2016 十一月號
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第132期電子報  出刊日期:1051114


科學新文摘

 

問,時間為何物?

人的生活步調越來越快,時間感也不斷改變,但我們對「時間」仍是一知半解,每個人都好奇︰時間,到底是什麼?

撰文/斯蒂克斯(Gary Stix)
翻譯/王道還


時間就是金錢。今天大家都耳熟能詳的這句格言,是富蘭克林在200多年前創造的。新的千禧年,以及過去的幾十年,使這句話產生了真正的意義。在21世紀,時間的價值就像前幾世紀的化石燃料與貴金屬一樣;時間繼續是刺激經濟成長的重要原料,現代經濟就是以每秒兆位元組(TB)與每秒十億位元(Gb)這些單位為基礎,所以分秒必爭,錙銖必較。 

現任於英國蘭卡斯特大學的經濟學教授華克(Ian Walker)曾經為富蘭克林的格言設計了數學公式,以捕捉新千禧年的時代精神。根據此公式,刷牙所花的三分鐘,相當於49美分,換言之,要是一位普通的英國人拿那三分鐘去工作,扣了所得稅與社會安全保險金後,可以賺到那麼多錢。人工洗車半小時,相當於4.9美元。 

這種把時間化約成金錢的方式,也許會把富蘭克林的格言引申到荒謬的地步。但是時間已成為商品,千真萬確,因為我們看待事象流逝的方式,已全盤改變了。人類的基本驅力從舊石器時代以來就沒有改變,都幾十萬年了。人之所以為人,大多基於飲食、男女、鬥爭、避凶的衝動,在原始社群就是這樣了。儘管這些根本的衝動是恆定的,自從我們的狩獵–採集祖先在草原上活動以來,人類文化卻經歷了一次又一次的大變動。從石器時代到資訊時代的漫長轉型期間,最深遠的變化也許以我們對時間的主觀感受為主。 

時間可以定義成事件的連續流,在其中,過去的事一件又一件地承先啟後,與現在的事件、未來的事件銜接。今天,某個時段裡所塞入的事件已無止境增加了,無論間距是一年還是一奈秒;技術時代已經成為一場出人頭地的競賽:多多益善,越快越好。葛雷克(James Gleick)在《毫秒必爭》中指出,聯邦快遞(FedEx)服務在1980年代使郵遞成為家常便飯,而在過去,寄送商務文件是不作興規定「隔夜絕對送達」的。一開始,FedEx的顧客是佔到了便宜,但是不久後,整個世界都期望貨品交寄後第二天早上就要送達。葛雷克寫道︰「每個人都採用『隔夜送達』後,人與人的平等就恢復了,只有大家都加快步伐的態勢不變。」 

全球同步化 

網際網路出現後,就不必再等待第二天FedEx的送貨車了。透過網際網路,每件事在每個地點都同時發生,無論人在何處,只要坐在上線的電腦面前,都能在同一時刻目擊網頁的更新。基本上,時間已經超越了空間。瑞士帥奇錶(Swatch)製造商注意到了這個趨勢,甚至還想廢除分隔各地的時區。他們為網際網路設計了新的計時標準,不採取時區制,而是將每一天分隔成1000個單位,世界各地都標示同樣的時間,以通過帥奇錶總部所在地(瑞士俾爾市)的經線為本初子午線。 

網際網路的數位時計仍在帥奇錶網頁上與時俱進,帥奇錶總部建築的牆上也掛著同樣的時計,但是它成為世界標準時的前景,大概會與世界語一樣;當年許多人提倡世界語做為人類通用語言,可惜壯志未酬。 

暫且不談花招巧思,以網路連線的世界,的確把時區界限給抹掉了,這個成就是我們不斷進步的精確計時能力所創造的。多少年以來,我們測量時段的能力,已經與我們控制生活環境的本事直接相關。計時行為也許可以回溯到兩萬年以前,那時冰河時代的獵人在木棍或骨頭上刻洞,可能是為了記錄月相變化的日程。大概5000年前,巴比倫人與埃及人為農耕或其他與時間相關的活動,製作了曆法。 

早期的時計技術家並不死命追求精確。他們遵循自然的循環:太陽日、太陰月,還有太陽年。日晷只能投影,要是天陰或夜幕低垂,就成了無用的裝飾品。但是,自13世紀起,機械鐘引發了一場革命,對歷史的影響相當於後來古騰堡活字印刷術引發的革命。在以水鐘計時的時代裡,時間的確是在「流逝」。機械鐘出現了之後,時間不再「流逝」了,而是用機械裝置來分割,這個裝置能計算振盪器的敲擊聲。機械鐘經過改良之後,比一秒還要短的時段都抓得出來。 

