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2013/07/13  |  第247期  |  訂閱/退訂  |  看歷史報份 
編輯推薦 量子在你心
重整你的元素週期表
名家專欄 希伯來語捎訊
科學人新聞 假化石看真相
本月活動 2013/8/3~8/4 天文望遠鏡DIY營隊(200毫米口徑)招生中
量子在你心
撰文/馮貝爾、翻譯/高涌泉

量子理論的某種新觀點,可以去除微觀世界中種種奇異的弔詭,但所付出的代價是:量子訊息只存在於你的想像之中。


量子力學完美地解釋了在各種尺度(從微觀到天文)之下物質的行為,在所有物質科學中,是最成功的理論,但也是最詭異的理論。

在量子領域裡,粒子似乎可以同時出現在兩個地方、訊息傳遞速度可以比光速快,而貓可以同時既是死的又是活的!物理學家已經對這些量子世界中弔詭的事情困惑了90年,但他們現在還是一籌莫展。當演化論和宇宙論已經成為一般知識時,量子理論仍然讓人(甚至許多物理學家)認為是奇特的異常事物;儘管在設計電子產品時,它是很棒的操作手冊,此外就沒什麼用處了。由於人們對於量子理論的意義有著深度混淆,便繼續加深一種印象:量子理論想急切傳達的(關於自然的)深奧道理,與日常生活無關,而且因為過於怪異,以至於一點也不重要。

在2001年,有個研究團隊開始發展一種模型,或許可以去除量子物理的弔詭之處,至少也會讓這些弔詭不那麼令人不安。這個模型稱為量子貝氏主義(Quantum Bayesianism, QBism),它重新思考波函數(這個位居量子弔詭核心的事物)的意義。

在正統量子理論中,一個物體(例如電子)可用波函數來表示,也就是說波函數是一種用來描述物體性質的數學式子。如果你想預測電子的行為,只需推導出它的波函數如何隨時間而變,計算的結果可以給你電子具有某種性質(例如電子位於某處)的機率。但是如果物理學家進一步假設波函數是真實的事物,麻煩就來了。

量子貝氏主義結合了量子理論與機率理論,認為波函數不是客觀實在的事物;反之,它主張把波函數當做使用手冊,是觀察者對於周遭(量子)世界做出適當判斷的數學工具。明確一點講,觀察者了解一件事:自己的行為與抉擇會無可避免地以無法預測的方式影響被觀測系統,因此用波函數來指明自己判斷量子系統具有某種特定性質的機率大小。另一個觀察者也用波函數來描述他所看到的世界,對於同一量子系統而言,可能會得到完全不同的結論。

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重整你的元素週期表
撰文/塞利、翻譯/王心瑩

新元素的發現與合成,填補了化學元素週期表中的空缺,然而完整的週期表,卻失去了原有的「週期」規律!


2010年,俄羅斯的研究人員宣佈,他們率先合成出第117號元素的原子核。這種新型的原子尚未命名,因為科學界有個傳統,在真正命名為新元素之前,要等待另一方的獨立驗證。然而不會有意外了,117目前已在元素週期表上佔據不變的地位。

所有的元素,從1到116,加上118,在此之前都已經發現,因此117填補了週期表底部那一橫排的最後一個空位。這項成就代表著歷史上一個獨特時刻。門得列夫(也是俄國人)和其他人於1860年代創造出週期表時,那是科學史上首次把所有元素整理成序的偉大表格。門得列夫在他的表格上留了好幾個空格,並且做了大膽的猜測:終有一天會有人發現一些新元素能夠填補這些空格。後來又出現許多種形式的週期表,但所有的表格都有空格,直到現在,有了第117號元素,週期表第一次填補完整了。

門得列夫在天之靈很可能對自己的遠見終於實現而沾沾自喜,至少可以持續好一會兒,直到化學家和核子物理學家合成出後續的幾個元素,又需要為週期表增加新的幾個橫排、可能要預留幾個新的空位為止。

然而,即使這張拼圖的最後幾個小塊終於落定,但有些更基礎的問題開始浮現,而這會撼動週期表背後最根本的存在根基:讓週期表之所以有「週期」之名的循環模式。

門得列夫不僅預測了未知元素的存在,更引人注目的是,他正確推測出各種元素的化學性質,依據的便是這種循環模式。然而隨著原子序(原子核內的質子數)逐漸增加,有些新增的元素不再表現出週期定律所預測的性質;也就是說,它們的化學交互作用,例如與其他原子所形成的鍵結方式,變得與表中同一直欄的其他元素不一樣了。原因在於,環繞在最重原子核外圍的一些電子已達到相當於光速的層級,以物理學術語來說,它們已具有「相對論性」,使原子的化學性質變得與週期表所預期的不一樣;此外,要預測每個原子的軌域結構如何擴展排列也變得極度困難。

