「(偽)小學雞」(真·宇宙學)問題:點解夜晚個天係黑色嘅?(Why the sky is dark at night?)

(credit: Calvin and Hobbes comic)

讀小學甚至幼稚園,初次接觸天文或睇夜空嗰時,相信都會有呢個疑問:「點解有夜晚?點解天空夜晚係黑色嘅?^」唔知大家而家(長大後)知唔知呢個問題嘅答案係乜呢?

吓?玩嘢呀?夜晚出現咪地區因為地球自轉而轉咗去背面,太陽照射唔到嘅位置囉!咁都要問?呢個唔係俾小學雞嘅問題咩?小弟幾時變咗幼稚園/小學老師,教大家係人都知嘅嘢?[sosad] 冷靜啲,小弟既然咁問得,呢個問題當然唔係平常人所諗得咁簡單啦!即使係「創作力量同幻想會嚇你一跳」嘅地平論支持者佢哋嘅解釋都淨係圍繞著太陽,而話同太陽有關只係答啱咗一部分,要真正解答呢個問題其實要用到宇宙學 [slick]

^黑色唔係光嘅顏色嚟,睇到黑色代表冇光喺可見光譜入面

奧伯斯悖論(Olbers’ paradox)

要明「點解會天黑?」呢個問題點解會比想像中複雜同涉及宇宙學,我哋可以從一啲假設出發。試想像我哋身處喺一個穩恆狀態下而且無限大無界邊,恆久存在嘅宇宙,入面嘅恆星平均分佈喺每個角落。呢個亦係直至上世紀初大部分人同科學家包括牛頓一路所相信嘅宇宙模型,因為始終無人用肉眼直接睇到啲星系遠離𡁵我哋呢啲宇宙膨脹現象。之但係如果真係咁嘅話,「夜晚」其實唔應該會天黑,因為無論隔幾遠都好,每粒恆星發出嘅光都應該有足夠時間去到地球照光個天。

 

點解?你試想像我哋將宇宙細分成一個個直徑唔同,厚度一樣嘅同心圓球殻。如果我哋嘅宇宙恆星分佈真係均勻嘅話,假設喺直徑為n嘅球殻範圍內有N咁多恆星,咁這層球殻對外直徑兩倍長,為2n嘅一層因爲體積大4倍就會有約4倍更多嘅恆星喺裡面,好似下面幅圖咁。不過因為2n嗰一層比n嗰層遠咗兩倍,所以嗰層入面每粒恆星嘅光嘅強度喺地球睇會弱4倍。呢兩個效應加埋會抵消,所以直徑係n嘅球殼入面堆恆星整體光度加埋嘅總和同直徑係2n嘅嗰層嘅光度其實係一模一樣,完全冇分別。由此我哋可以推論喺呢個過時嘅宇宙模型整體上恆星光度嘅總和係唔受距離影響,如果我哋附近嘅太陽可以照光嗰天,咁遠啲恆星加埋一齊一樣可以。

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https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cd/Olbers%27_Paradox.svg

換個簡單形象化一啲嘅講法:喺呢個永恆無限大無邊界嘅恆態宇宙模型,假設恆星分佈均勻,你喺地球望上天任何一個方向,你始終都會發現有恆星出現喺嗰個方位。就算粒恆星或者距離我哋好遠好遠,但佢嘅光點都會有足夠時間去到地球。另外恆星分佈均勻嘅話天空任何方向嘅光度亦應該一樣,好似下圖動畫咁

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Olber%27s_Paradox_-_All_Points.gif

咁點解我哋夜晚見到嘅係漆黑一片呢?詳細有關呢個悖論嘅講解可以睇下面短片(英文)

總捨嚟講,呢個悖論係建基於下面對宇宙模型嘅三項假設:

1)宇宙係無限大同無邊界嘅
2)恆星均勻分布喺宇宙每個角落
3)宇宙係永恆同恆態嘅

有呢個悖論問題出現,夜空係黑色嘅證明咗上述三項假設必定至少有一項係錯嘅。

「點解會天黑?」呢個問題又叫奧伯斯悖論(Olbers’ paradox),由德國天文學家奧伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)1823年喺論文提出,類似嘅想法其實早在15-16世紀數學及天文學家迪格斯(Thomas Digges)克普勒(Johannes Kepler)已經有略略討論過。對於呢個問題,當時科學家有好多唔同嘅解釋。例如有啲天文學家認為宇宙其實充斥著一啲會吸光嘅物質,令大部分恆星嘅光無辦法嚟到地球;另一班人就認為恆星其實並唔係好似假設咁係平均分佈,地球只係咁啱位處恆星分佈較少嘅黑暗區域。

答案:現在公認合理嘅解釋(Answer: Current accepted explanations)

原來「點解會天黑?」呢個問題係咁複雜㗎!咁我哋知道點解未?當然係知道啦,而家公認正確嘅解釋係宇宙膨脹。喺一個膨脹中嘅宇宙,光嘅波長會因為時空嘅膨脹而變長,呢個現象叫宇宙紅移(cosmological redshift),類似多普勒效應(Doppler effect)嘅結果*。由於光速喺直空不變,光嘅波長長咗亦即係話光嘅頻率變小,所以亦即係話能量變細咗,詳見下圖。

*本質上其實同多普勒效應有啲分別

(credit: R.L McNish 2009)

距離愈遠嘅恆星佢哋嘅光喺嚟地球過程時經歷嘅時空膨脹就愈多,同時損耗嘅能量亦愈多,所以佢哋整體嘅光強度會比近啲嘅弱好多。宇宙紅移呢個係哈勃(Edwin Hubble)喺觀察星系時發現最早用嚟證明宇宙係非恆態,其實係膨脹中嘅現象。後嚟當搵到更多證據好似宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)太初核合成(Big Bang nucleosynthesis)等,大爆炸模型得到完善同證實之後,宇宙膨脹已經確立成為咗「點解會天黑?」呢個問題嘅公認解釋#。大爆炸模型亦話俾我哋知恆星並唔係永恆存在,恆星起源同可觀察宇宙係有開端嘅(呢度小弟強調「可觀察宇宙」係因為大爆炸模型並唔係完整嘅模型,我們仲未知道視界外嘅宇宙同大爆炸奇點應該係點)。喺早期宇宙處於高溫離子狀態或者物質仲未有足夠時間因爲重力聚埋一齊嗰時嘅環境係孕育唔到恆星嘅。

所以某程度上「夜晚天黑」其實係大爆炸同宇宙膨脹嘅證據之一,下次教細路仔時記得唔好再「呃」佢哋話天黑(只)係因為「太陽伯伯」落咗山啦!

#詳細有關大爆炸模型嘅觀察證據有機會下篇文再講

 

今次講到呢到,最後送首歌作結,下次再講

 

引伸延讀:

[1] https://youtu.be/gxJ4M7tyLRE (中文字幕)
[2] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Olbers%27_paradox
[3] http://history.pansci.asia/post/130923840925/科學史上的今天1011夜空為何那麼暗

白話文版:

https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E5%81%BD-%E5%B0%8F%E5%AD%B8%E9%9B%9E-%E5%95%8F%E9%A1%8C-%E7%82%BA%E4%BD%95%E5%A4%9C%E7%A9%BA%E6%98%AF%E9%BB%91%E8%89%B2%E7%9A%84-why-the-sky-is-dark-at-night-c5612598a846

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[我見過霍金,我真係見過*] 淺談霍金學術成就(一)(Hawking academic achievements I)

*PS: 咁又點?[sosad]

(credit: Mitchell Toy)

上星期三,近代物理學界嘅偉人之一嘅霍金(Stephen Hawking)終於喺睡夢中與世長辭,享年76歲。各媒體、普羅大眾紛紛一窩蜂悼念呢位繼愛因斯坦後最出名,最受大眾認識嘅宇宙學及理論物理學家。不過除左知道霍金係肌萎縮性脊髓側索硬化症(ALS)或簡稱凍人症患者,早年已經飽受呢個罕見疾病折磨,甚至被一開始被診斷只係淨番兩年命,但直到最後佢仍然不屈不撓繼續做研究,同個病搏鬥嘅勵志故事,或者睇過吓但睇完都未必知講乜,佢一系列科普著作好似《時間簡史》(《A brief history of time》)或電視節目外,你對佢嘅學術成就又有幾多認識呢?

