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波耳,上帝不擲骰子!
愛因斯坦,別指揮上帝應該怎麼做!
我想知道上帝如何創造世界,我對個別現象,個別元素的光譜等並沒有興趣,我只想明白上帝的意圖,其餘的都不過是細節而已。
愛因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955)
自然界的法則都只是近乎對稱是因為上帝不想我們妒忌上帝的完美!
理查德.費曼(Feynman Richard, 1918-1988)
上帝不單只和宇宙玩擲骰子遊戲,而且還把骰子擲到我們看不見的地方去!
史蒂芬.霍金(stephen hawing)
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- 哥白尼(Nicolaus Copernicus, 1473), 波蘭人
 - 24歲開始他的第一次天文觀測
- 以各種不同的方法分析行星的運動，很快地發現到，如果以太陽為中心， 將地球視為另一個繞著太陽的行星，則可以更簡單地分析與預測太陽系的行星運轉(日心學說)。
- 1512年建立了哥白尼理論：
太陽是在太陽系的中心，行星繞著太陽運行， 月球繞著地球運行，恆星是在無法測量的遠處。
- 1543出版了他的學說—On Revolutions。
- 第谷•布拉赫(Tycho Brahe, 1546-1601)
 - 出色的觀測者
- 出身於丹麥的貴族家庭，喜歡天文研究。
- 1576以後在丹麥王腓特立二世的資助下，在哥本哈根附近的赫芬島上修建一所大的天文台稱為觀天堡。 從1576∼1596的20年內，做了大量精確的觀測。
- 不是一位高明的理論家；因為宗教的緣故，及觀測不到日視差， 他不願意採取哥白尼的理論，他主張一種半日心半地心的混合體糸， 去解釋他的觀測。（行星繞者太陽；太陽再率領行星繞著地球。）
- 1599年離開觀天堡至布拉格，替迷信占星術的奧皇魯道夫二世觀測天文。
- 1601年去逝，臨死之前將畢生觀測資料贈給刻卜勒。 （刻卜勒是在1600才到布拉格擔任他的助手）
- 刻卜勒(Johanes Kepler, 1571-1630)
 - 主張哥白尼體糸
- 1596年著"The Harmony of the Sphere"， 天球諧合論試圖承襲畢達哥拉斯的理論，以內接正多面種來探討各行星軌導間的幾何關係。
- 根據第谷•布拉赫的觀測資料，仔細地計算分析， 認為火星的軌道不能是圓形的，而必須是橢圓的才能與數據資料符合。
- 建立刻卜勒三大定律：用以描述行星運動，而且可精確地預測行星的位置。
刻卜勒三大定律：
- 行星運行的軌道為橢圓，而太陽位於橢圓焦點之一。(1609)
- 行星與太陽的連線，在相同的時間內掃過相同的面積。(1609)
dA/dt = 常數。
- 軌道半長軸a 的三次方與週期p平方之比為常值。(1619)
a3/p2 = 常數。
- 伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)
 - 為重要的實驗物理學家。
- 在比薩斜塔研究自由落體實驗。
- 觀測物體運動情形，提出靜著恆靜，動者恆動的觀念。影響牛頓建立了力學系統
- 1610年經由望遠鏡發現了木星的四顆主要衛星 為哥白尼體系的一個強而有力的證據。
- 觀測到金星與水星的相位（盈虧）更支持日心理論(出版"三個哲學家的對話")。
- 望遠鏡的觀測結果提供更多更精確的觀測資料來驗證刻卜勒的運動定律。
- 牛頓(Isaac Newton, 1642-1727)
 - 偉大的物理學家
- 23∼25歲之間，發明微積分，力學三大運動定律，萬有引力定律， 並研究光的性質，發明反射式望遠鏡.......
- 牛頓的萬有引力定律：
宇宙中任何質點都互相吸引，引力的大小與兩者質量的乘積成正比，但與距離平方成反比。
- 牛頓運動定律：
- 物體所受的靜力為零時，動者恆動，靜者恆沿直線做等速運動。
- 每一作用在物體上的力，所產生的加速度其方向與與此力相同，但大小與物的質量成反比(F=ma)。
- 作用在物體上的每一個力，皆有其反作用。反作用力的大小與作用力相同，但方向相反。
- 愛因斯坦(Einstein, 1879-1955)
- 水星近日點的進動 43"/100yr
- 星光的偏折效應 1.75秒弧
- 重力紅位移效應
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2007 年 11 月 1 日 星期四  |
| 量子力學----(4)CPT守衡 |
分類: 物理(量子力學) |
<<電荷．宇稱>>
之前已說過粒子的其中一個特徵自旋,然而粒子有其他特徵,一個是電荷(charge),另一個是宇稱(parity),我將在此解釋粒子的另外兩個特徵,先說電荷,粒子可以帶某個數量之電荷,它和其他粒子同電荷掛斥,不同電荷吸引,這個不用解釋.例如電子就帶-1的負電荷,而該粒子之反粒子必定帶相反電荷,即正電子就應該帶+1的正電荷.又或者不帶電荷的粒子,如中微子,其反粒子必定不帶電荷.
