讓世界變簡單的日常物理學：徹底了解萬物本...

名人推薦：■好評推薦
Cheap （YouTube知識型網紅）
朱楚文（財經主播／主持人）
簡麗賢（北一女中物理教師）
吳旭明（物理教學影片Youtuber）
科學最前線（科普社群網站）

01▍其實華爾街充斥著物理學家？
相信不少人對於物理學抱持的印象會是「根據脫離現實的設定，被迫進行莫名其妙的計算」。

但是聽到「物理學能用來預測股價」，又會做何感想呢？
原本對物理學興趣缺缺的人，應該也會馬上眼睛為之一亮吧！或許有人對此抱持
懷疑的態度，其實真的有組織是藉由應用物理學在股市大獲成功。那就是一九八二年由詹姆斯．西蒙斯（James Simons）創立的投資公司「文藝復興科技公司（RenaissanceTechnologies LLC）」。這家公司最特別的一點是一百多位職員都不是金融或是經濟背景，多半是物理學、數學或統計學博士。西蒙斯本人也是知名的數學家和物理學家。

他在麻省理工學院取得學士與碩士學位之後，進入加州大學柏克萊分校攻讀物理學博士學位。任教於哈佛與麻省理工學院之後，進入美國國防部非營利研究團體負責解讀密碼。然而他在二十九歲時因為反越戰思想與高層不合，遭到解雇，於是回到學術界，前往紐約州立大學溪石分校數學系任教，在此與數學家陳省身共創偉大的「陳－西蒙斯理論」。

這項理論日後運用於物理學界的「弦理論（這項理論假設構成物質的最小單位不是粒子，而是「弦」）」，西蒙斯本人也獲得美國數學界最高榮譽之一「奧斯瓦爾德．維布倫幾何學獎（Oswald Veblen Prize in Geometry）」。一言以蔽之，他是全球首屈一指的數學家與物理學家。

他是在邁向四十歲之際跨足金融業界，並且在四十五歲時創立文藝復興科技公司。

文藝復興科技公司不雇用金融或經濟專家的理由是人類根據主觀或經驗判斷可能出錯。藉由聚集優秀的物理學家、數學家與統計學家，分析森羅萬象的數據以建構預測模式，透過反覆改善與短期內頻繁交易，發揮驚人的效果。該公司的主力基金「大獎章基金（Medallion Fund）」的平均年投資報酬率將近四成（也就是說投資一百萬元可回收一四○萬元），成立十年以來的市盈率為二四七八．六％。

雇用物理學家、數學家與統計學家，利用龐大的數據定量分析市場動向，獲得豐碩成果的不只文藝復興科技公司。這種運用性能強大的電腦與複雜的數學模式思考投資策略的手法稱為「量化交易」，而負責分析的工程師則稱為「寬客」。

量化交易始於一九八○年代。當時任職於美國太空總署的科學家因為政府削減航太開發經費等影響，被迫放棄火箭開發，進入華爾街的金融或是證券公司，將最尖端的物理學應用於金融業。自此之後，許多量化交易員活躍於華爾街；二○○○年左右，以量化交易為主要投資策略的避險基金逐漸崛起。

儘管如此，量化交易也絕不是萬靈丹。二○○七年八月發生的「量化交易危機」便是原本發揮功效的預測模式突然失靈，造成量化基金全面崩盤。儘管如此，文藝復興科技公司的主力基金依舊交出投資報酬率高達七成的亮眼成績。

隔年發生了金融海嘯，避險基金與投資公司紛紛損失慘重，大獎章基金的投資報酬率卻高漲至八成。

順帶一提，西蒙斯本人雖然已經退休，在二○一六年的避險基金經理人報酬排行榜上依舊名列第一，賺進十六億美金（譯註：折合台幣約四百七五億元）。過去十年也經常高居前十名。

｜重點整理｜
●有家投資公司招募物理學家與數學家等人才，藉由分析數據所建立的投資模
式制定了「量化交易」的投資策略，投資報酬率因而節節高升。

13▍地球為什麼暖化？
這幾年好像每年夏天都會經歷「前所未有的炎熱天氣」。實際上，世界各地的高溫紀錄的確屢屢更新。但是地球究竟為什麼會暖化呢？

從物理學的觀點說明地球暖化，必須先說明暖化與熱能密切相關。地球上的生物需要源自太陽的能量，才能維持身體機能運作。但是一直接收能量會導致地球溫度上升，必須釋放等量的能量才能維持平衡。

