新時間簡史

•  科學理論的本質
• 好的理論必須以涵幾項任意要素的模型為基礎, 能對一大類觀察進行正確描述, 並能對未來的觀察結果作明確預測
• 理論只是假設, 永遠無法證明
• 新理論常常是舊理論的延伸
• 愛因斯坦的廣義相對論延伸了牛頓重力理論
• 提出一個包含全宇宙的理論極為困難, 科學家將問題拆解, 提出部分理論
• 每個部份理論只描述與預測某部分的觀察, 忽略其他量值的效應
• 牛頓的重力在探討兩物體之間重力時, 只取決於質量, 與物體組成結構無關
• 今日, 廣義相對論和量子力學, 分別用以說明大尺度和極小尺度的現象
• 兩者存在衝突, 有待解決.
  
  
• 牛頓的宇宙
• 沒有絕對靜止, 所以沒有絕對時間
• 速度依據觀察者的座標而定
• 時間絕對
  
  
• 光速定值
• 馬克士威方程組得到電磁波的波動方程式, 由此解出真空中的光波的速度是一個常數.
• 這意味光的速度, 和觀察者的參考系無關
• 乙太論的解釋
• 光波速度是指相對於乙太參考進行測量
• 而不同參考系統, 會因為參考系與乙太之間的移動而得到不同的光速
• 因此, 由地球上觀測宇宙各處射向地球的光, 應該有不同的速度.
• 但科學觀察顯示, 從宇宙不同地方射向地球的光, 從地球上觀測, 速度一樣
  
  
• 狹義相對論
• 對所有自由運動的觀察者來說, 科學法則都應該相同
• 自由運動的觀察者 = 慣性坐標系 = 慣性參考系
• 涵蓋馬克士威方程式組, 即光速不變
• 從光速不變, 推得時間的關聯性
• 時間膨脹
• 從參照系的角度來看, 當物體運動時, 它的物理/化學變化都會變慢
• 長度收縮
• 從參照系的角度來看, 當物體運動時,  它和運動方向相同的長度會縮窄
• 其他方向不變
• 長度 : 指參考系同時測量其與物體兩端的距離, 相減來得到物體的長度
• 不適用加速坐標系
  
  
• 彎曲的時空 - 廣義相對論
• 等效原理
• 觀測者不能在局部的區域內, 分辨由加速度所產生的慣性力, 和由物體所產生的重力
• 具體來說, 法區別下列兩者無:
• 不受任何重力影響, 宇宙深處的箱子內
• 地球重力場中, 以自由落體下降的箱子內
• 前者屬於慣性坐標系, 而後者和前者無法區分
• 這成為受重力影響, 但是適用狹義相對論的場合
• 強等效原理
• 在時空區域中一點內的重力場, 可用相應的局域慣性坐標系去描述
• 重力不同於其他作用力, 是因為時空不平坦而造成的結果
• 地球在太陽質量造成彎曲的四維時空中, 遵循直線前進, 而在三維空間中看起來像是遵循圓形的軌道
• 實驗證實:水星週期, 太陽透鏡, 水塔實驗
  
  
• 擴張的宇宙
• 距離地球較近的恆星, 可以用視角差算出其距離地球的距離
• 用放射光線的種類, 將這些已知距離的恆星分類型
• 假定同樣類型的恆星有同樣的光度, 那麼從光度和地球接受到的亮度, 可以推得期和地球的距離
• 天文學家觀察到, 其他星系的恆星組成和地球所處的銀河系類似
• 但是恆星光譜多數都往紅色那端移動
• 距離地球越遠的星系, 紅移量越高
• 以都卜勒效應解釋, 其他星系多數在遠離地球, 且距離越遠的遠離速度越快
  
  
• 大霹靂, 黑洞與宇宙演化
• 大霹靂
• 通過廣義相對論將宇宙的膨脹進行時間反演, 得出宇宙在過去有限的時間之前曾經處於一個密度和溫度都無限高的狀態
• 相鄰星系的距離必定為零
• 整個宇宙在一個點上, 時空曲率無限大, 溫度無限大的奇異點
• 奇異點是指一個函數或物理量在某一點的值變得無限大或無法定義
• 之後, 宇宙在迅速膨脹和冷卻.
• 宇宙中的物質和能量相互作用, 形成了第一批恆星和星系
• 黑洞
• 崩塌的恆星形成一個時空區域, 裡面所有東西都無法逃脫到遠方的觀測者
  
