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科學人 7月號/2017 第185期

科學人 7月號/2017 第185期

  • 雜誌名稱:科學人    新功能介紹
  • 刊別:月刊
  • 出版地區:台灣
  • 語言:繁體中文
  • 出版日期:2017/06/28
  • 定價:280
  • 優惠價:95266
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封面故事

【多重宇宙很量子】


許多宇宙學家現在已經接受多重宇宙這個不尋常的概念,我們的宇宙似乎只是這個更大結構的一小部份。這幅圖像有眾多宇宙,所有我們視為大自然根基的物理定律在不同宇宙裡有不同面貌,例如,各宇宙可能有不同型態與性質的基本粒子。
多重宇宙這個概念,源自科學家假設早期宇宙經歷急遽膨脹的理論。在這段「暴脹」時期,某些區域的急速膨脹比其他區域早結束,形成所謂的泡泡宇宙,就像在滾燙的沸水中產生泡泡一樣,我們的宇宙只是無限多顆泡泡之一。
我們的宇宙僅是更大結構的一小部份,這個概念其實沒聽起來的稀奇古怪。科學家已多次認識到,世界遠比我們看見的大上許多。不過由於泡泡宇宙的數量基本上無限制,多重宇宙的想法確實浮現出一個重要問題:它似乎抹殺了該理論的預測能力,而這是任何有用的科學理論的核心訴求。這可從暴脹理論的創始者之一、美國麻省理工學院(MIT)的古斯(Alan Guth)的話看出,他曾說:「在永恆暴脹的宇宙中,任何可能發生的事一定會發生;事實上,它將發生無限多次。」
在單一宇宙裡,事件發生次數是有限的,科學家可以比較一件事與另一件的發生次數,計算出該事件發生的相對機率。但在多重宇宙,每件事可重複發生無限多次,比較發生次數來計算相對機率的方法,顯然行不通,因為每件事發生的機率都相同。你可以隨心所欲預測任何事,而且必定在某個宇宙中實現,但這不能解釋我們的世界會如何演變。
長久以來,該理論欠缺預測能力這件事明顯困擾物理學家。諷刺的是,包括我在內的一些研究人員現在理解到,描述微小粒子行為的量子理論雖然與多重宇宙的想法形成鮮明對比,卻可能為我們點明解決之道。永恆暴脹多重宇宙的宇宙學圖像,或許在數學上等價於量子力學中用來解釋粒子似乎同時位於多處的「多重世界」詮釋。正如下文所述,這兩種理論之間的關聯,不僅解決預測能力問題,也可能揭開時間與空間的驚人真相。

測量蹦出多重世界
當我重新審視量子力學的多重世界詮釋後,便興起把這兩種理論互相對應的想法。多重世界詮釋是為了解釋量子力學的某些怪異現象。在非直覺的量子世界中,因果的運作機制與巨觀世界迥然不同,任何物理過程的結果總以機率表達。
根據我們在巨觀世界中的經驗,當一顆球拋出後,我們可以憑著它的起點、速度和其他資訊來判斷落點。但如果那顆球是量子粒子,我們只能說它有機會掉落在此處,也有機會掉落在其他地方。即使我們探知更多關於球或氣流的詳盡資訊,也無法避開這種機率特性,因為那是量子力學的本質。在完全相同的條件下拋出同一顆球,它有時會落在A點,有時則落在B點。這項結論看似弔詭,卻是經過大量實驗驗證的量子力學定律,並且真實描述了大自然如何在次原子粒子與作用力的尺度運作。
量子世界中,在把球拋出、但尚未檢視落點前,它處於A結果與B結果的疊加態,這表示落點既不在A點也不在B點,而是位於A、B兩點(與其他眾多地點)的機率迷霧中。不過,一旦我們觀看並且發現球落在某個確切地點(假設是A點),任何人來檢視這顆球,都會認定落在A點。換句話說,任何量子系統在被測量之前,結果是不確定的,但所有後續測量的結果都與首次相同。
根據傳統上對量子力學的理解,也就是哥本哈根詮釋,科學家認為首次測量把系統從疊加態轉變為A狀態,因此造成狀態的塌縮。雖然哥本哈根詮釋確實預測了實驗結果,卻引發許多嚴重的難題:「測量」的真實意義是什麼?為何測量可把系統從機率疊加態變成單一確定結果?當一條狗、甚至一隻蒼蠅觀察系統時,是否也造成狀態改變?當氣體分子與系統有交互作用(我們知道這會發生,但從不視為測量),是否會影響測量結果?或者,人們有意識地探求系統狀態,是否會引發某些物理效應?
 

編者的話

多重宇宙很量子

對於未來,有太多可能性。你可能常想:如果當年我沒有選擇A,而是選了B,現在的我會怎樣?這一期的《科學人》雜誌要探討的不是人生哲學,而是宇宙學家苦思許久的「多重宇宙」。
科學家假設,宇宙在創生之際經歷了急遽膨脹,在這段暴脹期間,每個區域膨脹的結束時間不一,讓宇宙形成了無限多的泡泡。也就是說,我們所處的宇宙只是更大結構的一小部份。你所關心的未來,若以機率來看,任何可能發生的事情,就可能在某個泡泡中發生。然而對於身處於單一泡泡中的觀察者(我們)來說,這理論缺乏預測能力。
最近美國理論物理學家野村泰紀(Yasunori Nomura)發現,若引入量子力學的「多重世界詮釋」,將其與多重宇宙視為等價,問題迎刃而解!依據測不準原理,你拋出一顆球,它可能落在A點,也可能落在B點,在你尚未檢查結果時,球處於A點與B點的疊加態。多重世界詮釋的想法更另類,它把觀察者也納入系統,當觀察者看到球落在A點時,宇宙已經分道揚鑣:第二個宇宙中的觀察者,將會看到球落在B點。
別擔心當年你沒有選擇的B。正因為〈多重宇宙很量子〉,B以及C、D、E、F……都在平行宇宙中無限制的發展著呢!快翻開2017年7月號《科學人》雜誌,帶你到另一個宇宙看見自己的另一個未來。
 

