2015 四月號
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第113期電子報  出刊日期:1040415


科學新文摘

 

天文物理 黑洞升降機

撰文/布朗(Adam Brown)
翻譯/高涌泉
重點提要

  • 太陽將在數十億年後死亡,為了生存,人類必須找到新能源;黑洞可能是一個能量來源。
  • 「想像實驗」利用太空升降機,以纜繩把升降機廂懸吊至黑洞事件視界附近,來擷取黑洞釋出的輻射。
  • 然而即使我們使用世界上最堅固的材料——弦,也製造不出足以抵抗黑洞事件視界附近強大重力的纜繩。

天文物理  黑洞升降機

有一天太陽將會死亡,因為用於核融合反應的燃料會燒完,太陽系因而變冷。屆時即便地球還能倖存,人類也將陷於無止境的寒冬中。為了生存,我們的後代必須想出備案。首先,他們會消耗地球的資源,接著是太陽系的資源,最後用完可見宇宙一切星系中所有恆星的資源。當一切都耗盡了之後,他們一定會盯上最後剩下的能量儲存處所:黑洞。他們能不能夠從黑洞擷取能量來拯救文明呢?

我在這裡要報告壞消息:這個想法行不通。理由和一些奇異物體的物理性質有關,例如量子弦與太空升降機(科幻小說喜愛的題材)。

虛幻的期待

就表面上來看,從黑洞擷取能量(或其他事物)是不可能的事。黑洞畢竟是被包裹在所謂的「事件視界」(event horizon)內,這是一個只能進不能出的球面,重力場會變成無窮大,任何進入這個球面的事物都無法脫身。於是用來在黑洞上敲出一個洞、然後抽取能量的重球錘,會遭受撕裂,並且被黑洞吞噬;操縱這個重球錘的操作員也一樣不幸。若把炸彈拋進黑洞裡,不但無法摧毀黑洞,反而使黑洞的質量變得更大,因為加入了炸彈的質量。進入黑洞的事物不可能再出來:小行星不行、火箭不行、甚至光也不行。

以上是大家過去的認知。但是霍金(Stephen Hawking)於1974年發表了一篇我認為是有史以來最令人震驚、最可喜的物理學文章,他在這篇文章中證明大家都錯了。霍金以柏肯斯坦(Jacob D. Bekenstein,現任於以色列耶路撒冷希伯來大學)的點子為基礎,證明了黑洞會釋出少量的輻射。若落入黑洞中,你還是會死;儘管不能活著出來,你所蘊涵的能量終究還是可以逃離。這個結論對於想從黑洞擷取能量的人來說是好消息:能量可以逃離黑洞!

能量可以逃離的理由在於奇妙的量子力學:量子力學的特徵之一即是粒子可以穿透本來通過不了的障礙。滾向很高屏障的一個粒子,有時能夠出現於屏障的另一邊。千萬不要在家裡嘗試這件事,不要以為你若撞向一面牆,就有機會毫髮無傷地出現在牆的另一面;只有微觀粒子才比較容易穿透障礙。

量子穿隧效應讓α粒子(氦原子核)逃脫放射性鈾原子核的束縛,這也正是「霍金輻射」能從黑洞釋出的效應。粒子是藉由量子穿隧效應,而不是以激烈碰撞來逃離事件視界無窮大的重力場。(當然,還沒有人看過黑洞輻射,但是由於這現象來自把量子力學應用於彎曲時空,其中的數學推導相當嚴謹,所以沒有人懷疑其正確性。)

因為黑洞會輻射,所以我們或許會期盼從黑洞獲取能量。不過魔鬼藏在細節裡;無論我們如何想盡辦法去擷取這種能量,終究還是會遭遇麻煩。

(來源:《科學人雜誌》 2015年4月)  

更多精采內容請點擊:《科學人雜誌》


活動訊息_圖示

104 年全國高中「學校本位特色選修課程教學計畫及實施」 徵選

  • 全國公、私立高級中學校現職教師(含兼、代課、代理教師)均可報名參加。
  • 教學計畫須為為 99-103 學年度學校實際開設,且已由參選者實施授課之學校本位選修課程(非課綱列舉而依各校特色自行規劃者屬之)。
  • 報名及參選內容繳交期限至 104 年 8 月 3 日(一)止。
  • 詳細內容請見徵選計畫。

104 年選修課程教學計畫徵選實施計畫

104 年選修課程教學計畫徵選報名表

104 年選修課程教學計畫徵選格式


尋找下一個上帝粒子…大強子對撞機重啟

2015-04-06 04:23:08 聯合報 編譯陳韻涵/報導

歐洲核子研究組織(CERN)位於瑞士日內瓦郊區的大強子對撞機經過兩年升級改造,於五日重新啟動,但真正的粒子碰撞最快要到五月才開始。科學家希望藉這次實驗觀察到「標準模型」理論之外的新物質,促成物理學革命。 圖,歐新社
歐洲核子研究組織(CERN)位於瑞士日內瓦郊區的大強子對撞機經過兩年升級改造,於五日重新啟動,但真正的粒子碰撞最快要到五月才開始。科學家希望藉這次實驗觀察到「標準模型」理論之外的新物質,促成物理學革命。 圖,歐新社

