試想一下,如果太陽系外也有其他的外星生物,那麼他們是否也具有相同的生存壓力,迫使其不斷地演化,並汲取其周遭的資源呢?適逢2019年的諾貝爾物理獎頒給了詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles),以表揚他在宇宙論的貢獻。並且同時頒給了米歇爾·麥耶(Michel Mayor) 和迪迪爾·奎洛茲(Didier Queloz),以表彰他們發現一個類太陽恆星中的行星。我們就以介於半科學與科幻的立場,來談談尋找外星生命這個議題。
 
「特徵」可以被觀察到呢?1959 年,弗里曼·戴森(Freemann J. Dyson)在科學(Science)期刊中提出了「人工恆星紅外輻射源的搜尋」(Search
for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation)的概念,首先提出了一個方法,去尋找外星生命。他提到如果外星生命的演化也是如同人類的進步方式,則伴隨著文明進步,將會逐步增加能源的使用量,最終需要建立一個裝置,能夠收集該文明所在的恆星系統中,主恆星所發出的全部電磁輻射能量。但是基於史特凡-波茲曼定律(Stefan-Boltzmann
law)的規範,任何有溫度的物體均不可避免地會自主發出電磁輻射。即便該文明建造了遮蔽主恆星電磁輻射的裝置,但該裝置的外面總是會洩漏一些熱輻射,通常應該發生在紅外光譜區。而一般核融合的恆星,通常不會發出這樣的光譜,因此只要找到一個異常發出紅外光譜的恆星,便有在該星系有外星生命。戴森雖然沒有明確的說明這樣的裝置該如何設計。但是許多科幻作品常常將其描述為一個包含恆星的中空球殼,因此稱之為戴森球。事實上戴森在該期刊文章的後續回應中提到,他所想像的裝置,可能是類似鬆散的太陽能收集器或是衛星雲所構成。先不論所需要的材料數量與裝置在星系中的引力平衡問題。如果在我們太陽系建造一個半徑如地球到太陽距離的戴森球,我們可以獲得的最大能量為4.0×1026 W,相當於每秒鐘能獲取人類在2018 年全年發電量(9.61×1019 焦耳[3])的4161 萬倍!以現在人類文明的水準尚且無法建造且駕馭如此龐大的能量。那麼怎樣類型的文明可以駕馭且需要怎麼多的能量呢?
 
1964 年,蘇聯天文學家尼古拉·卡達肖夫(Nikolai Semenovich Kardashev)提出一個以能量使用的數量級,將文明分類的方法稱之為卡達肖夫指數(Kardashev Scale)。他提出一個文明對能源功率(單位為瓦特, W)的控制能力,在4×1016W(約略接近地球上一秒的所有能量)稱之為I型文明;當達到4×1026W控制能力則稱之為II型文明(約略接近太陽一秒發出的所有能量);而具有4×1036W控制能力者稱之為III型文明(約略接近一個星系一秒
發出的所有能量)。美國天文學家卡爾·愛德華·薩根(Carl Edward Sagan)建議使用下面公式:K=(logP-6)/10 來計算一個文明的指數。其中K為卡達肖夫指數;P為文明所使用的電力單位為瓦特。以2018 年人類全年發電量除以全年秒數,得到平均功率約為1.85×1013W,相當於K≈0.73。也就是說,人類尚未達到I型文明呢!
 
至於這麼多能量要運用在哪裡呢?如同人類離開非洲一樣。當我們有充足的資源時,便會開始想要往居住環境的外圍開拓。因此如果外星文明能夠控制這麼龐大的能量,首先可以想到的運用,便是星際旅行。大尺度的宇宙探險,例如在不同銀河系間的遷移,牽扯到的跨度動輒以數千到數十億光年計算。此類的移動距離,便須藉由製造愛因斯坦-羅森橋(Einstein—Rosen bridge)的方式,也就是建立一個蟲洞,方能節省穿梭兩地的時間。這也是許多科學家與科幻題材所運用的方法。然而目前尚未在任何的科學觀測中發現蟲洞的存在。因此難以估算建造一個蟲洞所需要的能量。不過根據目前的理論架構,一個的蟲洞組成,至少需要一個旋轉黑洞。如果要在任意空間中由無到有建立一個蟲洞,則該文明對於能量控制能力,應該要大於一個能崩潰形成黑洞等級的恆星所具有之能量。因此如果蟲洞存在的話,則該外星生命的等級,至少不低於第III型文明。
 