小弟不才,希望為大家簡介一下霍金呢位近代其中一位最偉大理論物理學家嘅學術成就,以悼念霍金同多謝佢對物理學作出嘅貢獻。有別於其他文章,小弟想先由佢一啲相對比較少人認識嘅學術成就講起。

尚在研究階段,未被學術界公認係啱但劃時代嘅理論 (Hawking’s evolutionary but relatively less accepted theories/ideas in theoretical physics)

歐氏量子重力,宇宙嘅波函數(Euclidean quantum gravity, wavefunction of the universe)

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(Credit: Ron Salas, http://www.ronsalas.com/hawking-space/)

喺霍金學術生涯後期,佢開始將研究目標轉向一個困擾近世紀理論物理學界嘅最大問題,就係一套可以融合廣義相對論(general relativity )量子力學(quantum mechanics)呢兩套二十世紀最成功、但描述𡁵唔同尺度嘅理論,可以同時描述重力喺宇宙、經典物理學宏觀尺度同喺微觀量子世界下嘅完整理論。

有別於其他近代大部分研究量子重力嘅理論物理學家,專注喺弦理論(string theory)超重力(supergravity)或者近年興起嘅迴圈量子重力論(loop quantum gravity),佢研發出一套少被大眾提及,較少理論物理學家追捧嘅理論—歐氏量子重力(Euclidean quantum gravity)並由呢個方向出發。要講霍金喺呢方面嘅成就,首先要簡單介紹吓乜嘢係歐氏量子重力。唔同弦理論、超重力或者迴圈量子重力,喺假設時空同所有基本粒子都係由好細嘅弦組成、有超對稱性(supersymmetry)或者假設時空本身唔係連續(continuous )而係離散(discrete )嘅前題下研究量子重力,歐氏量子重力喺一個比較general冇特設前題下研究量子重力嘅方向。呢個理論用咗理論物理學一個已知同成功叫威克轉動(Wick rotation)嘅「數學把戲」,好似下面幅圖咁,將時間改寫成虛數,然後喺呢個虛數時間系統入面搵動態系統嘅解,再對應番本身喺真實時間(real time)嘅解。呢個方法本身嘅根據就係數學理論中嘅解析延拓(analytic continuation),即係嗰個小弟之前提過,網上被好多門外漢聲討唔啱,用嚟得出1+2+3+…=-1/12嘅數學方法。威克轉動其中一個成功例子包括將用統計力學(statistical mechanics)同量子力學兩個唔同方法,代表著宏觀同微觀世界計算得出嘅可觀察量連結起嚟,譬如好似我哋將統計力學中有關溫度嘅 1/k_B T 轉換成量子力學中嘅 it/ħ咁(想了解多啲請睇維基[3]、Quora上面嘅解答[5]或其他教科書)。

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https://qph.ec.quoracdn.net/main-qimg-de47f721915d46e79c904ad857af4d91

呢個方法喺研究量子重力有用喺因爲喺相對論中,屬於偽黎曼流形(pseudo-Riemannian manifold)嘅時空,一個運算上較麻煩嘅流形,喺威克轉動後會變成黎曼流形(Riemannian manifold),一個相對運算上較容易,物理學同數學家比較熟識嘅流形。簡單嘅例子就好似
狹義相對論(special relativity)中嘅4維閔可夫斯基時空(Minkowski space)喺威克轉動後會變成大家都好熟識,中小學已經有教嘅歐幾里得空間(Euclidean space)咁,只係由3維變咗4維。歐氏量子重力就係一個廣義相對論經過威克轉動,然後再做量子化(quantisation)得出嘅量子場學(quantum field theory)重力模型。

呢個理論由霍金喺1978年提出,而佢喺呢方面最著名嘅研究係同另一位理論物理學家哈圖(James Hartle)循呢個方向,研究宇宙喺接近大爆炸開始時嘅邊界條件(boundary conditions),提出咗另一個被大眾媒體廣泛引述,被寫入個人科普著作《時間簡史》同佢不時提起嘅劃時代理論—哈圖-霍金量子態(Hartle-Hawking state)。乜話?未聽過?換個名或者講法,叫宇宙無邊界條件模型你應該聽過啩?呢個模型講嘅係假設如果我哋可以好似量子力學描述粒子狀態咁用一個波函數(wavefunction)去描述宇宙,喺歐氏量子重力嘅框架下當你考慮同「加晒」宇宙所以可能發生嘅歷史後#,佢哋發現宇宙喺大爆炸發生嗰刻嘅奇點(singularity),一樣代表著理論失效嘅嘢會被移除,而宇宙喺呢刻時空冇所謂邊界,即係唔需要邊界條件(no boundary conditions),宇宙同時間係冇所謂起點,所以講時間同空間喺大爆炸前係冇意思,因為定義唔到。最常見,多人講嘅比喻就係好似霍金講咁,喺2維地球表面上當你身處北極時問比北極仲要北嘅係乜根本冇意思。由於呢個模型唔需要設定最開始喺大爆炸時嘅邊界條件係乜,所以霍金喺解釋呢個模型時講過 “If the universe has no boundaries but is self-contained… then God would not have had any freedom to choose how the universe began.” ,亦喺《時間簡史》入面講過「我哋唔一定需要神去解釋宇宙超源同大爆炸點嚟」(the existence of God was not necessary to explain the origin of the universe)

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【“This doesn’t prove that there is no God, only that God is not necessary.” Hawking, source: Der Spiegel (17 October 1988)】

#呢到「加晒」講嘅係一個量子場學概念,詳見路徑積分表述(path integral formulation)

雖然呢個理論同想法幾創新同劃時代,但歐氏量子重力同其他量子重力遇到嘅問題一樣咁多,更甚嘅係呢個方法對做量子重力場嘅理論運算,例如要計一粒重子(graviton)$同另一粒重子碰撞散射後嘅結果等咁冇幫助,甚至比弦論或超重力更差。上個講呢套理論應用喺大爆炸奇點個方法亦唔知點用喺黑洞奇點到,所以呢個理論方法比較少量子重力學家研究,霍金提出嘅模型暫時仲留喺比較初期,假說比較有爭議嘅階段,未被學術界公認,啱唔啱好難講

$重子即重力場嘅量子版本

黑洞資訊悖論(black hole information paradox)

另一個小弟想講嘅係一個較少人提及,但同霍金研究有好大關係嘅一個黑洞未解之謎。呢個嚴格講唔算霍金嘅學術成就,因為除左提出一啲可能性同假說外,佢其實未有一套完整理論解答呢個問題 (雖然佢可能知道正確答案,只係未能喺生前寫低一套完整理論)[sosad] 既然呢個問題仍然未有答案,物理學家仲爭論𡁵,霍金生前亦未有完整解答,點解小弟會話呢個係霍金其中一個「學術成就」呢?咁係因為呢個咁重大,幾肯定會為未來量子重力帶嚟新研究方向嘅謎團好程度係因為霍金有關黑洞嘅理論先出現。呢個問題嘅答案好大機會會顛覆物理學界對量子力學或者黑洞嘅理解。

如字面咁解,呢個問題問嘅就係「當物件跌入黑洞後,物件本身嘅訊息去咗邊?」當然要理解呢個問題,我哋首先要了解一下霍金花咗好多時間探究,對範疇做出咗大貢獻,有關黑洞嘅理論。喺黑洞研究早期,一般相信黑洞完全係黑暗一片,所有嘢跌入黑洞之後都出唔番嚟,同事件視界(event horizon)外嘅世界完全隔絕。其後喺1970-1973年間霍金同另外兩位理論物理學家巴甸(James.M Bardeen)卡達(Brandon Carter)發表黑洞熱力學說(Black hole thermodynamics),四條有關黑洞,類似熱力學說(thermodynamics )嘅黑洞力學定律(four laws of black hole mechanics)。雖然類似熱力學,而家被定名為黑洞熱力學說,但當時霍金等人只係認為呢個係類比,黑洞仍然係黑暗一片,同熱力學冇關。不過後嚟當時仲係博士生,喺著名相對論學家惠拿(John Wheeler)指導下做研究嘅著名物理學家貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)「斗膽」提出呢套定律唔係類比,如果套定律真係啱,咁根據同量子力學有關嘅思想實驗嘅推論黑洞應該有熵(entropy),真係同熱力學說有關。呢套講法「激嬲」咗霍金,因為如果真係有關,咁咪即係話黑洞其實唔係漆黑一片,佢有溫度,會發出黑體輻射(blackbody radiation)即係光囉?呢套睇法同當時黑洞嘅理論有好大出入,而且喺廣義相對論同麥斯威爾電磁學框架(Einstein-Maxwell equations)下,黑洞有一套由惠拿(John Wheeler)等人提出未經數學證實,但學界普遍相信係啱嘅假說—黑洞無毛定理(no-hair theorem)[6,7]。

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乜話?黑洞原來係無毛,「禿頭」嘅?係吖,黑洞係「禿頭」,一個「光頭佬」嚟㗎 [sosad] 當然呢個講法只係形象化嘅比喻,個假說講嘅係無論黑洞本身一開始由乜嘢組成,你放乜嘢入去,我哋最後都淨係需要用質量、電荷同角動量呢個三個參數去完全描述一個黑洞。霍金等人提出嘅黑洞力學定律都乎合而且完全支持呢套假說,咁何來黑洞會有溫度呢個同熱力學有關嘅參數呢?為咗推番貝肯斯坦嘅講法,霍金開始研究量子力學同量子重力,考慮量子場學喺黑洞視界呢種極端重力環境下嘅情況。當然大家都知後嚟結果係霍金「認輸」,佢發現貝肯斯坦嘅睇法冇錯,黑洞真係唔係黑嘅,有溫度而且會發光,呢個就係霍金喺物理學最為人所共知嘅霍金輻射(Hawking radiation)。(詳細霍金有關黑洞同佢其他早期嘅研究有機會下一篇再講,有興趣可以先睇番小弟之前寫有提及霍金嘅文章 https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/tag/霍金stephen-hawking/

好啦,講咗咁耐,點解黑洞會有資訊悖論問題?咁係因為霍金輻射雖然表示黑洞有溫度,會發光,甚至會因為咁損耗能量而最終蒸發,但霍金輻射係一種黑體輻射,即只係同溫度有關。而霍金輻射所對應嘅溫度亦只係同黑洞視界上嘅表面重力,即只係同黑洞質量有關。所以黑洞無毛定理仍然通用,無論你放乜入去,黑洞都淨係需要三個參數表達。換句話講即係就算我放入黑洞嘅係普通物質抑或係反物質都好,只要質量、電荷同角動量一樣,最終得到嘅黑洞完全冇分別,而且最後個黑洞仲會蒸發變成一堆一模一樣嘅輻射。咁一開始放入黑洞前嗰啲物質本身有別於質量/電荷/角動量嘅資訊去咗邊呢?呢個就係黑洞資訊悖論所提出嘅問題。呢個由理論推導出嘅結論完全違反物理學界一直相信同行之有效嘅概念—資訊守恆定理,一個即使喺量子世界一樣通用嘅定理。詳細有關呢個悖論嘅討論可以睇下面短片

