DDS054-「微中子（I）」

本文的目的是給讀者介紹有關「微中子（neutrinos）」研究的最新發展。所謂的「微中子」，指的是一種經由「貝他衰變（beta decay）」，所形成的基本粒子，也就是核反應（nuclear reaction；例如核反應爐、太陽，甚至宇宙「大爆炸」）後的一種產物，但它不同於一般核反應後形成的輻射（radiation），而是以粒子（particle）的形態存在。如同其他許多理論物理學上的重大發現，都是先由理論演繹其存在，然後才由實驗予以證實（例如前文的「黑洞」以及「引力波」，甚至後文將介紹的「引力透鏡」），「微中子」的發現當然也不例外。雖然早在 1930 年代，理論物理學家就預期它的存在，但遲至 1953 年時才被具體偵測到，其間過程也充滿曲折，略述於下：

首先，我們知道，一個「中子（neutron）」經「貝他衰變」後，就能形成一個「質子（proton）」和一個「電子（electron）」。依據「能量守恆定律（the law of conservation of energy；即熱力學第一定律）」，自然界中任何反應，在「密閉系統（close system）」中，其反應前和反應後的總動能（momentum and energy）應維持不變（即相同），但當科學家們實際測量「貝他衰變」前後總動能時，卻發現衰變後的總動能較衰變前為少，似乎有些動能在「貝他衰變」過程中消逝了。

就在科學家們為此現象困惑不解時，已故著名物理學家 Wolfgang Pauli（1900-1958） 提出一個當時（1930 年）連他自己也沒有把握的猜想，那就是：「貝他衰變」後的產物，除了當時已知的「質子」和「電子」外，一定還有另外一個粒子被釋射出來，帶走了那缺失的動能，只是以當時儀器的能奈，還無法偵測得到。〔註一：事實上，即使以今天的科技，要偵測到這「微中子」仍是非常困難的，主要是因為它不荷電、幾乎不具質量、以光速行進，而且又不和其他物質產生任何反應；註二：「微中子」的平均質量為 3.7 eV，不到電子質量（約511,000 eV）的十三萬分之一。〕

下圖（from http://andthejoyofdiscovery.wordpress.com/tag/neutrino/）右上角即是 Pauli 的檔案照片，而圖中右下方的黒㸃，即是 Pauli 所猜測，「中子」經「貝他衰變」後，形成「質子」和「電子」時，所釋射出來的「另外一個粒子」。事隔三年後（1933 年），另一位已故的著名物理學家 Enrico Fermi（1901-1954），才替此看不見的粒子正名為「微中子」。這「微中子」名稱，在意大利文的原義上，即是「中性的小傢伙（the little neutral one）」的意思，後來有同事和 Pauli 開玩笑，把它改為「不存在的中性小傢伙（the little neutral one who isn’t there）」，言下之意即是對此「微中子」的是否真正存在，充滿著質疑。

儘管如此，最終藉由其他理論和實驗的證實（見下文），「微中子」不但存在，而且還是形成宇宙各種物質的三種主要基本粒子（參見前文 DDS003-「2013 年的 Pi Day」的説明）。另外，依其旋轉方式的不同，這些「微中子」可概分為三種： electron neutrino（e）、 muon neutrino（μ） 和 tau neutrino（τ）（見下圖左下方的三個藍色格子：from http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/09/18/the-little-bit-of-dark-matter-we-know/）。〔註一：為表彰他們兩人對「微中子」的發現和後繼的相關研究，Pauli 和 Fermi 最終分別獲頒了 1945 和 1938 年的諾貝爾物理學獎。註二：證實「tau neutrino（τ）」存在的 Martin Perl（1927-2014；1995 年諾貝爾物理學獎得主）不幸於上個月（9 月 30 日）逝世，享年 87 歲。〕

至此，就任何一個重大的科學發現而言，既然有了理論上的支撐，也有了正式命名，接下來當然就是看能否真正偵測到它的存在了。首先，當屬 Clyde Cowan 和 Frederick Reines 兩位物理學家，藉由位在美國南卡羅萊那州（South Carolina, USA），剛新建完工的 Savannah River 核能發電廠，其反應爐的核衰變過程，偵測證實了此「微中子」的確切存在。這項重大的成果，給研究「微中子」的科學家們，帶來了莫大的鼓舞，也進一步帶動了後繼「微中子」的各種相關研究。其中之一即是，探索來自宇宙其他恆星的「微中子」，因為它們也可視同一自然界的超巨大核反應爐，也應同樣地能釋射出來更多的「微中子」。對這些來自宇宙天際的「微中子」，在天文物理學上統稱為 cosmic neutrinos，以有別於來自鄰近太陽或地球上的各種核衰變產生的「微中子」。

果不其然，歷經了近三十年的尋尋覓覓，到了 1960 年代，科學家們在加拿大安大略省礦區（Sudbury, Ontario, Canada），一名為 「Sudbury」的微中子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory；簡稱 SNO），首次具體偵測到來自太陽的「微中子」。該觀測站建在地下約兩公里深的礦坑中，偵測器的標靶（target）為一直徑 12 公尺的壓克力圓球（見下圖；from http://www.businessinsider.com/what-is-a-neutrino-2013-12），內中充填了 1000 噸的重水（D₂O），其外層又注滿了一般的水（H₂O），用來遮阻外來的輻射，在其外圍（直徑約 17 公尺）則裝置了約 9600 個「光倍管（photomultiplier tubes；PMTs）」，用來偵測「微中子」撞擊重水分子的原子核時，所釋射出來光（即「契倫柯夫輻射（Cherenkov radiation）」的通量。另外，Raymond Davis 在美國南達科塔州（South Dakota）的一地下金礦區，也同樣證實偵測到了來自太陽「微中子」的存在。〔註：目前世界上所有有關「微中子」的觀測站，都是深埋在地下至少一公里之處，主要是為了避免，其他如核電廠的反應爐或宇宙射缐來源之干擾。〕（待續）