最後,機械鐘使計時器可以縮小;一旦計時裝置的驅動力不再來自鐘擺而是「游絲」,計時器就能像珠寶一般當做隨身物件了。技術改變了我們對社會組織的感知,「隨身時計」使人能協調彼此的行動。美國哈佛大學經濟史家藍迪斯(David S. Landes)在《時間革命》中寫道︰「暫不論好歹,多虧了機械鐘,關注時間的文明才可能誕生,生產力與性能因此而受到重視。」 

文章來源網址:http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=3229

 
 

活動訊息_圖示

2016諾貝爾物理學獎:拓樸相變和拓樸物質的理論研究發現

作者:張明強 副教授(國立中興大學物理系)

二零一六年十月四日,諾貝爾物理獎頒給美國華盛頓大學的David J. Thouless, 布朗大學的J. Michael Kosterlitz和普林斯頓大學的Duncan M. Haldane,三位得獎人均為英國出身。得獎的理由是『拓樸相變和拓樸物質的理論研究發現。』( For theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter)

拓樸性質起源於數學的研究,也就是在幾何學之外,研究物體被連續變化(比如說延展或彎曲),在不撕開或黏合或挖洞的狀況下,如何從一種幾何形狀變成另外一種幾何形狀的研究。舉例來說一顆球和一個四方體拓樸性質一樣,可以想像球體不斷的變化之後,就可以變成四方體;而中間有一個洞的甜甜圈,拓樸性質和咖啡杯拓樸性質一樣,因為經過連續變化,甜甜圈可以變成有一個洞把手的咖啡杯。

本來拓樸學和物理學關連並不大,直到Thouless 和Kosterlitz 開始研究二維古典系統的二階相變,事情才開始變化。在他們的研究之前,一般人對二階相變的了解,都是來自於金寺堡-藍道定理(Ginzburg-Laudau Theorem)。我們可以考慮一個磁性系統,鐵磁的產生是要有所有小磁鐵磁場指向同一個方向,而順磁性的相態來自於小磁鐵磁場的方向都不一樣,平均起來磁性就為零,我們稱這種小磁鐵磁場都指向同一方向為『對稱性破缺(Symmetry breaking)』。金寺堡-藍道定理完全奠基於對稱性破缺。而二維古典系統,基本上在有溫度的情形下,因為熱漲落(thermal fluctuation)非常強大,所以沒法形成對稱性破缺,因此大家的認定是不會有相變的存在。

這樣的情形也可以由物理量的相關性(correlation)來理解。同樣考慮磁性系統,我們可以考慮相距離很遠的小磁鐵(也稱為自旋)彼此間的相關性,相關性可以理解為當我改變一個自旋,另一個(遠距離)自旋跟著改變的量。我們發現三維鐵磁性(也就是有對稱性破缺)的相態中,兩個距離相當遠的自旋量相關性是一個常數。但在二維磁性系統裡,遠距離自旋相關性會慢慢接近零。且慢,接近零有兩種接近的方式,一種是多項式的接近零,一種是指數的接近零,懂得數學的人知道,多項式的接近零(比如說r-2)比指數的接近零(比如說e-r)要來的慢許多,因此這裡面暗藏著玄機。

Kosterlitz 和Thouless發現,非常低溫的時候,是多項式的接近零。遠距離鐵磁的相關性是多項式的接近零。然後慢慢增高溫度,系統會產生渦漩,而且不是一個一個產生,每次產生都成對,而且方向相反。我們稱為正渦漩或反渦漩,見圖一。正反渦漩會成對出現,剛開始出現不會影響鐵磁的相關性,但溫度越高,渦漩越來越多,溫度高到一個程度,渦漩不再成對出現,而是單獨出現,且渦漩改變遠距離鐵磁的相關性,從多項式變成指數接近零。這樣的相變,並不會有對稱性破缺,而是相關性的改變,我們稱為KT相變』,圖一顯示的就是這樣的相變圖。

圖1 (https://www.nobelprize.org/)

圖1 (https://www.nobelprize.org/)

渦漩其實就是一種拓樸態,就像颱風一樣,渦漩有一個很像颱風眼的構造,此種構造就是類似甜甜圈的洞,我們稱為奇點,見圖中放大區域。Thouless 和Kosterlitz 是第一位利用拓樸性質來解釋相變。後來發現不管在一為或二維系統,比如說超流體相變,KT相變非常重要。也解釋很多低維度系統相變得產生,改變人們對相變的了解。

拓樸物質其實不容易發現,『量子整數霍爾效應』和『分數霍爾效應』在八零年代一一被發現,而且獲頒諾貝爾物理獎。Thouless也持續對拓樸態有進一步的了解,尤其是量子霍爾效應的解釋。Thouless藉由對於拓樸學的了解,將量子霍爾效應跟所謂的『陳省身數』(Chern Number)連結起來。陳省身數可以類比為幾何體有多少個洞,而電子的導電率正比於陳省身數,也就是洞的數目,見圖二。由此增進對拓樸物理學的深層了解,因此他獲頒此次諾貝爾物理獎一半的獎金。

