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科學人 2月號/2020 第216期

科學人 2月號/2020 第216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
  • 封面標題:逃出黑洞
  • 出版日期:2020/02/03
  • 定價:280
  • 優惠價:95266
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封面故事

逃出黑洞

量子資訊必須掙脫黑洞的枷鎖,才能挽救量子力學。新的觀測結果或許能告訴我們,該如何達成此事。

撰文/吉丁茲(Steven B. Giddings)
翻譯/李沃龍

2019年4月10日,人類首次目睹了黑洞的輪廓。事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)團隊運用並整合遍及全球的電波望遠鏡網絡,公佈了這個具有65億太陽質量且鄰近M87星系中心之黑洞的影像。這是一項驚人的成就:我們長久以來即預測黑洞存在,卻從未直接「看見」,這是首次拍攝到宇宙中最神秘的天體。更令人興奮的是,這些黑洞影像與後續的觀測結果將為物理學中最深奧的謎團提供線索。
這個費解之謎是關於黑洞內物理資訊的「弔詭」。物理學家僅研究這個謎團就發現,黑洞的存在牴觸了迄今用來描述宇宙中其他事物的量子力學定律。解決這個弔詭可能需要深刻地改革基本觀念,有如量子力學推翻了古典物理。
理論學家探討過許多概念,仍無直接證據顯示它們有助於解決這謎團。不過,第一幅黑洞影像開始為我們的理論提供實際數據;EHT後續的觀測結果,特別是黑洞隨著時間演化的觀測結果,以及最近利用重力波觀測站直接偵測黑洞的碰撞事件,或許可提供新的重要線索,協助引領物理學進入嶄新的時代。

量子資訊問題
黑洞雖然異常神秘,但似乎大量存在於宇宙之中;EHT的觀測結果和重力波的偵測結果,就是最新且最扎實的證據,證實這種近乎虛幻的天體確實存在,而且非常普遍。不過,黑洞的存在威脅了現今物理學的基礎;一般認為,量子力學的基本原理支配了其他的自然定律,用於黑洞時卻產生矛盾,暴露出這些定律的當前形式有所缺失。
這個問題源自一道關於黑洞的最簡單疑問:當物質墜入黑洞時會發生什麼事?在此,需稍加鋪陳,才能充份解釋這道疑問。首先,根據目前的量子力學法則,物質與能量可在不同的型態間轉換,例如粒子可變成不同種類的粒子。但量子資訊永遠不被摧毀,是唯一不可侵犯的特性。如果我們知道某個系統完整的量子描述,就應該永遠能夠確定早先或後續的量子描述,絲毫不會漏失任何資訊。因此,此疑問更精確的說法是,墜入黑洞的量子資訊究竟發生了什麼事?
我們對黑洞的理解源自愛因斯坦的廣義相對論,它指出重力是時空曲率的產物;人們常以沉重的球置於彈簧墊上,造成彈簧墊表面凹陷變形來想像此概念。時空扭曲導致具有質量的物體和光的行進軌跡發生偏折,而這種現象就是所謂的重力。當質量分佈在一個足夠小的區域,引起周遭的時空嚴重變形,連光都無法逃離稱為事件視界的邊界時,該區域就形成了黑洞。任何事物的行進速度都不會比光還快,包括資訊在內,因此一切事物封鎖在那道邊界之內;當資訊隨著物質與光一起墜入事件視界時,黑洞就成了宇宙的排水口。
不過,這個故事還有更詭異的部份。1974年,霍金(Stephen Hawking)提出重大發現,預測了黑洞會蒸發消散。這項發現衍生出黑洞將摧毀量子資訊的驚人概念。根據量子力學,成對的「虛粒子」會在任何時間、任何地點形成。通常,這樣的粒子對包含一個粒子與其反粒子,而且在形成後便迅速湮滅了。但當這對粒子在黑洞的周遭形成時,其中一個粒子可能出現於黑洞邊界之內,而另一個則在邊界外。外頭的粒子會帶著能量逃離此區域,能量守恆定律告訴我們,黑洞因而喪失能量。長久下來,粒子的逃離將造成黑洞不斷萎縮,直到完全消失殆盡。問題是,這些稱為霍金輻射的逃離粒子並未攜帶任何關於墜入黑洞之粒子的訊息。因此,霍金的這項預測似乎顯示墜入黑洞的量子資訊最終將被摧毀,明顯牴觸了量子力學。
這個意料之外的設想引發了物理學的深刻危機。以往,這樣的危機會導致物理學重大的躍進。例如在20世紀初始,古典物理似乎預言原子必然不穩定,明顯違反了物質穩定存在的事實。這個問題隨後在量子革命扮演關鍵角色。由於原子內的電子不斷改變運動方向,古典物理顯示這些電子會輻射發光,喪失能量因而墜入原子核裡。但波耳(Niels Bohr)在1913年提出新構想:電子實際上只能在量子化的軌域上運行,而不會墜入原子核。這項基本原理幫助建構量子力學的基礎,進而澈底重寫自然定律。黑洞危機也可能引發另一波物理學的典範轉移。
 

編者的話

鼠年來談米

撰文/李家維

鼠來寶,祝願今年風調雨順,五穀滿倉。今春,親朋 餽贈的年禮以米為時尚,我開心收到南投的鹿光 米、屏東的春上米和台東池上的黑纖米。皆強調是用友 善農法養育,期盼消費者品嚐好米時,也能咀嚼出人文風土韻味。這些是精品米,當然價 昂於學校食堂的低廉大鍋飯。全球過半人口以米為主食,30 年來米價已上升三倍,隨著氣 候變遷,產量及價格都將難以預測,這是人類的嚴峻挑戰。