DDS053-「今年的諾貝爾物理學獎」

〔慟：上周五（10 月 10 日）是台灣海洋學界最黒暗的一天，船齡才不到兩年的海洋旗艦研究船「海研五號」，不幸於當天晚上 8 㸃 11 分，因天候海況不佳，於澎湖龍門外海四浬處觸礁沉沒，造成兩人（中研院環變中心研究員許世傑博士和海科中心研究人員林怡君小姐）不幸罹難，另 5位重傷，11 人輕傷。我們在此致上最誠摯的哀慟和悼念，願逝者安息，生者平安。下圖（上）為「海研五號」之前在海上航行的雄姿，而下圖（下）則為其沉沒瞬間所攝得的最後身影。〕

這篇短文算是「應景」之作，因為上周（10 月 6 日至 10 日）為科學界習稱的「諾貝爾獎周（Nobel Prize Week）」，所有今年的諾貝爾獎得主名單，在該周內依序予以一一公佈。其中星期二（10 月 7 日），即為「物理學獎」揭曉的一天，結果由三位日籍科學家（Isamu Akasaki、Hiroshi Amano 和Shuji Nakamura；見下圖；credit from Nobelprice.org），以發明藍光二極體（blue light-emitting diodes; LED）及其在現代光電科技上的應用，共同獲此殊榮。當然，如同任何獎項之評選，總是難免有遺珠之憾，最後花落誰家，總是「幾家歡樂、幾家愁」，相信對那些未能獲獎的其他被提名人而言，能被提名其實就是一種無上的光榮和肯定，何況以他們在各自領域裡的傲人成就，相信日後還是有機會贏得此項桂冠的，我們在此也先予以最誠摯的祝福。

其次，由於我這個「部落格」所關注的議題，主要均集中在粒子/量子/原子和天文物理的相關領域上，而這些領域也幾乎囊括了，歷年來頒發「諾貝爾物理學獎」的一半以上，因此本文的目的是藉此機會，針對「諾貝爾物理學獎」一些你可能不知道的相關情事，予以條列說明於下，以饗讀者，至於有關「諾貝爾獎」的整體介紹，則請參閲前文 DDS005-「諾爾獎」。

一、所有侯選人的推薦函，均是由「諾貝爾獎委員會」，以邀請方式向相關單位或個人（如過去曾獲得該獎的得主）寄發，任何個人不得自我推薦，而且所有相關資料，依規定得塵封保密 50 年後，始能公諸於世。

二、所有針對各個候選人的各項決議均採多數決，一旦確定受獎人名單後，即不可更換，也不得重提異議或申訴。下圖即為「諾貝爾獎委員會」，從發出推䔍邀請函到各階段審查的時間流程圖（credit from Nobelprice.org）。

三、自 1901 年「諾貝爾獎」設置以來，迄今（2014 年）共頒發了 108 次，其間 1916、1931、1934、1940、1941 和 1942 年，因兩次世界大戰發生或未能有適當人選，並未頒發。另外，由於其中有多次是由多人分享，故總共有 199 人獲此殊榮，但扣除 John Bardeen 分別於 1956 and 1972 獲得兩次，故實際上擁有「諾貝爾桂冠（Nobel Laureate）」的共有 198 人。有關這些得主的完整名單和其獲獎的主要貢獻和成就，有興趣的讀者，可查閱以下該網頁之說明（http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/index.html）。此外，可能正如你所料，在這眾多獲獎者中，以「愛因斯坦」最孚人氣，堪稱家戶喻曉的媒體寵兒（參閲前文 DDS002-「Pi Day (II)」及 DDS009-「愛因斯坦又對了！」）。

四、就每一年獲獎人數統計而言，其中有 47 次頒予單一個人，31 次頒予兩人，30 次由三人分享，主要是因為依「諾貝爾」先生遺言和「諾貝爾獎委員會」之規定：「受獎者必須對物理學有重大超人之貢獻，獎金可由多人分享，但最多不得超過三人」。

五、就所有得獎人的生日（birthday）而言，2 月 28 日和 5 月 21 日最多，依中國人的命理説法，這兩天應算是如假包換的良辰吉日了。

六、依得獎人的歲數而言，迄 2012 年止平均年齡為 55 歲。其中最年青的是 Lawrence Bragg，當時他才 25 歲，和他父親共同獲頒 1915 年的「諾貝爾獎」，而年齡最長者是，2002 年獲頒「諾貝爾獎」 的 Raymond Davis Jr.，當時他已屆 85 歲高齡。另外，「諾貝爾獎」從不頒發給已去逝的人，除非該人在宣佈得獎後去逝，就所有得獎人（不分獎別）而言，紀錄中只有 Erik Axel Karlfeldt（1931 年的文學獎）和 Dag Hammarskjöld（1961 年的和平獎）兩人。〔註：今年「和平獎」得主 Malala Yousafzay，來自巴基斯坦，年僅 17 歲，打破了「諾貝爾獎」有史以來，年紀最輕的記錄，真是英雄出少年，年輕人加油！〕

七、就性別而言，在眾多獲獎者中，只有兩位是女性：分別為 1903 年的 Marie Curie（即我們熟知的居禮夫人，她在 1911 年時，又獲頒了「諾貝爾化學獎」）以及 1963 年的 Maria Goeppert-Mayer。

八、有趣的是，在所有「諾貝爾物理學獎」得主中，有四對父子檔，他們分別是：1915 年的 William Bragg 和 Lawrence Bragg、Niels Bohr（1922 年） 和 Aage N. Bohr（1975 年）、Manne Siegbahn（1924 年） 和 Kai M. Siegbahn（1981 年）以及  J. J. Thomson（1906 年）和 George Paget Thomson（1937 年） 。

九、我們一般也稱「諾貝爾獎」得主為 「Nobel Laureate」，這個 「laureate」 意為「桂冠」，指的是希臘神話中阿波羅神（the God Apollo）頭頂上所戴，由月桂（laurel；學名為 Laurus nobilis）枝葉編織而成的圓形圈環。在古希臘時期，該「桂冠」主要是用來標織運動比賽中的勝利者或詩人的至高榮耀，後來才被引伸至「諾貝爾」得獎人。