而在近距離的移動中,阿庫別瑞引擎(Alcubierre drive),或是曲速引擎(Warp drive)則為科幻題材常見的移動方法。廣義相對論限制了靜止質量比零大的物質,其移動速度不可超過局域光速。阿庫別瑞的想法[4,5]則是別出心裁,將物體置於一個前方空間收縮而後方擴張的「空間泡」中。物體在這個「空間泡」中為靜止不動。而廣義相對論沒有限制「空間」的移動速度,因此若將此「空間泡」以光速或是超光速移動時,並不會違反廣義相對論的限制。這種移動方式如同我們搭乘「車輛」移動,雖然人員相對於車輛(空間泡)中的
空間沒有發生位移,但是車子卻以高速行進,所以也如同人員相對於外部空間在做高速移動。許多科幻電影與小說便以這個理論基礎,設定了超光速引擎的樣貌,並稱之為曲速引擎。當然現今也有不少新的理論反對阿庫別瑞的說法,聲稱其違反了其他物理定律。姑且不論阿庫別瑞理論的正確性,在2012年時,物理學家哈羅德·懷特(Harold White)曾計算出要包圍並推動如旅行者1 號太空船的重量,則需要相當於木星大小的質能(約1.7×1044焦耳)。若需要在1 秒鐘內產生這樣的能量,則其能量控制能力需要達到卡達肖夫指數
K=3.8!這已經高於第III型文明的定義。
 
因此我們不由得想到,為何都沒有外星人來造訪地球。天文學家法蘭克·德雷克(Frank Drake)曾在1960 年代提出一個估算外星文明數的公式稱之為德雷克公式:
N=R*×fp×ne×fl×fi×fc×L
其中
N為我們銀河系中可能進行通信的文明數量。
(考慮時空尺度的問題,此文明必須存在我們現在與過去的光錐中。)
R* 為我們銀河系中恆星形成的平均速率。
fp為這些恆星擁有行星的比例。
ne為這些擁有行星的恆星,能夠支撐生命比例。
fl為這些行星能發展生命到特定階段的比例。
fi為這些能發展生命的行星,產生智慧生命的比例。
fc為這些智慧生命能發展出釋放可偵測訊號到太空的比例。
L為這些智慧生命釋放可偵測訊號到太空的時間長度。
 
但由於ne、fl、fi、fc、L等數值的不確定性,因此可能文明數介於1~1.56×107 個之間。或許我們並非宇宙中的唯一生命。甚至文明在宇宙中可能處處皆是。但是因為文明的發展過程中,可以用做星際移動的資源/能源不足,以至於無法發展出長距離移動的科技能力。導致每個文明均被困在自己的星系中,如同宇宙中的生命牢籠。著名的科學家恩里科·費米(Enrico Fermi)曾經質疑:如果銀河系存在過大量先進的文明,那麼為什麼都沒有像飛船或者探測器之類的證據被發現呢? 即便真的有外星生命的存在,甚至前來地球,但物理學家史蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)卻多次的提出警告:倘若外星人來到地球,將會如同當年哥倫布造訪美洲大陸一樣,讓美洲原住民消失殆盡。外星人前來地球的目的是掠奪資源,人類的力量將不足以對抗外星人!也有另一種哲學上的說法,當外星生命已經發展到了具有高度科技與星際移動能力時,其道德文明應該已經提升到足夠高的程度,以至於可以度過以交戰與掠奪等會導致生命毀滅之文明歷程。因此不用擔心外星生命的來訪!
 
在科學上,尋找外星生命是一個嚴肅的課題;而在科幻作品中,則為一種人類浪漫幻想的題材。我們希望未來人類在勇於向外星系探險的過程中,需要時時保持警惕,避免招致文明覆滅的悲劇。但也希望能找到一個人類適居的星球,或者具有一個友善且具溝通能力的外星生命。讓我們知道生命在宇宙中並不孤單!

雜誌簡介
 
物理雙月刊的誕生
物理雙月刊前身為「中華民國物理學會通訊」,為提供本會會員彼此聯絡之用。後因會員深感國內尚缺乏一專門介紹物理發展及新知之刊物,乃於民國68年7月正式創刊,名為「物理季刊」,每三個月出刊一次,並請吳大猷先生特為本刊封面親筆提字。民國76年6月改名為「物理會刊」,每兩個月出刊一次。至民國82年再改名為現在的「物理雙月刊」。
 
物理雙月刊的定位
「物理雙月刊」定位為物理的科普雜誌,希望可以透過國內物理各領域專家 學者為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。「物理雙月刊」努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

  • 總編輯的話(p.3)
  • 特別專題 2 0 1 9 諾貝爾化學獎與鋰離子電池之發明(p.85)
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