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科學人 5月號/2019 第207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:2019/04/29
  • 定價:280
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封面故事

量子重力桌上實驗
 
物理學家需要超大型設施,才能驗證統合量子力學與重力的理論,但新想法提供了可能性,可藉由高精準度的小尺度儀器測量重力的量子性質。
 
撰文/佛爾吉(Tim Folger)翻譯/張明哲
 
1797年,英國一位重要的科學家卡文迪什(Henry Cavendish)製作了一套新儀器來秤地球有多重。在那之前,人們不知道地球的質量,也不清楚組成,它大部份是固態岩石嗎?會不會隨深度改變?天文學家哈雷(Edmond Halley)猜測地球是中空;牛頓則比較了地球和太陽系其他天體的質量,例如地球比月球來得重,他還提出一種方法來估算地球的絕對質量:精確測量兩顆小球間的重力吸引,然後由結果外推來得到地球質量。不過牛頓立刻就否定自己的想法,他認為即使兩球的質量大得出奇,重力仍小到無法偵測。他在其傑作《自然哲學的數學原理》裡寫道:「不,整座山也不足以產生可偵測的效應。」這本著作闡釋了他的運動及重力定律。
一個世紀後的8月某日,卡文迪什證明牛頓是錯的。他在英國倫敦西南方自宅裡打造了一套裝置,把兩顆1.6磅小鉛球接在六英尺長木棍的兩端,木棍以線懸吊於屋樑下方,再把兩顆約350磅的大鉛球各自吊離小球約九英寸。卡文迪什預期大球對小球施加的重力會讓木棒輕微移動,結果他是對的,移動了0.1英寸。
這項實驗讓卡文迪什可以直接測量每顆大球對小球施加的重力。因為地球對每顆小球施力1.6磅(在英制單位裡,磅是力的單位),他得出簡單的比:大球對小球施加的重力比上小球所受的地球重力。重力與測量的鉛球質量成正比,他可以依照這簡單的比計算出地球的質量。他在九個月裡重複做了17次實驗,發現地球重13秭(音同「子」,亦即1024)磅,這結果基本上和現代最佳的測量值一致。
「這故事很神奇。」奧地利維也納大學的物理學家阿斯波麥爾(Markus Aspelmeyer)透過通訊軟體Skype解釋卡文迪什實驗時說:「這是第一個高精準度的桌上型(重力)實驗。」卡文迪什220多年前的妙招雖然不是真的在桌上執行,但啟發了阿斯波麥爾。一如卡文迪什的事蹟,阿斯波麥爾計畫做一項具有野心且相當艱難的實驗,可能改變我們對重力的認識:他希望用一套小規模裝置,基本上就放在實驗桌上,來找尋重力可能是量子現象的證據。
 