地球暖化與低溫化都是因為能量失衡。一般常說「地球不斷暖化是因為二氧化碳增加」。這是因為大氣層中增加的二氧化碳吸收了本來應該釋放到宇宙的熱能，無法適當散發熱能所致。

然而地球暖化其實是多種複雜因素交錯影響的結果，人類尚未完全釐清成因，所以並非減少排放二氧化碳便能防止暖化如此簡單而已。

例如部分研究發現地球暖化與宇宙射線的量有所關聯。宇宙射線來自太空，源源不絕。來自太空的宇宙射線主要成分為質子（稱為「一次宇宙射線」），一次宇宙射線與氮、氧的原子核碰撞，轉換為緲子與微中子等基本粒子（二次宇宙射線），降落在地表。

宇宙射線增加時容易形成雲，反射太陽光，造成地球溫度下降；當宇宙射線減少時，雲的數量隨之減少，導致地球容易吸收太陽光，溫度因而上升。
至於宇宙射線時多時少，則是受到地球位置的影響。

我們生活的地球位於「銀河系」，聚集了二千億個以上的恆星。銀河系是直徑長達十萬光年以上的巨大圓盤。一光年是光前進一年的距離，十萬光年代表銀河系的兩端遠到就算以光速前進也要花上十萬年。

俯瞰銀河系會發現中心處形狀類似棒子，聚集了許多恆星，周圍則是有好幾條由恆星與氣體所組成的螺旋臂。

銀河系和地球一樣，都會自轉。自轉一圈大約是二億年。花二億年才轉一圈，聽起來好像轉得很慢。以地球所在之處為例，一秒便轉動二百公里。由此可知銀河系實在過於巨大，轉這麼快都還要花上二億年。

由於地球與銀河系都不斷轉動，因此地球會進進出出銀河系的螺旋臂。進入螺旋臂時，宇宙射線增加；離開螺旋臂時，宇宙射線減少。部分研究發現「進出螺旋臂的時間」和冰河期、暖化的時期同步。

然而目前的暖化現象與地球的位置是否真的有因果關係，還有待進一步釐清。相較於冰河期等現象，現在是數十年上升好幾度，屬於短期間的小幅度上升與下降。

氣象原本就成因複雜，難以完整說明與正確預測。對於遙遠的恆星為何爆炸等宇宙中發生的現象，物理學不斷提出新的研究成果。氣象問題因為近在咫尺，必須針對地表升高一、二度等微小的變化，提出更詳細的解釋與精準預測。正因為是生活周遭的問題，分析說明更是困難。

｜重點整理｜
●地球接收太陽能量與釋放到宇宙的能量失衡。
●暖化等氣候變化成因複雜，無法以單一要素說明。

39▍曲速引擎和時光機都可能成真？
聽到空間或時間扭曲，相信不少人都會聯想到瞬間移動到遠處的「曲速引擎」和回到過去或前往未來的「時光機」。一般人或許認為兩者只會出現在科幻故事，研究物理學理論的理論物理學家卻認真討論實現的可能性。

時間與空間扭曲代表原本距離遙遠的二點因而拉近，建立連結二地的隧道變成了跨越空間的捷徑。假設時空是二維平面的概念，類似把紙凹成ㄈ字型，建立隧道連結圖示中接近的二點，便能以曲速穿越空間。這種連結空間的隧道稱為「蟲洞」。

然而人類真的能建立蟲洞嗎？
理論上是「可以」。但是蟲洞非常不穩定，容易自行損壞消失。時空越是扭曲，整體越必須承受不同種類的重力而朝上下展延。為了避免感受到超乎尋常的重力，必須擴大到感覺不到扭曲。

實現的第一步是思考如何打造人類得以進出的穩定隧道。麥克．莫里斯（Michael Morris）和基普．索恩（Kip Thorne）發現了答案。

他們兩人是在一九八八年以理論證明在蟲洞凹陷的部分填入具備負能量的物質能保持隧道穩定。具備正能量的物質因為有重力而造成蟲洞收縮，必須利用負能量物質來擴張。

大家看到這裡可能會感到懷疑：「何謂具備負能量的物質？」我們所知道的能量都是正的，所以「具備負能量的物質」是一種假設。除此之外，還必須克服建立隧道與扭曲時空等技術面問題。然而如果真的找到具備負能量的物質，至少理論證明蟲洞可能實現，也能曲速前進到其他空間。