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希伯來語捎訊
文/曾志朗

全球村不再是一種想像,而是現實。超越鬆散紛亂的民族概念,轉化為包容凝聚的世界觀,絕對必要;溝通、理解、欣賞彼此大不同,才可能建立大同的普世價值。


全球化、全球化、全球化!這個新興詞彙已經成為近年來最夯的口語之一了,打開電腦,上網搜尋一下,五花八門的「全球化」詞條簡直可以把搜尋者的腦袋淹沒。舉凡和生活有關的事務,幾乎每一項都可能產生動「此隅」而影響遠處「他隅」隨之轉動的「蝴蝶效應」。所以,北京天上的陰霾,使得台灣的過敏症者「剉著等」,而蒙古沙塵暴的強度,居然會改變夏威夷海域的漁獲量。當然,我沒有忘記冰島火山爆發,造成香港和台灣旅客夜困歐洲機場的窘境,我自己就身歷其境。世界的自然變化,本來就是全球相連的!

人文、社會生活面更不用說了,政治、經濟、醫療、教育本來就是全球一體的。德國總理打個噴嚏,希臘的失業率馬上升高,而觀光客就怒聲載道了。紐約華爾街的股市崩盤,引起全球金融風暴,大家應該記憶猶新,對前些年香港和中國大陸出現SARS,全球醫療網草木皆兵的圍堵防疫行動,應該也是心有餘悸吧!記得那時候航空業一落千丈,因為全世界的機場空空蕩蕩,旅客稀落。全球化在政治面最明顯的影響,則是2011年由於臉書等全球網路社群的聲援,引爆了「反獨裁、爭民主」的抗暴革命,帶來「阿拉伯之春」!

從科學分析的觀點,這種種自然、人文和社會面向的全球化聯結,其實是反映了科技的進步,導致文明的變遷。很明顯的,社會已經發生「質」變了,全球化的意涵表現在一些和過去社會很不一樣的特徵上。仔細再分析,這些演化上的質變可以濃縮為幾項表徵。

1.不同於以往的傳統社會,人們對知識的汲取與視野,已經從自我局限急遽擴展。這是說人的知識突然變多變廣變複雜,所關心的事務和事件變多元多樣,而且可能是來自遙遠的地方!

2.全球已形成更高層次的系統化,不在系統內的社會,不是被邊緣化而逐漸消失,就是被同化在更大的系統內。

3.網路無遠弗屆,訊息與物質、能量已共同成為社會動脈的核心,尤其前者,已經改變「智慧」的內涵,且形成擴展知識的自發性動能。

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假化石看真相
撰文╱勞森、翻譯╱張亦葳

科學家以人工方式製造昆蟲化石,試圖了解其顏色如何演化。

從在天空飛行到死後成為化石的過程中,遠古甲蟲的翅膀失去了顏色,然後是形狀。在泥沙的緩慢烘烤和緊壓之下,翅膀原本閃亮的綠色逐漸變深,再轉為藍色、靛青色,然後黑色。

如此描述一隻昆蟲由生而死並成為化石的過程,聽起來夠簡單,但卻是古生物學家麥納瑪拉(Maria McNamara)花了幾年時間費盡苦心拼湊出的成果。這位英國布里斯托大學的學者想知道遠古昆蟲的警戒記號、保護色和求偶表現如何演化。或許是因為埋在地底時顏色消失了,大部份昆蟲化石呈現黑色,所以研究一般的化石無法看出全貌。

麥納瑪拉的團隊決定反向操作。他們以人工方式把現存的甲蟲(如上圖)和象鼻蟲的翅膀逐漸變成化石,試圖了解化石化的過程對顏色的影響。他們的研究報告發表於今年4月的《地質學》。

化石化的過程並不溫和。麥納瑪拉把昆蟲翅膀置於池水中18個月,再置於近500倍大氣壓力之下並以270℃的高溫(比多數家用烤箱還熱)烘烤,以模擬被泥土包覆住的殘骸轉變成地底化石過程中的壓力和溫度。研究團隊發現,這個過程把反光的殼層壓碎並壓薄了,因此反射光線的波長改變,從綠色、藍色,再到黑色。

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2013/8/3~8/4 天文望遠鏡DIY營隊(200毫米口徑)招生中
營隊主持人:吳俊輝(台大物理系教授)

地點:華山1914文創園區遠流別境2樓

名額有限,報名從速

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