DDS052-「我寫部落格的心路歷程（II）」

（承前文）回想我當時決定寫這一系列「部落格」短文的目的，無非是期望能給中文讀者，介紹一些及時的科學新知（見下圖即為最早三篇短文之簡介），而這所謂的「新知」，指的主要是一些長久以來，一直困擾著科學家們的重大科學議題，雖然目前它們還算不上，能完全解決/回答這些問題，但至少在階段性上，有了可受公評的重大突破，甚至新的發現。其實，科學的本質就是「精益求精、日新又新」，何況在解決舊問題的同時，也可能帶來新的課題，如此薪火相傳，生生不息，給人類科學文明的進展，劃下了前所未有的輝煌軌跡。

坦白説，這不是一份輕鬆、討好的工作，為了寫這個「部落格」，我平均每周必須閱讀 20 至 30 篇的科學新知報導和文章，以及其他相關的書籍（累積迄今，也大約看完了近 20 本的電子書），除了閲讀外，我也花了不少時間，分門別類，依不同主題做了詳盡的筆記。這樣過了段時間，等到自己覺得對準備要寫的主題，有了較充分的理解，而且相關資料的搜集，也累積到了足夠的量，其中若有不足或尚有存疑之處，還得再進一步詳查相關資料加以補正，待一切就緒後，才著手開始書寫，完成後再按既定的時程（目前維持每十天一篇），編排到「部落格」上。在極少數情況下，對有些論㸃，我自己也搞不懂，但為求忠於參考的文獻資料，也一定加以註明。科學首重誠實，不能壞了規矩。

我每天花在閱讀、查詢資料和書寫上面的時間平均至少 6 小時，一年三百六十五天（人出國不在台灣除外），既沒周未，也沒例假日。日子也就這般飛逝而過，咋看起來似乎也是相當單調乏味（有人說，我每天固定只會坐在咖啡廳裡寫東西，活的像 75 歲的老人，我想這只是每個人，給自己設定的人生目標不同罷了），但我的內心深處卻是充滿著興奮和快慰，想想還有什麼更好的方法，在書寫和閱讀間，能讓我不但獲得了我想了解的科學新知，更能讓我和這些新知與時共進，對我來說是何其有幸啊！回想我還在唸高中時，曾經一度希望將來自己成為一位作家，也看了許多當時成名作家的作品，後來上了大學又進了研究所，最後走上了科研教學這條路，匆匆也就過了近四十年，這個深埋在心裡的種子，也就逐日萎枯而終，不了了之了。如今能靜下心來，重新拾起禿筆，專注地寫這個「部落格」，也算是對自己「年少輕狂」的一種救贖吧！

前文DDS051-「我寫部落格的心路歷程（I）」提到，我是「糊裡糊塗」的開始寫這「部落格」的，這絕非自謙或誇大之辭。今年五、六月間，我赴美短暫停留，其間也到全美最大的連鎖書店（Barnes & Noble）逛逛，進門後逕直趨前，請問店員有沒和「部落格」有關的書籍，他好心引領我到另一通道上，兩側加起來有滿滿三個書架那麽多，全是有關「部落格」的書，也才知道寫「部落格」，還不是我先前以為的「雕蟲小技」，其中學問可大了。在其附設的咖啡廳裡，和家人喝了杯咖啡後，臨走時也就順手挑了一本入門款的書（Blogging for Dummies by Amy Bair and Susannah Gardner）。隨後斷斷續續翻閲，才知「部落格世界（blog world）」之大，超乎你的想像，阿貓阿狗，各種光怪陸離的主題，應有盡有，任何人只要有意願，無論身處何時何地，都可以「自立門戶」，盡情揮灑，何其快意！

依該書所述，第一個「部落格」始於何時，其實已不可考，但相信大概是在 1994 年，開始時稱為「網路誌 (weblog)」，後來才縮減為「部落格（blog）」。也沒有人知道，現在全世界到底有多少「部落格」（因為有的只是短暫過後，就停止中斷了），但是可以確定的是，每天的增加量非常可觀，例如在 2007 年 5 月時，有 7 千 5 百萬個「部落格」，但是到了 2013 年春的時候，已攀升到近 1 億 2 百萬，以全世界 70 億人口計，平均約每 70 個人，就有 1 個「部落格」，去除小孩和老人，幾乎每 35 個人，就擁有他自己的一個「部落格」，你説瘋狂不瘋狂？所以讀者老爺，千萬不要小覷這個「部落格圈（blogosphere ）」，它可是「大腕」的很哩！事實上，「部落格圈」這個英文字，可和你熟知的地圈（geosphere）、大氣圈（atmosphere）、生物圏（biosphere）這些專用術語平起平坐的，也是你在字典裡，可以查得到的正式英文單字。

該書作者除了教你如何一歩歩建立你個人的「部落格」外，也介紹不少收費和不收費的各種網站，視個人需要和目的可以自行選擇，這收費和不收費的區別，主要在於前者有專業團隊，可以提供更多樣的編輯和客製化版面服務。當然，像我這類「部落格」，純是為了興趣和分享，那就使用免費的網路平台即可。作者也詳述了撰寫「部落格」時，應注意的各種技巧和考量，我算是運氣好，「糊裡糊塗」地也都做到了（當然，永遠有改進的空間）。閱完該書後，我個人深覺受益良多，真是活到老學到老，也算是老狗學了新花樣。記得有部 2009 年拍的老電影（「茱莉和茱莉亜（Julie and Julia）」），就是以寫「部落格」的故事為主題，有興趣的讀者，只要鍵入該影片名稱上網搜尋，即可免費觀賞該電影。