(英文)

(有中文字幕)

幾十年嚟理論物理學界仍然為呢個悖論爭論𡁵,提出咗好多唔同假說解答個問題,其中一個近年興起嘅講法係「防火牆」,黑洞火牆論(black hole firewalls),有興趣了解多啲可以睇下面短片(英文)

霍金自己亦由一開始相信自己嘅運算,打賭堅信自己啱,認為資訊真係會唔見咗,變成後嚟喺2004年因為一系列根據ADS/CFT對偶(ADS/CFT correspondence)嘅發現改口認輸話資訊被保存,有方法喺黑洞出番嚟。後嚟甚至因爲黑洞火牆論,喺2014年改口話黑洞其實應該叫灰洞(grey holes),事件視界其實唔存在,只係有貌似事件視界(apparent event horizon)。有興趣可以睇下面短片(英文)

 

雖然霍金喺呢個問題上冇一套完整答案,但比起佢一系列理論,佢留低嘅呢個未解之謎可能先係佢畀物理學界最有意義同最好嘅禮物[8]。今次講住咁多,喺結尾前分享一下其他理論物理學家對霍金嘅評價同佢哋同霍金嘅一啲趣事[1,2,4]


 

最後,祝願霍金安息,如愛因斯坦同佢所願,喺另一個世界(如果存在)搵到一套可以解釋宇宙所有嘢嘅theory of everything,亦希望大家可以如佢所願記得同認識佢喺宇宙學同黑洞範疇嘅學術成就,而唔係淨係記得佢嘅勵志故事同一系列科普演出。

 

引伸延讀:

[1] https://amp.theguardian.com/science/2018/mar/14/stephen-hawking-obituary

[2] https://www.preposterousuniverse.com/blog/2018/03/16/stephen-hawkings-scientific-legacy/#more-13150

[3] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wick_rotation

[4] https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/03/stephen-hawking-sean-carroll-physics-airport/555764/

[5] https://www.quora.com/What-is-imaginary-time-and-how-does-it-work

[6] https://www.quora.com/What-is-the-No-Hair-Theorem

[7] https://en.m.wikipedia.org/wiki/No-hair_theorem

[8] https://www.nytimes.com/2018/03/15/opinion/stephen-hawking-quantum-gravity.html

白話文版:

https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E6%88%91%E8%A6%8B%E9%81%8E%E9%9C%8D%E9%87%91-%E6%88%91%E7%9C%9F%E7%9A%84%E8%A6%8B%E9%81%8E-%E6%B7%BA%E8%AB%87%E9%9C%8D%E9%87%91%E5%AD%B8%E8%A1%93%E6%88%90%E5%B0%B1-%E4%B8%80-e69dce1b158e

 

 

 

主宰宇宙的黑暗勢力 (Dark force of the Universe)

(credit: 《Star Wars》)

“The Force will be with you… always.” (引述自《星球大戰》電影系列)

星戰系列又嚟喇,Star Wars: The Last Jedi 上年年尾上映咗,大家有冇去戲院「朝聖」呢?(小弟雖然貴為一介科學界中嘅小螺絲,但本人其實並唔係科幻小說或電影嘅狂熱份子,本人對星戰系列興趣唔大)

細個睇卡通片或大部分電影,永遠都係邪不能勝正,光明必定最終打倒黑暗呢套王道故事設定結局。不過呢套價值觀睇嚟係我地嘅社會唔太適用,尤其喺強國/小人當道嘅XX世界。但原來唔止咁,更甚嘅係原來連我哋身處看似「客觀公平」嘅浩瀚無垠^嘅宇宙都唔奉行呢套價值觀,而家真正統治𡁵世界嘅其實並唔係你同我呢班微不足道嘅人類,亦唔係光甚至一切現時物理學所熟識嘅東西,而係一股黑暗嘅「邪惡」能量—暗能量(dark energy)呀!

^宇宙係唔係無垠正確講其實冇人知係唔係。愛因斯坦都話:「有兩件事情是無限的,這宇宙與人類的愚蠢。我不太確定前者。」(“Two things are infinite: the universe and human stupidity; and I’m not sure about the universe.”)

宇宙膨脹𡁵,但係以乜嘢速度?加速𡁵定減慢𡁵?(Our universe is expanding, but at what rate? Is the expansion rate slowing down or accelerating?)

唔少人都聽過大爆炸理論,知道我哋而家宇宙起初係由無限細、密度無限大嘅一點「爆出嚟」(其實咁講唔啱,因為相對論喺接近黑洞中心呢類重力咁龐大,咁極端情況下嘅奇點singularity時會失效,唔能夠再正確描述現實物理狀態係點。所以正確講係冇人知現實應該係點。詳細有機會下次再詳細講),而且不停膨脹𡁵。之但你又知唔知宇宙以乜嘢速度膨脹𡁵?演化過程中膨脹速度又有冇改變過?

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(Credit:NASA and ESA)

宇宙嘅膨脹速度其實唔係固定永恆不變,而係取決於佢本身內含各種唔同「物質」嘅各自嘅特性同佢哋佔宇宙整體能量密度嘅百分比多少。唔同幾何結構,唔同組成成份嘅宇宙佢哋嘅演化可以好唔同,有啲可能膨脹過程會隨時間減慢甚至到後嚟變成收縮;有啲就可能一直唔停咁加速膨脹𡁵,好似上面幅圖咁。

根據觀察結果,現時宇宙學嘅公認標準模型,其實宇宙膨脹速度一直都改變𡁵,過去好早期仲曾經以超光速膨脹*(根據暴脹論 cosmic inflation)過𠻹!咁宇宙而家膨脹速度係加速定減慢𡁵呢?如果簡單用牛頓萬有引力去睇,重力作為吸引力,而且影響範圍無限遠,所有物質都會感受到同樣重力,咁推論去諗,宇宙膨脹速度只會變得愈嚟愈慢,甚至轉方向變做收縮,最終導向宇宙大崩塌(Big Crunch),變番做一點密度無限大嘅奇點。不過事實又係唔係咁簡單呢?

*呢度超光速膨脹冇違反相對論,因為相對論講嘅係物質同訊息嘅傳遞速度上限為光速,但時空嘅膨脹速度冇咁嘅限制

宇宙其實唔只膨脹o緊,佢而家仲係加速膨脹 (Our universe is not just expanding, its expansion rate is accelerating now)

(Credits: quickmeme.com)

上世紀當愛因斯坦發表廣義相對論時,因當時嘅主流觀念影響,佢起初堅信宇宙係靜止唔郁而唔係膨脹/收縮𡁵。當然大家都知道後嚟結果係一班以費德里曼(Alexander Friedmann)為首苦心鑽研宇宙喺相對論框架下點樣演化嘅一眾物理學家佢哋提倡宇宙係膨脹𡁵呢套主張先至啱,並且經天文學家哈勃(Edwin Hubble)等透過觀察星系紅移驗證。

同牛頓萬有引力嘅重力理論唔同,相對論需要考慮埋時空本身嘅幾何結構同物質嘅能量同壓力密度,會令重力變成排斥力嘅物質/時空結構喺相對論框架下理論上係存在嘅。雖然係咁,但絕大部分物理學家所認知同觀察到嘅物質(除咗一樣叫真空能量vacuum energy嘅嘢)嘅特性都唔屬於呢類,直至上世紀未前,亦未有觀察結果指宇宙膨脹速度有加速嘅跡象,一般都相信宇宙嘅膨脹速度係會一直隨時間逐漸減慢,而且變為收縮甚至最終大崩塌,就好似用牛頓萬有引力推論咁。

不過喺上世紀90年代,天文學家舒密特(Brian P.Schmidt)利爾斯(Adam G.Riess)等率領研究超新星嘅團隊透過觀察一堆1a型號超新星(type 1a supernova )— 一種有標準模型,由一粒喺雙星系統(binary system)中嘅白矮星(white dwarf)因為同另外一粒星體合併而誕生,光度足以媲美星系而且屬於標準燭光(standard candle)#嘅超新星,發現喺我哋「附近」—宇宙紅移(cosmological redshift,z)好細並細於1(呢度講嘅「附近」係相對於宇宙宏觀大尺度,紅移 z~0.1其實講𡁵十億光年咁上下距離 [offtopic] 宇宙學上咁叫低/細紅移,不過天文學中叫「高」紅移[sosad]),亦即係宇宙時序上屬近年嘅星系根據多普勒效應(Doppler shift)推算出嘅遠離速度同距離並唔係簡單線性關係。呢啲超新星嘅光度亦比起身處喺一個減慢膨脹中宇宙嘅超新星光度暗,呢個觀察結果似乎指向一個加速膨脹𡁵嘅宇宙,好似下面幅圖表所表達咁。

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(Credits: University of Alberta, https://sites.ualberta.ca/~pogosyan/teaching/ASTRO_122/lect30a/lecture30a.html)

 

之後亦有更多獨立、唔同類型用其他大尺度結構如宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background, CMB)重子聲學振盪(baryon acoustic oscillations, BAO)等觀察結果推論出嘅模型同樣指向宇宙係加速膨脹𡁵呢個結論,確立咗宇宙現時充斥住一種會令膨脹加速叫暗能量嘅宇宙學標準模型。上面提到涉及1a型超新星呢個宇宙學發現後嚟喺2011年獲頒發諾貝爾物理學獎。

#標準燭光係天文學一術語,同蠟燭冇關。呢個詞彙係指一種我哋知道佢理論上本身有幾光,可以用嚟同測量出嘅光度對比從而推算出佢距離我哋幾遠嘅天體

咁暗能量係乜?(What is dark energy?)

