理解宇宙︰如何運作?為何如此運作?

理解宇宙︰如何運作?為何如此運作?
Image credit: NASA / ESA / JPL-Caltech, Public Domain

我們想讓你知道的是

有些科學家會說理解宇宙為何如此運作,比起只是知道宇宙如何運作更重要,這點我是絕對同意的。然而,這並不代表我們不用首先理解宇宙如何運作。

愛因斯坦:「這宇宙最不能夠被理解的事,就是它竟然能夠被理解。」

科學是理解宇宙的方法。可這即是什麼意思?何謂理解?如果我們想深一層,「理解」的過程是沒有盡頭的。為何我們存在?因為有太陽提供能量給地球上的生命。為何太陽存在?因為星塵經由萬有引力結合成太陽。為何有星塵?因為宇宙誕生時產生了能量和質量。為何有宇宙?

事實上,每種問「為何」的過程,都能夠追蹤到宇宙誕生。包括為何今天不小心打破了水杯,其終極原因也是宇宙誕生。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宇宙「為何」是這個樣子,答案亦普遍停留於「定性」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歸納、分析數據,從而描述宇宙的規律之餘,亦能預測未來會發生的現像。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。現代科學變成一門精密的「定量」學問。現在,科學家問的絕大多數是宇宙「如何」運作。

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Photo Credits: NASA, ESA, and L. Infante (Pontificia Universidad Catolica de Chile)

問「如何」比起問「為何」容易,因為答案可以用算式、數字、統計、邏輯去歸納觀測和實驗數據而得到。數學(包括統計學在內)是科學家描述宇宙定律的語言。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,以盡量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「如何」。人類是求知慾很強的生物,我們渴望知道「為何」。人類為何求知?正如很多科學家都認為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。理解物理公式代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。

幾何宇宙 宇宙幾何

讓我們先來談談另一個「何」:幾何。無論你喜歡或討厭數學,都必定在學校裡的數學課堂中學過幾何學,因為太重要了。

牛頓發現了運動定律和萬有引力定律。在牛頓力學裡,宇宙是個三維的空間,即有著長、闊、高三個方向。這三個方向無垠寬廣,而且永恆不變。他想像,我們可以用三條互相垂直的直線畫出任意座標系,宇宙中的任何一點都能夠被這個座標系標示出的三個數字(x, y, z) 描述出來。這種三個軸皆為直線、且互相成直角的座標系,叫做笛卡兒座標系。這是學校會教的最基本幾何知識。

我少年時曾參加過野外定向活動。故名思義,這是個拿著地圖尋找檢查點的遊戲(不可以使用Google Map 啊)。如果我們細心留意,就會發現地圖上分成許多格網,每一格都以一組兩個數字或英文字母標示,代表横及直兩條互相垂直的軸。只要找到第一個數字或字母,範圍就會由一個平面縮小到一條直線。再在這條直線上找第二個數字或字母,就能夠定位想要找的那一點。這其實就是二維笛卡兒座標,地圖上的橫和直兩個數字或字母就是x 和y,而垂直地圖、未能標出的的高度就是z。很多其實地圖以等高線代替高度,所以某程度上地圖仍然能夠標示出三個數字,顯示地球表面以上的三維空間。

習慣在地球表面生活的人類,會不自覺地把「前後左右」和「上下」區分開來,因為我們能夠自由地往前後左右移動(除去人為地域分界和海洋不計),但是不能自由地往上移動(往下則可以,如果你希望成為地球重力場裡的自由落體⋯⋯)。因此,有時候我們會誤以為這個方向「上下」比其他兩個方向「前後」和「左右」較為特別。然而當我們想深一層,在太空深處遠離任何重力場的地方,各個方向都應該沒有任何分別。我們可以用 (x, y, z) 之中的任何一個字母去表示任意方向。不論我們選擇了哪一個字母去標示哪一個方向,另外兩個字母都會代表了另外兩個互相垂直的方向。

