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】