2014 七月號
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第104期電子報  出刊日期:1030715


科學新文摘

 

賽車開上牆

經過精密計算,年輕的物理學家找到了辦法!

撰文/米爾斯基( Steve Mirsky
翻譯/周坤毅

許多小孩都曾經緊抓著汽車方向盤,嘴裡發出「轟轟轟 …… 叭叭叭 …… 咿咿咿咿咿 …… 轟轟」的引擎聲,他們也思考過一個基本的物理問題:假如速度夠快,我能不能把賽車開上賽道的外牆而不會掉下來?  

回到如何把賽車開上牆的問題,簡單來說一台重量適中的賽車,在垂直外牆上以足夠的速度前進就不會掉下來。然而詹金斯指出:「車手栽在賽道外牆的次數,比佛伊特、蕭奧以及安瑟家族贏得的勝場總數還多。」因此職業車手通常會盡可能避免與賽道外牆接觸。  

但英國萊斯特大學有四位不怕死的物理系學生,在該校 2013 年《物理專題期刊》發表如何把賽車開上外牆的參數。這本期刊提供一個園地給萊斯特大學明日的物理學家思考特殊問題,譬如「如果月球是由文斯勒德乳酪做成的有何影響?」結論是同樣體積的乳酪月球密度較低,因此產生的重力較小,導致地球上的潮汐變弱。果然是精闢入理的見解。  

這些學生利用印第賽車道做為分析模型,就像其他偉大的物理學家一樣,他們也用了簡化過的假設:「賽道是正圓而非橢圓,而且賽車已在垂直外牆上以給定的速度前進。」垂直外牆( vertical banking )也代表了銀行向你收費的上升比率(譯註: banking 有銀行業務之意)。  

此時賽車承受了四種力:輪胎與牆壁表面的靜摩擦力,牆壁對賽車的反作用力,重力,以及隨著車速提高而上升、能把賽車緊緊壓在外牆上的空氣力學下壓力。  

此時賽車的速度必須非常、非常快。詹金斯寫道:「賽車呼嘯而過的速度,快到我們根本看不清賽車上的廣告商標。」我去看印第 500 賽車時坐在第三與第四彎之間,算是比較短而車速較慢的賽段,但還是快到連米爾斯的賽車都糊成一團,最終奪冠的安瑟,他的賽車也好不到哪去。  

萊斯特大學的學生計算了兩種賽車:重達 1390 公斤的奧迪 TT 道路版跑車,與 700 公斤的潘思科 – 瑞納德本田( Penske-Reynard Honda )開輪式賽車。詹金斯寫道:「在印第賽車場目光所及都是潘思科的商標,連睡覺時都看得到。」當時速高達 240 公里時,潘思科賽車便能像黏在車手防火服上的艾克森美孚商標一樣,緊緊貼在賽道外牆上不會掉下來,但較重的奧迪則會掉落而摔得粉碎。  

這些年輕的物理學家下結論:「只要開適當的賽車,垂直賽道在理論上是可行的。然而這種賽道的造價高昂,而且發生事故時太危險,因此不大可能成真。」對此詹金斯提出另一個建議:「我有一個讓比賽更刺激,同時證明誰才是最佳車手的做法:逆向行駛。」  

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人 2014 年第 149 期 7 月號】


活動訊息_圖示

台大天文物理團隊研究暗物質 獲重大突破

自由時報〔記者陳炳宏/台北報導〕台大研究團隊研究宇宙暗物質有了重大突破,打破傳統的宇宙暗物質理論,提出黑洞形成新解,指出宇宙中暗物質可能是極輕型粒子,此研究成果榮登自然物理( Nature Physics )雜誌最新期的封面故事,引起全球關注。

  •  台大由台大物理所教授闕志鴻(右)與物理系博士薛熙于(左)所組成的天文物理團隊所發表的暗物質論文榮登《自然物理》國際學術期刊封面。(記者王敏為攝)

台大由台大物理所教授闕志鴻(右)與物理系博士薛熙于(左)所組成的天文物理團隊所發表的暗物質論文榮登《自然物理》國際學術期刊封面。(記者王敏為攝)

  • Ψ暗物質模擬照片。(台大天文物理所提供)

Ψ 暗物質模擬照片。(台大天文物理所提供)

無法解釋宇宙中約 85% 的暗物質( dark matter ),究竟為何物?是近代天文物理觀測的重大謎團,即使花了 90 億億美金,聚集全球 8 千位物理學家共同參與的位於日內瓦近郊的「大強子對撞機」,運轉 5 年以來,也尚未有新發現。

由台大物理系博士薛熙于、台大天文物理所闕志鴻教授以及西班牙巴斯克大學的布羅荷斯特教授共同於 2014 年 7 月 1 日出刊的《自然物理》( Nature Physics )雜誌發表的論文〈暗物質波的量子干涉形成宇宙結構〉( Cosmic Structure as the Quantum Interference of a Coherent Dark Wave ),僅用台幣 2 百萬打造的顯示卡叢集運算系統,用自適性網格運算,首度打破傳統上視暗物質為「重」粒子的觀點;反認為暗物質其實是「( Ψ 暗物質粒子)極輕型粒子」,但密度極大,並據此解釋星系核心超重黑洞的形成,重大突破性發現,獲選為該雜誌當期封面。

