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目前分類:物理 (6)

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2015年諾貝爾物理獎得主今天揭曉,由日本學者(木尾)田隆章(Takaaki Kajita) 和加拿大學者麥唐納(Arthur B.McDonald)獲獎,原因是他們發現了微中子振盪效應,顯示微中子也有質量。

來源:聯合報網路版諾貝爾物理獎 二三事報你知


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在某家衛星通訊公司,值班的兩位工程師,常常為了雜訊問題,傷透了腦筋,因為他們要上大型碟型天線上檢鳥糞,以減少雜訊。同一時間,某些觀測外太空的科學家,也為了無線電望遠鏡 (註1) 不夠傷腦筋,由於需要更多來自於外太空的數據,他們採用了這些工程師的雜訊報告裡,發現了外太空似乎有某種規律的電磁波,這樣的波可能不是雜訊,而是宇宙誕生時,產生的電磁波,由這樣的電波,物理學家推導出,宇宙的每個部分,其實起於一個非常小的點,於很短的瞬間,膨脹成具有時間空間的樣貌,由一點而展開成廣大的宇宙,這個理論叫大霹靂理論。

以上所說,當然你可以當作一個笑話,是通訊工程師茶餘飯後強調自己工作的重要性,但是在科學界卻是這樣的玩笑卻關係者研究能否繼續的關鍵。天文物理研究的設備或規模,越來越大,怎樣運用外界資源,其實非常重要,在地中海就有一個歐洲研究機構設立的望遠鏡,穿透地心觀測南半球的太空,或許你羨慕歐洲研究者得天獨厚的研究環境,然而,這樣的設備,也因為預算驚人,必須由研究黑暗物質、宇宙生成甚至超弦的研究者共享,以確保這樣的投資能夠產價值夠高的成果,以往單一主題或單一實驗室準備自己的設備的年代,似乎已經過去,單一設備只研究單一主題的奢侈,也是研究者可望而不可及。

以上提到的,就是科技導向 (techno-driven)的研究,雖然常常能在實驗室編列預算來購買科技設備,有時候反而可以思考,如何透過既有的科技設備,達成研究的目的,這類重大發現,是搭著科技巨人的肩膀上,才能看到。這是從研究方法面來說的,科技本來就是物理原理的應用,現在回頭來幫忙物理研究,造成重大發現。正因為科技是物理學的應用,物理學者的發現,若能促進科技發展,也是令人驚喜的,或許是因為科技應用大幅改變人類生活,諾貝爾物理獎除了注重理論的開展,目前也開始頒給這類促成技術性研究成功的研究者,舉2009的諾貝爾得獎人為例,高錕對光纖的長程傳輸有貢獻,波以爾和史密斯 (Willard S. Boyle及George E. Smith) 則對CCD 的發明有貢獻,前者大大提供通信的品質,後者則廣泛的應用在宇宙觀測與日常攝影上,物理獎頒給科技背後的推手,在科技導向的研究正在流行的今天,或許有某種新意義。

回到一開始提到的撿鳥糞的故事,由於通訊的需求建造的大天線,竟然觀察到了大霹靂現象,這和過去愛因斯坦式的模式不同,愛因坦在信封背後就能寫出相對論 (註2),當然,理論物理的研究模式不死,在今天也還是最令人神往的研究方式,只是現在的研究模式中,會更加的依賴科技設備與規模大小,物理研究者如何在這其中,尋找重大發現的機會,應該是令人振奮的一項研究契機。

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費曼曾經到巴西當客座教授,他再度發現,巴西一樣有很差的物理教育,學生和在美國的學生一樣,需要靠自學,才能學好物理。除此之外,他的興趣多了一項,打巴西鼓,過了一陣子,團長要其他團員向費曼學習,費曼猜可能是他自己的鼓音有外國腔。

這些經歷,讓我看出費曼的物理,應該是超棒的,因為能夠打鼓,其實是一項高難度技巧,拿這樣的技巧去做很多事,應該都能做好,這是我以藝術取向來判斷事物的偏見,或許唯一例外的是商業,因為沒有經營得很精彩又虧本的事業,被叫做成功。正因為我先注意科學家的藝術層面,讓我有機會看到,許多專業之間,其實有微妙的相似性,藝術強調人的創造性,到了作品的完成階段,也強調準確性,以便把創意精確的傳達,這部分很像科學,藝術強調打破框框,然後,在畫派建立時,又要求自己的框框要完整,這讓我想到,相對論先否定了牛頓的絕對坐標系,而相對論本身的光速時鐘能夠統一每個座標系之間的矛盾,因此可以不受絕對坐標系的限制,也能描述運動物體的時空位置。以上只是我想到的兩個類同點,至於科學家與藝術家之間,類似的異於常人的行徑,或是許多科學家之間競爭的精采程度,我還是另文專述。

