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Universe

甚麼是宇宙學?

宇宙學不是天文學 相信很多人大概都知道或學過一些簡單天文知識,好像九大行星(好像改了成八大行星,不管了),知道甚麼是星系、恆星(其實我比較喜歡英文的叫法: galaxy, stars, planets 比起中文甚麼也叫星清楚得多),亦起碼有宇宙這個概念。可是一般人大都不明白甚麼是宇宙學,最多只聽過 Big Bang Theory 、霍金,普遍也認為宇宙學是天文學的分支——小弟當年也是,所以起初報讀錯了物理加天文學課程。 其實兩者有很大差別,天文學主要係研究恆星、星系,行星這些相對規模較小的東西;宇宙學的研究對象是整個宇宙,探索它的結構、起源和演進過程。當然兩者有重疊,關聯的地方,但其實在大部份範疇,宇宙學與理論物理/粒子物理學 (particle physics) 反而更接近(聽過 LHC 吧?),宇宙學亦包括研究相對論在極端情況下的正確性,探討相對論以外的可能性。 現行之模型 宇宙學建基於愛因斯坦的相對論 (General Relativity)

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【科技】通訊系統與數據時代

前言 正謂筆鋒可比利刃尖。作為電子工程系的畢業班學生,本文旨在為讀者介紹筆者對通訊工程與未來科技發展之淺見。 引言 現代數碼社會由一系列的資訊科技及產品建構而成,未來的科研發展更聚焦於龐量數據處理。而通訊系統亦從筆者年幼時(有幸)接觸過的第一代無線電通訊系統(The First Generation of Mobile Communication System, 1G)演變成今天油尖旺區滿街推銷廣告的第四代(4G)。可是,大眾未必會去質疑為何一邊受電訊商鼎力推廣「高速流動數據」、「無限上網」等服務計劃的同時又要一邊付款購買數據吧?在理解所謂「頻譜有價」及其於科研未來扮演的角色前,容我先介紹通訊系統的運作原理。 甚麼是通訊? 就通訊工程學角度而言,「通訊」一詞意指將資訊從一端傳送至另一端的過程。[1] 具體例子包括電話將我的聲音傳送至你的聽筒期間的過程、廣播公司將影像傳送至家用電視的過程,甚或是上課時無聊跟同窗寒喧兩句,都屬於一種通訊。大家不難發現這些例子有幾個共同元素,就是都包含了既定資訊、傳送媒界及一對或以上的發送/接收器。以電視廣播系統為例,電視節目裡的影像及聲音就是既定資訊,傳送媒界則是大氣電波,而飛鵝山發射站及觀眾收看的電視則分別是發送器及接收器。當然,我引用的例子及解釋算是相當甚或過於簡化的比喻,技術上如何界定資訊、媒界及發送/接收器是更複雜的一門學問。再者,數碼系統的通訊更包括多層架構:應用層、傳輸層、網絡層、物理層等,而在物理層中的通訊就是電子工程學的研究範圍之一。 頻譜有價 回顧通訊史,古時戰爭所用的號角聲響及煙火訊號所用的傳送媒界是空氣,而今天無線電頻譜就是流動通訊最重要的媒界。對用家而言,可傳送及接收資訊量當然是越多越快越好。理論上,越闊的頻譜可以越快的速度傳輸,惟無線電頻譜是非常有限的資源,故不可能把大部分頻譜都用於一位用家身上。再者,物理學上越高頻的信號只可傳送越短的距離,故無線電頻譜內偏高的頻譜也非電訊服務的合適媒界。參考通訊事務管理局2017年本港無線電頻率分佈圖,基本上無空置而可用的頻譜。[2] 由於本港的無線電頻譜是以拍賣形式向各電訊商租售,其價值理應可由成交價反映:從數碼通及中國移動於2016年投得頻率的成交價可估算每1MHz無線電頻率於15年的使用權約值5千萬港元。[3] 若以平均年租計,即每1MHz的無線電頻譜價值3.33百萬港元,簡直可謂天價。 數據主導的時代 大數據、人工智能、智能城市等等都是科技發展即將奔往的方向,這些灸手可熱的未來科技都免不了需要大量即時數據處理及支援。而跟據Statista提供的數據及統計,全球更有超過一半的網頁流覽次數是依靠流動網絡支援的。[4]

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淺談 E=mc^2:愛因斯坦 137 歲誕辰

每年的 3 月 14 號是 Pi Day 圓周率日,因為 Pi = 3.141529……。 今天同時也是愛因斯坦 137 歲生日。去年 3 月 14 號,我寫了《拋開常識的學者.愛因斯坦》一文去紀念這位物理學家的 136 歲誕辰。文中我介紹了愛因斯坦的前半生平。關於他的成名之作相對論,我後來也在其他文章了作了簡單介紹,包括《你也能懂相對論》淺談狹義相對論的基本數學和《照亮相對論的光(上)、(下)》介紹了相對論與電磁學的關係。

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地震前兆:地震之前的重力變化?