日常情況下,牛頓力學是相對論的近似,我們能夠用笛卡兒座標系的三個方向 (x, y, z) 加上時間t 表達日常生活中的任何現象。在牛頓的想像之中,(x, y, z) 就是宇宙舞台,物理現象就是演員,依循物理定律演出。而時間t 則是獨立於這舞台的一個時鐘,時鐘秒針跳動的頻率不會受舞台或演員影響。整個宇宙都是使用同一個時鐘,在宇宙不同位置的人都會看見時鐘指著同一時刻。自牛頓的時代開始,物理學家利用幾何、微積分等數學工具,非常成功地建立起物理學的殿堂,所有物理定律都能使用描述 (x, y, z) 和t 的公式描述出來。

牛頓力學之中,使用笛卡兒座標表示的三維空間 (x, y, z) 就好像是舞台,而時間t 卻像是分開來掛在舞台旁的鐘,空間和時間互不相干。愛因斯坦卻說,這不可能。如果我們接受光速恆定這個事實,就必然能夠推導出時間和空間本為一體這個結論,稱為時空。在相對論之中,時間和空間結合在一起,成為 (t, x, y, z) 四維幾何結構。更不可思議的是時空並非物理現象發生的舞台,並不單止用來描述物質的運動狀態;時空本身就是物理現象,會受到物質的運動狀態所影響!

時空是數學上的幾何結構,自牛頓以來很多物理學家都以為這個結構只是數學上的想像、只是一種方便我們進行計算的表達方式。然而,愛因斯坦證明時空不可能只是背景舞台和時鐘,時空會影響物質運動之餘,亦會被物質所影響。相對論大師約翰.惠勒曾用一句話漂亮地解釋了這個概念:「時空告訴物質如何運動,物質告訴時空如何彎曲。」因此,如果要了解宇宙如何演化,我們必須首先了解如何運算 (t, x, y, z) 的四維幾何學。這是超越笛卡兒座標的數學概念,叫做黎曼幾何。現代物理學之中,宇宙本身就是幾何結構、數學實體。

宇宙會擲骰子


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台美減碳有「共同國家策略」!專家看好低碳汽油合作

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Photo Credit:財團法人環境與發展基金會、美國穀物協會

我們想讓你知道的是

財團法人環境與發展基金會攜手美國穀物協會舉辦「全球推動低碳汽油融入淨零碳排趨勢系列座談」,邀請台美專家共同與談,專家表示,低碳汽油減碳成效佳,已助力全球60餘國的運輸減碳,台灣應將低碳汽油納入2050淨零碳排國家戰略,加速運輸部門邁向零碳。

財團法人環境與發展基金會、美國穀物協會日前舉辦「全球推動低碳汽油融入淨零碳排趨勢系列座談」,包括美國在台協會、行政院能源減碳辦公室、經濟部、環保署、台灣中油、台塑石化以及國內外專家共同與會,針對台灣導入低碳汽油,加速運輸部門邁向零碳進行討論。環境與發展基金會蔡俊鴻董事長表示,低碳汽油已在超過60個國家普遍採用,導入低碳汽油對於運輸部門有立即的減碳效果。台灣2050淨零碳排轉型是整體性的國家戰略,任何助於減碳的策略都應被討論,重點在於國家是否真的有減碳的決心。

圖一:合照
Photo Credit:財團法人環境與發展基金會、美國穀物協會
全球推動低碳汽油融入淨零碳排趨勢座談,共同探討可行的減碳方針與策略。來賓自左起為:台榮周忠平副理、台塑石化李後昆處長、台灣綜合研究院柯亮群所長、經濟部工業局潘建成組長、行政院能源及減碳辦公室黃錦明科長、臺灣師範大學葉欣誠教授、美國在台協會(AIT)王睿珂(Erich Kuss)組長、美國穀物協會盧智卿駐台代表、環境與發展基金會蔡俊鴻董事長、環保署氣候變遷辦公室蔡玲儀主任、循環台灣基金會黃育徵董事長、經濟部能源局蔡秀芬組長、中油王淑麗組長、中華氣候變遷暨農業發展學會張學義委員、台塑洪宗益協理。

全球正面臨氣候變遷與能源轉型的重大挑戰,亟需有效且可行的減碳方法。美國在台協會王睿珂組長致詞時表示,台灣與美國都有邁向淨零碳排的目標。美國是全球推動低碳汽油的先驅,美國長年採用低碳汽油作為解決溫室氣體排放的策略之一,不僅減碳效果立竿見影,更提供消費者減碳的選擇。台美是重要的能源戰略合作夥伴,盼透過此次座談交流,促使雙方在減碳路上更進一步合作,實現淨零碳排的願景。