雜誌目錄

關於封面
每一次測量都讓另一個世界與這個世界分道揚鑣,這種描述平行世界的量子力學詮釋,在某個特殊意義上與多重宇宙是相同的概念,連結兩者能否解決暴脹理論欠缺預測能力的難題?

宇宙學
30 多重宇宙很量子
 文╱野村泰紀(Yasunori Nomura)
 宇宙學與量子力學之間可能有意想不到的關聯,科學家或許將從中揭開時間與空間的奧秘。

生物學
40 是誰偷走了蜥蜴的尾巴?
 文╱林思民
 許多蜥蜴都擁有斷尾求生的本領,這個伎倆卻非對所有天敵都管用,付出的生存代價更是不容忽視。透過累積多年的野外觀測記錄,蜥蜴生存的策略與風險逐一浮上檯面。

生物武器
48 蘇聯炭疽追追追
 文╱凱姆(Paul S. Keim)、華克(David H. Walker)、奇林斯卡司(Raymond A. Zilinskas)
 最近一起陳年事故的國際調查,再次顯示出生物武器的致命能力。

氣候變遷
54 耗能巨獸:印度
 文╱西瓦倫(Varun Sivaram)
 人口稠密大國印度今後的能源政策,可能深深影響地球本世紀的暖化程度。

社會科學
60 同溫層效應蔓延中
 文/夸特勒喬奇(Walter Quattrociocchi)
 計算社會科學家透過社群網路的大量資料,研究陰謀論如何在網路上擴散、人們為何相信陰謀論、意見如何形成並強化,以及是否有解決的方法。

行為神經科學
64 金援有助貧童腦發育? 
 文╱諾伯爾(Kimberly G. Noble)
 貧窮可能影響兒童腦部大小、形狀與功能表現,但確切機制未明。有學者提出提供補助金給父母,如此直接的做法能否促進腦部健全發育?

農業 
72 玉米根蟲吃垮美國  
 文╱諾德豪斯(Hannah Nordhaus)  
 美國的大規模玉米田創造了輝煌產值,也成為孕育根蟲的絕佳場所。農夫為了對付這種害蟲用盡各式辦法,從輪作、殺蟲劑到基改玉米,卻一一失靈,這似乎是場永無止盡的攻防戰。

科學與藝術
80 凝視萬物一瞬間 
 文/《科學人》雜誌編輯部 
 當科學與鏡頭交融,科學之美大放異彩。

目錄
第185期
2017年7月號

科學人觀點
6 認臉:腦有特別座
 文/曾志朗

總編輯的話
8 非常蜥
 文/李家維

讀者論壇
13

科學人新聞
14 美國力挽極地劣勢
 月經細胞模型
 機器人手工做披薩
 三招測出帕金森氏症
 太空科技保護消防員
 一覽世界科技進展
 鯊魚的「硬底子」祖先
 字會消失的可再寫紙
 直流電再戰交流電
 南極冰融,北美遭殃
 檢測輻射傷害有新法

形上集
24 得失寸心知不知(一)
 文/高涌泉

不可勝數
26 在平面國搬運沙發
 文/李國偉

健康與科學
28 超級頭蝨的逆襲
 文/溫特勞布(Karen Weintraub)

專家看新聞
86 知識就是基礎建設
 文/戴克赫拉夫(Robbert Dijkgraaf)

資訊世界
88 給iOS 11的建議
 文/波哥(David Pogue)

真真假假
90 對已逝文明的浪漫情結
 文/薛莫(Michael Shermer)

反重力思考
91 動物大胃王
 文/米爾斯基(Steve Mirsky)

聊聊科學人
92 鯨奇人生──楊瑋誠
 文/湯琇婷

生物手記
96 怪獸與牠的產地──翠斑草蜥
 文/林思民

解讀心智
100 運動對抗憂鬱症
 編譯/陳瑀葳

科學人書摘
104 半個原子惹爭議
 文/摘自《超乎想像的化學課》

圖表會說話
108 生活噪音傷聽力
 文/菲謝蒂(Mark Fischetti)
 

內容簡介

《科學人》雜誌-全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎!身為全球科普雜誌的第一品牌,《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢,除生命演化及天文奧秘的探索外,也包括成就未來經濟創新的各種工具:「NBIC,Nano-Bio-Info-Cogno(奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技)」,及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外,台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上,藉由淺顯易懂的編輯呈現方式,帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年!15年來,在「廣」的方面,《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究;而在「精」的方面,《科學人》推出15週年特別獻禮:「博學誌」系列文集,滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問,時間為何物?(2016/9/20全新出版) 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦(2016/10/20修訂版)  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美(2016/11/20修訂版) 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活(2016/12/20全新出版) 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為(2017/1/20全新出版)金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀

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