好啦,講咗咁耐,你可能會問咁究竟暗能量係乜?好老實咁講,其實冇人知係乜,對呢樣嘢物理學家知道嘅甚至比暗物質更少。呢個詞只係宇宙學家對一種會導致而家宇宙加速膨脹,由早期減𡁵速變做「近年」加速(如下圖)嗰嘢嘅統稱。嗰名叫做「暗」能量,某程度上只係代表物理學家其實唔係好知嗰啲嘢係乜,「暗」物質(dark matter)都係 [sosad] 當然,暗能量叫得「暗」,都係同暗物質一樣同光或其他已知物質好似組成原子嘅重子咁冇乜相互作用,唔會自己發光,我哋暫時只係靠天文/宇宙學涉及重力嘅間接觀察知道佢哋嘅存在。

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(Credits: University of Oxford, http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/dark-energy.html)

 

雖然都係叫「暗」,「睇唔到」,不過暗能量同暗物質好唔同。宇宙同物理學家之所以叫暗能量做「能量」,係因為呢樣嘢嘅特性同所有已知嘅物質(包括暗物質)完全唔同,用標準流體去模擬佢哋喺宇宙大尺度上嘅分佈時,暗能量嘅壓力密度P同能量密度ρ有下面嘅關係

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呢度w狀態方程(equation of state)。根據相對論,能夠令重力變成「排斥力」,令宇宙加速膨脹ω必須要少於-1/3,亦即上面暗能量嘅特性。由於呢個特性太獨特,同我哋對物質嘅認知好唔同 (普通非相對論性non-relativistic物質,如溫度好低行得好慢嘅氣體/粒子,w=0,暗物質亦屬呢類; 光呢類相對性嘅物質,w則為1/3),為咗強調同區分所以宇宙學家叫暗能量做「能量」。

理論上,最「簡單」能夠解釋同乎合暗能量特性嘅係宇宙常數(cosmological constant),一樣愛因斯坦自認為(好似係)自己一生最大錯誤嘅嘢。愛因斯坦自認好錯係因為佢本身加呢樣入模型嘅目的係為咗令宇宙靜止唔郁,一個後嚟被證實係錯嘅睇法。宇宙常數係一種充斥喺時空入面任內角落,能量密度唔會隨時空膨脹/收縮而改變,同真空能量有密切關係嘅一樣嘢。因為模型「簡單」,參數只有一個,所以宇宙常數亦係暫時宇宙學標準模型ΛCDM對暗能量嘅「公認」解釋。呢度小弟強調「簡單」同「公認」係因為宇宙常數呢個解釋其實會帶嚟更多問題,宇宙學上統稱叫宇宙常數問題(cosmological constant problem),好似同用量子場學推算出嚟真空能量數值差天共地(觀察數值同理論差10^-120倍)等等,有興趣了解多啲可以睇下面短片(英文),下次有機會再詳細講
https://youtu.be/bHqkl51KzmM

其他有可能解釋到暗能量係乜嘅嘢仲包括「第五元素」(Quintessence)改良重力模型(modified gravity)或大尺度空洞模型(big void models),不過呢啲模型一樣有各自嘅問題(當中尤其空洞模型帶嚟嘅問題最大)而且亦未有觀察證據顯示佢哋係乜,暫時暗能量係乜仲係現代物理/宇宙學未解嘅最大疑案之一,宇宙嘅未來會點仲係一個未知數呀!(PS: 「第五元素」唔係指化學/五行元素,同嗰套科幻電影冇關 [banghead] 呢度指嘅係一種會產生有別於重力、強核力、弱核力、電磁力嘅第五種力嘅物理純量場 scalar field

“May the force be with you”,今次講到呢度,下次有機會再講。
https://youtu.be/G2nJlE9CNeo

 

[offtopic] 其實喺理論物理學上愛因斯坦加入宇宙常數根本冇錯,就算如果後嚟我哋冇發現宇宙加速膨脹嘅都係咁話。因為理論物理學設計理論模型時最重要講嘅係理論嘅對稱性(symmetry),任何乎合對稱性嘅數項都應該加入理論模型入面。廣義相對論模型嘅核心係微分同胚(diffeomorphism)呢種對稱性,宇宙常數係僅有少數簡單兼且乎合呢個對稱性嘅數項。

 

引伸延讀:
《Dark energy and the Big Rip》by Sixty Symbols(英文短片)
https://youtu.be/IJYDcXZMe9c
《We have no idea: a guide to the unknown universe》 by Jorge Cham and Daniel Whiteson
http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=newscan&id=472

白話文版:

https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E4%B8%BB%E5%AE%B0%E5%AE%87%E5%AE%99%E7%9A%84%E9%BB%91%E6%9A%97%E5%8B%A2%E5%8A%9B-dark-force-of-the-universe-c2a15824e9dd

大爆炸系列(一)︰宇宙大爆炸有幾「爆」?(What is Big Bang theory?)

“ A whole universe was in a hot dense state. Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait…”

大家知唔知上面歌詞嚟自邊套劇?唔知或者未睇過嘅強烈建議去搵嗰套劇睇下,絕對好睇同搞笑過CCTVB膠劇 [yeah]

好啦,入番正題,小弟既然提起套劇,今次當然係講宇宙大爆炸(Big Bang Theory)啦! 宇宙大爆炸大家可能聽得多,但對理論背後又有幾多認識呢?佢係話我地宇宙係創世紀(唔係CCTVB套神劇)咁無中生有咁「爆」出嚟?佢可以解答到所有關於宇宙嘅起源同演化問題?對於呢啲誤解同問題,小弟會嘗試喺呢個系列度解答一下

PS: 小弟貴為一介(廢柴)宇宙學家,同大家(不負責任地)講解過唔少物理學、宇宙學理論,但咁耐以嚟好似都冇詳細講過宇宙大爆炸 [sosad] 開始前先自膠 :O) :O) :O)

大爆炸其實一啲都唔「爆炸」(Big Bang is not an explosion)

首先從字面上講,宇宙大爆炸呢個名其實起得幾差,就好似「上帝粒子」、「天使粒子」、量子力學入面粒子固有嘅內在物理性質之一自旋(spin)咁,雖然係幾「吸晴」,但對一般冇相關背景知識嘅人嚟講其實幾誤導下…正所謂唔怕生壞命,最怕改壞名,美國軍艦都因為改壞名出事啦,好似係 [1] 睇嚟物理學家應該搵時間煲吓文學,學吓人地點改名 [sosad] 再唔係搵風水堪輿學家如麥xx/蘇xx大師請教吓? (曲)

(credit: Scientific American)

宇宙大爆炸呢個模型係建基於弗里德曼公式 (Friedmann equations),一組喺愛因斯坦(Albert Einstein)嘅廣義相對論(general relativity) — 一個顛覆人類以前一直對時間同空間固有觀念睇法嘅理論,框架下建立嘅宇宙學公式。宇宙大爆炸簡單概括講係指我地身處嘅宇宙其實同日常生活嘅體驗唔同,佢唔係靜止,反而係不斷膨脹o緊,而且宇宙嘅溫度係會隨膨脹下降,好似「爆炸」火球咁。不過有一點同爆炸好唔同,膨脹嘅係時空,冇所謂爆炸中心點;膨脹嘅係時空,冇所謂爆炸中心點;膨脹嘅係時空,冇所謂爆炸中心點 (好重要所以要講三次)。

時空膨脹?即係點呀?試想像你係一隻喺汽球表面上嘅螞蟻,而汽球表面就係你身處嘅「宇宙」,好似上圖咁(同樣比喻亦可以用喺收縮)。宇宙膨脹好似汽球膨脹咁,宇宙(即汽球表面)上任何點同點嘅距離都會隨時間增加,就算你靜止唔郁都好。

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對宇宙大爆炸錯誤嘅理解

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正確嘅宇宙大爆炸

而且宇宙亦冇任何特殊嘅所謂「爆炸中心點」嘅地方,好似下面條片講咁

https://www.youtube.com/watch?v=W4c-gX9MT1Q

不過呢個始終只係比喻,而比喻當然唔會完全100%準確啦。根據廣義相對論宇宙唔似汽球咁需要有額外空間或者維度比佢去膨脹,亦唔需要「吹氣」去做成膨脹。汽球比喻入面嘅額外空間同維度只係俾你可以具體啲理解同用肉眼觀察膨脹呢個現象。而且宇宙係無邊界嘅,所謂直徑140億光年只係我地嘅視界範圍,可觀察宇宙嘅大細。不過嚴格講邊界問題其實冇人知答案,不過至少現時宇宙學公認,喺大爆炸基礎上建立嘅標準理論模型ΛCDM係冇,宇宙係無限大。

大爆炸唔包宇宙開端,冇話宇宙係無中生有而嚟 (Big Bang theory does not apply in very early Universe)

另外大爆炸呢個名好似意指宇宙有一個開端,世界/時間有一個開始,暗指可能有造物者存在。不過事實係宇宙學家口中講嘅大爆炸從來都唔包宇宙開端同太初宇宙 (距「開端」少於約1分鐘),因為大爆炸同標準模型ΛCDM建基於嘅廣義相對論喺嗰時會失效,需要用到未知嘅量子重力去取代,用失效嘅理論去推測宇宙開端係點根本冇理據同意思。