由出土於江西萬年縣仙人洞遺址的稻葉矽細胞化石和碳化米粒,可以見證在一萬年 前,中國人已馴化野稻為栽培種。天然變異加上人為雜交,古人選育出無數的品種。遠溯 至春秋,歷代文獻記載了水稻的多樣品名、口味和栽培特性。目前各農業單位保存了三萬 多個水稻品種,這是農業珍寶,可以為未來的糧食生產創造出各式各樣的基因新組合。

廣袤的亞洲南方大陸曾經獨立發生過多次的水稻馴化事件,印度即是一例。〈尋回水稻 生物多樣性〉是熱血科學家戴博的現身說法,他說在50年前印度曾有十餘萬個地方品種, 但目前所餘不及 5 %,孟加拉亦然。戴博自費創建農場,蒐集各式品種,成立了南亞最大的 開放式稻米基因銀行,這是篇必讀的勵志典範文章。

稻、稷、黍、麥、菽為五穀,稷即小米,是中國北方的主食之一,有 8000 年的栽培史 了。國家一詞古稱社稷,社為祭神地,亦即有祭神場所和足食之小米,就可建國了。小米 對台灣原住民的意義尤其重要,既為傳統主食,又與釀酒祭儀相關。台灣已知最早的小米 種植可追溯至 5000 年前,在台南科學園區的遺址灰坑中,漂洗出各種形狀、大小不一的小 米顆粒,那是台灣農業的開端。原住民在崇山峻嶺闢田刀耕火種,50 年前仍有 6000 公頃的 小米田,只是目前大幅限縮至 200 公頃。各部落曾選育的品種,也必然大量流失。不同品種 的小米常有特殊用途,糯性高的適合做麻糬,糯性小的可釀酒。有特定品種釀的酒是給產
婦進補用,而病後復原的養生酒就得選用另一品種。多樣性 品種的消失,必然造成傳統文化的缺口,多遺憾!

2019 豬年之尾,辜嚴倬雲植物保種中心得了份大禮。 成功大學生命科學系副教授張松彬送來116 個小米品種標 本,我們將之貯存在 -196°C的液態氮桶中,可以幾近不朽。 這是個了不起的蒐藏,張松彬於 2003 ~ 2007 年踏遍全台灣各 原住民部落,找到324 份樣本,經農藝性狀及遺傳分子鑑別 後,挑出來的有意義品種,他是台灣版的戴博。
 

雜誌目錄

NO.216 2020年2月號
【關於封面】物質墜入黑洞會發生什麼事?根據量子力學,資訊永遠不會被摧毀;但考慮廣義相對論,黑洞就可能摧毀資訊,而稱為霍金輻射、逃離黑洞的粒子也未攜帶關於黑洞內部的物質訊息。為解決此弔詭,物理學家提出理論,修改黑洞圖像,以「搶救」量子力學,新的觀測結果也開始提供新證據。

物理學
26 逃出黑洞
文/吉丁茲(Steven B. Giddings)
量子資訊必須掙脫黑洞的枷鎖,才能挽救量子力學。黑洞影像和重力波的觀測結果或許能告訴我們,該如何達成此事。

農業
34 尋回水稻生物多樣性
文╱戴博(Debal Deb)
印度過去擁有超過10萬種水稻,其中許多品種能抵禦洪水、乾旱和其他災害,但近年來大部份品種已消失,如何才能使它們重回田間?

科技
44  社群媒體毒害孩子?
文/丹維斯(Lydia Denworth)
了解社群媒體對青少年心理健康的影響,需要更嚴謹的研究方法,而新發現顯示:社群媒體無損孩子幸福感。

演化
50  鳴鳥染色體有玄機
文/黃凱特(Kate Wong)
生物學家在鳴鳥身上發現特殊的染色體,或許可以解釋牠們為何有驚人的多樣性。

統計學
56  p值,顯著有問題
文/丹維斯(Lydia Denworth)
學者大力呼籲改革通用的統計方法,會為科學帶來改變嗎?

統計學
62  p值不是禍首
採訪整理/李宛儒
統計學家熊昭和張憶壽長期投入健康科學研究,他們指出要避免科學出錯,得從根本去理解研究設計與統計方法。

特別企劃
67  DNA醫療革命
69  球形核酸藥效直達
文╱米爾金(Chad A. Mirkin)、拉勒米(Christine Laramy)、斯卡庫伊(Kacper Skakuj)
74  新生兒遺傳檢測 需要嗎?
文/路易斯(Tanya Lewis)
78  基因療法來了!
文/戴利(Jim Daley)
80  豐富基因組資料庫
文/德凡尼(Stephanie Devaney)



科學人觀點
6  聞歌起舞,舞從何來? 文/曾志朗

總編輯的話
8  鼠年來談米  文/李家維

10  讀者論壇
12  科學人新聞
廢棄建築孳生大蚊子|大腸桿菌迷幻製藥|在睡眠中頓悟!|一覽世界科技進展|阻斷成癮的迴路|環狀量子位元|用蛛穴定位冰河範圍|野生老虎滅絕中|雄蛾求偶,暗中放閃|超新星的化學面貌

形上集
22  我們這地方的特色是愛求知  文/高涌泉

教科書之外
24  問什麼?怎麼問?  文、圖/陳文盛

專家看新聞
85  政治不該打壓科學  文/黑格(Hagel)
 

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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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