另外，也順便吹噓一下，細心的讀者應可看出，我寫這「部落格」，可是按歩就班，一歩歩來的，一些必要的知識，都盡量在之前的「部落格」文中予以舖陳，好讓讀者老爺你們回頭參閱。你或許會問，那你怎麼知道以後會用到呢？真是大哉問，答案可是簡單不過，老許（我的自稱）就是有這種天份（開玩笑的啦，別當真），我自承是個好的「旁觀者」，但從來不是一個好的「參與者」。說㸃輕鬆的例子，那就是我過去的學生，都會把他們的男女朋友，帶來和我見個面、吃個飯，事後我總是「鐵口直斷（當然只說好的，不能壞了自個兒的口德）」，也因此促成了許多美滿姻緣。另外，我過去看好的朋友、同事，如今也大多發展不錯，有些甚至升官封爵，位居權臣，讓我也感到與有榮焉。

好了，牛也吹過了，算是給大家娛樂一下。現在回到正經事上來，為了精益求精，從 DDS047-「物理常數」短文開始，我把網誌原來的名稱（「黙生札記（David's Essay）」），改為「黙生科普札記（David's Science Notes）」，以更符合我這網誌的內容。其次，版面的配置也做了些許調整，在右側欄位最上方增加了我的「Google+Badge」，便於有興趣的讀者，可以自行㸃入追蹤，我另外在 Google+ 中分享的其他貼文，緊接著在其下方，則依序表列了我Blog 中，㸃閱率最高的五篇短文。在右欄的最下方，也增加了一個我這 Blog 自開始以來的「總瀏覽量」，依據流量統計，目前每篇「部落格」文的閱覽人次已超過 600 人，而 G+ 的每天瀏覽人次則接近 800 人。最後，在每篇短文之末，也增加了一個「意見調查」欄，若你覺得該文還算有益於你知識的拓展，請不吝勾選，並代為轉介。當然，若你有其他評論或指教，則請在其下留言處告之，作為我往後書寫時改進的參考，因為這種廻響，是任何一個「部落格」能存活下來的基本動力。（全文完）

DDS051-「我寫部落格的心路歷程（I）」

「部落格（blog）」就像下幅照片中，那些由磚塊砌成的窗格子，外觀看來大同小異，但是屋裡的世界，因人而異，值得你趨前一窺究竟。該照片是我多年前，在陜南考察明末李自成農民軍，攻陷北京路線圖時，途經一百姓家居的磚房外所攝。該照片，構圖簡單古樸，是我個人鍾愛的攝影佳作之一。

我「糊裡糊塗」自去年三月底，著手開始貼文寫這個「部落格」，累計迄今已達 50 篇了，以每篇三到四千字計（包括圖文），前後加起來也足足有十六萬字之多，也該算是產量豐碩了（見下附註）。雖然如此，即使到現在，有時夜半醒來也是冷汗直流、頭皮發麻，因為，一來我自己從來沒有寫「部落格」的經驗，二來也不知道能寫多久？三來是，連怎麼建立自己「部落格」的基本知識也沒有，就糊裡糊塗粉墨登場，回頭看來，當時也算是「藝高膽大」，所謂「初生之犢不畏虎」，徒具「暴虎溤河」之勇罷了。五十篇了！說多不多，說少也不少，以古人的歲數來說，五十可算過了半百，也屬高夀了。私心裡想，是到了該給自己當時的心路歷程，留下一㸃記錄的時候了，也就特別寫來與讀者你分享。

〔附註：和清康熙時期所編纂的「古今圖書集成」1.6 億字相比，只有萬分之一而已，算是小兒科，實微不足道矣。這部「古今圖書集成」，是自明成祖永樂年間編纂的「永樂大典」（3.7 億字）散失後，現存最完整的類書，規模是「大英百科全書」的三倍多，堪稱中國文化史上的不朽巨作。另一乾隆年間編撰的「四庫全書」，總字數則有近 8 億字，全書分為經、史、子、集四部，幾乎涵括了中國自先秦以來的各個學術思想領域，由於成書後二百餘年來飽經戰亂，僅存的完整原抄本二套，分藏於中國北京國家圖書館和台灣故宮博物院。〕

話說源頭，約莫在去年三月中旬，有天晚上近午夜時分，忙完教研公事後，一個人坐在客廳沙發上，隨意閱覽一些相關的科學報導，其中有篇討論「相對論」的文章，我前後重複看了兩遍，還是似懂非懂。我永遠記得，那時癱坐在沙發上，心情不但跌到谷底，而且只有「悲涼」兩個字可以形容，心想「搞錯了沒有？」自己好歹也是個堂堂「教授」（你知道教授有大牌，有小牌，我是沒牌的啦！），號稱做了一輩子的科研工作，現在居然連這種文章也看不懂，不要說「枉為人師」，簡直連個讀書人最起碼的尊嚴，也蕩然無存了。當時已是凌晨一㸃左右，心有不甘，即刻上網，到亞馬遜網站（Amazon），一口氣選購了七本相關的書籍。還真是要感謝現在這種網路世代，透過雲端，瞬間即已下載到我的電子書（Kindle）上，我飛快的溜覧下每本書的封面和目錄，加上之前選購時，查看書評和內容簡介的時間，這時已近凌晨三㸃，人也夠累了，就起身熄燈就寢。

隔天清早，直奔住家鄰近的咖啡館，邊用早餐，邊喝咖啡，開始詳讀並勤做筆記，這樣約莫過了兩星期後，似乎也開始有了些心得。每天早上進到辦公室後，忙些公事，到了中午時分，就利用吃午餐時間，把這兩天來閱讀後的心得，解釋給我助理謝秀苓小姐聽（她也是我過去指導的碩士生），現在回想起來，真是為難辛苦了她，因為我當時自是説的口沫橫飛，不能自己，但是她的表情，似乎是一臉茫然，但又不得不「虛應」我。這樣的日子，也就一直持續到今年一月底，她離職赴加拿大遊學為止。