在普朗克尺度之下
宇宙的四種基本作用力裡,唯有重力無法以量子力學的定律來描述,量子理論適用於其他基本作用力與所有已知粒子。電磁學、維繫原子核的強核力以及造成放射性衰變的弱核力,本質上都是量子,這讓重力成為唯一且神秘的例外。 
這個例外打從愛因斯坦成名後,就一直困擾著物理學家。愛因斯坦無法統合自己的重力理論(廣義相對論)與量子力學,現在研究這個問題的物理學家大多認為在所謂的普朗克尺度下便能統合兩者。這尺度以量子理論的早期奠基者普朗克(Max Planck)命名,普朗克尺度極為渺小,大約是氫原子大小的百秭分之一(10-26),其時空具有量子特性。量子時空不再是廣義相對論所描述的平滑連續,而呈現粒性(graininess),就像數位照片放大時會看到像素。粒性是量子理論的標誌,粒子的能量、動量及其他性質皆是不連續的單元(或稱量子)。但時空的量子究竟是什麼?當時間及空間本身是破碎的,要如何度量時間或距離?
「我們所有的物理理論,不論表裡,都需要尺和時鐘:此時此地發生了某事,然後在那裡又發生某事。」美國達特茅斯學院的理論物理學家布蘭科維(Miles Blencowe)說:「當你連時間參數或距離參數都沒有的時候,要從何著手?」匈牙利布達佩斯魏格納物理研究中心的理論物理學家迪歐希(Lajos Diósi)總結這道難題:「我們不知道那裡會有什麼,但可以確定當你鑽進普朗克尺度時,時空的連續性是一團亂。」
可惜的是,物理學家無法觀察普朗克尺度下的現象,也就無法驗證各個量子重力理論的預測,判斷哪個理論是對的。法國艾克斯-馬賽大學的理論物理學家羅維理(Carlo Rovelli)說:「現在情況並非我們沒有量子重力理論,問題是理論不只一個。」
在物理實驗裡,實驗能量越高,才能探測越小的尺度。若想直接探測普朗克尺度,加速器所需的能量會比瑞士日內瓦附近歐洲核子研究組織的大強子對撞機(LHC)的能量高15個數量級。LHC是有史以來最大的粒子加速器,周長27公里,就如某位物理學家所言,直接探測普朗克尺度的加速器必須跟銀河系一樣大。LHC這類加速器讓粒子以接近光速互撞,物理學家希望能從粒子互撞後的碎片裡找到新東西,這種做法基本上就像炸開保險箱來找裡頭藏了什麼。設計桌上型重力實驗的研究人員希望以細膩取代暴力,就像聆聽保險箱轉盤轉動時發出的聲響來解鎖。「這是以高精準度取代高能量,就我來看。」美國華盛頓大學的物理學家阿德爾博格(Eric Adelberger)說:「有最極致的能量,也有最極致的精準度。如果你有辦法測得非常非常精準,就有辦法測試非常高能量的物理學。」現在包括阿斯波麥爾在內,至少有三組團隊正在設計實驗來達成這件事。面對這些計畫探測量子重力所需的精確度,這些科學家的態度相當樂觀。
 

編者的話

勺嘴尖喙的保育危機
 
撰文/李家維
 
血紅的沙灘上,躺著一隻雪白、乾扁、折翅的鳥屍,邊上襯著張X光照片。牠身中了20餘顆鉛彈!這是國立自然科學博物館在1993年元旦開展,震撼社會的「自然史的傷口──黑面琵鷺特展」。沙灘上聳立著一根冒煙的不鏽鋼筒,隱喻、批判工業開發與環境保育的衝突。當年全球統計僅存約300隻黑面琵鷺,半數來到台南濕地渡冬覓食,而此地卻被政府列為七股工業區預定地。保育人士正為此臨滅絕的「黑面舞者」請命之際,竟有人用霰彈槍轟向鷺群,這就炸鍋了。
這是個成功的環保案例,七股濕地得以保留,還成立了台江國家公園和黑面琵鷺展示館,國際聲名大噪。棲地穩定了,全球黑面琵鷺察者每年1月展開同步調查,20年來族群量節節上升,已有近4000隻了,其中仍有超過半數來台灣渡冬。當年的策展人是現任國立自然科學博物館的學術副館長周文豪,他即將在今年7月屆齡退休,謹以這段回顧感念。
一樣是黑臉白羽的大鳥,在台灣的族群量也與黑面琵鷺相當,同為朱鷺科的埃及聖䴉卻有截然不同的命運,悲慘極了。牠在古埃及時是聖鳥,智慧之神的頭就是聖䴉造型。每年有數萬個體被製成木乃伊,放進墓裡祭獻。需求量大,各個大城都有專業繁殖場,歷年計有800萬隻被祭殺。然而現今牠在埃及絕跡,開枝散葉到撒哈拉沙漠以南的全非洲大陸。長相怪異,埃及聖䴉曾是各國動物園的必備物種。牠生命力強,逸出鳥籠後,常快速繁衍造成生態威脅。1984年,六隻埃及聖䴉首現台北關渡,現今已擴展至各地的河口濕地。特長的嘴喙能深入泥灘覓食,專家擔心牠們會危及其他鷺鳥的生存,政府推動的毀巢、換蛋、殺雛,看似不人道的滅絕行動全面展開,環保界配合執行,了無異議。
我在清華大學的同事黃貞祥專精鳥羽、鳥喙的發育與演化,驚喜在撲殺之際,分得800顆聖䴉鳥蛋,研究生們剖蛋取胎,忙了好多天。這些可是極難得的研究材料,期待能破解長出長鳥喙的基因之謎。鳥是恐龍一族,古鳥的嘴裡也長滿了牙齒,無齒之喙是鳥族演化的精采大戲。請享讀〈鳥喙與恐龍嘴〉,美國南加州大學鍾正明院士的團隊提出了最前沿的看法。
 