大爆炸呢個模型其實係應該好似影片倒帶咁倒番轉去睇同理解先啱。基於1929年哈勃(Edwin Hubble)發現嘅星系紅移,包括之前一直堅信宇宙為靜止嘅愛因斯坦在內嘅宇宙學家知道宇宙其實係膨脹o緊。咁如果我地倒帶咁睇番轉頭,我地會發現星系嘅距離越來越細,佢地會越來越接近甚至融為一體變成一點。見到咁,可能受宗教信仰影響,之前一直有研究開弗里德曼公式嘅物理學家兼「耶撚」勒梅特(Georges Lemaître) 就提出話宇宙可能係起源於一粒「太初原子」,時空亦由嗰刻誕生,好似創世紀咁。由於太前衛而且有宗教色彩,呢個理論被天文學家海爾爵士(Sir Fred Hoyle) 戲稱為「大爆炸」,變成後嚟無可挽救嘅錯誤,好似係 [sosad] 雖然「大爆炸」當時唔係主流,好多爭論,但後嚟發現嘅宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background, CMB)太初核合成 (Big Bang nucleosynthesis) 等觀察證據*都證明宇宙的確係一直以嚟不斷以不同速度膨脹o緊。下圖簡單概括講解咗根據「宇宙大爆炸」呢條片現今物理學家知道嘅宇宙歷史係點 (英文)

*詳細關於大爆炸觀察證據嘅詳細講解下次再講

不過正如小弟之前講,大爆炸係唔包宇宙開端同太初宇宙架,上圖講嘅時間開端其實唔啱,而且嚴格講暴脹 (inflation)係唔包括喺大爆炸模型入面。最後總結係「大爆炸」正確啲講其實應該好似下面條片咁叫做「處處伸展」理論先啱,好似係 [slick] PS: 不過宇宙係唔係無限大呢點有爭論嘅地方,雖然現時公認標準理論模型ΛCDM係

https://www.youtube.com/watch?v=q3MWRvLndzs

最後送首「片尾曲」作結

https://www.youtube.com/watch?v=CMSYv_Z4SI8

今次講住咁多先,下次有時間再講 (Bazinga!)

 

引伸延讀︰

[1]https://www.thestandnews.com/cosmos/%E7%BE%8E%E5%9C%8B%E8%BB%8D%E8%89%A6%E6%94%B9%E5%A3%9E%E5%90%8D/

[2] 《Misconceptions about the Big Bang 》by Charles H. Lineweaver and Tamara M. Davis, Scientific American, March 2005 (英文) link: https://www.mso.anu.edu.au/~charley/papers/LineweaverDavisSciAm.pdf

[3] https://www.thestandnews.com/cosmos/%E7%A7%91%E5%AD%B8-%E7%B4%85%E7%A7%BB-%E5%BE%AE%E6%B3%A2-%E6%98%9F%E7%B3%BB-%E5%8E%9F%E5%AD%90%E5%92%8C%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8/

醒覺吧!世界是平的!(Wake up! The world is flat really!)

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(credits: Artwork by Sandbox Studio, Chicago)

乜話?世界係平嘅?係,你冇聽錯,而且小弟係認真的。點解人類會咁搞笑,將一早已經被蓋棺論定嘅「世平論」從墳墓入面挖番出嚟?現實係「世平論」從一開始就冇被推翻,因為人類之前根本就唔知世界嘅幾何結構係點。「世平論」喺近年重新崛起係源於21世紀初一個實驗突破性嘅重大發現…

世界(宇宙)嘅幾何結構有邊幾種可能性?(What are the possibilities that the world’s(universe) geometry can take?)

喺入正題講「世平論」之前,請容許小弟簡單講解吓「世平論」嘅歷史同有關理論嘅背景。其實由人類建立文明開始甚至更早之前,「世平論」就已經出現,而且有唔少文獻記載同歷史遺跡提及,例如強國嘅蓋天說/渾天說。「世平論」可謂係人類嘅真.聖經,喺後來啲希臘佬無聊「搞事」,拒絕相信眼前所見嘅「事實」,建立起另一套地圓論,甚至提倡同宣揚一套科學方法去證實佢地嘅「歪理」同主宰人類社會。詳細請睇物理喵有關古希臘科學嘅短片 [1]

經過一連串實驗/觀察結果,好似亞里士多德 (Aristotle)指出月蝕時地球嘅投影、星座位置喺南北半球嘅分別呢啲例子後,雖然地球被證實係球體,「世平論」先輸一仗,但現實世界又點只得地球啊,仲有宇宙嘛 [slick] 愛因斯坦深明呢點,所以佢苦心鑽研物理學 ,仲建立咗另一套流傳後世影響深遠嘅相對論去取代地圓論支持者牛頓嘅萬有引力重力理論。始終牛頓嘅萬有引力係各向同性(isotropic),即冇特定方向性,而且時間同3維空間係獨立存在嘅舞台,佢地本身嘅幾何結構同入面(世界)有乜物質冇關係,所以基本上冇實驗/觀察可以推論到世界嘅幾何結構係點 (你或者會話揾到邊界或者向同一方向一直行番到起點呢啲例子可以證明世界嘅幾何結構係平或者曲,不過世事又邊有咁簡單呀…莫比烏斯帶 Möbius strip就係一個彎曲率為零但有循環性嘅空間,如下圖)

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(轉自Robert McNees twitter
[offtopic] 考試只係俾帶一頁公式貓紙可以點做?請睇上圖教學XD)

為咗「證明」世界(宇宙)係平*,愛因斯坦開創咗廣義相對論(general relativity),將時間同空間結合為時空,並且將時空嘅扭曲同入面物質嘅能量連繫埋一齊。根據廣義相對論世界(宇宙)嘅演化係同佢嘅幾何形狀,內裡嘅物質/能量構成有關。假設世界(宇宙)依從哥伯尼原則(Copernican principle),即喺大尺度上為均質(homogeneous)同各向同性,宇宙冇所謂中心而且冇一個位置係特別嘅。喺地球抑或宇宙其他地方觀察到嘅宇宙喺大尺度上係無分別。描述呢個世界(宇宙)演化嘅方程式就係下面嘅弗里德曼方程式(Friedmann equations)

Friedmann_equation

acceleration_equation

而描述世界(宇宙)嘅時空幾何結構、形狀嘅就係弗里德曼羅拔臣獲加度規(Friedmann-Robertson-Walker metric)

FRW_metric

上面  G係萬有引力常數,H 係哈勃定律(Hubble’s law)嘅哈勃參數(「常數」),(t, r, θ, φ)係4維時空球座標系,a(t) 係會隨時間演變嘅宇宙比例因子(scale factor),佢描述著宇宙怎樣隨時間膨脹或收縮。ρ係宇宙能量密度,Λ係宇宙常數(即愛生自認一生人最大嘅「錯誤」,好似係),c係光速,P係宇宙壓力密度。(詳細有關弗里德曼方程式,宇宙學嘅歷史等有機會遲啲再講) 而k 就係3維空間曲率,描述宇宙嘅形狀嘅參數

  • k=+1時,宇宙係封閉嘅(closed),三維空間係球狀,總體積係有限,數值為2a(t)。
  • k=-1時,宇宙係開放嘅(open),三維空間係雙曲空間,總體積係無限。
  • k=0時,宇宙/三維空間是平直嘅(flat),總體積都係無限。

作為3維實體嘅生物,我地可以點樣理解3維空間曲率呢?簡單嘅方法就係空間上面畫三角形,計算三角形嘅內角和。正曲率時內角和>180°,負曲率時內角和<180°,而曲率=0時就等於180°,即生活常見嘅情況。唔同曲率時宇宙/三維空間嘅形狀請睇下圖

雖然「推翻」咗牛頓嘅萬有引力重力理論,但要得出一個靜止又乎合弗里德曼方程式嘅世界(宇宙),愛因斯坦推論出3維空間係正曲率,世界(宇宙)係球狀,「世平論」又輸一仗…不過好彩後嚟多得哈勃(Edwin Hubble)發現咗星系紅移,世界(宇宙)係膨脹唔係靜止嘅證據先令爭論回到起點,推翻愛因斯坦嘅靜止宇宙模型(Einstein’s static universe),引導出後嚟勒梅特(Georges Lemaître)提出嘅大爆炸模型(Big Bang theory)。其後發現嘅宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)太初核合成(Big Bang nucleosynthesis)證據更明確確立咗大爆炸模型呢個理論,不過關於世界(宇宙)嘅幾何結構形狀喺20世紀就仍然冇明確定論…有關愛因斯坦嘅靜止宇宙模型嘅詳細講解同討論可以睇下面短片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=nJsFsjSWYx0

世界真係平架!(The world is really flat!)