接著到了去年三月底，有天早上我進辦公室後，她突然跟我説：「老師，你為什麼不把你講的這些，寫出來和大家分享？」我說：「算了，自己懂，爽就好。要寫，寫給誰看啊？」她說：「你可以寫在部落格上啊！」這是我第一次聽到「部落格」這三個字，我説：「怎麼寫啊？」隨後她就到我桌上的電腦前，教我一步步如何設立帳號和密碼、決定「部落格」的名稱、選擇自己喜好的版面設計，以及書寫的格式和各功能鍵的使用。現在 e 世代的年青人，真是不一樣，碰上各種不同的電子產品，馬上既霊光又有效率，前後判若兩人。

為了確保不出差錯，我們決定先用一篇初稿試作練習，幾經必要的調整和修正後，看來一切還好，接著就把已寫好的文稿，編輯到「部落格」上，這也就是讀者你現在看到的樣子。因此，對我這「部落格」的誕生而言，她可説是厥功至偉，也藉此機會，再三感謝她在過程中的協助和幫忙。我當然也警覺到，每天強迫她當聽眾，是很不道德的，也多次當面向她表達我的歉意，有次她跟我説：「不會啦！老師，我每次晚上出去和友人吃飯聊天時，就把你白天説的轉述給他們聽，他們都覺得我好厲害。」我知道她多少是安慰我，但看著她臉上一抺得意神采，還是半開玩笑的告誡她：「妳最好不要講錯了！」

剛開始時，我基本上只負責書寫，完稿後就以電子郵件寄給她，她再從我郵件裡，編輯到「部落格」上，這樣持續了約兩個月。有一天，我突然想到，這樣下去可不行，因為她還有她負責的工作要處理（出海採樣、分析標本和其他實驗室裡的工作），忙起來的時候，也根本無法及時把我的文稿，編排到「部落格」上去。有天進辦公室後，我就跟她説：「今天妳忙妳的，這一篇從頭到尾我自己來，有問題時再請妳幫忙。」如此這般，我就慢慢逐步把自己寫好的短文貼到這個「部落格」上，過程中偶而還是有些編輯上的小差錯，她也及時的給了我許多協助，直到她正式離職後，我才算是能真正獨立完成這個「部落格」。

說到「寫」，我這「部落格」讀者中，可説個個是行家，容不得我信口雌黃，只是其中辛苦，各自感受不同。有時為了一兩句話，推敲再三，改了又改，總是覺得辭不達意，這時才知道什麼是「筆禿、辭窮」。章節段落的鋪陳和安排，有時也是煞費苦心，刪刪減減，來回調整，連自己也不盡滿意。初稿完成後，也是看了又看，斟酌再三，以為可以定稿了，那知隔天再看時，又覺得用字遣詞還是不到火侯，只好修正重來。碰到文思枯竭，那更是終日惶惶，不知所以，反之，文思泉湧時，當是馳筆急書，不知日之將盡。因此，你要問我，多久才能寫成一篇？我真的很難正確回答你，只能說，快的時候一天可以寫三篇（至少初稿），慢的時候則需一整周。也因為這樣（產率不是很平均也不易控制），我總是得備有幾篇完稿的短文做為庫存，以便青黃不接時，能及時遞補得上，免得開了天窗。另外，我也了解到，這種科學性的短文，一篇四千字，對大多數讀者來說，可能太冗長，閱讀起來也較吃力（甚至乏味），反而失去了我寫這「部落格」的初衷，因此自 DDS044-「引力波（I）」 開始，改為每篇以不超過三千字為原則，希望大家能諒解和苟同。

其實，我個人認為，寫文章好比繪畫，只有作者自己知道敗筆在哪？所以一幅「好作品」往往就是「非賣品」，甚至是作者的傳家之寶，因為作者也心知肚明，好東西不常見啊！因此，對自己誠實最重要，白紙黑字的事，有如血肉之軀，有筋骨有脈絡，要能慎始善終，所謂「神、形、氣、態」，缺一不可，你說是嗎？（待續）

DDS050-「懸而未決的科學問題」

說來也是種巧合，今年四月底，作者 Waleed Al-Husseini 在其「部落格」上為文（http://proud-a.blogspot.com/2014/04/Mysteries.in.Physics.html），羅列了九個，迄今物理學上懸而未決，亟待科學家們繼續深入探討的課題，而這些課題，也正是我這個「部落格」所要闡述的主題，故在此略加彙整，寫來與你分享。當然，其中有些課題，在我之前的「部落格」文中已多所涉及，限於篇幅，除了必要的補充外，就不再加以贅述；至於其他的課題，在此也僅先做一簡要的概述，有關其進一步的詳盡細節，容我在往後的「部落格」中，再予以闡述。

一、什麼是「暗能量（dark energy）」？什麼是「暗物質（dark matter）」？

顧名思義，「暗物質」、「暗能量」指的是宇宙間，那些「潛藏」的物質和能量，就如同暗夜裡，你看不到的景物。下圖所示，即是科學家們相信，就整個宇宙而言，我們可觀測到物質的僅佔 0.4% ，而「暗能量」和「暗物質」分別佔了 74% 和  22%，另外 3.6% 為銀河間的氣體（intergalactic gas），也就是説，我們可觀察到的宇宙（observable universe），就質量和能量而言，僅佔亟小的一部分，實在少的可憐。

「暗物質」不但看不見，也難以偵測得到。但是科學家們能推知它們的存在，主要還是依據它們對可見物質、輻射、甚至整個宇宙結構的引力效應，它們咸被認為主要存在於銀河的鄰近外圍，而且可能是由所謂的「weakly interacting massive particles；簡稱 WIMP」所組成。目前世界上有許多偵測儀器，正在積極探尋它們的存在，但迄未有所發現。