最近研究人員首次發現並檢測到在地震前地球引力場有短暫的變化。他們亦指出,開發感應器來檢測這種瞬間短暫的重力變化信號,有助開發新的海嘯和其他地震危害的預警系統。 巴黎地球物理研究所 Jean-Paul Montagner 和他的團隊,分析了2011年日本東北地震期間記錄的地球重力和地震數據。在其中,他們發現了到超出背景地震雜訊的信號,信號在地震波到達前幾秒發出,與其振幅與理論模型預測一致。 理論上,地震會引起地球質量的再重整,對地球的引力場產生可觀察的變化。靜態重力變化,在以前已經可以由超導重力儀和衛星重力梯度儀,在地殼破裂結束後長時間後觀察到,而這些變化與理論預測的一致。除了靜態信號,在地震波到來之前,出現在破裂期間瞬間的重力變化,和所產生的即時重力的信號通常非常小,而會因被背景地震雜訊所覆蓋影響而被重力傳感器所忽略。因此,為了增加檢測的機會,有必要考慮在背景地震雜訊低的環境中記錄非常大的地震。 在報告中,研究人員分析了在2011年日本9.0級東北大地震期間,在神岡觀測站的超導重力儀記錄數據和來自日本網絡F-net五個附近寬帶地震儀的破裂期間的即時重力信號。通過統計分析,發現在數據中存在即時重力信號的重要證據。這一項發現,與前述理論預測的信號幅度一致,亦有助開發新一代傳感器測量地震震動的重力前兆,並提供關於地震地殼破裂開始的新見解。 Nature Commun. 7, 13349 (2016) | http://dx.doi.org/10.1038/ncomms13349

真.食自己細胞—2016年諾貝爾醫學獎

日本科學家大隅良典,因發現細胞的自噬機制,獲得2016年諾貝爾醫學獎。他在其出版中闡明了細胞潛在的自噬、降解和回收細胞成分的基本處理機制。 自噬機制究竟是什麼? 在1950年中期,科學家觀察到一個新的細胞隔室,內裡包含能夠消化蛋白質、碳水化合物和脂肪的酶。這個專門隔室被稱作「溶酶體」,而其作用是作為降解細胞成分的工作站。但是直到大隅良典利用麵包酵母設計實驗,闡明酵母自噬的基本機制,並發現細胞中類似的精良「機械」,才確定基因的自噬機制。 大隅的發現令我們對於細胞如何回收其成分有更深的理解,也令我們更理解許多其他生理過程,例如在適應飢餓時自體吞噬的重要性。另外,若達致若干條件,自噬基因的突變亦可能導致疾病,包括癌症和神經系統疾病等。 突破性的實驗 在上世紀七、八十年代,研究人員集中研究用於降解蛋白質的另一個系統,即「蛋白酶」,但這個機制並沒有解釋細胞是如何處理更大的蛋白質複合物和破舊的細胞器,大隅在此研究領域也十分活躍。 大隅當時面臨重大挑戰,因酵母細胞經常用作人類細胞的模型,亦對複雜的細胞生理過程有重要的基因鑑定作用,但是酵母細胞都很小,而其內部結構絕對不容易在顯微鏡下觀察,因此當時他並不確定自噬體的存在。大隅後來仔細思量後,認為如果他能夠在自噬過程活躍時,打斷液泡中的降解過程,自噬體會在液泡內累積並可見於顯微鏡下。大隅的實驗不僅證明了酵母細胞中自噬體的存在,更重要的是,他辨認並描述出參與自噬過程的關鍵基因及其編碼的蛋白質和蛋白質複合物。 由於大隅和其他科學家的努力,我們現在知道自噬控制了降解和回收細胞成分此重要的生理功能。自噬機制能迅速將細胞成分再生,在細胞中的應用相當廣泛:如在感染後消除侵入細胞內的細菌和病毒、協助胚胎的發育和細胞分化,還有消除受損的蛋白質和細胞器。 實驗後的應用 現時,科學家正在研究自噬中斷與柏金遜症、2型糖尿病和其他老年病症的關係。另外,自噬基因的突變亦有機會引起遺傳性疾病和癌症。經過深入研究,科學家正在開發各種疾病靶向自噬的治療藥物。 自噬已經被發現50年,但其在生理學和醫學根本的重要性在1990年的大隅良典的研究發表後才獲承認。這位日本科學家在1945年誕於日本福岡,1974年在東京大學獲得了博士學位。其後在美國經歷了三年後返回東京,1988年建立了他的研究小組,自2009年起成為東京技術研究所的教授。 資料來源 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2016/press.html