終於關於「世平論」同「世圓論」嘅爭論喺21世紀出現咗突破。喺宇宙背景探測者(COBE) 90年代初發現咗宇宙微波背景各向異性嘅細微波幅(anisotropies)後,科學家為咗研究世界(宇宙)嘅起源,發射人造衛星威爾堅臣微波各向異性探測器(WMAP)去外太空準確量度呢啲宇宙微波背景嘅細微波幅。宇宙微波背景係宇宙學中大爆炸遺留落嚟嘅熱輻射,亦係宇宙中最古老嘅光。宇宙演化到今日它的嘅微波背景特徵、光學頻譜同溫度大約為2.725K嘅黑體輻射相同。

根據之前提過嘅弗里德曼方程式,世界(宇宙)嘅3維空間曲率係會影響世界(宇宙)嘅演化同光點走。從宇宙微波背景各向異性嘅細微波幅宇宙學家可以推算到世界(宇宙)演化嘅歷史係點。假設相同嘅物質/能量組合成份,唔同嘅空間曲率相對應嘅宇宙微波背景波幅都唔同, 好似下圖咁(紅色嘅區域代表比較高溫嘅地方,而藍色嘅區域就代表比較低溫嘅地方,波幅最大為+/-0.00057 K)

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(Image credit: Smoot Cosmology Group / Lawrence Berkeley Labs.)

結果WMAP 同近年精確度更高嘅普朗克巡天者(Planck satellite)都發現宇宙微波背景嘅波幅同平直嘅宇宙吻合,現時曲率相對應嘅「能量」密度佔宇宙嘅全部能量至少低於0.5%,|ΩK| < 0.005 [2] 。呢個發現確立咗現時公認嘅宇宙學標準模型 – ΛCDM模型(有關呢個模型嘅簡單入門講解可以睇番[3]),證實世界(宇宙)係平直,「世平論」終於贏番一仗(至少暫時係[slick])。

 

最後小弟想同所有「世圓論」者講番幾句 (歡迎自行對號入座):

「承認自己的無知和對世界保持著好奇心,是進步的動力,並不是什麼羞恥的事。不承認自己的無知、拒絕認清事實,才是真正的羞恥。」(quote from唔知邊度)

“It’s easier to fool people than to convince them that they have been fooled.”(同樣quote from唔知邊度,但至少唔係Mark Twain,好似係) [4]

“Two things are infinite: the universe and human stupidity; and I’m not sure about the the universe.” – Albert Einstein

 

今次講住咁多,送首謝安琪嘅《直角等於三角形》「慶祝」吓「世平論」獲勝先 [slick] 下回待續

https://www.youtube.com/watch?v=CeiWHpHaPnQ

*此為曲線,非事實

 

引申延讀:

[1] https://www.youtube.com/playlist?list=PL7P_kgZWF-xCUTO2NVGkFeSEt4Y_apSSD

[2] “Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters”, Planck Collaboration: P.A.R. Ade et al., A&A 594, A13 (2016), https://arxiv.org/pdf/1502.01589.pdf

[3] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2013/12/06/%e7%94%9a%e9%ba%bc%e6%98%af%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%b8-what-is-cosmology/

[4] http://www.snopes.com/did-mark-twain-say-its-easier-to-fool-people-than-to-convince-them-that-they-have-been-fooled/

 

叮噹法寶物理原理大解構 [二] (The Physics Behind Doraemon Gadgets II)

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(圖片來源:https://chinesedora.com)

鑒於觀眾嘅支持同熱烈回應(好似係?),小弟決定延續香港空想科學系列,繼續解構叮噹法寶背後嘅物理原理 #yup# #yup#

毀滅地球炸彈(地球はかいばくだん)

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每次叮噹遇到「宿敵」老鼠發瘋時都會攞出嚟嘅終極武器。外形酷似魚雷或核武,威力不詳,因為從來都冇有過 [sosad] (好似係)。叮噹聲稱可以輕易毀滅地球,所以叫「毀滅地球炸彈」。(聲稱) 能夠輕易毀滅地球,相信呢個炸彈嘅威力應該比核彈仲強好多倍。實際上個炸彈威力又有幾大呢?理論上有冇可能做到出嚟呢?

要解答第一個問題,睇嚟只有死後去搵藤子.F.不二雄或者進入漫畫世界入面做實驗,喺叮噹面前放一大堆老鼠,等叮噹失控掟個炸彈 (此乃危險動作,叮噹漫畫有可能因為咁消失,小朋友包括大雄請勿嘗試 XD)

毀滅地球需要幾多能量? (How much energy needed to destroy the Earth?)

雖然唔知實際威力係點,但都可以用物理推測下嘅。首先假設毀滅地球嘅意思係將地球炸到完全粉碎不成球形,咁需要幾多能量呢?答案大概係地球本身嘅重力結合能量(gravitational binding energy),即係將鬆散物質透過重力相互「痴埋一齊」嘅能量,亦即「拆散」佢地最少需要嘅能量。呢個數係幾多呢?要計其實唔難(如果你識微積分嘅話) [slick]

假設地球係一個半徑為R,質量M,密度為 ρ均質嘅球體。如果將地球好似洋蔥咁拆做一層層殼睇,即下圖咁

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當中半徑為r嘅厚度為dr嘅球殼佢嘅重力勢能 dU 就係

equation1_grav

喺上面條式代番密度與球殼同內圍球體質量嘅關係,再做積分,就得到下面個答案

equation2_grav

U 就係呢個球體嘅重力結合能量。地球質量大概係5.97 x 1024 kg,半徑大概係 6.37 x 103 km,所以要將地球完全拆散大概需要 2 x 1032 J 。

毀滅地球炸彈背後原理係乜?核武?

現時人類(已知)做到威力最大嘅炸彈係核彈,原理係E=mc2,將物質嘅能量由質量形式轉換成爆炸嘅動能同熱能。最初嘅版本應用嘅係核裂變(nuclear fission),即將一啲較重嘅原子分裂成較輕嘅原子嘅一種核反應。後來同而家嘅進階版就用核裂變推動核融合(nuclear fusion),後者即調番轉,將一啲較輕嘅原子融合成較重嘅原子嘅核反應。兩者過程中整體質量都會減少。

下面條link可以俾大家喺地圖上模擬吓唔同核彈引爆後嘅影響範圍

http://nuclearsecrecy.com/nukemap/

當中威力最強嘅沙皇炸彈雖然威力大到熱風都可以覆蓋整個珠江三角洲,但距離毀滅成個地球仲差好遠,威力只得2.1 x 1017 J ,而且一個人係絕對冇可能雙手攞起沙皇炸彈嘅。所以可以推斷叮噹嗰炸彈應該唔係核武

(沙皇炸彈圖片)

核武唔得咁可以用咩?

咁點先可以製造到比核武仲勁嘅武器呢?最有效率同最大威力嘅方法應該係用反物質(anti-matter),即係好似Dan Brown《天使與魔鬼》入面嗰故仔咁 [offtopic] 但同小說唔同,現時要製造出反物質需要嘅能量係遠大過最後反物質同正常物質相消所釋放嘅能量

反物質係乜?反物質係一種由反粒子構成嘅物質,而反粒子係一啲質量、壽命、自旋(spin)*都同正常粒子一樣,但所有內部相加性量子屬性(比如電荷、重子數 baryon number、奇異數 strangeness等)都同正常粒子相反嘅粒子。好似正電子(positron),一種質量、自旋同普通電子一樣,但帶正電荷嘅粒子。有啲粒子就冇正反粒子之分,好似光子(photon)咁,佢對應嘅反粒子就係佢自己。呢度正常粒子係指構成自然世界日常生活見到嘅普通物質嘅粒子。喺物理暫時證實咗嘅理論入面正反物質係接近完全對稱嘅,理論上宇宙大爆炸應該會誕生出近乎同等數量嘅正反物質。點解現實而家宇宙淨番嘅絕大部份都係正物質,尤其係中子同質子呢啲組成原子嘅重子呢?呢個問題叫重子不對稱性(baryon asymmetry),暫時仲未有答案,係宇宙學/理論物理學嘅前沿研究課題 (詳細討論請睇[3])

另外基本上反物質一被製造出嚟就會同周圍嘅正物質相消,點樣儲存同避免佢地接觸到正物質喺實行上有好大難度。目前人類能夠製造出最重嘅反物質係反氫同反氦原子。除左科幻小說入面嗰啲反物質武器/能源嘅FF應用外,現時反物質嘅應用有正電子掃描(Positron Emission Tomography,簡稱PET Scan),係醫學掃描檢查嘅一種。

*呢度自旋係粒子嘅基本屬性,用嚟描述粒子嘅內在角動量,與旋轉、粒子嘅運動冇關

詳細關於反物質嘅講解可以睇下面minutephysics同sixty symbols嘅短片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=Lo8NmoDL9T8

https://www.youtube.com/watch?v=wYSUchAnQfo

反粒子嘅存在最先係由保羅.狄拉克(Paul Dirac)提出,係將狹義相對論(special relativity)結合量子力學(quantum mechanics)#推論得出嘅結果,後來喺1932年經由發現宇宙射線中嘅正電子證實 [offtopic] 不過其實狄拉克當時提出嘅模型同現實上有啲出入

#即量子場論(Quantum Field Theory)

好啦,講返叮噹個炸彈。基於叮噹可以舉得起嗰炸彈,所以小弟估個炸彈大約重40-100 kg。再假設個炸彈成個都係由反物質組成(現實上唔可能,因為要隔開反物質同正物質)。咁當個炸彈遇到正常物質相消所釋放嘅能量就係質量嘅能量值,用E=mc2計,得出 < 1019 J , 同需要毀滅地球嘅能量仲差好遠…用相同原理,要得出可以拆散地球嘅能量,至少需要1015 kg,即大概全地球蘊藏嘅碳嘅總重量。睇嚟叮噹一係就有神力,一係就係被老鼠嚇到「發噏瘋」 [sosad] [sosad]

 

[暴露年齡系列?] 最後送番首咸豐年代嘅叮噹兒歌作結(小弟表示完全唔明跟住歌詞點畫到叮噹出嚟[sosad])

https://www.youtube.com/watch?v=JCIs0QKn-LI

今次講到呢度,下回待續 😛

 

引申延讀:

[1] http://scimonth.blogspot.hk/2016/10/blog-post_75.html

[2] https://phycat.wordpress.com/2016/12/22/relativity-quantum-mechanics-black-hole-anti-matter/

[3] https://kknews.cc/zh-hk/science/anpaeb6.html

[4] https://kknews.cc/zh-hk/science/rzgqbr.html

暗物質,宇宙學入面嘅毒撚/乾物女(What is dark matter?)