而「暗能量」存在的推論，主要來自兩個方面：其一是，天文物理學家在建構或演繹他們各自的理論模式時，無論如何調整模式裡的參數，還是無法得到一個宇宙必須有的質能平衡狀態；二是，我們知道「宇宙」迄今一直在持續的加速膨脹，我們也知道「引力」的作用會把宇宙的「時空」，向內拉扯（pulling inward），因此一定有一個我們看不見的動力，它能和「引力」相抗衡，並把時空往外推（pushing apart），這個看不見的動力，即是所謂的「暗能量」。一般咸信，這個「暗能量」其實就是「宇宙常數（cosmological constan）」，它是宇宙本身與生俱有的本質，把宇宙向外推拓，宇宙愈膨脹，空間就愈大，這「暗能量」也跟著變得更大，也就是利用這宇宙的膨脹速率，科學家們才能估算它佔了宇宙總質能的 74%，但迄今科學家們還真不知道，該如何著手來偵測它。

二、為什麼有「時間之矢（the arrow of time）」？

          如前文（DDS049-「時間（II）」）所述，宇宙中的「熵（entropy）」，自其形成迄今，永遠隨著時間的推移而增加，這個「熵」值由低變高的趨向，就是我們所認知的時間方向（即「時間之矢」）。因此，根本的核心問題是：宇宙在窄始時，具有那麼高的能量，而空間又是那麼小（即如在「單㸃（singularity）」時），為何「熵（即俗謂的亂度）」卻是處在最低值？

三、真的有「平行宇宙（parallel universe）」嗎？

參見前文（DDS023-「宇宙有多大？」及DDS028-「我們只有一個宇宙嗎？」），「宇宙是平的（flat）」這個看法，已是理論物理學的定論，意思是說，我們現今觀察到的宇宙萬物，只是宇宙依水平方向無限延伸的一部分，但是「量子力學」又告訴我們，在每一個環宇範疇（cosmic patch）裡，粒子（particle）只能有有限的排列方式，因此，若宇宙無限延伸出去，就有無限的環宇範疇，而粒子的排列方式，在此無限的範疇中，就變得必須無限地重複呈現，形成許多與我們類似的宇宙（即「平行宇宙」），這可能嗎？

四、為什麼宇宙中的「物質（matter）」較「反物質（antimatter）」為多？

「反-物質」指的是那些和一般「物質」，具有相反荷電（oppositely-charged）和旋轉方向（oppositely-spinning）的孿生物質。一般假定，宇宙肇始時，這兩者（「物質」和「反物質」）應該同時形成，而且在往後的宇宙演化史中，也應被所有自然律同等看待，但實際上卻非如此，宇宙中的「物質」較「反物質」多得多了，科學家們迄今還沒找到一個合理的解釋。

五、宇宙的最終命運為何？

宇宙的最終命運取決於其質量和能量的密度分佈（即其值的大小；參閱前文DDS023-「宇宙有多大？」和DDS027-「宇宙膨脹說」）。到底其最終的宿命為何，科學家們迄今尚未能有一致的看法。

六、「弦論（string theory）」對嗎？

       「弦論」認為自然界中的基本粒子（參見DDS003-2013年的 「Pi Day」），是由次原子大小的一維環狀物（loop）組成，此環狀物稱之為「弦（string；見下之示意圖；credit：Brian Greene）」，因為它們類似樂器上的弦般，以不同的彈撥方式，奏出不同的音符或音階，以上這些「弦」，即是以不同的振動方式，決定了各個不同粒子的本質和特性。這「弦論」主要是希望能將小尺度的「量子理論」和大尺度的「相對論」融合在一起，共同來解釋宇宙萬物的一種理論（見前文DDS048-「時間（I）」）。問題是該理論僅能在「十維的空間加上一維時間」的時空裡才可行，目前來説，科學家們還無法找到，一個有效的實驗方法去證實「弦」的存在（其大小只有原子大小的10^-21），也因此無法確定該學説，是否為真。

另外，該文作者也提到兩個目前也是無解的問題：即宇宙在混沌中是否有序？以及為何在測量次原子粒子（如位置、速率等等）時，原本描述其性質的「量子波浪函數方程式（quantum wavefunctions）」會驟然無效（collapse）？因為這兩者牽涉到更深奧的數理專業知識，我是門外漢，僅懂得部分皮毛，不敢妄加論述，有興趣的讀者，請參閲該文及其他相關論著。

DDS049-「時間（II）」

（承前文）上文（DDS048-「時間（I）」）提到的「時間之流（the flow of time）」，其實也就意味著「時間」由過去到未來是有「方向」的，也就是所謂的「時間之矢（the arrow of time）」。你可以想像，有天你不心翻落了桌上一杯水到地上（或不小心把一顆蛋掉落到地上，以下推理相同，我就不贅；見下之示意圖；from：http://proud-a.blogspot.com/2014/04/Mysteries.in.Physics.html），你知道你不可能把這惱人的意外，逆著時間反溯回去，也就是説，你不可能讓破碎的玻璃片，回復到原來的杯子，再把杯子從地上放回桌，而且還再填滿了水。你説，這又怎麼樣？讀者老爺你先別急，這裡面的學問可大了！

首先，就「時間」來說，假定你眼看著杯子在空中掉落下來是「現在」，那之前杯子還在桌上時，就是「過去」，而當它墜地破裂水花四濺時，就是「未來」，因此，這短暫單純的意外，不但涵括了由「過去」到「現在」到「未來」的「時間之流」，也同時指出了一個方向（即「時間之矢」的方向），也就是說，你感受到「時間」由「過去」到「現在」再到「未來」，主要是藉由這些事件發生的順序，而這些順序又是不可逆的，你直覺地認為，「時間」不但有「過去」、「現在」、「未來」，而且它的行進方向是從「過去」到「未來」。

其實，以上「水杯翻落」事件發生的順序和其不可逆性，就是「熱力學第二定律（the second law of thermodynamics）」所要表達的精髓。該定律認為，在任何一個封閉的系統裡（closed system），它的「亂度（即熵；entropy）」永遠是隨著時間的漸進而增加。就「水杯翻落」的例子而言，「落地碎裂後的水杯」較「翻落前在桌上的水杯」的「熵」增加了，這個「熵」隨著時間推移而增加的事實，即是所謂的「時間之矢」，換句話說，「時間之矢」的方向永遠是指向「熵」增加的方向，而且永不可逆。

