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科學人 12月號/2016第178期

科學人 12月號/2016第178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:2016/11/28
  • 定價:280
  • 優惠價:7196
  • 優惠期限:2020年04月09日止
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封面故事

【千里黑洞共纏結】             
理論物理學滿是讓人一想就頭大的點子,以詭異程度而言,量子纏結與蟲洞(wormhole,又稱蟲孔、蠹孔)兩個概念絕對是其中的佼佼者。量子纏結是量子力學的一項結果,指的是表面上沒有任何實質關聯的物體(通常是原子或次原子粒子)之間卻有一種意想不到的連結。蟲洞則是廣義相對論預測的一條捷徑,連結時空中相距很遠的兩個區域。近年來,一些理論物理學家(包括我)的研究顯示,這兩個很不一樣的概念似乎不是毫不相干。我們從某些與黑洞有關的計算了解到,量子力學的纏結與廣義相對論的蟲洞可能是等價的,亦即只是同一現象的不同描述罷了,而且我們相信這個等價性的適用範圍不局限於黑洞。
這個等價性可能帶來深遠的後果:時空本身可能源自宇宙較基本微觀成份的纏結,而彼此纏結的物體(儘管長久以來看做毫無實質關聯),其連結方式可能遠不如以往我們所想的那麼神奇。此外,量子纏結與蟲洞的關係可能有助於發展出統一量子力學與時空的理論。物理學家稱這個理論為「量子重力論」:可以從原子與次原子交互作用的法則,推導出巨觀宇宙的物理學。若沒有這樣的理論,我們就無法了解大霹靂與黑洞的內部。
有趣的是,量子纏結與蟲洞的概念都可追溯至愛因斯坦等人於1935年所發表的兩篇論文。表面上,這些論文似乎在探討非常不同的現象,連愛因斯坦本人可能都沒想過兩者或許有關聯。事實上,量子纏結這種量子力學性質曾讓愛因斯坦傷透腦筋,並稱之為「詭異的超距作用」。現在纏結居然可能成為把相對論推廣至量子領域的橋樑,實在有些諷刺。
羅密歐與茱麗葉相聚蟲洞
為了解釋何以量子纏結與蟲洞可能有關聯,我們必須先描述黑洞的幾項性質,它們和整個想法密切相關。黑洞是彎曲時空中的某些區域,和我們熟悉、比較沒有扭曲的空間大不相同,黑洞的特色是我們可以把幾何結構分成兩部份:在黑洞外部,空間是彎曲的,但是物體與訊息仍可逃離;然而物體進入黑洞內部就出不來了。黑洞的內部與外部是由稱為「事件視界」的表面分隔。廣義相對論顯示事件視界只是一個想像的表面,太空人通過時並不會覺得有任何奇特之處,然而一旦到達另一端,太空人就註定被擠壓進一個極度彎曲的區域,無法脫逃。事實上,與外部相比,黑洞內部位於未來,既然太空人無法回到過去,他當然就不能自黑洞內部逃脫。
愛因斯坦提出廣義相對論後僅一年,德國物理學家史瓦西(Karl Schwarzschild)就找到了愛因斯坦方程式最簡單的解,描述的是後來稱為黑洞的時空。史瓦西發現的幾何結構如此出人意料,以至於直到1960年代,科學家才完全了解它所描述的是一個連結兩個黑洞的蟲洞。兩個黑洞從外面看似乎彼此分離且相距遙遠,但它們共享同一個內部。
1935年,愛因斯坦與當時美國普林斯頓高等研究院的同事羅森(Nathan Rosen)發表了一篇論文,預見黑洞共享的內部是一種蟲洞(雖然他們並不完全了解論文中所預測的幾何結構),因此蟲洞也稱為「愛因斯坦–羅森(ER)橋」。
史瓦西數學解描述的蟲洞,和宇宙中自然形成的黑洞不同,差異在於蟲洞不包含物質,純粹是彎曲的時空而已;自然形成的黑洞由於包含物質,所以只有一個外部。多數研究人員僅把具有兩個外部的完整史瓦西解當成有趣的數學,和宇宙中的黑洞無關。但這的確是個有趣的解,所以物理學家依舊對其物理意義十分好奇。
在史瓦西解中,連結兩個黑洞的蟲洞會隨著時間流逝變得又長又細,就像一塊有彈性的麵團被拉長了;兩個黑洞的視界也會快速分離(它們曾一度相碰)。事實上,它們分離得太快,以致於我們不能穿越蟲洞從一個黑洞的外部到另一個黑洞的外部;換句話說,橋在穿越之前就塌縮了。在麵團被拉長的比喻中,橋塌縮的過程就對應到麵團被拉得越來越長,最終變得無窮細。
請注意,廣義相對論定律不允許超光速行進,這裡討論的蟲洞必須符合這些定律。所以我們的蟲洞和科幻作品描述的不同,科幻作品的蟲洞允許瞬間從空間的一個區域跑到遙遠的另一個區域,例如電影「星際效應」的情節。科幻作品的蟲洞經常違背已知的物理定律。
我們所討論的蟲洞如果出現在科幻小說中,可能會是如此:想像一對年輕戀人,例如羅密歐與茱麗葉,兩家人不喜歡彼此,所以安排兩人居住在不同星系,無法相見。但是這對戀人很聰明,他們建造了一個蟲洞;這個蟲洞從外面看像是一對黑洞,一個位於羅密歐所在的星系,另一個則位於茱麗葉的星系,兩人決定跳進各自的黑洞。他們家人看到,這對戀人自殺了,因為他們跳進黑洞後再也沒出現。不過黑洞外的人不知道,蟲洞的幾何結構可以讓羅密歐與茱麗葉在這對黑洞共享的內部相聚!而且他們可以快樂相處,直到橋塌縮,摧毀了黑洞內部,把兩人殺死。
 

