愛因斯坦錯了嗎？

2009/04/03　第155期　訂閱╱退訂　看歷史報份 深度報導 狹義相對論的危機 總編輯的話 總編輯的話：火箭的前世今生 發燒新鮮事 電漿火箭發射！ 本月優惠活動 訂科學人+相聲國寶，獨享超值優惠 好康報報 「電漿火箭前進太空」講座，歡迎報名

狹義相對論的危機 　 撰文╱艾伯特（David Z Albert）、加千（Rivka Galchen） 翻譯╱張明哲 　 如同許多量子效應一樣，纏結這種現象牴觸了我們對世界最根本的直覺，也可能危及愛因斯坦的狹義相對論。 　 重點提要 ■我們所經驗的宇宙裡，只有碰得到的東西才會直接受到我們的影響，因此這個世界似乎具有「局部性」。 ■然而，量子力學透過「纏結」的性質，使兩個粒子不需中介就可互相同步，展現出超距作用。這是一種「非局部效應」。 ■非局部效應不僅違反直覺，對狹義相對論也造成了嚴重的問題，物理學的根本為之動搖。 如果要移動一顆石頭，根據直覺，就是得去推它，或是拿一根棍子去碰觸它，或是下達指令，透過空氣振盪傳播到某個人的耳朵，叫他手持棍子去戳石頭，或是其他類似的辦法；更直截了當地說，這直覺意味著東西要緊靠在一起，才能發生直接影響。如果A不在B旁邊，但卻能影響它，那效應一定不是直接的，而是以一連串事件做連結，每個事件直接影響下一個，經由一段距離依序從A傳到B。每當我們以為找到了違反這項直覺的例外，結果總會發現並非如此，例如，扳開開關點亮城市裡的街燈（但仔細一想這是透過電線傳遞的），或是聽BBC的廣播（但我們接著會想到這是透過空中的無線電波）。至少，在日常生活經驗裡，我們是找不到的。 我們把這種直覺的想法稱為「局部性」（locality）。 量子力學顛覆了許多直覺，但沒有一個比推翻局部性來得更意義深遠。而且它為狹義相對論（21世紀物理學的基石之一）帶來的危機，迄今未能解決。 量子力學挑戰直覺 回溯至量子力學發展之前，以及用科學來探索自然之初，學者相信，理論上這個物理世界可以藉著世界最小、最基本的物理元素，得到完整的描述。也就是說，把所有物理元素的小故事集合起來，就可以完整表達出這個世界的故事。 但是量子力學違反了這個信念。粒子集合體所表現出的真實、可測量的物理特徵，有可能並非個別粒子特徵的總和，甚至毫無關聯。例如，根據量子力學，我們可以讓一對粒子相距恰好兩公尺，但是兩個粒子各自卻都沒有確切的位置。除此之外，「哥本哈根詮釋」這個理解量子物理的標準方法（於20世紀初經由偉大的丹麥物理學家波耳加以宣揚，而後一代一代傳授下去）堅持，並不是我們不知道個別粒子的準確位置，而是這個答案根本就不存在 …more 　 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第86期4月號】

總編輯的話：火箭的前世今生 撰文╱李家維 在我的神像蒐藏裡有一位千餘年前的科學家，他是唐初的孫思邈，那翩翩風采讓我神往不已。這位被尊為藥王的孫真人，通佛、道，也是位傑出的煉丹師。他提出硫磺伏火法，混合硫、硝和碳之後，造就了我們自傲的火藥。火藥能治瘡癬和瘟疫，製作慶典爆竹、炮彈和火箭，讓中華帝國的榮耀再延續了近千年。17世紀初荷蘭人攻打澎湖，龐大艦隊的紅衣大炮震撼了明末王朝，中國的軍事科技就此沉淪，也辱沒了先人的創新。 這本錢學森傳記，我細讀過三遍，每回都唏噓緬懷。72年前他初抵美國加州理工學院，即加入學生自辦的陽春火箭社，他們自籌經費，為能升空44秒的火箭興奮雀躍。接著美國投入歐戰，要每年造五萬架飛機，研究火箭的經費因之無虞，火箭社也發展為現今聞名的噴射推進實驗室（JPL）。二次大戰結束的這一年，火箭脫離了地球大氣層，再隔四年，長程導向飛彈試飛成功，錢學森都居功甚偉，他大膽預言核能燃料將推動火箭，以及人類必能登上月球。正當意氣風發之時，他被指控是共產黨員，憤然回歸祖國，也改寫了中國懦弱的歷史，中國大陸的飛彈、原子彈和人造衛星的每項突破，都是他的心血。 錢學森的時代過去了，中國也即將登陸月球，但是這和探索宇宙的雄心相比還真渺小。傳統的液態和固態燃料都不能有效推動深太空任務，動力不足讓太空船得重重繞道，藉由星球重力來彈射協航，卡西尼號就因此耗上七年才能抵達土星。這期《科學人》介紹宇宙航行的新希望——電漿火箭，它的推力比化學火箭小得多，但卻能飛得更快更遠！而長程電漿火箭的動力來源，正是青年錢學森預言的核能。 莫以為電漿只是天上事，它也可以到我們的身體裡，扮演殺滅癌細胞的救星，這近乎科幻的情節奠基於奈米科技的潛力。台灣的科學家跨校、跨領域的結合，他們要用附有抗體的黃金奈米顆粒來標定體內的癌細胞，再以雷射啟動金粒子表面的電漿，發出的聲波能顯現癌組織的立體影像，發出的熱更可殺死致命的癌細胞，是電漿成功連繫了天上與人間。…more 　　　　　　　　　　 【本文轉載自科學人2009年第86期4月號】