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自從互聯網出現咗,啲人足不出戶就可以通曉天下大事、享受各種娛樂之後,社會上就開始出現一堆隱蔽青年 (包括小弟?好似係[sosad])。呢個風氣仲愈來愈盛行,〈電車男〉、〈螢之光〉呢類講宅男/宅女/毒撚/乾物女嘅日劇、電影相繼播出。唔少專家都嘗試探討呢個現象出現背後嘅原因,坊間有好多唔同嘅觀點。

[搞爛gag中] 小弟都有自己嘅一套睇法,而原因就係因為我地嘅宇宙都充滿一樣類似、「自閉」唔鍾意social嘅物質 — 暗物質(dark matter)[1],並且佔嘅比例比普通物質(正常人)多。 [搞爛gag中]

暗物質有幾「毒」?佢地又係乜嚟?

同毒撚/宅男/乾物女一樣,宇宙中嘅「隱青」都極唔鍾意同其他「人」social,除咗某些必要無可避免嘅時候。正如其名,暗物質唔會發光,係黑暗嘅。你可能會問:「唔會發光啫,生活上好多嘢都唔會發光架啦,有咩出奇?_?」係,的確好多嘢唔會直接自己發光,但都會同光有相互作用和social,好似反射光咁。

暗物質唔同,它係極唔鍾意social到除咗重力*之外,同其他物質幾乎冇相互作用。係我地物理學上已知嘅基本粒子中,除咗微中子(neutrino)之外冇類似嘅粒子。但微中子嘅質量非常細,最多都係得1-2 electron volts/c^2,比起電子仲輕好多,冇可能解釋到宇宙演進同星系自轉曲線嘅問題(下面再詳細講)。所以一般相信暗物質係由一種或多種唔同於一般物質(包括電子、質子、中子、微中子等)的基本粒子所構成。

其中一個最受歡迎嘅侯選「佳麗」係大質量弱相互作用粒子(WIMP, weakly interacting massive particles)。呢啲尚未被發現、冇乜相互作用但質量大嘅粒子有可能性係超對稱粒子(lighest supersymmetric particle, LSP)。超對稱(supersymmetry)係一個用嚟擴充現有標準模型(Standard Model)但尚未證實嘅理論,有機會下次再詳細講 =p

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另一個唔屬於WIMP嘅可能性係軸子(axion),一種用嚟解釋強相互作用(strong interactions)中CP問題可能存在但未經證實嘅粒子。[2]

最後比較冷門嘅「佳麗」係修正牛頓重力理論 (MOND, Modified Newtonian Dynamics),即係指我地認知嘅重力理論其實唔岩,根本冇暗物質呢樣嘢。呢個理論由莫德采·米爾格若姆(Mordehai Milgrom)提出,話當一個系統嘅加速度細過 1.2×10^-10 ms^-2 時重力會變得唔同,inverse-square law唔再適用。不過呢個理論除咗星系自轉曲線外,未必如暗物質咁解釋到其他宇宙學上嘅現象,又衍生出其他問題,好似背後冇一個完整基礎理論解釋呢個「現象」點嚟。(ps: 最近好似有啲突破,不過仲喺好初步嘅階段[3])

暗物質唔鍾意social,咁我地又點知佢地存在?

上面話暗物質唔鍾意social,睇唔到,咁我地又點知佢地存在呀?答案係透過間接觀察佢地對其他物質、宇宙嘅重力影響。

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(M33 嘅星系自轉曲線圖)

其中最著名嘅就要數由「食飽飯冇嘢做」、同藝術/體育一樣「冇經濟貢獻」嘅天文學家發現嘅星系自轉曲線(galaxy rotation curves)問題[4]。呢樣亦係「證明」暗物質存在最先發現嘅證據。30年代開始天文學家相繼發現螺旋星系嘅光度同半徑關係、外圍恆星嘅速度同理論有出入。之後70-80年代隨著科技水平提升,天文望遠鏡精準度提高,岩岩冇耐之前死咗 ='(  嘅薇拉·魯賓(Vera Rubin)憑著準確量度係好多唔同螺旋星系入面恆星圍繞星系中心嘅公轉速度,得出上面嗰種星系自轉曲線圖。運用簡單嘅牛頓力學,克普勒定律(Kepler’s laws),佢同其他科學家推斷出除咗可以觀察到嘅正常物質外,星系入面應該仲有好多觀察唔到嘅黑暗物質。(詳細公式、推論請睇[5])

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(X-ray photo by Chandra X-ray Observatory)

另外兩樣就係子彈星系團(bullet cluster)[6]/弱重力透鏡(strong/weak gravitational lensing)嘅觀察現象。呢啲同樣係透過重力透鏡(gravitational lensing)效應證明喺可見物質外仲存在睇唔到嘅暗物質。

最後除左天文學上嘅證據,仲有宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)呢樣宇宙學上嘅證據。要同觀察到嘅宇宙微波背景吻合,我地嘅宇宙需要大量冷暗物質(cold dark matter, CDM)。呢個係現今嘅宇宙標準演進模型,ΛCDM 模型 (詳細可以睇番小弟嘅處子文)。

今次講住咁多先,下次再講。

*因為廣義相對論話畀我地知所有有能量(包括質量)嘅嘢都會對時空做成扭曲同受其影響,換句話即係受重力影響

引申延讀:

[1] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B4%A8

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Axion

[3]https://tomorrowsci.com/science/%E6%B2%92%E6%9C%89%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B3%AA%EF%BC%9F%E9%87%8D%E5%8A%9B%E6%96%B0%E7%90%86%E8%AB%96%E6%88%96%E8%A8%B1%E8%83%BD%E7%84%A1%E9%9C%80%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B3%AA%E5%92%8C%E6%9A%97%E8%83%BD/

[4] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%98%9F%E7%B3%BB%E8%87%AA%E8%BD%89%E5%95%8F%E9%A1%8C

[5] http://www.astro.ncu.edu.tw/~wchen/wp_chen/essay/DarkMatter.htm

[6] https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/

https://www.youtube.com/watch?v=iu7LDGhSi1A (慎入:高手級別)

霍金O 嘴系列: 乜宇宙大爆炸論係我發表嘅咩? sosad

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適逢霍金(Stephen Hawking)75歲大壽,最近HK01出左篇「哲學」文<霍金:進退維谷的宇宙,奇點的爆炸 >[1] (文章已下架),講霍金「發表」宇宙大爆炸(big bang theory)同對量子重力(Quantum Gravity) ,即一個結合相對論同量子力學既「終極」理論,的貢獻。

作為一個宇宙學家,見到有報紙、人留意/寫下理論物理、宇宙學既野當然開心啦(雖然最後其實都係冇人理,好似係,sosad)。文章作者作為一個外行人(應該係,除非唔係),其實算寫得ok同錯唔晒,但小弟認為文章某D部份幾帶誤導成份︰

大爆炸論唔係霍金發表嘅(Big Bang was not proposed by Hawking)

無錯,霍金的確有唔少研究係關於宇宙同大爆炸理論。但如果要講邊個發表/對大爆炸理論最大貢獻既就肯定唔係霍金。大爆炸呢個理論既定立係起源於愛因斯坦(Albert Einstein)1916發表既廣義相對論(General Relativity)。發表完後,愛因斯坦首先自己嘗試應用黎研究宇宙既演進,但發現相對論中宇宙係一定會膨脹/收縮,但唔會靜止;於是加左個佢自己認為「一生人最大既錯誤(Einstein’s greatest blunder )」 – 宇宙常數(Λ, cosmological constant)入去令個宇宙靜止。但後來發現呢個得出黎既宇宙其實係唔穩定,好容易變番做膨脹/收縮中既宇宙。(不過而家睇番佢根本係先知,錯唔晒,haha)

 https://www.youtube.com/watch?v=nJsFsjSWYx0

同一時間,係1920,弗里德曼(Alexander Friedmann) 和「耶撚」勒梅特(Georges Lemaître)* 開始嘗試用廣義相對論研究膨脹中既宇宙,奠定左弗里德曼-勒梅特-羅佰臣-獲加宇宙模型( Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker universe)[2]同弗里德曼公式(Friedman equations)[3]去解釋宇宙既演進。其後1929年哈勃(Edwin Hubble)更加發現星系光線紅移中,引證我地既宇宙係膨脹緊。兩年後,1931年勒梅特就提出大爆炸論,指宇宙係起源於一粒「太初原子」[4],之後60年代發現宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)再驗證左呢個大爆炸論。

咁其實霍金對大爆炸論有乜貢獻 ?_? 佢對大爆炸論既貢獻其實都唔細架,佢仲係劍橋博士生個時就已經同潘洛斯(Roger Penrose)研究相對論中既奇點(singularity)問題。其後佢地仲證明左一個乎合相對論同弗里德曼-勒梅特-羅佰臣-獲加宇宙模型既宇宙係一定會起源於奇點[5]。而奇點,即係好似黑洞(black holes)入面最中心、質量無限大個點,係相對論失效,再唔能夠解釋到任何野既地方。所以要直正理解大爆炸起源或者黑洞,就無可避免一定要研究量子重力,依個亦係霍金窮一生精力既研究課題。

PS: 無錯,以小弟所知,霍金的確係認為大爆炸之前係冇時間,所以討論大爆炸之前係無意義的。佢仲同哈托(James Hartle)發表左Hartle-Hawking state[6],一個乎合量子力學既宇宙波函數(wavefunction),指出宇宙係可以冇邊界條件(boundary conditions)。大爆炸個刻就好似你身處喺北極/南極咁,冇邊界,得空間冇時間,所以冇必要大爆炸之前係乜。不過呢個暫時仲係理論同亦有另外其他問題未解決到。有時間再講多D 😛

 最後祝霍金生日快樂!!