另外，依據霍金（Steve Hawking）博士的見解，自然界中的「時間之矢」共有三種：以上這種「熵」隨時間而增加只是其一，稱之為「熱力學時間之矢（the thermodynamic arrow of time）」，另外兩種分別為「心理學時間之矢（the psychological arrow of time）」和「宇宙學時間之矢（the cosmological arrow of time），前者指的是我們日常生活中，主觀感知的時間方向（由過去到未來；你記得過去，但不可能記得未來；先有父母才有子女；先有生才有死），而後者指的是宇宙由窄始形成迄今的持續膨脹。最重要的是，以上三種「時間之矢」其實都是指向同一個方向〔霍金博士在其「時間簡史（A Brief History of Time）」一書中，有詳盡論述，有興趣的讀者，不妨自行查閲；該書在英國倫敦，除聖經和莎士比亞巨著外，連續 237 周列名最暢銷書之一。〕

俗話說「有始有終」，那麼「時間」是從什麼時候才開始有的？先不管「心理學之矢」，單就「熱力學之矢」和「宇宙學之矢」而言（因為科學首在摒棄個人的感官認知），「時間」當然始自「熵」在最低的狀態，而就宇宙起源來説，「熵」的最低狀態就是在宇宙「大爆炸（the Big Bang）」窄始前的「單㸃（singularity）」，也就是説，「時間」始自宇宙形成之初，也就是說，有了「宇宙」才有「時間」，兩者唇齒相依，共伴而生。既然有了「始」，接下來要問的當然是：「時間」的「終」在哪？也就是説，當宇宙膨脹到了極限，所有能量（主要指的是「暗能量（dark energy）」）也都耗盡了，這時的宇宙也就不再膨脹了（等同毀滅了），這時與他俱存的「時間」，當然也就隨之終止了，換句話說，「時間」始自「宇宙」形成之初，終於宇宙毀滅之際。

但是，當宇宙不再膨脹時，宇宙中的萬物因「引力」作用，開始聚攏滙集，宇宙開始反向收縮（contracting），使得「時間」開始倒轉（有如你把錄影帶倒轉回去），所有曾發生過的事情也跟著一一逆轉了：已破碎的杯子，又還原成完好如初的放在桌面上；先有子女再有父母；你變得愈來愈年輕，甚至先老死再出生。你當然知道這是完全不可思議的，以上的推理到底出了什麼差錯？

其實，你的困惑和整個問題的癥結在於，我們所認知的「心理學時間之矢」的方向，主要來自宇宙的持續膨脹（即「宇宙學時間之矢」）和「熵」由最小值趨向最大值（即「熱力學時間之矢」），當這兩者停止改變或反向進行時，這個所謂的「心理學時間之矢」，也就跟著不存在了，因此，你擔心的問題是不會也不可能發生的。當然，更深一層來說（見下註），科學家們相信，我們「生命」之所以存在，也是因為宇宙的持續膨脹和「熵」由小變大所致，宇宙不存在了，「生命」當然也就不存在了，而既然生命都已經不存在，我看你也就不必費心去操煩這些問題了。

〔註：有關生命源自「宇宙」的論述，請參閲前文 DDS010-「我們都是宇宙的兒女」），至於生命和「熵」的增加間的關連性，可做如是解：首先，為了活命，我們必須進食，而食物本身就是一種「有秩的能量（an ordered form of energy）」，經過我們的生物代謝系統，把這能量轉換成「熱能（heat）」，而這「熱能」就是一種「無秩的能量（a disordered form of energy）」。因此，我們生命之所以能存在，就是因為它從一種「有秩的狀態（an ordered state）」，進行到一種「無秩的狀態（a disordered state）」（即「熵」由低變高），而「宇宙」之持續膨脹，也是由最初「單㸃（singularity）」的「有秩狀態」，進行到目前的「無秩的狀態」，因此，生命只能存在於持續膨脹的「宇宙」中，若「宇宙」開始收縮，生命就不可能存在了，這也解釋了為什麼「熱力學之矢」和「宇宙學之矢」，指向同一方向，而且這種趨向「無秩狀態」，不是因為「宇宙膨脹」所造成，是因為「熱力學熵」的增加而造成，生命也因而得以延續、存活。〕

最後，想要説的是：人生苦短，生命就此一次，好好努力充實自己的每一天，「生」是「過去」，無法改變重來，「死」是「未來」，無法預知掌握，安心快樂的活在當下（「現在」）吧！也就是美國影星 Mae West 所説的「你只活一次，要是能活的好，那一次也就夠了！」（見下圖；from GrowWiseGrowMoney.com），願共勉之。

〔附註：對於「熵（entropy）」定義有興趣的讀者，不妨瀏覽閱讀以下連結的短文：https://plus.google.com/114061131076177853156/posts/JkxMfuhvj2e。〕（全文完）

DDS048-「時間（I）」

〔註：下幅照片是我多年前在美國紐約曼哈頓中央車站（Grand Central station）所攝，該時鐘典雅厚重，不愧為該車站膾炙人口的標誌，因其和本文即將探討的主題「時間」相契合，故就擇其用之以饗讀者。其實，要是寫部落格文，沒有圖片㸃綴，版面的鋪陳似乎就少了那麼一味，所以也就姑且用之，讀者老爺就莫多怪。〕

 如前文提及，我從二月「下崗」以來，什麼都不多，就是時間多。對於深埋心中一些自懂事上了學堂以來，就充滿好奇的科學/哲學問題，開始做了一番思考，其中之一就是「時間」，「時間」到底是什麼？不像其他「物理量」（如質量、長度、溫度，甚至空間），那麼具體可以掌握，「時間」這物理量似乎總是讓人覺得虛無漂渺了許多。