寫到這裡,我回頭談談我所知道的理查費曼,他父親是一位物理學家,因此,他的物理啟蒙比較早,他和愛因斯坦類似,想從目前物理界還少人探索的路上去走,因此,顯得有點特立獨行,當你研究一個全世界只有兩三個人研究的題目,這當然需要一點點膽量與保持孤獨的決心。他提出了量子電動力學,而且以有名的費曼圖,簡潔的表達了內容,不是只有密密麻麻的計算公式,讓讀者自己去解其中的意義。簡潔的表達方式,也使得他在和外界溝通時,有了特殊風格,在太空梭災難調查中,他以一個O型環丟入一杯冰水中,傳達了氣溫對於太空梭的影響,雖然經過簡化,卻非常有說服力。

 

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想出大霹靂的宇宙模型的,是佛里德曼,他假設宇宙的起點,是一個高熱高壓的點,透過大爆炸,產生我們今天看到的宇宙,哈伯證實了這個假設,透過觀察遠方星系的紅移現象,證實了星系正在遠離我們在的觀察點---地球。至於天使與魔鬼書中所提的天主教神父樂梅特,則推導Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程,並在螺旋星雲後退現象的基礎上提出了宇宙是從一個「初級原子」「爆炸」而來的—這就是後來所謂的大霹靂。因為書中並沒有明講,神父本身是位物理學家,讓讀者會誤會,好像僧侶提出了神啟般的靈感,而科學家指是證實靈感的研究者,其實樂梅特和哈伯,都是物理學家,樂梅特的觀點,也不是因為宗教理由才偏向大霹靂理論,而是因為大霹靂模型比較能描述宇宙現狀。

 

本文並不是要談物理學或宗教,而是要探討,引發這麼重大發現的靈感,到底是怎麼來的,有人說只要一直研究某個題材,然後,就會在放鬆的時候,如:在蘋果樹下休息,或是作一個蛇咬尾巴的夢,就會找到靈感。我想,這兩個部分都是必須的,可是,從努力思考,到放鬆頓悟,其實還有一個環節,為大家所忽略,就是---混亂。我這裡所指的混亂,其實就是分類的盲點,我以文學來舉例,文學上的分析,非常細緻,有情節的分析、有角色類型的分析更有筆法上的分析,因此,我要說,要學著寫莎士比亞也不是太難,因為這方面的分析已經可以讓我的寫作具有莎士比亞的  風格,至於在二十一世紀會不會讓人們重新接受這樣的風格,就得存而不論了。可是這樣的作對我的作品並沒有幫助,因為,莎士比亞的作品精髓不在這些分析裡面,而在於不自覺的結構中,有人說,莎士比亞的戲,充滿戲中戲,如:哈姆雷特,或者平行劇情如:皆大歡喜,透過戲中戲或者平行劇情,讓故事中的衝突與張力,更加強烈。我覺得這個分析正確且一針見血,不過,莎士比亞的劇本之所以長久以來,一再被電影、戲劇採用,主要是因為作者長期在劇場工作,對於這些真假、框內框外,有不自覺的體認,也允許這樣的混亂,在他的作品中,化成有秩序的劇中劇。這樣的過程,若是跳過了,或許劇中劇的架構還是會出現,可是,沒有背景基礎的理由,戲劇張力肯定沒有那麼大,哈姆雷特中,喜劇班子的諷刺劇,讓篡位的叔父感受到壓力,也讓哈姆雷特確認,殺父的兇手,就是叔父。

 

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在美國推行曼哈頓計劃的年代,境內物理學家當中,有些來自歐洲 ,:愛因斯坦、馮紐曼 (馮紐曼本人參加了曼哈頓計畫,愛因斯坦則與該計畫的產生有些淵源),什麼因素吸引物理學家選擇美國,我將就科學面和社會面討論。

 

除了二次大戰的紛爭衝擊歐洲各國, 使得就些歐陸物理學家避居美國,還有另一個理由也使他們選擇美國,那就是物理研究由單單的science-driven趨勢,走向technology-driven science-driven並行, 工業規模較大的美國顯然比歐洲各國更有能力支應這樣的研究形態,同時期的德國,即便同時研究原子彈,其工業規模無法支持這項橫跨冶金、採礦、機械、電子...的研究,直到戰爭結束,德國尚未製造出核子武器,而美國在愛因斯坦上書羅斯福的情況下,推動了名為曼哈頓計畫的核子物理方面的研究。

 

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大家好!今天是愛因斯坦的紀念日。


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