四個不可超越的自然極限:宇宙時空、光速、絕對零度、普朗克長度

四個不可超越的自然極限:宇宙時空、光速、絕對零度、普朗克長度
由 I, AlfredLeitner, took this photograph as part of my movie "Liquid Helium,Superfluid" - 自己的作品, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7741454

我們想讓你知道的是

速度再快,也快不過光速;尺寸再小,也小不過普朗克長度;溫度再冷,也冷不過絕對零度;看得再遠,也看不見宇宙的邊界。為什麼自然界存在著這些不可超越的極限?這些極限又描繪了哪些關於這個世界的真實面貌?《科學人》特別邀請專家解答四大自然極限從何而來,以及這些極限背後的物理意義。

宇宙時空

撰文︰吳俊輝(台灣大學物理系教授)

「宇宙有多大?」一直是個古今玩味的問題,但是這個問題和「我們能看到的宇宙有多大」並不一樣,而且很不一樣。換句話說,即使現今的宇宙是無窮大,我們所能見到的範圍卻永遠是有限大。目前宇宙的年齡大約是140億歲,而可見宇宙的範圍卻是一個半徑約為460億光年的球體!你的腦筋是否已經打結了呢?讓我娓娓道來。

要估算樹的年齡,我們使用年輪,同樣地,要估算宇宙的年齡時,我們得先找到「宇宙年輪」:一個會隨時間改變的物理量。目前已找到且被廣泛應用的宇宙年輪便是「宇宙微波背景輻射」(cosmic microwave background, CMB),它是來自宇宙初生時的光,它的溫度即是俗稱的宇宙溫度。

由於能量守恆,CMB的溫度會隨宇宙的膨脹而下降,因此我們可由CMB目前的溫度「2.73K」,來推得宇宙已膨脹了約「140億年」之久(宇宙溫度由初生時的幾近無窮大降至3,000K,只需要約40萬年的時間,因此宇宙初生時的確實溫度對這140億歲的估算值影響甚小)。但在這個推算過程中,實際上我們已使用了一些額外的資訊,包括現今宇宙的組成中暗能量約佔七成、暗物質約佔兩成等,因此,如果未來數年間,這些資訊因新觀測數據而有所改變,或宇宙學模型有重大修正,則這140億歲的估算值將會不保,必須再重新估算。

由於宇宙的年齡是有限大的,所以光源太遙遠的光,將在宇宙現今的有限之齡還來不及到達我們這裡,它還在半路上。因此我們目前所能見到的宇宙大小,受限於光自宇宙誕生至今所能走的最遠距離,由此距離為半徑所畫出的球體,便是我們現今所能觀測到的宇宙範圍。也就是說距今10億年後,我們所能見到的宇宙範圍將會更大,因為來自宇宙誕生、更遠處的光將會陸續抵達我們。

那麼「光」走140億年的距離不就是140億「光年」嗎?為何可見宇宙範圍的半徑竟高達460億光年?那是因為宇宙一直在膨脹!光走一年的距離原本應為一光年,但由於宇宙膨脹的關係,會把原本光已走過的一光年拉得更長!因此依理論計算,同時採用上述暗能量和暗物質的比例資訊,我們可推得目前可觀測宇宙的範圍,約是一個以我們為球心、半徑為460億光年的球體。舉一反三,就一個位在遠處的外星人而言,他所能見到的宇宙大小雖和我們相同,但實際的範圍卻不相同,這就像是在霧中行車,每位駕駛的視線距離是相同的,皆受限於霧的濃度,但每位駕駛的視線範圍卻不相同,因為他們的位置不同。

你腦筋中的結已解開了嗎?但願沒有更糟!

read128-2-p92
Photo Credit:科學人雜誌

光速

撰文︰高文芳(交通大學物理所所長)

我們都知道光速很快,高達大約每秒30萬公里,一秒鐘可繞地球七圈半。就是因為太快了,古希臘學者一直相信光速是無窮大。笛卡兒甚至還認為,光速如果不是無窮大,整個哲學體系都要重寫。直到17世紀,丹麥天文學家羅莫發現木衛──每次月食開始的時間都不太一樣。而且,我們越靠近木星,月食開始時間越早。羅莫推估,這個時間差,就是光穿越地球軌道所需要的時間。只要知道地球繞太陽公轉的軌道半徑,就可以推估光速。當時由於精準度不太理想,羅莫的測量值,大約比精確值短少了約26%,不過這是首次測量出光速數值,也確認了光速是有限的,而不是無窮大。