歐洲核子研究組織(CERN)位於瑞士日內瓦郊區的大強子對撞機經過兩年升級改造,於五日重新啟動,但真正的粒子碰撞最快要到五月才開始。科學家希望藉這次實驗觀察到「標準模型」理論之外的新物質,促成物理學革命。

英國廣播公司報導,科學家將質子以相對較低的能量,依序注入總長廿七公里、位於地下一百公尺深處的環狀加速管中,讓質子以接近光速的高速對撞,產生次原子遺跡,從中尋找新物質的蛛絲馬跡。工程師未來幾個月將逐漸增加兩束高能質子束的能量達十三兆電子伏特,該能量為大強子對撞機二○一○年首次成功運轉時的近兩倍。

大強子對撞機重啟程序原訂一周前進行,但因電力問題維修而延宕至五日。CERN負責人霍爾說:「恭喜。謝謝大家。辛苦的工作現在才剛要開始。」

愛因斯坦相對論解決重力問題後,科學家建立起「標準模型」粒子物理學理論,描述十七種「次原子粒子」,包括十二種基本粒子和五種「作用子」。CERN科學家二○一二年找到「很像是」有上帝粒子之稱的「希格斯玻色子」;它是最後被發現的次原子粒子,能解釋物質為何有質量,進而解釋宇宙生命的起源。英國物理學家希格斯一九六四年提出這種粒子存在的假設,因而以他的名字命名;由於它難以尋覓又極為重要,因此被稱為上帝粒子。

參與研究的英國利物浦大學物理學教授塔拉.席爾斯說:「我們在過去的實驗中找到理論假設存在的各項物質,我們當然希望此次實驗能出現迄今未知的重大發現。」

為了解開更多宇宙之謎,科學家提出許多超越標準模型理論的新假說,如暗能量和暗物質,進而提出「超對稱理論」試圖填補這類研究缺口,但尚無實驗發現任何證據證明這項理論。

新聞來源網址:http://udn.com/news/story/6812/818678-尋找下一個上帝粒子…大強子對撞機重啟


活動訊息_圖示
主  題:標準化測驗試題發展原則
日  期:103年4月23日(星期四)上午09:00~12:10。
講  師:蕭儒棠博士
地  點:高雄市立高雄中學 科學館3F視聽教室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1759869

主  題:科學史講座(四)
日  期:103年4月28日(星期二)下午14:00~17:10。
講  師:邱韻如教授、牟中原教授
地  點:國立臺灣大學思亮館國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1762512

主  題:基本粒子物理及物質基本作用力
日  期:103年4月28日(星期二)下午13:10~17:10。
講  師:陳傳仁教授
地  點:臺北市立第一女子高級中學至善樓物理實驗室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1762483

主  題:星際效應--玄妙時空理論的絢麗展現
日  期:103年4月30日(星期四)下午13:10~17:10。
講  師:陳義裕教授
地  點:國立臺南第一高級中學 科科教大樓 視聽教室(一)
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1766656

 

主  題:2015年張昭鼎研討會--十二年國教科學課程的深耕與活化
日  期:2015年5月2日(星期六)
地  點:中研院原子與分子研究所一樓 浦大邦講堂
報名網址:http://insc.tp.edu.tw/index/DefBod.aspx

主  題:2015物理人的挑戰研討會
日  期:2015年5月2日(星期六)
地  點:國立成功大學光復校區 國際會議廳第一演講室
報名網址:http://prpc.phys.nthu.edu.tw/conference/

主  題:2015科教新視野
日期地點:北區104年5月23日(六)國立臺灣大學博雅教學館
      南區104年5月30日(六)國立臺中一中科學館
參加對象:全國各級中學自然領域學科教師
活動網址:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=62415
報名網址:請依參加場次至下列網址報名,
     北區:http://goo.gl/mLPPqM
     中區:http://goo.gl/ENuJ0N

主  題:天文望遠鏡DIY
日  期:4/25-26、6/6-6/7(六、日)
地  點:華山 1914 文創園區 東 3 烏梅酒廠
活動網址:http://www.ylib.com/scientific/activity/2015Telescopediy/course.htm

主  題:智慧鐵人創意競賽
報名時間:第一梯次2014/12/15-2015/2/4
      第二梯次2015/3/30- 4/29
參加對象:歡迎各縣市師生組隊參與
報名網址:http://ironman.youthwant.com.tw/apply/tutorial.php

 
 

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