2 百萬組裝電腦打敗 90 億「大強子對撞機」

闕志鴻指出,過去粒子物理學家相信暗物質是「重」粒子,希望在大強子對撞機中找到,但包括 2013 年發現的希格斯粒子(上帝的粒子),目前僅發現粒子標準模型預測的產物,而其他較小型的重粒子暗物質偵測實驗(美國礦坑裡的 LUX 實驗),也傳出了令人失望的結果。

闕志鴻表示,傳統的「重粒子」暗物質觀點近年來飽受天文界質疑,因為其特性與哈伯望遠鏡觀察矮星系( dwarf galaxies )的結果不符,因此學界開始質疑是否該有新的思維,而「極輕」暗物質的可能性便是新思維之一,而這篇論文就是第一個對極輕暗物質提出定量的預測,能與觀測比較並得到滿意的結果,為推翻重粒子理論的重大突破。

闕志鴻進一步說明,這篇論文詳細描述了 Ψ 暗物質粒子的特性,包括波長達 1000 光年、密度較液態水高 100 萬倍、更確定出 Ψ 暗物質粒子的質量,約為電子的 10 的 -28 次方倍。研究團隊也表示,如此輕的粒子,總重量又要佔宇宙的 85% ,是如何做到的呢?這是因為其粒子「密度」必需非常高,在太陽系裡它的密度約為液態水密度的 1 百萬倍。

此時 Ψ 暗物質處於一種特別的凝聚態,稱為玻色 - 愛因斯坦凝聚態( Bose-Einstein Condensate ),且整個太陽系浸泡在這種極度濃稠的液體中,但因為我們跟它的交互作用極弱,所以我們無法感受到濃稠的液體的存在,因此若要直接偵測這種暗物質,就要用到與對撞機完全不同的概念。

由於 Ψ 暗物質具有的一些獨特性質,短期內可藉由更深入的天文觀測來驗證。目前台大天文團隊正在訂定出這些現象的具體預測,諸如重力透鏡、宇宙早期的嬰兒星系、高紅移的氫譜線等,都是量子波動最有可能被觀測到的現象,而這些項目也是未來大型國際觀測的重點計畫。

此外,整個研究關鍵點之一就在於去年由「頎邦科技」捐贈、實驗室同學自行打造的袖珍、平價版超級電腦,,加上 70 年次的薛熙于負責的超高速 3D 動態模擬運算程式開發與結果分析,才會有如此驚人的發現。

薛熙于表示,台大天文物理團隊早在 2007 年就已有 Ψ 暗物質的相關推論,到了 2010 年發表世界上第一個成功將多張圖型顯示卡( graphic processing units )與自適性網格( adaptive mesh refinement )作高效率的結合後,使天文電腦模擬的運算時間縮短近百倍,才開始有具體模擬實驗。畢業後,更進一步把此技術應用到 Ψ 暗物質的研究,成功地將空間解析度提升 20 餘倍,才得以發現孤立子的存在。

新聞來源網址: http://news.ltn.com.tw/news/life/breakingnews/1045139

 


活動訊息_圖示


主  題: 103年教師專業成長研習
授課主題: 光電檢流計製作 DIY
日  期: 103年7月29日
地  點: 中央大學健雄館309室
主  講: 易台生教授(中央大學物理系)
參加對象: 高中/高職 /國中相關物理科教師,名額限定20人
教師進修網課程代碼: 1605537


主  題: 『 2014 中華民國物理教育聯合會議』
日  期: 2014 年 08 月 21 日 ( 四 )~23 日 ( 六 )
地  點: 台東大學知本校區
活動網址:  https://sites.google.com/site/2014phyedu/register
報名網址:  http://prpc.phys.nthu.edu.tw/conference/ 線上報名時間為 5/1~8/11

 

 

主  題: 2014 暑期高中教師奈米跨領域學科研習營
日  期: 103 年 7 月 16 日(三)~ 7 月 17 日 ( 四 )
地  點: 國立交通大學光復校區浩然圖書館 B1 國際會議廳
參加對象: 現職各高中專任教師(預計 70 人)
活動網址: http://www.nano.nctu.edu.tw/2014/menu2.php

主  題: 在童話故事學科學 第一篇:愛麗絲漫遊奇境
日  期: 2014/07/19( 六 ) 14:00-16:00
地  點: 板橋四維分館 B1 演講廳 [  新北市板橋區陽明街 168 號 ]
講  者: 朱慶琪 / 國立中央大學科學教育中心主任暨物理系副教授
活動網址: http://case.ntu.edu.tw/SciMonthly40/sm40blog/?p=6984

主  題: 103 年度科學學習中心種子教師研習
日  期: 103 年 7 月 19 日~ 8 月 20 日(共六場)
參加對象: 高屏嘉南及澎湖地區國中自然科教師為主(每場各 40 名)
活動網址: http://www.nstm.gov.tw/ActEducationDetail.aspx?Cond=5147baca-1c5a-4b56-bcd2-ce4523dbfa04

主  題: 2014高瞻計畫教師工作坊
場次名稱: 科學實驗論文寫作工作坊_物理科   
日  期: 2014-09-20 09:30-16:30
活動網址: http://case.ntu.edu.tw/register/activity.php?sn=87

 


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