我們每天理所當然地在這個世界上生活著。世界的存在似乎是一件很自然的事。
但事實並非如此。從物理的角度來看,我們生存的世界能夠存在,可說是奇蹟下的產物。
要是支配這個世界的物理定律有一點點偏差,我們就無法生存於這個世界。
「宇宙微調問題」是物理學中很常討論的問題。
物理定律支配了整個宇宙,但定律中卻有著無法用理論推導出來的「常數」,只能透過實驗結果計算出來,
譬如決定基本粒子的質量、基本力的大小的常數,以及決定宇宙性質的宇宙論常數。
這些決定了宇宙基本定律的常數共有數十個。
這些常數中,大部分常數的數值只要稍微有些變動,就會讓整個世界變得完全不同,
使生命難以存活,我們也不會在這個世界中誕生。
就像是有某個人故意把這些常數微調到現在這個數值,以達到絕妙的平衡,讓這個宇宙誕生一樣。
「為什麼這些常數會被調整到那麼剛好的數值呢?」這就是宇宙微調問題。
如果是對宇宙有興趣的人,應該多少聽過這個問題吧。
不過,「這些常數稍微有些變動時會造成什麼後果?」這個問題,應該就沒有那麼多人想過了。
本書將會用各種插圖,以直覺方式具體介紹已知的各種物理常數,
並說明當這些常數稍有改變時,世界會有什麼變化。
乍看之下,這些物理定律與物理常數似乎難以理解,
不過,只要知道它們的性質,你一定也會覺得它們相當親切。
說不定,也會有想要自己調整這些常數,看看世界會變成什麼樣子的想法。
在思考「為什麼宇宙會存在?」的過程中,你也能讓自己的思緒盡情徜徉在宇宙的神祕中。
作者簡介:
松原隆彥
高能加速器研究機構、基本粒子原子核研究所教授。理學博士。京都大學理學部畢業。廣島大學博士。曾於東京大學、約翰霍普金斯大學、名古屋大學任職。主要研究領域為宇宙論。曾獲2012年日本天文學會第17回林忠四郎獎。著作包括《現代宇宙論》(東京大學出版會)、《宇宙外側有東西嗎》(光文社新書)、《宇宙的誕生與終焉》(SB Creative)等。
章節試閱
Chapter 02
真空中的光速:c
快得不得了的光速
規範了這個世界的物理定律中,有許多物理常數,真空中的光速就是其中一個非常基本的常數。我們會用c這個符號來表示這個數,其值為
c=299792458m/s
也就是每秒鐘前進30萬公里的速度。地球一圈約為4萬公里,所以我們常用光速1秒內可繞地球7圈半來說明光速有多快。
不過,筆者小時候聽到這樣的說明時,總覺得有種違和感。因為小時候的我,很難想像光會繞著地球轉7圈半。光不是一直都是直線前進的嗎?
當我聽到這種說明時,都必須暫時忘記地球是圓的這個事實。所以我覺得不要用這種方式說明光速比較好。我們可以假設有好幾個地球排成一列,而光在1秒內可以前進23.5個地球直徑的距離,雖然這個數字有些不乾不脆。
先不管這個,從日常生活的角度看來,光的速度快得不可思議,對人類來說只是一瞬間的事。為什麼光是這個速度?物理學無法告訴我們答案。我們只能透過測量得到這個速度,無法從任何理論推導出這個數字,這是第1章中提到的所有物理常數的共通性質。
光在物質中的速度,以及在真空中的速度並不相同。本書中提到光速時,都是指真空中的光速。
公尺的定義與光速
光速的數值原本是由實驗觀測決定的測量值,不過1960年起便不再如此。在這之前,1公尺的長度是由世界唯一的棒狀「公尺原器」決定的。然而,從1960年起,公尺便改由光速決定。
若排除誤差的影響,不論誰來測量,真空中的光速都是相同數值。於是,人們決定將1公尺定義成真空中的光在1秒內前進距離的299792458分之1。而光速的數值也不再有誤差,而是剛好等於本章開頭列出的數值。
之所以會用這種不乾不脆的數值來定義光速,是為了不和過去定義的1公尺長度有太大的誤差。如果將光速定義成整數的300000000 m/s(30萬km/s),也許會比較好記、比較方便。但如此一來,1公尺的長度就會縮短0.7 公釐,造成混亂。除非有個能夠掌控全世界的獨裁者跳出來,不然不可能做出這樣的變更。
每個人的時間與空間尺度並不相同
