2015 五月號
標頭

第114期電子報  出刊日期:1040518


科學新文摘

 

黑洞火牆

黑洞周圍可能有一堵高能量粒子構成的「火牆」,讓廣義相對論與量子力學都傷透腦筋。

撰文/普金斯基( Joseph Polchinski
翻譯/高涌泉

掉進黑洞從來就不是有趣的事。在物理學家提出了黑洞的相關理論後,人們知道只要太靠近黑洞,死亡便是唯一下場。但是過去我們認為,正在穿越不歸點(亦即事件視界)的太空人不會察覺到任何特殊之處。根據廣義相對論,我們不可能在事件視界立下「只要通過此處,就無法回頭」的標誌,因為任何人通過事件視界時,只覺得掉進黑暗之中而已。  

不過最近我和三位同事重新檢視這樣的看法,依據的是對於黑洞的量子力學效應的一些新研究。我們發現墜入黑洞的太空人所遭遇的情況會與愛因斯坦的預測大不相同,太空人將不會平順落向黑洞內部,反而會在事件視界碰上一堵高能量粒子的「火牆」( firewall ),立即身亡。這堵牆甚至可能意味著空間的終結。  

爭議再起

三年前,我們四人都在美國加州大學聖巴巴拉分校進行研究,同事馬若夫( Donald Marolf )、當時還是研究生的阿姆黑利( Ahmed Almheiri )以及蘇利( James Sully )、我;以四人姓氏的第一個字母依序排列 AMPS 做為團隊名稱。我們利用弦論的想法仔細研究了黑洞的物理學,尤其是再次檢驗霍金( Stephen Hawking )於 1970 年代所提出的有趣論證,而得到上述的結論。  

霍金發現在黑洞這種極端的環境下,量子論( quantum theory )的預測與廣義相對論的預測有很深刻的矛盾。根據霍金的推論,若不是量子力學有問題就是愛因斯坦的時空觀出錯。自那時起,誰對誰錯的爭辯沒有明確的贏家,而是輪流佔上風。  

和霍金的論證一樣,我們最近關於火牆的提議也引起質疑聲浪,不過截至目前為止,也還沒出現令人信服的反駁。如果我們相信量子力學,則火牆是必然的結果,但它的存在會帶來理論上的困惑,目前的情況是物理學家似乎必須放棄某項廣受接納的信念,不過究竟要拋棄哪一項,大家還沒有共識。我們期盼在困惑澄清之後,能夠對於量子力學與廣義相對論有更完備的了解,而且找到一個辦法來解決這兩個主要理論之間明顯的矛盾。  

霍金蒸發

黑洞的概念來自廣義相對論,因為廣義相對論清楚描述了重力對於時空的影響,才得到這些神秘天體以及事件視界的圖像。依據這個理論,只要足夠的質量聚集在一起,重力就會讓這些質量開始塌縮。沒有任何物質可以阻擋這個塌縮過程,直到所有的質量壓縮至一個點上,這個點上的時空有無窮的密度與曲率,稱為奇異點( singularity ),換句話說,它就是一個黑洞。  

任何穿過黑洞事件視界的太空人將無法逃離黑洞的重力,並且很快被拉至奇異點。即使是光,一旦通過事件視界就逃不開了。奇異點是非常引人注目的區域,不過事件視界倒是沒有什麼奇特之處,根據廣義相對論中所謂的「等效原理」( equivalence principle ),自由落入黑洞的人在通過事件視界時,所看到的物理定律會和任何其他區域的定律一樣。理論物理學家喜歡說,現在整個太陽系或許正在落入一個巨大的黑洞中,但是我們不會察覺到任何奇怪之處。  

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人 2015 年第 159 期 05 月號】


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


104年度有效教學、多元評量及差異化教學優良教案競賽

目的
鼓勵教師發展「有效教學」、「多元評量」及「差異化教學」之教案,並運用所發展之教案進行教學,提升教師專業能力及教學品質。

參賽對象

全國高級中等學校教師(含代理教師及實習教師)。

報名方式
報名分兩階段,第一階段為網路報名,第二階段為紙本報名。完成上述兩階段,方完成報名手續。
一、網路報名
請於104年7月10日(五)前於技術型高中工作圈(http://vtedu.mt.ntnu.edu.tw/vtedu/)-五堂課教案競賽專區報名,一件參賽作品登錄1次。
二、紙本報名
(一)一般科目
符合報名資格之教師,將報名表(附件1)、完整教案紙本、電子檔(Word檔及PDF檔)及光碟一式6份,於104年7月10日(五)前郵寄至普通型高中工作圈(26051宜蘭市復興路三段8號 國立宜蘭高級中學 課務發展工作圈)。
(二)職業群科
符合報名資格之教師,將報名表(附件1)、完整教案紙本及電子檔及光碟各一式6份,於104年7月10日(五)前郵寄至職校工作圈(106臺北市大安區和平東路一段129號 國立臺灣師範大學機電工程學系 技術型高中群科課程推動工作圈收)