1905年,愛因斯坦提出狹義相對論,更大膽地做了一個假設:真空中的光速在等速相對運動的座標系中都相同,意味著即使我們等速朝著光源跑,看到的光速也不會增加。以前有位助教在上相對論課時,講了一個笑話:某甲以0.8光速,乙以0.7光速互相接近,這樣甲看乙接近的速度,不就應該超過光速嗎?事實上,當我們看著高速運動的物體乙時,不但同向的長度會縮短,上面的時鐘也會走得比較慢,也就是乙的時空會隨著運動而扭曲,我們看到的會是一個非常奇異的世界。愛因斯坦的假設經過了多次實驗證實,後來造成深遠的影響,然而實在是超乎想像,對一般民眾而言,恐怕是20世紀最震撼的結果。

也因為光速在任何時間、任何地點量都一樣,所以1983年,國際度量衡標準局正式將一公尺的定義改成光行進1/299792.4580秒的距離。從那天開始,精確測量光速的意義,變成精確測量一公尺的長度為何。

有質量的物體,運動速率永遠沒有辦法超過光速,則是相對論的另一個重要結論。根據愛因斯坦的狹義相對論,質能可以互變,其公式就是E=mc2。而且有質量的物體,一旦動起來,質量不但會增加,速率一旦接近光速,物體的質量,也就是能量會急速飆升,當速率挺進到光速時,能量就會變成無窮大。換句話說,要把有質量的物體加速,剛開始還算古典的困難,一旦速率越來越快,加速就會越來越困難,需要補給的能量當然就會越來越不像話。不難想像,任何有質量的物體,想要達到光速,絕對是不可能的任務。

光速是不可超越的這件事,在歷史上也曾遇上不少挑戰,但後來一一以失敗告終。愛因斯坦和波耳的世紀大論戰,最後發現兩個纏結的基本粒子,即使距離再遙遠,也會透過量子效應瞬間互動,好像雙生子的心電感應。愛因斯坦認為這個結果違背相對論。但是,有人認為這些量子互動,也許是經由微觀蠹孔傳遞,並沒有違背相對論。另外最近很熱門的微中子超光速事件,最後則被證實是烏龍一場。雖然我們無法證明一個理論是對的,但是相對論的普適性,至今沒有任何可信的反證,因此多數物理學家相信,光速是不可超越的。

普朗克長度


猜你喜歡


與孤兒男孩納伊姆一同對抗童婚與兒童受暴事件

與孤兒男孩納伊姆一同對抗童婚與兒童受暴事件
Photo Credit:台灣世界展望會

我們想讓你知道的是

在偶然接觸兒童論壇活動後,17歲的納伊姆在積極參與和計畫資助下,成為了孟加拉的兒童論壇領袖,致力在當地建立孩童不受暴力迫害的未來。

在孟加拉,販賣兒童、童婚、童工是種如同受詛咒般的存在,摧毀當地一代又一代的孩童。17歲的納伊姆(Nayeem)是一位受到資助的兒童論壇領袖,目前已經阻止37起童婚、協助2名性騷擾受害者、解救1件兒童販賣等兒童保護事件。

納伊姆在很小的時候就失去父母,因此納伊姆的童年是在無人照顧、疏於關注的情況下長大,這使他變成一個內向的男孩,害怕在公共場合說話,面對挑戰要有如此大的勇氣更是不容易。

W030-0760-022
Photo Credit:台灣世界展望會

「有一天,我看到幾個男孩在開會,他們討論的內容吸引了我。」納伊姆問了其中一個男孩,了解到他們是兒童論壇的成員,於是,他帶著好奇開始參加論壇活動,「我從來不知道兒童權利是什麼,參加完論壇課程後,我才驚覺原來自己就是童工和受虐孩童。」納伊姆激動地說。此後,他積極參加各種培訓,更近一步參加領導活動, 那個曾經在公共場合說話害羞的男孩開始教別人如何自信地說話。

透過兒童論壇的活動,納伊姆和他的夥伴對8所學校1300名孩童進行兒童安全、兒童法、兒童權利的培訓。納伊姆說:「改變總是伴隨許多挑戰,我有一個夢想,我希望建立一個孩童沒有暴力迫害的未來,我不怕困難,只要有人支持鼓勵我,這就是我能堅持更遠的力量。」

邀請你選擇資助等待最久的孩子!當你轉變一個孩子的生命,就是創造世界下一代的希望。
了解更多:https://wvtaiwan.com/YFwi0

本文章內容由「台灣世界展望會」提供,經關鍵評論網媒體集團廣編企劃編審。


猜你喜歡