圖二 (https://www.nobelprize.org/)

圖二 (https://www.nobelprize.org/)

量子整數和分數霍爾效應這兩種物質都需要磁場形成藍道層。Ducan Haldane在八零年代提出思考一個問題,就是能不能不用均勻磁場,保持移動對稱性來形成霍爾效應。他提出一個簡單的模型,就是在六角蜂巢模型中技巧加入次近鄰的作用力,如圖三,破壞時間反轉對稱性(time reversal symmetry),就可以不用加均勻磁場產生陳省身數等於一或負一的霍耳效應。

圖三(https://www.nobelprize.org/)

圖三(https://www.nobelprize.org/)

Haldane另一個重要的貢獻,是發現一維系統的磁性拓樸系統。低維度系統,尤其是低維度的量子系統,量子效應要比三維系統來得大。Haldane首先意識到,一維的磁性系統,由於量子漲落(quantum fluctuation)或是量子糾纏(quantum entanglement)非常大,因此產生奇特的現象。因此他開始提出自旋量為一的一維磁性系統,發現這個系統具有拓樸性質,稱為Haldane相態。這是第一個用理論提出的拓樸材質,而且馬上被實驗驗證。這種拓樸材質非常穩定,具有某些對稱性,也就是說一些雜訊只要不破壞這種對稱性,並不會改變拓樸性質,因此我們稱為這樣的相態是『對稱性保護的拓樸相態(Symmetry protected topological phases)』。

這就是拓樸相態的重要性。量子電腦需要用到量子訊息,可惜的是,量子訊息常常因為雜訊一下子就不見,因此我們如果要用到很多量子位元,保持量子訊息很重要。拓樸態,舉例來說,像是一個有洞的物質,而這些洞可以拿來作為量子位元。再舉例來說,我們有一個麵團做的甜甜圈,我們的手可以去改變甜甜圈的形狀,但只要不把洞黏起來,或是打另一個洞,不管我們怎麼捏,一個洞還是保持在那。我們可以想像,雜訊就好像我們的手亂捏,會改變甜甜圈的樣子,但洞永遠在那,也就是拓樸性質永遠不變,這樣的拓樸材質非常適合來當做量子電腦的量子位元。

墊基於這三位物理學家的研究基礎,在最近的十多年,大量的拓樸物質在實驗上被製造與發現,比如說拓樸絕緣體(Topological Insulators),拓樸超導體(Topological Superconductors),和外爾半導體(Weyl Semimetal)。這些新的奇異拓樸物質的發現,大大延展人類可能的科技發展,增加量子電腦的可能性,因此獲頒諾貝爾物理學獎的殊榮。

文章來源網址:http://psroc.org.tw/Bimonth/article_detail.php?classify=c1&cid=149


活動訊息_圖示

主  題:雷達的故事
日  期:105年11月15日(星期二)14:00~17:10
講  師:嚴宏洋教授、趙丰教授
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:2084679

主  題:DNA繞射模擬套組探究與實作課程
日  期:105年11月16日(星期三)09:00~12:10
講  師:賈至達教授
地  點:國立花蓮高級中學
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2094486

主  題:哈伯及當時的科學家
日  期:105年11月29日(星期二)14:00~17:10
講  師:張嘉泓教授、李沃龍教授
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:2068379

主  題:2016數位化科學實驗研討會-107課綱之探究與實作
日  期:105年12月3日(星期六)14:00~17:10
地  點:東吳大學外雙溪校區源流講堂
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2094394

 
科學活動及演講_圖示

主  題:Eye Contact 科學中的視覺傳達
日  期:2016 09/30-11/18 10:00~17:00
地  點:臺大總圖書館 1F 日然廳
活動網址:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=74191

主  題:科學的未解之秘
講  師:陳國亮 教授
日  期:2016/11/20 星期日10:00 至 12:30
地  點:國立科學工藝博物館南館國際演講廳
活動網址:http://freesci.tw:8090/scholarmatch/page.activityshow.action?id=82

主  題:照明世界的光-三五族半導體簡介
講  師:黃金花教授
日  期:2016/12/11 星期日10:00 至 12:30
地  點:國立科學工藝博物館南館國際演講廳
活動網址:http://freesci.tw:8090/scholarmatch/page.activityshow.action?id=84

主  題:人腦與電腦的爭霸戰─由超級電腦到人工智慧之發展趨勢
講  師:黃吉川 教授
日  期:2016/11/25 週五晚間 7:00 ~ 9:00
地  點:國立臺灣大學應用力學研究所一樓國際會議廳
活動網址:http://prospect-speech.blog.ntu.edu.tw/885

主  題:科學教育傳播新途徑國際研討會
日  期:2016年12月2-3日
地  點:國立臺灣科學教育館
活動網址:http://www.ntsec.gov.tw/User/Article.aspx?a=3192&theme=1

 
 

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