比方說，我們一般人對於時間、日子過的很快，常以「光陰似箭」、「歲月如梭」來形容，反之，日子不好過，過的慢，又有「度日如年」的說辭，這種個人對「時間」快慢的不同感受，當然無可厚非，也沒什麼好大驚小怪的。但是，跳脫這種個人的感官認知，從物理學的角度來看，問題就來了，而且還不少。例如，以上提到對時間快慢的感受，就牽扯到了「速率」這個概念，而速率是以單位時間來計量的，例如，車速每小時六十公里，以 60 km/hr 表之，風速每秒六十公尺，以 60 m/sec 表之等等，也就是以「距離除以時間（距離/時間）」表之。你看問題來了，要計算時間的快慢，你就得以「時間除以時間（時間/時間）」表之，結果是沒有單位的純數字（因為分子分母的單位都是時間，被消除了），變得毫無意義了，因此，形容時間快慢，只是一種主觀的意念，並非客觀的真實。

其次（以一天為例），假若我們把「今天」設定為「現在」，那「昨天」就是「過去」，而「明天」就是「未來」，你也知道，昨天發生的事情是無法改變的（物理學上的用語是 fixed），而明天將發生的事情也還沒到來（物理學上的用語是 open），這個「過去」、「現在」和「未來」，看似獨立存在、互不干連。但是深一層來想，卻又覺得怪怪的，因為你明明知道，你現在的「今天」，到了「明天」，就成了「昨天」，而當時的「明天」，卻成了「今天」，如此不斷推移，沒完沒了（the present is constantly updating itself）。另外，我們常説的「午夜十二時（midnight）」，其實也是一個耐人尋味的時間㸃，因為它既標誌著一天的結束，但也是另一天的開始。因此，「時間」由「昨天」到「今天」再到「明天」，似溪流般連綿不絕，無法切割，形同所謂的「時間之流（the flow of time）」。

你可能認為以上所說還好嘛，「時間」的確像是流水般的向前（未來）流去。但是請先別急，再看看下面的例子：設想我們約好「明天」下午去看場電影，隔天早上有另外一位朋友，臨時約你下午去逛街，這時你跟你朋友説：抱歉，我已和別人約好「今天」下午去看電影，再過一天，你又碰到這位朋友，你再三向他道歉說：實在不好意思，「昨天」下午因為我已和另一位友人約好去看電影，所以無法陪你逛街。你看，問題來了，明明只有「看電影」這一件事，怎麼會出現在「明天」、「今天」、「昨天」呢？也就是說，一件事情（看電影）怎麼可能出現在三個不同的時間㸃（昨天、今天、明天）呢？何況你清楚知道「看電影」絕對是「有其事的（real）」，因此合理的辯證應該是，這個「昨天、今天、明天」，絶對「不可能是真的（unreal）」，也就是説，以上所謂「時間之流」，也就不可能是真的了（The flow of time is unreal, but time itself is real）。

其次，你也知道太陽和我們地球的距離，以光速計大約為八分鐘，意思是說任何發生在太陽上的事情，我們在地球上要八分鐘後才知道，這也就是説，我們「現在」觀測到在太陽上發生的事情，對太陽來說已是「過去」了。同理，火星距我們地球約二十分鐘光速的距離，我們「現在」接收到任何來自火星的訊息，實際上已在二十分鐘前發生了（即已是「過去」）。以上這兩個簡單的例子，清楚的告訴我們，我們所認知的「過去、現在、未來」，完全是相對又主觀的，在物理學上是毫無意義的，這也就難怪有許多物理學家認為「時間」，只是一種幻覺（illusion），更沒有所謂的「時間之流」（Time doesn't flow at all）。

因此，針對以上這些紛擾，就有科學家提出所謂「時間景觀（timescape）」的看法，認為「時間」就如同自然景觀（landscape）一樣，你一眼望去，有山、有水、有小橋，它們同時俱在，也同時映入你的眼簾，對「時間景觀」而言，「過去、現在、未來」三者，其實是同時俱在的，也同時浮現在你的腦海裡，而且當你談論它們時，你必須是置身於「時間」之外，因為就像你站在岸邊觀看溪流，見它由一方流向另一方，但是你要是也是水的一部分，你當然無法辨識水的流向，這也就應了宋朝大詩人蘇東坡，在其《題西林壁》詩偈中所説的：「不識盧山真面目，只緣身在此山中」。

至此，暫且先不辯證「時間」是否真的存在，但在現代物理學裡，它看來確是多餘的（redundant），因為描述一個物理量的改變，其實是不需要「時間」這個參數的。最有名的例子就是在 1960 年代，已故著名物理學家 John Wheeler 和 Bryce DeWitt，在探討一可能結合「相對論」和「量子力學」的「宇宙萬物律（Theory of Everything；見下註）」時，赫然發現一個非常怪異的結果：他們導得一個稱為 Wheeler-DeWitt 的方程式（Wheeler-DeWitt equation），該方程式居然沒有「時間」這個變數，也就是説，「時間」在這公式裡居然消失了，這也就意味著，要解釋宇宙萭物，並不需要「時間」這個變數。因此，我們今天認知的「時間」概念，其實來自虛無（Time emerges from timelessness），「時間」是根本不存在的（Time has no place in a truly fundamental theory of physics）。

〔註：「相對論（Relativity）」指涉的是宇宙間「大尺度、高質量」的範疇以及其引致的相關「引力」效應，而「量子場論（Quantum Field Theory）」則涵括了其他「小尺度、低質量」以及其他「自然力（即「電磁力、強力、弱力」；見前文 DDS004-「數學之美」）」。雖然兩者在其各自所指涉的範疇中，均能完美解釋其相關的物理現象，但想要把兩者相結合在一起，特別是在「大尺度、高質量」的情況下（例如，在「黑洞」的內部和「宇宙」形成窄始之時）卻顯得格格不入（mutually incompatible），滯礙難行。因此，近代物理學家們深信，我們目前所認知的宇宙萬物（大到各種銀河星系，小到各種次原子大小的粒子）一定有一個更深層、更單一的物理定律（即所謂的「萬有律（Theory of Everything，英文縮寫為 ToE）」）予以規範。〕（待續）