光速誰來測都一樣,這句話其實和我們的常識有很大的矛盾。因為這表示,不管觀測者處於靜止狀態、追著光前進,還是和光反方向前進的狀態,都會測到相同的光速。一般來說,當我們追著物體前進時,測到的速度應該會比物體真正的前進速度來得慢;當我們的前進方向與物體相反時,則會測到較快的速度。但光卻不是如此。
乍看之下似乎有矛盾,不過在愛因斯坦提出相對論之後,這個矛盾便消失了。因為對每個人來說,時間和空間的尺度本來就各不相同。
由相對論提到的時空性質可以知道,物體的移動速度無法超過光速,或者資訊傳遞速度無法超過光速。電訊號透過電線傳輸的速度也接近光速,但電訊號的速度仍無法超過光速。
要是光速改變的話
這裡讓我們想像一下,假設原本是30萬km/s的光速大幅改變的話,會發生什麼事。其中,我們假設1 公尺的長度仍不變,只有光速本身改變。由這種假設狀況,應該可以想像得到光速的重要性。
即使光速變得比原本還要快,人類應該也不會有什麼感覺才對。因為對人類來說,光速已經相當快了,電訊號也是透過光速傳遞,所以電腦的資訊處理速度也相當快。另外,要是光速變得更快,光波的波長就會被拉長,使光的波動性變得更為顯著,想必我們眼中的世界也會變模糊吧。
相反的,如果光速變得極度緩慢,那麼世界大概會產生劇烈的變化吧。光速變慢會影響到原子與分子的化學性質,使這個世界變得不適合人類生存。這裡我們就假設,在光速變得極度緩慢的世界中,有另一種可以觀察世界的智慧生命體吧。
要是光速變得極度緩慢,那麼在廣義相對論(一般相對論)的效果下,眼前的光會直接墜落到地球上。也就是說,光無法離開地球。這表示地球會成為一個黑洞。但要是地球成了黑洞,就不可能有生物誕生。為了不讓地球成為黑洞,便需假設此時的地球也變得相當輕。也就是說,這個假想世界中,重力的效果可以無視。
如果把條件設得更極端,假設這個假想世界中的光速是現實世界的3000萬分之1,也就是光速c = 10 m/s,即36 km/h。
這時,不只是光,所有粒子與物體的時速都不會超過36公里。不管是多快的交通工具,時速都不能超過36公里,汽車自然也無法開到時速60公里。
在一個光速極度緩慢的世界中搭乘汽車
假設在這樣的假想世界中,有一台時速30公里的汽車。由相對論可以知道,此時會出現勞倫茲收縮效應。所謂的勞倫茲收縮,是指物體以接近光速的速度移動時,在移動方向上會縮短的現象。不過,如果觀察者一起移動的話,觀察到的樣子就不會變短。不同的觀察者,長度的尺度也不一樣,這是相對論的一大特徵。
對於馬路上靜止的人來說,觀察時速30公里橫向通過的汽車時,汽車的長度會縮短到原本的1/2。而且,在汽車橫向通過觀察者時,汽車後方的光會一邊前進,一邊橫跨車身。所以在側面的觀察者會覺得汽車好像轉了一個角度一樣,甚至可以從側面看到位於汽車後方的車牌。
另外,因為可以看到光的都卜勒效應,所以汽車靠近時會覺得汽車看起來偏藍色,遠離時會覺得汽車偏紅色。
時速30公里的汽車會產生相對論中的時間膨脹效應(浦島效應)。所謂的時間膨脹效應,指的是物體速度接近光速時,物體的時間流逝會變得比較慢的效應。從側面觀察汽車中的人時,他們會用原本的1/2倍速率,慢動作運動。不過對汽車內的人來說,時間的流逝速度和往常一樣。這再次說明了時間的尺度會因人而異。
如果來自遠方的汽車駛近馬路上靜止的人,那麼在這個人的眼中,汽車上的時間反而會流逝得比較快。因為對於靜止的人來說,汽車發出的光只比汽車的速度快20%。當這個人看到距離他還有36公尺的汽車的瞬間,汽車距離這個人只剩下6公尺(汽車與光的秒速分別為8.33 m/s與10 m/s)。汽車需花費0.72秒走完剩下的6公尺,而在這0.72秒中,這個人會看到汽車前進了36公尺。即使考慮到時間膨脹效應,這個人仍會看到3.3倍速的汽車。相反的,當汽車遠離這個人時,他所看到的汽車上的時間則會變慢,加上時間膨脹效應後,會看到0.3倍速的汽車。
對於時速30公里的汽車乘客來說,周圍的時間、空間也會產生扭曲。前方景色看起來會更藍,時間流逝會是3.3倍速,而且看起來像是被壓縮了一樣;後方景色則看起來更紅,時間流逝會是0.3倍速,而且看起來像是被拉長了一樣。窗外景色就像是一幅超現實主義的畫。
