愛因斯坦「重力波」:兩個大黑洞撞擊融合,吹皺一湖宇宙春水

愛因斯坦「重力波」:兩個大黑洞撞擊融合,吹皺一湖宇宙春水
Photo Credit: Henze/NASA Ames Research Center

我們想讓你知道的是

LIGO偵測到的重力波,等於是十三億年前,宇宙深處兩個大黑洞撞擊融合,在宇宙這個超大春水裡所產生的漣漪。

當你用手機看著這篇文章時,為什麼感覺得到手機壓在手上的重量?如果放掉手機,又為什麼會往下掉,叩的一聲摔在地上?

不是要你做實驗,答案已經由牛頓告訴我們。地球對手機有一個吸引力叫重力,當用手拿著時,手力抵銷重力,所以手機不會掉落;而當放掉手機時,只剩往下的重力,所以手機墜向地球。這就是牛頓萬有引力定律

萬有引力定律提出兩百多年後,被愛因斯坦起了懷疑,後來他想出了廣義相對論來取代或補充萬有引力定律。愛因斯坦當初先想出了狹義相對論,也就是從光速不變原理勞倫茲轉換數學模型,推導出時間膨脹與長度收縮現象。但狹義相對論只能適用在慣性座標下,也就是觀察者靜止或等速前進,如果拿到有重力的地方,馬上會遭遇重力加速度而產生問題。為了整合狹義相對論與重力,愛因斯坦想了八年以後,想出了著名的愛因斯坦場方程式(Einstein field equations),也就是廣義相對論。

愛因斯坦場方程式 instein field equations

愛因斯坦場方程式

愛因斯坦場方程式,跟萬有引力定律一樣,短短一行數學符號,卻改寫了人類對宇宙運行法則的看法。這方程式的白話意義,就是把重力看成時空間(space-time)的彎曲程度;彎曲越大,重力越強,反之亦然。注意這個「時空間」,在相對論裡,三度空間與時間被融合起來成為四度時空間。廣義相對論說,質量與能量(從狹義相對論看是一體兩面)會把周遭時空間彎曲成為類似球體的模樣,而這球體的彎曲程度,就是重力。

這是什麼意思?得先說愛因斯坦等效原理。想像你正站在靜止的電梯裡,可以感受到自己的重量壓在電梯地板,也可以感受地板反推的力道,這是為什麼?就是因為重力,前面講過了。如果這架電梯變成火箭,被推射到外太空沒有重力的地方,然後關掉引擎,這時候你還會不會感受到地板的推力?不會。

但假使引擎啟動,讓電梯以重力加速度那樣的加速度前進,這時你就會再度感受到地板的推力,而且那力道跟站在地球上的靜止電梯時一樣。等效原理的意思,就是物體加速度所產生的慣性力與引力所產生的加速度,對區域內的觀察者來說,是無法區分的。

回到開頭的手機。牛頓認為手機有重量,是因為重力將手機拉下,但愛因斯坦說,根本沒有重力這回事,手機之所以有一個壓在手上的力量,是因為手機正在往下加速運動,卻被你的手阻擋了,因此你會感受到手機的推力。也就是說,如果你的手放掉,那麼原本正在加速運動的手機,就可以繼續前進,往地球飛去,成為自由落體。

為什麼手機沒事會往地球加速運動?因為根據廣義相對論,地球這個超大質量的物體,會將周遭時空間彎曲,這樣的彎曲是一種張量,有大小有方向也有變化趨勢,而所有指向都聚焦於地球。地球宛如一隻蜘蛛,在自己周遭吐了絲網,凡是落在其中的昆蟲,都會一步步朝向蜘蛛前進;牛頓認為是蜘蛛拉絲,讓昆蟲前進,但愛因斯坦說是昆蟲自己沿著蜘蛛絲滑向蜘蛛,因為這蜘蛛絲是一種四度時空間張量,指向都是蜘蛛。

既然愛因斯坦說重力其實不是力,而是時空間的彎曲程度,何以會有重力加速度?那是因為在彎曲的時空間裡,兩點之間最短不是直線,而是曲線,這叫測地線(geodesic),而物體沿著測地線做等速慣性運動,對鄰近觀察來說,就會像是在直線上做加速運動。也就是說,那隻手機本來一直沿著測地線做等速運動,因此你要改變這樣的慣性,手就必須施加力氣;而手一旦放掉,手機便會繼續在測地線上做等速運動,只是鄰近的你會以為它在直線上做加速運動。