就讓高效率的電漿引擎把新一代太空船推往太陽系之外吧！ 　 電漿火箭發射！ 撰文╱喬艾里（Edgar Y. Choueiri） 翻譯╱甘錫安 　 重點提要 ■傳統火箭藉由燃燒化學燃料產生推力，電漿火箭則是在一群帶電荷的粒子（也就是電漿）上施加電場或電磁場，用以推進太空船。 ■儘管電漿火箭產生的推力比化學火箭小得多，但是它能使用同量的燃料讓太空船達到更快的速度。 ■電漿火箭的高速特性和推進劑使用效率，使它在深太空任務方面顯得格外有價值。 在黑暗的宇宙中，美國航太總署（NASA）的「曙光號」太空探測船飛出火星軌道之外，朝小行星帶前進。為了深入探究太陽系的誕生，這艘無人太空船正要前去研究「灶神星」和「穀神星」，這兩枚小行星是45億7000萬年前原始行星不斷碰撞合併、形成現今各行星後，所殘餘的最大兩塊天體。 但2007年9月發射升空的曙光號，此趟飛行值得注意的不僅是它的任務目標，還有它採用了在長途太空任務中越來越重要的動力來源──電漿火箭。有別於傳統火箭是以燃燒液體或固體化學燃料來提供動力，目前已發展出數種先進形式的電漿火箭，提供推力的方式是以電力產生並控制離子化氣體推進劑。 曙光號任務設計人員採用電漿火箭，是因為它的效率相當高，到達小行星帶所需的燃料僅為化學火箭的1/10。如果計畫人員採用化學火箭，太空船就只能飛到灶神星或穀神星其中之一，而不能兩者都去。 的確，電漿火箭（又稱為電能火箭）很快就成為長程太空船的最佳動力選擇。電漿推進技術最近一次的成功案例為NASA「深太空一號」的彗星之旅，這趟飛行是太空船完成主要任務之後，利用剩餘燃料進行的額外旅程。另外，曾經嘗試登陸小行星的日本探測船「獵鷹號」（Hayabusa），以及歐洲太空總署用來造訪月球的「聰明一號」太空船，也都是以電漿火箭做為動力來源。由於電漿推進技術展現了許多優點，美國、歐洲和日本的深太空任務規劃人員都打算在未來的太空任務中採用，以便探索外行星、尋找太陽系外的類地行星，並且以遼闊的太空當做實驗室，研究基礎物理學。 …more 　 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第86期4月號】

裸露的奇異點

2009/03/27　第154期　訂閱╱退訂　看歷史報份 深度報導 裸露的奇異點 發燒新鮮事 大腦為何這麼皺 科學馬戲團 遭到誤解的達爾文 本月優惠活動 知識報訂戶獨享過刊特惠 好康報報 『科學不簡單講座』電漿火箭前進太空