雜誌目錄

【關於封面】有別於以高能量使粒子互撞且佔地廣闊的粒子加速器,近來研究人員規劃桌上型精密實驗,打算以「細膩取代暴力」,來探測重力的量子效應。照片中,奧地利維也納大學團隊運用光鑷操控氧化矽顆粒,改善了小尺度的重力測量技術。
 
物理學
30 量子重力桌上型實驗
文/佛爾吉(Tim Folger)
物理學家需要超大型設施,才能驗證統合量子力學與重力的理論。新想法提供了可能性,可藉由高精準度的小尺度儀器測量重力的量子性質。
 
生物學
38 環圈讓基因不糾結
文/艾登(Erez Lieberman Aiden)
科學家在基因組中發現了在6000萬年演化過程保留下來的環圈結構,有助於我們了解細胞如何調節基因的活動。
 
天文物理
46 中子星的核心秘密
文/莫斯柯維茨(Clara Moskowitz)
中子星是宇宙中密度最高的物質結構,其內部狀態一直令人費解,但科學家已嘗試破解這個物理之謎,甚至藉此理解重力的本質。
 
生物學
54 水中的雷霆
文/卡坦尼亞(Kenneth C. Catania)
電鰻使用電的方式非常多樣,可以用來感覺、攻擊和防禦,深入了解電鰻的生理和行為,讓動物學家驚歎不已。
 
醫學
62 無憂的躁鬱症
文/馬金(Simon Makin)
成千上百的雙極性疾患(俗稱躁鬱症)患者只有狂躁症狀而無憂鬱症狀,為何精神病學家仍堅稱他們是雙極性疾患?
 
演化
68 鳥喙與恐龍嘴
文/王爍、吳平、鍾正明
鳥喙如何出現?恐龍的牙齒又是如何消失?鳥類演化史上的謎團,得從恐龍化石中尋找答案。
 
醫學
72 舊藥復活 器官再生
文/史川吉(Kevin Strange)、殷(Viravuth Yin)
過去研發用來治療糖尿病的藥物分子竟然潛藏著新功能,可望藉此重建受損器官。
 
氣候
78 噴射氣流放大氣候災難
文/曼恩(Michael E. Mann)
噴射氣流的奇怪波形,是熱浪與洪水頻繁到來的預兆。
 
考古學
86 猴子拿石頭做什麼?
文/哈斯蘭(Michael Haslam)
科學家開始用考古學方法研究人類以外的動物。了解其他靈長類如何使用石頭,有助於我們探索技術創新的起源。
 
 
科學人觀點
6 磁在天地,腦有感應 文/曾志朗 
 
總編輯的話
8 勺嘴尖喙的保育危機 文/李家維 
 
10 讀者論壇
   
12 科學人新聞
治療嗅覺缺陷
捕捉遠古凶手
App篩檢子宮頸癌
偏見也有改變的一天
珊瑚氣候難民
畫作中的熵
失敗是成功之母
從太空監測火山
迷你恐龍足印
一覽世界科技進展
 
形上集
22 包立如何發現不相容原理? 文/高涌泉 
 
教科書之外
24 想不到的和沒想到的 文、圖/陳文盛 
 
數往今來
26 從最短路徑到藝術創作 文/李國偉 
 
網上世代
28 手機是廣告網絡的另一座金礦 文/葉平 
 
專家看新聞
92 種樹真的能減緩全球暖化 文/德葛魯特(Han de Groot) 
 
健康與科學
94 短期密集心理療法 文/華立斯(Claudia Wallis) 
 
新創未來
96 有人在探勘你的腦 文/羅許(Wade Roush) 
 
科學用於社會
98 YouTube雙面刃 文/涂費克奇(Zeynep Tufekci) 
 
反重力思考
100 明天過後 文/米爾斯基(Steve Mirsky) 
 
生物手記
102 野兔專用:台灣破傘菊 文/廖俊奎、李權裕、洪國翔 
 
科青愛讀冊
104 《平面國》
     在這裡,用數學看真實世界 文/賴以威 
 
圖表會說話
106 新詞彙的搖籃 文/菲謝蒂(Mark Fischetti)、圖表/狄菲里波(Valentina D'Efilippo) 
 

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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