另外,如果汽車以時速30公里跑一陣子之後再停下來,會因為時間膨脹效應,使外頭經過的時間是車內時間的近兩倍。互相移動的人們之間,時間並不一致。所以「遵守約定時間」一事就會變得有些困難。
在光速極度緩慢的世界中搭乘新幹線
在光速極度緩慢的世界中,即使是新幹線,時速也沒辦法超過36公里,不過或許可以達到時速35.5公里吧。此時相對論效應會變得更為強烈。假設你搭乘這輛新幹線從東京到大阪出差好了。
因為勞倫茲收縮效應,對於一旁靜止的人而言,這輛新幹線的長度會縮短成原本的1/6。新幹線有16節車廂,總長約為400公尺,但在一旁觀看時會縮短到67公尺。
從東京往大阪出發時,一開始會通過八津山隧道。這個隧道全長為275公尺。如果從隧道上方觀察列車通過隧道的樣子,會看到縮成67公尺的新幹線悠哉地駛入隧道,沒過多久,就會整個隱沒至隧道內,完全看不到列車。
不過,對於搭乘新幹線的人來說,新幹線全長仍為400公尺,反倒是隧道縮短成了46公尺。這表示隧道沒辦法容納整輛新幹線。從列車內看出去,會看到只有自己搭乘的車廂,以及前後各兩節車廂在隧道內,其他車廂則在隧道外。
有些人會看到新幹線完全沒入隧道內,有些人則否。或許你會覺得有些矛盾。但其實矛盾並不存在。在不同人眼中,「第一節車廂與最後一節車廂在某特定時刻的位置」本來就不會一樣,所謂的相對性便是如此。
另外,如果搭乘這輛新幹線從東京到大阪出差,在時間膨脹效應的影響下,從車外觀察到的車內時間為1/6倍速。對地面上靜止的人來說,新幹線從東京到大阪需花費14小時,但車廂內的人會覺得只過了2小時半。對於車廂內的人來說,明明只過了2小時半,外界卻已過了14小時。工作上很難說這樣是好是壞。如果乘客在搭乘新幹線時製作1天後必須交出的文件,由於抵達明天的時間縮短了11小時半,所以他必須急忙製作出這些文件。另外,對於經常出差的人來說,老化速度也會比一直待在靜止地面的人來得慢。
Chapter 02
真空中的光速:c
快得不得了的光速
規範了這個世界的物理定律中,有許多物理常數,真空中的光速就是其中一個非常基本的常數。我們會用c這個符號來表示這個數,其值為
c=299792458m/s
也就是每秒鐘前進30萬公里的速度。地球一圈約為4萬公里,所以我們常用光速1秒內可繞地球7圈半來說明光速有多快。
不過,筆者小時候聽到這樣的說明時,總覺得有種違和感。因為小時候的我,很難想像光會繞著地球轉7圈半。光不是一直都是直線前進的嗎?
當我聽到這種說明時,都必須暫時忘記地球是圓的這個事實。所以我覺得不要用...
目錄
前言
第1章 宇宙的微調問題
第2章 真空中的光速:c
第3章 重力常數:G
第4章 普朗克常數:h
第5章 單位與普朗克尺度
第6章 基本電荷:e
第7章 費米常數:GF
第8章 強力的大小:αS
第9章 電子、質子、中子的質量:me、mp、mn
第10章 哈伯常數:H0
第11章 宇宙密度常數:Ω0
第12章 宇宙常數:Λ
第13章 暗能量狀態方程式常數:W
第14章 宇宙曲率:W
第15章 宇宙的重子光子比:η
第16章 早期的波動大小:AS
第17章 基本粒子的世代數:3
第18章 空間與時間的維度:3與1
第19章 愛丁頓數:1080
第20章 微調問題有什麼意義呢?
後記
前言
第1章 宇宙的微調問題
第2章 真空中的光速:c
第3章 重力常數:G
第4章 普朗克常數:h
第5章 單位與普朗克尺度
第6章 基本電荷:e
第7章 費米常數:GF
第8章 強力的大小:αS
第9章 電子、質子、中子的質量:me、mp、mn
第10章 哈伯常數:H0
第11章 宇宙密度常數:Ω0
第12章 宇宙常數:Λ
第13章 暗能量狀態方程式常數:W
第14章 宇宙曲率:W
第15章 宇宙的重子光子比:η
第16章 早期的波動大小:AS
第17章 基本粒子的世代數:3
第18章 空間與時間的維度:3與1
第19章 愛丁頓數:1080
第20章 微調問題有什麼意...