裸露的奇異點 　 撰文╱約希（Pankaj S. Joshi） 翻譯╱李沃龍 　 我們總以為吸納所有物質的黑洞核心——奇異點永遠神秘地藏匿在黑洞裡，其實它也可能赤裸裸地呈現在我們眼前？ 重點提要 ■ 傳統看法認為大質量恆星最終會坍塌成黑洞，但有些理論模型卻預測那會形成所謂的「裸奇點」，這是天文物理上懸而未決的重要問題。 ■ 裸奇點的發現會為物理學上的統一理論提供直接的觀測，對該理論的影響甚鉅。 現代科學已把許多奇怪的概念昭告天下了，但其中最詭異的，莫過於大質量恆星到達其生命盡頭時所面臨的命運。在燃燒了億萬年後，恆星的燃料耗盡，無法再支撐自身的重量，於是開始災難性的崩塌。像太陽這類大小適中的恆星會在崩塌成較小體積時，再度穩定下來；但若是質量更大的恆星，它的重力將壓過所有阻止坍塌的力量，使得恆星從原本數百萬公里的大小，塌縮成比英文字母" i "上的一點還微小。 多數物理學家與天文學家認為這個結果就是黑洞──一種具有強大重力而沒有任何東西能夠逃離其近旁的天體。黑洞的核心是個奇異點（singularity），恆星上頭所有的物質都縮進了這個體積無限小的點，環繞在奇異點周邊的就是物質無從逃脫的空間，其邊界稱為「事件視界」。任何物體一旦進入事件視界之內，就永遠無法離開這個區域，就連物體所發出的光也會陷落其中，因此外界的觀測者再也看不到它。墜入的物體最終將撞毀在奇異點上。 然而這個描述是否真確？從已知的物理定律，我們清楚知道奇異點會形成，但不怎麼確定事件視界的存在。大部份物理學家採行的假設是視界必須存在，只因為以視界做為科學的屏障是非常誘人的概念。物理學家尚未完全釐清奇異點上究竟怎麼了：物質是被壓垮了，但變成了什麼呢？事件視界將奇異點藏匿起來，也阻隔了我們對它的探索；奇異點上可能發生各種未知的事情，但對外界不產生任何效應。天文學家在描繪行星與恆星軌道時，完全不必考慮奇異點的影響，因為不論在黑洞裡發生什麼事情，都只會留在黑洞裡。 但是，越來越多的研究質疑著這個一向被視為理所當然的假設。在許多關於恆星坍塌的學說中，事件視界並未形成，因此奇異點其實就暴露在我們眼前，物理學家稱它為「裸奇點」，物質與輻射可墜入也可彈出這個區域，也就是說，以往我們以為造訪黑洞裡的奇異點是趟有去無回的旅程，但其實你卻可以在非常接近裸奇點後全身而退，並敘述你此行的見聞。 假如欠缺事件視界的裸奇點真的存在，在奇異點附近發生的神秘事情將會衝擊外在的世界。裸奇點可以用來解釋天文學家已觀測到卻無法解釋的高能現象，並提供了一個探索時空最精細結構的實驗室。…more 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第85期3月號】