然而宇稱就不是這麼簡單,這部份我也搞了很久,宇稱簡單一點說是鏡像,把任何系統中的座標由正轉負或負變正的機制叫做宇稱,例如某物事的座標是x,y,z,它的宇稱就是-x,-y,-z,
宇稱告訴我們粒子有兩類,左稟(left-handed)和右稟(right-handed),左稟及右稟其實是波被量化後的特性,左稟粒子之波(x,y,z)與其鏡像(-x,-y,-z)一樣,而右稟粒子之波為完全不對稱,右稟粒子之波(x,y,z)是其鏡像(-x,-y,-z)的負數.記住!左稟粒子的鏡像不是右稟粒子!
左稟粒子:其鏡像與原本影像完全一樣.
右稟粒子:其鏡像與原本影像完全不一樣.
不存在其他類型!一是完全一樣,一是完全不一樣!
(圖: LKL Astro-Group)
<<CP不守衡>>
物理學家以前認為C守衡,P守衡,所以CP聯合守衡.可是後來發現三樣都被破壞(真糟!)!C守衡告訴我們物理定律在正電子和反電子的世界中沒有分別,例如同性相拒,異性相吸之粒子特性,在反粒子中也是一樣,正電子不會吸引正電子吧~故此認為這個世界由粒子換成反粒子,反粒子換成粒子,這個世界也不會有差別.
後來發現弱核力破壞C守衡,例如在b衰變中,中子會衰變質子電子及反中微子,然而反中子衰變做反質子反電子及中微子之速率和中子衰變是不同的.
P守衡告訴我們假如有一幅圖片及一幅一模一樣不過是鏡像之圖片,我們單看是看不出那一張才是鏡像.例如同性相拒,異性相吸之粒子特性,在鏡中也是一樣.
然而當粒子以弱核力衰變時,就會破壞P守衡,我舉個例子,看下圖,藍球是一團鈷,它們右旋時傾向於向下放射電子,左旋時傾向於向上放射電子而變成鎳,然而觀看它的鏡像,發現是一個左旋鈷向下放射電子,和我們之世界不同!故我們一見左旋鈷向下發射電子就知這是鏡像,我們辨別出鏡像!!!看來弱核力的確是破壞P守衡.
由於弱核力同時破壞C守衡,又破壞P守衡,導致整體CP守衡不被破壞,即粒子換成反粒子,再取它的鏡像,它將和我們世界之粒子沒有分別,一樣遵照同樣的物理定律.可是1964年楊鎮寧及李政道發現在零電荷K介子(kaon)衰變中只破壞P而不破壞C守衡,令CP聯合不守衡,左稟K介子須衰變做三個p介子(pion),而右稟必須衰變做兩個p介子以遵守CP守衡,可是左稟K介子大約每500次就會奇怪地衰變成兩個而非三個p介子,破壞CP守衡.而最近更有人發現連B介子也違反CP守衡,令到正電子之生成比普通電子多,不過這只是一些特殊例子.
CP聯合守衡告訴我們粒子和反粒子數應是一樣,然而我們今天知道粒子比反粒子多很多,而不是粒子與反粒子各自湮滅只剩光子,那暗示宇宙早期曾破壞CP聯合守衡,每100億個反物質中,就有100億零1個正物質.造成這個原因有三:
1. 單獨C及CP聯合都被破壞.
2. 重子曾參與CP聯合不守衡.
3. 多出之物質破壞了熱平衡.
我們相信宇宙旱期有重子(不是K介子)破壞CP聯合守衡,而令這個世界充斥正物質而非反物質.
<<CPT聯合守衡>>
物理學還有T單獨守衡,我們知道若我們把桌球相撞再彈開之情景錄起,在正常情況及倒帶情況下妳不可能分辨誰才是正常情況.粒子也是一樣,當同電荷粒子一靠近就被電磁力推開之情形錄起,倒帶和不倒帶之情景妳是沒法分別的.可是T也會被破壞,就是在K介子和B介子衰變時被破壞,所以CP守衡,T守衡;CP不守衡,T就不守衡,所以我們可以說CPT一定聯合守衡.即將這個世界的粒子換成反粒子,向右自旋的粒子換成了向左自旋的粒子,再把時間倒轉,就一定會和我們這個沒有分別.
