主宰宇宙的黑暗勢力 (Dark force of the universe)

(Cover Credit: Star Wars) “The Force will be with you… always.” (引述自《星球大戰》電影系列)星戰系列又來了,Star Wars: The Last Jedi 剛剛上年底上映了,大家有沒有去戲院「朝聖」呢?(小弟雖然貴為一介科學界中的小螺絲,但本人其實並不是科幻小說/電影的狂熱份子,本人對星戰系列興趣不大) 小時候看卡通片或電影,永遠都是邪不能勝正,光明必定最終打倒黑暗這套王道故事設定結局。不過這價值觀看來在我們的社會不大適用,尤其在強國/小人當道的XX世界。但原來不止如此,更甚的是連我們身處看似「客觀公平」、浩瀚無垠^的宇宙也不奉行這套價值觀,此刻真正在統治世界的其實並不是你和我這班微不足道的人類,亦不是恆星、星系、光甚或一切現時物理學所熟識的東西,而是一股黑暗的「邪惡」能量 — 暗能量(dark energy)喔! ^宇宙是無垠與否正確說其實沒人知道。愛因斯坦也說:「有兩件事情是無限的,這宇宙與人類可以有幾愚蠢。我不太確定前者。」(“Two

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科學與數學-人類對大自然的理解

愛因斯坦:「這個宇宙最不能理解的事,就是它竟然能被理解。」 科學是理解宇宙的方法。沒錯,而我相信科學是理解宇宙最有效的方法。 科學能理解宇宙,這是什麼意思?何謂理解?如果我們想深一層,「理解」的過程是沒有盡頭的。為什麼我們存在?因為有太陽提供能量給地球上的生命。為什麼太陽存在?因為星塵經由萬有引力結合成太陽。為什麼有星塵?因為宇宙誕生時產生了能量和質量。 那麼,為什麼有宇宙? 每種問「為什麼」的過程,都能夠追蹤到宇宙誕生,包括為什麼今天不小心打破了玻璃杯,其終極原因也是宇宙誕生。同樣,問基本粒子的本質是什麼,最後也只能答「因為宇宙誕生就是這樣啊」。 科學家在很久以前,問的是「為什麼(why)」,答案亦普遍停留於「定性(qualitative)」階段。然而,隨著主要由伽利略等人開始的科學革命,科學家漸漸發現使用數學能夠描述自然定律之餘,亦能做出非常精確的預測。其中,以牛頓萬有引力定律推算出彗星重臨時間的哈雷,最為人津津樂道。由17世紀發展以來的現代科學,變成一門精密的「定量(quantitative)」學問。 科學家學會了去問大自然「如何(how)」運作。這比問大自然 why 這樣運作容易回答,因為問大自然 how to 運作的答案可以用數式、數字,加上統計、歸納觀測和實驗數據而得到,並且非常精確。數學(包括統計學在內)不單止是大自然的語言,更是科學家用來理解大自然定律的語言。 在科學中,「理解」就是數學方程式。不管我們願不願意接受,數學都是描述和預測自然定律最精確的語言。把我們觀察到的數據歸納,以最少的假設建立一個能夠描述這些數據的數學模型,並對大自然作出預測,就是現今科學家的日常工作。 當然,我們可能不會滿足於問 how。人類是求知慾很強的生物,我們渴望知道 why。這也是很多著名的科學家說過的;很多科學家都說我們應該理解數學背後的物理概念,而非單純滿足於公式和數字。 我們會高興地說:「看!愛因斯坦和費曼等科學家都說過,理解物理公式不代表真正理解物理!」且慢。這個結論下得太快了;快點把你寫滿數式的筆記找回來。可能理解物理公式真的不代表理解物理概念,我不肯定;但我能肯定的是,不理解物理公式,就不可能理解物理概念。 會說出「物理不是數學」的科學家,他們之所以會這樣講,是因為他們已經把物理公式理解得相當透徹。他們達到一個層次、擁有的堅實數學能力讓他們是時候向下一步進發:不用數學而理解物理。不過,這一步,誰也不能保證成功,就連愛因斯坦、費曼等人都不可能保證成功。 每個科學家都知道,能夠不用數學就理解的自然定律少之又少;大部分的情況下,人類對自然定律的最終理解就是那堆數式、符號和數字。 這代表我們理解宇宙的嘗試失敗了嗎?非也。能夠利用數學去描述自然定律,還能得到非常不錯的預測,已經是非常厲害的壯舉。如果我們仔細思考,我們甚至會認為這個壯舉厲害得近乎不可思義。例如在2015年探測到的重力波,竟然是愛因斯坦在100年前發表的高度數學化的重力理論——廣義相對論——的預言。又例如在上世紀發展到今天的量子力學,其預測能力只有越來越精準,百多年來無數個實驗測試它都一一通過了。這些科學成就,無不是建立在科學家對物理公式的徹底理解之上。

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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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