新研究揭露了皮質皺摺是如何形成的，這項發現有助於自閉症、精神分裂症和其他精神疾病的診斷和治療。 　 大腦為何這麼皺 撰文╱希爾格泰戈（Claus C. Hilgetag）、巴巴斯（Helen Barbas） 翻譯╱涂可欣 　 重點提要 ■大腦皮質就是腦部最外層有著彎曲皺摺的部份，與人類的感知、思想、情緒和行為等高層次心智有關。 ■複雜的皺摺讓表面積增大的皮質可以裝入內部表面積有限的頭顱裡。 ■最新發現顯示，皮質上的隆起和溝壑是因皮質內神經纖維的拉力所造成的。 ■健康人和罹患源自胚胎發育時期的腦疾病（例如自閉症）患者的大腦皮質外觀不同，這些形狀差異顯示患者各個腦區間的聯繫也和正常者有別。 第一眼看到人類大腦，我們首先會注意到的就是那縱橫交錯的隆起和溝壑，這些有著彎曲皺摺的膠狀組織即為大腦皮質（又稱為灰質），約2~4毫米厚，裡面佈滿了神經元，負責調控認知、思想、情緒和行為。其他腦部較大的哺乳動物，像是鯨、狗和人類的近親大猿，也都有紋路獨特的皮層皺摺，腦部較小的哺乳動物和其他脊椎動物，腦部外觀則較平滑。這些擁有大型腦部的哺乳動物在演化過程中，皮質大幅擴增，事實上，如果把人類的大腦皮質鋪平，它的面積相當於一個特大號披薩，是頭顱內部表面積的三倍，因此人類和其他「腦大」的物種，要把皮質塞進頭顱的唯一辦法就是「摺疊」。 這些摺疊並不像將紙揉起來一樣隨便，每個人都循著一定的模式。這些摺疊原先是怎麼發生的？摺疊產生的形態是否透露了腦的功能？新研究顯示，在胚胎發育期間，神經纖維網絡會將柔軟的皮層拉扯出特定形狀，並且終生維持著，如果神經網絡在發育期間出錯，或之後因中風或創傷受損，就會對腦的形狀和神經傳訊造成深遠的影響，因此這項發現可引領診斷和與療一些精神疾病的新策略。 神經纖維的拉力造成皺摺 幾百年來，科學家不斷思索著腦部複雜的形狀。19世紀初期，德國醫生高爾（Franz Joseph Gall）提出從腦和頭顱的形狀可看出一個人的智力和個性的觀念，這個理論又稱為顱相學（phrenology）。儘管沒有科學證據支持，這個影響深遠的觀念卻讓科學界開始蒐集並研究「罪犯」、「變態」和「天才」的腦。到了19世紀後期，瑞士解剖學家西斯（Wilhelm His）提出假說，認為腦的發育受到一連串物理力量的引導。英國博物學家湯普森（D'Arcy Thompson）根據這個學說指出，不管是生物或無生命物質，許多結構都是物理性自我組織的結果。 這些早期學說雖然誘人，但最後卻日漸式微。人們認為顱相學是偽科學，在現代遺傳理論下，以生物物理來了解腦結構的方法相形失色，不過最近科學家使用全新的腦造影技術，並以先進的電腦分析為輔，反倒為19世紀的那些舊觀念提供了一些新鮮的證據。 1997年起，有一些線索指出西斯和湯普森有關大腦構造的想法並沒有錯。美國聖路易華盛頓大學的神經生物學家范艾森（David Van Essen）在《自然》上發表了一個假說，指出那些連結大腦皮質不同區域、負責訊息傳遞的神經纖維，會對這層膠狀組織造成一些微弱的拉力。在人類胚胎發育的前六個月，大腦皮質都維持平滑，新生神經元會伸展出細長的軸突（axon），鉤住位於皮質其他區域內的目標神經元的樹突（dendrite），然後繫縛在一起，當皮質擴增，軸突像橡皮筋一樣拉得又長又緊；到了懷孕中期尾聲，神經元繼續形成、移動並建立連結，大腦皮質也開始摺疊；到了出生時，皮質已大致發展完全，也有了典型的皺摺外觀。…more 　　　　　　　　　　 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第85期3月號】

今年是達爾文的200歲冥誕，但許多人對演化及天擇仍有兩個迷思未解。 　 遭到誤解的達爾文 撰文╱薛莫（Michael Shermer） 翻譯╱潘震澤 　 1866年7月2日，天擇的共同發現人華萊士寫了封信給達爾文，發出如下喟嘆：「有那麼多聰明人完全無法看清或理解天擇這種自發且必要的作用，一再讓我驚訝。因此我得出結論，天擇這個用詞以及你的說明方式，雖然對我等而言既清楚又優美，但對一般自然學家而言，卻不是最能打動他們的方式。」華萊士繼續寫道：造成誤解之源，是天擇這個名詞；因為該詞暗指「有個不斷守望的智慧『挑選者』存在，就像你經常拿來做比較的『人擇』，以至於讓人以為在天擇的運作裡，思考及方向是不可或缺的。」華萊士建議改動天擇這個詞，而選用史賓塞的說法：「適者生存」。 華萊士不幸言中，由上述誤解引發的兩個演化迷思，持續至今；其一是演化具有既定的方向，其二是生存完全由你死我活的競爭優勢所決定。與頭一個迷思正好相反，天擇是種過程，而非推動該過程的力量；沒有什麼人在「挑選」適合生存的生物，無論溫和如養鴿人，為選秀品種選取討好的特徵；還是惡毒像納粹黨，為滅種在死亡集中營挑選犯人，都不是天擇。天擇沒有既定方向，它無法預期怎樣的改變對未來的生存有用。我女兒還小時，我試著向她解釋演化，把北極熊當成陸生與水生哺乳類之間的「過渡物種」看待；但那是錯誤的說法，北極熊並沒有朝水生哺乳類的方向「演化」，牠們只是對極地環境適應良好。 簡單地說，某些個體擁有更適合環境的變異特徵，將比適應較差的個體留下更多後代，這樣的結果稱為「生殖成就的差異」，也就是天擇。如照第二個迷思所言，長得更高大強壯、跑得更快和競爭起來更冷血無情的個體，將繁衍更多；只不過長得較細小瘦弱、跑得較慢以及善於社交合作的個體，同樣也可能存活並繁衍。…more 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第85期3月號】