圖二:AIT農業組組長
Photo Credit:財團法人環境與發展基金會、美國穀物協會
美國在台協會農業組組長王睿珂表示,台美是能源合作戰略夥伴,盼能加強交流、合作實現淨零碳排的願景。

環保署氣候變遷辦公室蔡玲儀主任強調,台灣正在研擬2050淨零路徑規劃,總共12項關鍵戰略,其中也包括運具邁向無碳化。確實政策推動不可能一次到位,一定是從低碳逐漸邁向無碳,機車就是很好的例子。台灣運輸部門的主要排放源是汽車和機車1400萬輛,目前環保署鼓勵淘汰老舊機車,也有助於減碳。低碳汽油在世界各國早已廣泛運用,最重要的是如何進行社會影響面評估,做好公眾溝通,讓民眾能夠接受。此次座談針對技術面、產業面問題都有探討,相信資料彙整後對運輸部門如何減碳有更多的幫助。

圖三:環保署蔡玲儀主任
Photo Credit:財團法人環境與發展基金會、美國穀物協會
環保署氣候變遷辦公室蔡玲儀主任表示2050淨零目標無法一次到位,轉型過程一定是從低碳到無碳。

美國穀物協會乙醇技術顧問Rowena Torres-Ordonez以美國推動低碳汽油基礎設施以及車輛適用性評估進行專題演講分享。她表示,美國推動低碳汽油已有近半世紀的歷史,從歷年的統計數據來看,汽車兼容E10低碳汽油已不是問題,所有廠牌汽車皆可直接使用。尤其低碳汽油具有親水性的問題,美國已經建立完善的指導原則和知識體系,透過核心技術將乙醇和水相分離(phase separation),以穩定油品的品質,確保低碳汽油輸配系統全程保持乾燥。例如每個配送點都會檢測含水量,避免水干擾問題,而對比過去E3低碳汽油,E10低碳汽油對水份的抵抗能力更強,並不會影響到行車安全。Rowena更進一步表示,減碳、低污染必須倚靠多元策略並進。低碳汽油非常容易推動,唯一要做的就只是替換原本的汽油,對於民眾、社會不易造成影響,卻能立即減碳。Rowena強調「假設 2040 是淨零碳排階段目標,那我們該如何思考從現在過渡到2040?低碳汽油與電動車策略完全不衝突,可以同時共進」。

國立臺灣師範大學永續管理與環境教育研究所葉欣誠教授認為,在社會公正轉型的基礎上,低碳汽油在技術上絕對是解決氣候變遷的可行解方。曾有民調指出,許多民眾認為電動車是高價產品,負擔不起,導致短時間內電動車無法普及。淨零轉型的過程必須特別注重社會階級的公平、公正,若能直接從傳統燃油的成分調整達到減碳效果,是相當務實的做法。另一方面,從實務上來看,電動車所需的電力仍有八成以上倚靠火力發電,因此運具全面電動化並非淨零碳排的終點。況且,能源選項的多元化,其實是對台灣能源安全的保障。葉欣誠教授強調,關鍵還是在於政策推動的決心,尤其政府單位應由誰主責,低碳汽油的推動涉及行政院能源減碳辦公室、環保署、經濟部、交通部等多個單位,必須有明確的任務賦予。

圖四:葉欣誠教授
Photo Credit:財團法人環境與發展基金會、美國穀物協會
台灣師範大學永續管理與環境教育研究所葉欣誠教授認為電動車短時間內無法普及、且電力碳排仍高,應該從務實角度思考導入低碳汽油。

台塑石化股份有限公司洪宗益協理表示,只要政府政策明確,推動E10低碳汽油在技術上不是問題,若能循序漸進推動轉型,配合誘因機制和輔導,消費者應該可以接受低碳汽油,畢竟電動車政策無法一步到位。公正轉型絕對是減碳過程中必須關注的環節,尤其年輕世代,機車擔任主要的短程工具,更是經濟弱勢族群的移動需求核心,如何讓他們也能參與減碳是政府必須思考的。這也帶出一個思考的出發點,減碳轉型究竟只能從購買運具更換的思維出發,還是可以讓既有交通運具也能扮演減碳的角色?