  
• 量子重力
• 拉普拉斯的惡魔
• 若知道宇宙中每個原子確切的位置和動量, 能夠使用牛頓定律來展現宇宙事件的整個過程, 包括過去以及未來.
• 科學決定主義
• 紫外災變
• 將古典統計力學的能量均分定理應用於一個空腔中的黑體輻射時, 系統的總能量在紫外區域將變得發散並趨於無窮大
• 能量量子化
• 普朗克假設能量只能取某些基本能量單位的整數倍，這些基本能量單位只與電磁波的頻率有關，並且和頻率成正比。
• 當機本能量超過黑體所擁有時, 光無法發出

• 測不準原理
• 預測一個粒子未來的位置和速度, 需要該粒子當下的位置和速度
• 以光子去偵測粒子當下的位置和速度, 會擾亂粒子本身的能量
• 光子的波長越短, 對於位置的誤差值越小
• 光子波長越小能量越大, 對於速度造成的擾亂就越大.
• 海森堡指出, 位置不確定性 * 速度不確定性 * 粒子質量會大於等於一個固定常數
• 量子力學
• 以測不準原理為基礎, 改造牛頓力學
• 粒子不再具有個別明確的位置和速度, 而是位置和速度組成的量子態
• 從量子態只能計算出可觀察量的機率分佈, 換言之, 也只能預測可觀察量的機率分佈
• 波粒二象性
• 粒子沒有準確位置, 只有機率的分布的性質類似波動
• 單粒電子在雙狹縫的實驗中, 依舊產生如波的干涉現象
  
  
• 蟲洞與時間旅行
• 個體經歷時間變慢可以視為旅行到了未來
• 歌德爾宇宙
• 符合廣義相對論的一種宇宙觀
• 整個宇宙都是旋轉的, 所有物質包括時間也是旋轉的
• 時間曲線在旋轉得過度的情況下就會產生重疊成個圓環時間曲線
• 封閉曲線意味時間旅行可行
• 表明廣義相對論的確允許閉合類時間曲線的存在
• 不符合現在對宇宙的觀察
• 蟲洞
• 愛因斯坦場方程式的特殊解
• 但蟲洞是否真的存在還有待觀察
• 量子場論允許空間某些區域的能量密度相對於普通物質的真空能量為負
• 這意味著負曲面時空
  
  
• 自然作用力與物理統一
• 物理統一
• 尋求單一理論建構出包含宇宙萬事萬物的完整統一理論
• 量子力學中, 物質粒子之間的作用力或交互作用, 都是由粒子所攜帶
• 作用力粒子
• 物質粒子會釋放出一個作用力粒子, 造成的反彈會改變物質粒子的速度, 接著, 作用力粒子和另一個物質粒子發生碰撞, 並且被物質粒子吸收, 造成第二個粒子的運動
• 釋出和吸收過程的淨效應, 造成兩個物質粒子之間的作用力
• 作用力粒子目前分成四類
• 重力的作用力粒子是重力子
• 一種假設的粒子
• 四種力之中最弱的一個
• 可以長距離作用, 且永遠是吸引力, 累加起來產生顯著的作用力
• 電磁力的作用力粒子是光子
• 光子是一種無質量的粒子
• 傳遞電磁波, 包括光, 電磁波和無線電波.
• 帶電粒子是帶有淨電荷的粒子
• 只有帶電粒子才能夠感受到電磁力
• 正負相吸, 同則相斥
• 電子躍遷至不同原子核不同軌道時, 釋放或吸收實光子
• 弱核力與放射能(原子的衰變)有關
• 已經有理論將弱核力與電磁力統一
• 強核力的作用力粒子是膠子
• 膠子可以將夸克結合在一起，形成質子、中子和夸克等強子。
  
  
• 超弦理論
• 同時解釋量子力學和廣義相對論的選項
• 尚處理論而無法驗證