講完時空間彎曲與重力,再來就可以說明重力波(Gravitational Wave)。每一個有質量的物體都會造成周遭時空間彎曲,而物體如果運動,這彎曲程度就會改變,但這彎曲程度不會馬上影響周遭物體,而是必須以光速前進,這又跟牛頓的看法不一樣。牛頓認為重力作用不需要時間,當手機被手放掉,重力馬上改變,但廣義相對論認為時空彎曲改變必須要花時間,其速度等於光速。於是假使物體快速連續運動,造成時空間反覆彎曲,前腳接後腳,這些改變像漣漪一樣盪漾出去,便會形成重力波,將時空間的改變以波的形式傳遞出去。

重力波被美國的雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)團隊偵測到的新聞,這幾天獲得全球關注,都說愛因斯坦在1916年預測重力波的存在,其實更早一些的馬克士威龐加萊,也做了類似預測。馬克士威是愛因斯坦的偶像之一,他的電磁方程式啟發了相對論,而他預測電磁波存在也可以跟愛因斯坦預測重力波存在相互輝映。

電磁波是由帶電粒子的運動產生,而重力波則是由物質的運動產生。但馬克士威爾在1865年預測電磁波存在,1887年就由赫茲證明,而愛因斯坦預言重力波存在以後一百年,才由LIGO直接證明,這是因為重力波太弱,其偵測比電磁波困難太多,連愛因斯坦都認為不可能偵測。

然而科技進步,實現了愛因斯坦的預言。要偵測重力波,首先要找到夠大的重大波。重力波無所不在,只要是具有質量的物體以不對稱方式運動,就會產生重力波,比如搖晃手機,問題是沒有儀器可以偵測得到。

科學家後來發現,最理想的重力波源頭,是宇宙深處的雙星系統;兩顆質量夠大的星球相互繞圈,可以產生強大重力波,尤其是兩星越轉越靠近,最後撞在一起時,所迸發的重力波最強。這次LIGO偵測的重力波,便是觀測到十三億光年外,兩個相互繞圈的黑洞融合霎那所產生的重力波。




跳起來才摸得到的叫目標!5G+產業新星揚帆啟航計畫帶你「JUMP」成為好人才

跳起來才摸得到的叫目標!5G+產業新星揚帆啟航計畫帶你「JUMP」成為好人才
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我們想讓你知道的是

經濟部工業局推動5G+產業新星揚帆啟航計畫,以人才實戰為主軸並提供豐富的線上與實作課程,線上課程讓人能隨時隨地進修;實作課程讓人動手研究,全面提升技能,更能成為5G應用遍地開花的新助力。

當5G已經逐步滲透到不同場域中創造出全新應用的此刻,傳統教育體制出身的人才究竟能否滿足全新時代的技能需求?因應5G產業強大的人才需求,經濟部工業局推動「5G+產業新星揚帆啟航計畫」,以人才實戰為主軸並提供豐富的線上與實作課程,線上課程讓人能隨時隨地進修;實作課程讓人動手探究,全面提升技能,更能成為5G應用遍地開花的新助力。

你5G了嗎!全新時代的人才不能只有標配,想技能升級該怎麼做?

找不到人才,似乎成了近年產業界頭痛的問題。面對不只是以半導體為首的科技業對各種新興應用產生出更多人才需求,少子化帶來的衝擊、也讓投入市場的人力也逐漸減少,然而5G發展就迫在眉睫,產業又該如何應對?

根據經濟部工業局「未來3年重點產業人才調查及推估-通訊(含5G)產業報告」的研究分析指出,通訊(含5G)產業未來發展趨勢包含3大方向:5G多種技術持續蓬勃發展、非授權頻段技術瞄準5G訊號涵蓋缺口,以及網路基礎建設更新持續帶動通訊設備需求,雖然將能帶動相關的人才需求產生,但人才本職學能的技術含量也備受5G時代需求考驗。

不只是各項職缺都需求具備「電機與電子工程」細學類背景外,多數職缺亦有「軟體開發」細學類背景需求,而在IC設計及機構設計工程師若能額外具備「機械工程」細學類背景者更佳,可見隨著產業發展,人才所要具備的技能已不再是一招打天下,需要更加斜槓。