(最最後學唔知邊個創科局局長講句︰有邊個見過霍金?未啊?我見過!我真係見過!)

*無錯,耶撚都會讀物理同宇宙學架! XD

[1] http://philosophy.hk01.com/%E8%B6%A3%E5%91%B3%E8%B2%BC%E5%9C%96/64248/%E9%9C%8D%E9%87%91%EF%BC%9A%E9%80%B2%E9%80%80%E7%B6%AD%E8%B0%B7%E7%9A%84%E5%AE%87%E5%AE%99%EF%BC%8C%E5%A5%87%E9%BB%9E%E7%9A%84%E7%88%86%E7%82%B8–01-08-(link已死)

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Friedmann%E2%80%93Lema%C3%AEtre%E2%80%93Robertson%E2%80%93Walker_metric

[3] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E5%BC%97%E9%87%8C%E5%BE%B7%E6%9B%BC%E6%96%B9%E7%A8%8B

[4] http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp27bi.html

[5] Hawking, Stephen; Penrose, Roger (1970). “The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology”. Proceedings of the Royal Society A. 314 (1519): 529–548.

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Hartle%E2%80%93Hawking_state

書面語版現已刊於主場新聞

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E9%9C%8D%E9%87%91-o-%E5%98%B4-%E4%B9%9C%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8%E8%AB%96%E4%BF%82%E6%88%91%E7%99%BC%E8%A1%A8%E5%92%A9/

全世界變窮人系列:宇宙也會通脹? Part I (Our Universe also inflates? Part I)

宇宙大爆炸(Big Bang Theory)[1]呢個詞彙﹐就算未讀過物理、無睇過科普書、未聽過霍金吹水既﹐都至少應該由美國電視劇《生活大爆炸/囧男大爆炸(The Big Bang Theory) 》或者G-Dragon既kpop團聽過呢樣野。但你又知唔知作為一個物理理論﹐宇宙大爆炸其實係未完整同有唔少問題?

宇宙大爆炸有問題 (Shortcomings of the Big Bang Theory)

當中其中一個幾嚴重既問題﹐就係佢解釋唔到點解我地個宇宙係宏觀、大尺度上係咁均質(homogeneous)和各向同性(isotropic)。呢個其實係最先由哥白尼(Nicolas Copernicus)[2] 提出﹐即係好似梁、遊咁因為挑戰天主教教廷689/阿爺而不得好死嗰位「過街老鼠」、「滋事分子」﹐又稱為哥白尼原則(Copernican principle)[3]﹐而家已經得到唔少唔同既實驗證實左。當中最為重要既係宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background, CMB)。另外一個問題就係佢又解釋唔到我地宇宙既結構點樣形成; 點解我地既宇宙唔係完全均質﹐又或者非常唔均質﹐即係D能量同質量(PS: 質量其實即係能量﹐記唔記得E=mc^2?)好似D股票、期貨指數咁完全雜亂(random)咁分佈係宇宙入面﹐而係相對平均、對稱咁分佈。

http://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2013/03/planck_cmb/12583930-4-eng-GB/Planck_CMB_node_full_image_2.jpg

(credits: ESA Planck Collaboration)

宇宙「通」脹論(Cosmic Inflation, not economic inflation)

無錯﹐你無睇錯﹐我地既宇宙其實係未發明錢、人類都仲未出現既時候﹐已經有「通」脹呢樣野﹐所以通脹﹐唔係「等價交換」﹐其實先係世界既真理 XD 所以對於每日都面對加價既香港人﹐你而家明點解啦 😛 唔係再怨、投訴啦﹐聽日記得繼續返工去抗衡通脹啦!

為左區分﹐其實宇宙「通」脹論正式既中文譯名叫宇宙暴脹論(cosmic inflation)[4]﹐雖然英文一樣都叫inflation [sosad][sosad] 呢個宇宙爆脹論就係用黎解釋、彌補上面講大爆炸嗰D問題。寫住咁多先(請見諒小弟唔識中文﹐寫得好慢)﹐有時間寫埋下半part﹐心急既可以先睇下面我寫既英文簡略版 🙂

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8

[2] https://zh-yue.wikipedia.org/wiki/%E5%93%A5%E7%99%BD%E5%B0%BC

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Copernican_principle

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Inflation_(cosmology)

英文簡略完全版:

Everyone probably heard of the term ‘Big Bang theory’, at least from the American television sitcom series. But do you know as a scientific theory, it is never a complete theory and have lots of shortcomings? Particularly, it fails to explain why our universe looks so isotropic and homogeneous on very large scales today and where the initial fluctuations that seed the formation of our Milky Way and solar system. Cosmic inflation (not the economic one), a theoretical model which is believed to have happened just moments after (about 10^-36 s) the Big Bang, offers explanations to these problems.

To get some insights about the Big Bang shortcomings and how inflation works, let us consider the following analogy: Imagine two unrelated babies born in a same hospital, but are later separated since their birth. Because of having very little time to interact with each other, we expect them and their lives after separated would be very different.

However, if the babies are twins, who have the same genetic makeup, things would be different. Since they are now related and their interaction time is prolonged, which can be traced back even before their birth, we do expect they may still look somewhat similar even after separated since birth. This is basically the idea of inflation, ‘prolonging’ the interaction time between different parts of the universe by exponentially expanding some very small causal patches to much larger size and even beyond the horizon in a very short time.

What’s more, thanks to quantum mechanics which suggests vacuum fluctuations exist, inflation can also explain the primordial fluctuations that seed structure formation in our universe as well.

Old News is so Exciting!

(本來寫於三月,因為太懶同寫緊論文,最近先寫完,請見諒)

最近一個星期(三月果時,自:O)),物理學界發生左件大事,可媲美前一年LHC發現希格斯粒子(Higgs Boson),對字宙學有深遠既影響,小弟勁興奮,尤其同我做緊既野有關。

今次新聞其實講緊mud?等我簡單講解下:

BICEP2係一個位於南極測量宇宙微波背景(CMB)既實驗,主要測量CMB光既偏振(polarisation)。甚麼是polarisation?簡單講既就是光波振動既方向。而量度polarisation既方法原理同太陽眼鏡一樣,用一塊polarisar隔左某D振動既方向既光,之後度下剩番果D光既強度,咁就可以知道D光有幾polarised。而係引力波之下(如果夠強),光係會有特定既既polarisation,好似以下咁:

(顏色代表溫度上既差別,而D線就代表polarisation既方向。 credit:BICEP2)

如果今次結果係岩的話(“很大程度“,三月果時….),就會證明左宇宙暴脹論(cosmic inflation),(係,你無睇錯,宇宙同經濟一樣都會通脹,inflate架;))絕對係宇宙學上既大新聞。不過就唔係好似坊間報紙、新聞所講般,甚麼驗證左Big Bang或者搵到了愛因斯坦相對論中既最後拼圖。因為雖然今次實驗結果係同引力波(gravitational wave)有關,但始終係間接既結果,有不少可能性其實係由其他野引起(好似星系既背景輻射background radiation)。所以物理學界唔會將今次結果睇做證明引力波既存在。

詳細請睇以下既link:

http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-26605974

https://hk.news.yahoo.com/宇宙大爆炸找到證據-215953809.html (註:溫馨提示,入面所講既野其實唔多啱)

甚麼是宇宙暴脹論?

宇宙暴脹論(cosmic inflation)係80﹣90年代提出既理論,主要為左解釋Big Bang theory同CMB觀察結果有出入既問題。好似點解CMB既光在任何位置同各個方向上幾乎一模一樣(homogeneous and isotropic),就算一邊同另一邊基本上冇任何因果關係(casually connected)同相互作用(interaction)。而且宇宙暴脹論亦解釋左宇宙入面既結構好似星系點樣黎(structure formation)。而宇宙暴脹論係已知理論入面唯一可以引發出咁強既引力波(戴頭盔,好似係)。

(詳細遲D再寫)

後記:

雖然哈佛史密森天體物理學中心 BICEP2 collaboration佢地早幾日已經公怖會有記者會同學術既presentation,但係livestream直播既connection仲差過上網睇波既link, sosad...再次證明物理家係廢既,連livestream都搞唔好,雖然internet其實係CERN發明...

另外其實我個人有點不爽,因為今次實驗結果某程度上摧毀晒我近幾個月做緊既project,搞到我都唔知publish 唔publish份paper。(不過經過幾個月之後既而家,已經發現其實BICEP2低估左星系background radiation既影響,所以其實有機會今次結果可能係錯既。始終要等年尾Planck satellite既結果confirm)

下次再講。

PS:香港最近既情況幾令人擔憂,希望大家都可以盡自己一分力去保衛我地既家園

https://www.youtube.com/watch?v=G7Zt639NdUM

(其實個人比較喜歡英文原版)