編者的話

千里黑洞共纏結
 
「黑洞」一直是最能吸引科學迷目光的名詞,這個神秘的天體跨越天文觀測、理論物理,也是科幻電影最喜歡的題材。另一個一樣神秘,卻更深奧難以理解的類似名詞是「蟲洞」:廣義相對論所預測,可以連結時空中相隔遙遠的兩個區域的一條捷徑。蟲洞也稱為「愛因斯坦–羅森橋」(ER橋),愛因斯坦和同事羅森在1935年預測,幾個黑洞之間共享的內部是一種蟲洞,但當時他們並不了解那是一個什麼樣的幾何結構。
愛因斯坦一直無法接受量子力學,量子力學遵循「測不準原理」,允許相距很遠的兩物體之間存在著一種超越光速的超距作用。愛因斯坦與波多斯基、羅森(三人合稱EPR)在1935年也發表一篇文章,討論這個奇怪的纏結現象。不過近年來,一些理論物理學家從黑洞的計算中意外發現,量子力學的纏結與廣義相對論的蟲洞可能只是同一現象的不同描述!纏結可以在兩個相隔遙遠距離的黑洞之間,製造出一條蟲洞!
《科學人》雜誌2016年12月號壓軸之作〈千里黑洞共纏結〉,美國普林斯頓高等研究院的量子重力論與弦論專家馬多西納(Juan Maldacena),親自詳細解說:為什麼EP=EPR?本期還有專題企劃〈科學新聞:從實驗室到你我之間〉,帶您深入了解科學家、記者以及讀者的微妙關係,關心科學新聞的您不容錯過。
 

雜誌目錄

關於封面
物理學家猜想,一旦兩個相距遙遠的黑洞發生纏結,可能以某種方式產生時空連結,蟲洞會把這對黑洞內部連接在一起。這意味纏結與蟲洞可能是同一現象的不同描述,也提供了科學家發展量子重力論的重要線索。
 
物理學
34 千里黑洞共纏結 
 文╱馬多西納(Juan Maldacena)
 纏結這個詭異的量子現象,可以在相距很遠的兩個黑洞之間建造出一條捷徑。
 
流行病學
40 全球人類健檢報告
 文╱吉布斯(W. Wayt Gibbs)
 有史以來最全面、最仔細的檢驗全球人類健康樣貌的調查計畫,源起於一名男孩的好奇心!受到蓋茲夫婦的全力支持,實現了不受政治勢力影響、提供可靠公衛資訊的理想。
 