中華氣候變遷暨農業發展學會張學義委員表示,社會對於低碳汽油的原料一直有所誤解,目前仍有人認為能源作物可能與糧食相互競爭。事實上全球農作物生產效能歷經數次突破性成長,其產能用於供應生質燃料的比例不到5%,影響微乎其微,燃料會與糧食競爭的說法早已是過去式,這點政府有責任廣為宣導。低碳汽油能直接達到減碳、減少空污的效果,包括美國在內的先進國家已經提供很多極好的導入經驗,油品問題無須擔憂,只是過往E3低碳汽油效果有限,E10的效益相對顯著。張學義委員補充,台灣電力供應源的轉換各界都有疑慮,思維不應綁在運具轉換,而是整體上如何導入乾淨能源。

台灣綜合研究院柯亮群所長指出,從策略規劃的角度,所有有助減碳之選項都應納入思考範圍。資料顯示低碳汽油生產的碳強度在持續下降,若要驗證所使用的原料是否永續,可以參考德國生質能源料源之永續性認證制度、或歐盟永續性生質燃料標準。若從整個生命週期證實是有減碳效益,對未來社會大眾推廣也有幫助。其次,淨零碳排轉型的過程,公正轉型絕對是重要議題。尤其台灣具有大量機車的社會特殊性,其代表轉型的背後,受影響的不只是燃油車廠商,更包括不一定有能力轉換電動運具的一般民眾。建議政府可盤點目前低碳汽油適用機車類型,以明確低碳汽油在轉型過程中可帶來之「公正」社會效益。

循環台灣基金會黃育徵董事長則表示,淨零碳排必須是跨國、跨產業的合作行動,才可能共解氣候危機,這不是單純的貿易關係。樂見台美能源戰略夥伴有更緊密的合作。黃育徵也補充,要達成淨零碳排目標,整個社會都必須思考新經濟模式,非僅有供給端的改變,更需要考量需求端的槓桿角色。民眾必須有意識的改變自己邁向淨零生活,才能帶動淨零生產。

行政院能源及減碳辦公室黃錦明科長表示,不論是從消費端推動低碳汽油、或從產業端推動電動車,同樣都可以協助運輸部門減碳,對運輸部門達成2050淨零排放的階段減碳目標有很大幫助。目前應優先評估是否納入國家淨零碳排減碳戰略中,確定納入國家政策推動方向後,再由主政部門規劃具體推動作法與分工,較為可行。黃錦明科長認為,導入低碳汽油最重要的是相關標準的訂定,可由公協會依照市場需求提出E10低碳汽油的油品標準,提供給標檢局審查,同時參考國際經驗建立相關的標準作業程序,減少運輸、摻配、貯存過程中可能讓汽油變質的問題。建議系列座談未來可更務實討論,包括交通部公路總局、經濟部國營事業委員會、經濟部標準檢驗局、汽機車相關公協會都應參與討論。

在車輛適用性的問題上,國際上雖然已有相當豐富的證實研究,美國再生能源協會(RFA)也在全球七國進行研究,機車也能直接使用低碳汽油,經濟部永續發展組潘建成科長仍建議,若要增加對民眾的信心,應要有本土科學數據的研究,才能夠提高民眾的信任。經濟部能源局蔡秀芬組長也表示,品牌車廠角色也可加入討論,讓原廠能夠向車主說明低碳汽油的適用性,民眾的疑慮也會降低。

圖五:蔡俊鴻董事長_and_盧智卿駐台代表
Photo Credit:財團法人環境與發展基金會、美國穀物協會
財團法人環境與發展基金會董事長蔡俊鴻、美國穀物協會駐台代表盧智卿表示,低碳汽油已為全球超過60個國家帶來相當可觀的減碳效益,盼與政府共同合作台美淨零碳排行動。

美國穀物協會盧智卿駐台代表結語時表示,低碳汽油已為全球超過60個國家帶來相當可觀的減碳效益,甚至帶動農業的升級轉型。美國十分願意與台灣政府、民間共同努力,將成功的經驗、技術專業等資訊與大眾進行交流,與台灣政府一同達成2050淨零碳排目標。


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