5G能力從線上課程開始,隨時隨地的自我加值

在無法解決人才缺口的根本結構性問題下,經濟部工業局除了藉由推動5G+產業新星揚帆啟航計畫,賦能在學學生能即早接軌5G產業應用需求、更接地氣之外,也透過豐富的課程為產業人才進行本職學能的加值與再進化。

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提供300多門課程供大家線上學習。

正因5G產業應用場景更加多元與複雜,因此不只是在封閉或企業內部創造出更好的應用環境,也更該發揮5G特性擴及到消費者身上,從各種應用場景端下手,全面提升消費者的各種體驗。然而這一切的根本、仍是取決於產業人才是否具有相關的技術足以「點石成金」。

看準產業人才眼前這個急欲成長與突破的強烈需求,5G+產業新星揚帆啟航計畫提供超過300門線上課程,要讓每個人都能隨時隨地不受時間、場域限制,自我加值技能。

以5G六大重點領域匯整國內外學習資源,從5G+獨家課程、天線、射頻、晶片封測、關鍵材料、小基站/無線接取、SDN/NFV解決方案、5G應用等線上課程外,還有跨國公司Nokia合作的精選課程,藉以提升與持續精進企業在職人士及學生5G研發技術知能,助益產學的人才挹注。

此外,還提供人才結構化自學架構,以「職能」為核心建構線上學習地圖,系統化、彈性化、動態化的整合平台之國內外學習資源,藉由學習地圖指引與自學資源機制,檢視自我的需求選擇合適的課程進行進修,朝更全面的5G達人邁進。

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「學習地圖」的清晰圖面設計,幫助在職人士/學生根據自己的需求選擇進修內容課程。

線上/實作課程的完美結合,打造全方位5G達人

5G+產業新星揚帆啟航計畫不只提供300多門線上課程,更邀請產學專家合作開設混成式培訓課程;以今年度為例,開設包括「天線模擬與量測系列」與「SDN/NFV技術及軟體架構應用實務系列」等線上直播課程,並辦理如「Probing-OTA於天線設計之應用」與「5G應用智慧車聯網應用工作坊」等精彩實作課程。藉由線上直播共學與線下實作體驗融合的混成式培訓課程,為希望成為全方位5G的達人,提供一個具備高專業、高互動的優質學習環境與平台。

直播共學-5G_SDNNFV技術及軟體架構應用實務系列

Photo Credit:5G JUMP

直播共學-5G SDN/NFV技術及軟體架構應用實務系列

實作課程-5G應用智慧車聯網應用工作坊

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此外,也有不少國內企業借助5G+產業新星揚帆啟航計畫提供的線上、直播共學或實作課程,規劃至企業內部訓練,滿足企業需求。包括提供無線通訊量測服務、系統整合及創新研發的「川升股份有限公司」、軟板專業製造服務的「台郡科技股份有限公司」、開發電腦周邊、通信技術及消費性電子產品予品牌供應商的「和碩聯合科技股份有限公司」;專精於無線通訊產品的設計、研發、製造與封測的「啟碁科技股份有限公司」;專注5G及各項天線設計製造的「連騰科技股份有限公司」;高階電競及專業創作領導品牌「微星科技股份有限公司」;以及提供無線射頻技術服務供應商的「耀登科技股份有限公司」等,藉由產官學合作,共同提升在職人士的5G能量。

實作課程-5G應用智慧商店實作工作坊

Photo Credit:5G JUMP

實作課程-5G應用智慧商店實作工作坊

實作課程-應用於5G通訊系統的關鍵基板材料研發實務工作坊

Photo Credit:5G JUMPPhoto Credit: 5G JUMP

實作課程-應用於5G通訊系統的關鍵基板材料研發實務工作坊

你準備好「JUMP」了嗎?

5G+產業新星揚帆啟航計畫不只從校園出發,鼓勵學生在學時期就能觸類旁通,多瞭解當前市場5G的場域應用,從中了解到自己還需要強化哪些領域的技能,為未來接軌5G市場做準備;同時也為補足當前市場上人才、在職人士所缺少的能力,提供線上與實體課程,將有助於產官學界一起為人才在5G的本職學能上加值,不只是能促成產業內部技術人才投入5G的產業研發,更希冀在需才孔亟的時代,積極培育出5G技術與應用人才,強化我國5G競爭力,為產業再開拓另一條護城河。

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