全球科研趨勢
專題企劃
46 科學新聞:從實驗室到你我之間 
 
48 限時禁發,默契還是箝制? 
 文╱ 席夫(Charles Seife)
 有記者揭露,美國媒體報導美國食品及藥物管理局的相關新聞,必須遵守刊登時間的限制及指定受訪對象等規定,儼然放棄獨立報導的權利。長此以往,大眾看到的都將是官方新聞稿,而非深入且全面的科研報導。
 
56 誰說科學家不務正業是壞事?
 文╱馬蒂內茲-康德(SusanaMartinez-Conde)、鮑威爾(Devin Powell)、邁克尼克(Stephen L. Macknik)
 長久以來,與媒體來往、參與科學傳播一向是科學界的禁忌,似乎唯有封閉在象牙塔中精進研究,才堪稱科學家。然而隨著近年社群媒體的蓬勃發展,這項潛規則正逐漸瓦解。
 
60 哪種科學研究大眾最愛看?
 文╱Scientific American 編輯部
 
64 你的科學品味透露了什麼?
 文╱黃俊儒
 台灣人愛看哪類科學?我們的喜好又反映了怎樣的文化現象?在我們的生活中,科學扮演的角色不只是新知、真理,更多時候還可能是消費性產品。
 
68 隨人云語看科普
 文╱江才健
 從宣揚科學、追尋科學本質,到建立監督模式,科學知識傳播者的使命隨著時代演變,在資訊龐雜的現代,更應注重深度思考,點明知識盲點。
 
環境  
72 鑽探石油,引發地震? 
 文/考區曼(Anna Kuchment) 
 美國以液壓破裂法開採油氣的許多地區, 近年地震次數異常頻繁,科學家對於兩者關聯益發肯定,但主管機關慢半拍的應變是否來得及減輕災害?
 
特別報導  
80 為自然真相發聲 
 文/湯琇婷 
 穿越半世紀,年輕的兩爬專家與動物行為學之父遙空對話,揭示大自然真實的美。
 
目錄
第178期
2016年12月號
 
科學人觀點
6 創意有Q,年齡零相關
 文/曾志朗
 
總編輯的話
8 假作真時真亦假
 文/李家維
 
讀者論壇
14 
 
科學人新聞
16 永凍土驚爆病菌危機
 慵懶也具演化優勢
 生命條碼挑起分類衝突
 聲學稜鏡分高低
 一覽世界科技進展
 人工胰臟系統組裝完成!
 隕石撞出月球右眼
 美國吹起發電之風
 象腿踩出生態圈
 以蚊剋蚊 
 
形上集
25 科學哲學答問(一)
 文/高涌泉
 
網路不打烊
29 美國電子書市場衰退中?
 文/陳穎青
 
不可勝數
30 考駕照不是要參加賽車比賽
 文/翁秉仁
 
健康與科學
32 藍光讓你睡不著
 文/賈布爾(Ferris Jabr)
 
專家看新聞
84 根治暴力
 文/溫麟衍(Leana S. Wen)、羅伊德(M. Cooper Lloyd)
 
資訊世界
86 剽竊扼殺了科技創意
 文/波哥(David Pogue)
 
真真假假
88 為什麼悲的影響大於喜?
 文/薛莫(Michael Shermer)
 
反重力思考
89 當科學小艇遇上諾亞方舟
 文/米爾斯基(Steve Mirsky)
 
聊聊科學人
90 旅日井探──吳泓昱
 文/呂怡貞
 
解讀心智
94 做一名快樂工作人
 編譯/陳瑀葳
 
科學史沙龍
98 一頭栽進巨量資料大觀園
 文/高英哲
 
科學人書摘
100 長知識,有意思
 文/摘自《解事者》
 
生物手記
104 百年回眸──長葉小檗與高山小檗的再發現
 文/游旨价
 
圖表會說話
107 條條大路通創新
 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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