既然T單獨守衡,時間前進和後退都沒有分別,為什麼我們看錄影帶倒帶時見到破碎的杯子離開地面跳回桌子,就可斷定是在倒帶呢?因為這種情形在日常生活中妳不會見到,否則陶瓷業將無生意可做.
難道我們破壞T守衡???不是,只不過我們有熱力學時間箭頭,故我們可以分別時間前進和後退,過去和未來.杯子不會跳回桌子的解釋是因為那違背了熱力學(thermodynamics)第二定律(亦叫做不可逆原理(Irreversible Principle)).
<<熱力學第二定律>>
熱力學第零定律: 不可以大欺小－兩個不同溫度之閉合系統接觸會令高溫系統變冷,低溫系統變暖,兩個系統終會達致一樣溫度(thermal equilibrium).
熱力學第一定律: 不可不勞而獲－閉合系統中能量維持不變,能量只有透過做功才可上升.
熱力學第二定律: 不可平手－閉合系統中熱力增加時熵(混亂度)也增加,故熵總是隨時間增加而保持不變或增加,閉合系統中熵不可減少(熵增原理/不可逆原理).
熱力學第三定律: 不可退出比賽－熵只受溫度影響,當溫度去到絕對零度時熵為零,即熵消失,根據量子力學,任何物體都有零點脹落,故熵不可消失.
當中以熱二律最為重要,在任何閉合系統中,無序度－熵(entropy)總是隨時間增加,而不能減少,事情總是趨向越來越糟,叫做熵增原理.譬如,考慮一盒砌圖,假如盒內的砌圖本是砌好的,是高度有序的,當妳越搖動盒子,砌圖就會裂開成一塊塊,它們會處於混亂狀態,是高度無序.開放系統中例如花卉開放之熵可以減少,但一定要另一些東西的熵增加,即太陽把能量轉化做熱(無序度增加,熵增加)令花卉開放(無序度減少,熵減少).
麥斯威爾曾經利用麥斯威爾小妖(Maxwell's Demon)認為熵可以減少,我們知道是熵(entropy)不斷增加令我們感到時間流逝,即我們一見事情越來越糟就可斷定時間在流逝.麥斯威爾認為在一個箱中有一隻聰明的小妖,這隻小妖用一塊隔板隔開箱做兩邊,一開始兩邊都是同一溫度(各粒子都是同一平均速度),每當這隻小魔鬼見到A面一個較快的的粒子邁向B面時,它打開隔板由它過,每當這隻小魔鬼見到B面有一個較慢的粒子邁向A面時,它打開隔板由它過,當然兩面的粒子數應該一樣,最後我們會發現一面是快粒子(熱),一面是慢粒子(冷),好似是不用做事就可令溫度由冷流去暖(冷流去暖是違反常理),不做事令熵減少,就如破杯子跳回桌上一樣不可思議.
然而在1929年Leo Szilard發現這隻小妖無論怎樣高明也要費力去度這個粒子之速度,量度付出之能度無論怎樣也比冷流去熱之能量多,即熵怎樣也是增加.
(圖: LKL Astro-Group)
雖然物理學時間前進和後退是不能分辨,但從無序度增加,我們就可以斷定時間是前進抑或是後退.宇宙是一個閉合系統,暗示宇宙開端處必是高度有序,而在宇宙膨脹時慢慢變得無序.為什麼?假如宇宙一開始就是高度無序,它往後就不能再混亂,這和我們今天的社會不符!!!
另外,熱力學箭頭總是會與心理學時間箭頭指向一致:
- 一個熵隨時間增加之宇宙,人們會記住過去,不知未來.
- 一個熵隨時間減少之宇宙,人們會記住未來,不知過去.
<<人擇原理>>
我們可用人擇原理(Anthropic Principle)解釋,人擇原理告訴我們之所以存在,是因為宇宙是現在這個樣子,我們的的確確只記住過去,所以熱力學箭頭不允許倒轉,假如一開始熱力學箭頭就倒轉,我們就不會在這裡啦~
人擇原理也有分弱人擇原理(WAP)和強人擇原理(FAP),弱人擇原理認為我們生存在眾多個宇宙演化模型中一個,假如我們不是身處現在這模型,即宇宙會以不同方式演化,我們也不會在這裡.而強人擇原理就更肯定宇宙一定會生出有智慧生物,不允許宇宙以其他不能夠令我們生存之選擇出現.當我們出現後,文化將會以一種有智慧的形式存在下去(例如software)並傳遍宇宙,並終會達到極點(Omega Point)和其他宇宙進行交流,多數物理學家都不大喜歡強人擇原理.
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