教案主題
一、以現有課程之內容,須以達成「有效教學」、「多元評量」或「差異化教學」為目標,發揮創意設計教案。
二、各教案設計之教學時間以1-4節為限。

歡迎全國教師踴躍報名參加。
104度五堂課優良教案競賽實施計畫下載: 文件下載


台灣團隊揭露 稀有粒子衰變現象

〔記者吳柏軒、湯佳玲/台北報導〕台灣團隊參與國際研究「大強子對撞機計畫」(LHC),成功揭露十億分之四機率才發生的稀有粒子衰變現象,有助解釋未知的物理現象,甚至有機會探究佔據宇宙廿五%的「暗物質」成分,成果十三日刊載在國際頂尖《自然》期刊。

CMS偵測器所記錄的B0s介子到雙渺子衰變的一個可能事件。紅色曲線為兩顆渺子在偵測器裡的軌跡。(台大提供)
CMS偵測器所記錄的B0s介子到雙渺子衰變的一個可能事件。紅色曲線為兩顆渺子在偵測器裡的軌跡。(台大提供)

有機會揭開暗物質面紗 探究宇宙奧秘

LHC計畫由歐洲核子研究組織(CERN)齊聚全球八千位物理學家,試圖要以強大能量執行粒子對撞,從中找出宇宙生成的奧秘。二○一二年發現物理標準模型的最後一個粒子「希格斯波色子」(俗稱上帝粒子),隔年摘下諾貝爾物理獎桂冠。台灣自二○○一年在科技部支持下,由中研院、台灣大學、中央大學等物理專家組成團隊加入其中。

擔任LHC旗下CMS(緊湊緲子螺管探測器實驗)「B物理」召集人的台大物理系教授陳凱風說,現今粒子物理學的理論並不完美,CMS進行的B介子(B0與B0s)到雙渺子(粒子的一種)的衰變作用實驗,是證明「理論破綻」的關鍵。

中大物理系特聘教授張元翰指出,B0s粒子是構成物質的粒子之一,一旦碰撞飛不到幾公分就衰變,生命比億分之一秒還短暫。過去曾見證過它衰變成其他粒子,而衰變成兩個渺子是第一次。

台大物理系教授侯維恕表示,此研究從美國一九六七年成立的費米實驗室開始,已探究了卅年,過去LHC旗下兩組實驗室CMS及LHCb(底夸克實驗)各有資料,但都未達證明標準。在陳凱風居中協調下,將雙方千億筆的實驗數據分析統合,耗時一年半,終於揭露衰變存在。

張元翰說,發現衰變就如同一個好的工具,可以去驗證新的物理現象。陳凱風說,目前人類僅知宇宙中約四%的物質,另有四分之一依「推論」,應是被未知的「暗物質」盤據。未來若推翻、修訂粒子物理的標準理論,可使人類有機會揭開暗物質面紗,探究宇宙奧秘。

新聞來源網址:http://news.ltn.com.tw/news/life/paper/880347


活動訊息_圖示
主  題:科學魔術中的物理概念與探究歷程
日  期:104年5月21日(星期四)上午08:30~12:10。
講  師:謝甫宜老師
地  點:高雄中學科學館三樓物理實驗室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1778517

主  題:科學史講座(四)
日  期:104年5月26日(星期二)下午14:00~17:10。
講  師:王道還助理研究員、雷祥麟副研究員
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:1790866

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:聲光熱力電演示及動手做
日  期:104年6月4日(星期四)上午10:00~12:30。
講  師:林自奮教授
地  點:花蓮高中物理實驗室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1790712

 

主  題:微阻力腳踏車發電機製作
日  期:104年6月5日(五)13:30~17:30
地  點:虎尾高中至善樓3F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:1787135

主  題:點燃科學星火:新加坡經驗分享
日  期:2015年6月5日(星期六)
地  點:臺大校總區圖書館國際會議廳 (B1)
活動網址: http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=63065

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

主  題:人類史上第一次-菲萊登陸彗星!
講  者:中央大學天文研究所林忠義博士
日  期:2015年6月27日14:10 至 16:10
地  點:國立自然科學博物館科學中心地下樓演講廳
活動網址 http://www.nmns.edu.tw/ch/education/about/speech/

 
 

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