如果人類真的能建立蟲洞，出入口設定為相同時間便能瞬間移動到其他地方，相當於哆啦A夢裡的「任意門」；出口設定為不同時間則成了時光機。目前學者也在研究如何製造這種蟲洞。

請大家回想之前介紹狹義相對論時提到「物體快速運動時，時間變慢」。如果以近乎光速的速度移動蟲洞的出口到入口附近，會發生什麼事呢？

入口處的人會覺得出口處的時間流逝得較為緩慢。例如入口處已經過了十小時，出口處卻只過了一小時。換句話說，穿過蟲洞便能回到九小時以前的世界。人類可以藉由
移動出口的速度與時間長短決定回到多久遠的過去。

就理論而言，回到過去的時光機是可行的。根據廣義相對論，時間與空間都不是單純的直線。因此把時間軸化為環狀，連結過去與未來，原本應該朝未來前進的人會在不知不覺中回到過去。利用蟲洞有機會建立環狀的時間軸。

除了應用蟲洞的思維之外，康乃狄克大學的物理學教授羅納德．梅里特（Ronald
Mallett）認真思考人類是否能以其他方式製造出時光機。

他是正經研究相對論的學者，立志當科學家是為了拯救在他十歲時因為心臟病發作而過世的父親。他發現利用四個強力雷射把時間軸改成環狀的方程式，認為活用該方程式可以打造時光機，目前也實際組裝設備，反覆實驗。
扭曲時空需要足夠的能量，單憑在桌上製造的雷射難以達到相同的程度。至少需要大功率的雷射。但是目前尚未實現並不代表「人類不能製造真的可以回到過去的時光機」。

｜重點整理｜
●曲速引擎與時光機根據相對論都可能成真。
●有學者在研究室嘗試製造時光機。

01▍其實華爾街充斥著物理學家？
相信不少人對於物理學抱持的印象會是「根據脫離現實的設定，被迫進行莫名其妙的計算」。

但是聽到「物理學能用來預測股價」，又會做何感想呢？
原本對物理學興趣缺缺的人，應該也會馬上眼睛為之一亮吧！或許有人對此抱持
懷疑的態度，其實真的有組織是藉由應用物理學在股市大獲成功。那就是一九八二年由詹姆斯．西蒙斯（James Simons）創立的投資公司「文藝復興科技公司（RenaissanceTechnologies LLC）」。這家公司最特別的一點是一百多位職員都不是金融或是經濟背景，多半是物理學、數學或統計學博...

大家對於物理學都抱持什麼樣的印象呢？相信不少人在學生時代留下了好難、學不會、學起來很辛苦的回憶，長大之後繼續過著和物理無緣的生活。
身為物理學者，我覺得這實在是件很可惜的事。學會物理學，映入眼簾的景色和世界都會隨之改變。這絕不是因為我是物理學者才如是說。

回顧歷史，從哥白尼提倡地動說，伽利略因為金星的盈虧等現象而贊成地動說以來，人類所認知的世界便已經出現一百八十度轉變。
據說牛頓看到蘋果從樹上掉落而發現萬有引力定律，人類因為牛頓的發現而明白世界萬物之間都存在引力。

愛因斯坦提出相對論，更進一步證明萬有引力源自時空扭曲——原來時間跟空間都不是永恆不變的絕對存在，過往的常識遭到顛覆。

我專攻天文物理學，藉由調查宇宙全貌來釐清一三八億年前宇宙誕生時的狀態。以現代的尖端望遠鏡觀察遠處的宇宙，距離越長，光抵達該處的時間越久，代表看到的宇宙越年輕。光一秒便能繞行地球七圈半。因此現代的觀測技術可以直接看到來自一百億年前的光。我們平常肉眼可見的星星，其實是來自遠處的光芒，時間可能久遠到是一百或是一千年前。想到這裡，不覺得星星看起來更美了嗎？光線實在是非常有趣的存在。我們以為自己看到的是物體，其實真正映入眼簾的是物體所反射的光。

了解物理學（但是不需要連複雜的計算都懂），便能更深入了解萬物，看見細節，
視野更為寬廣，世界也變得更加美麗。筆者最開心的莫過於有人能透過本書重新感受品味世界。

大家對於物理學都抱持什麼樣的印象呢？相信不少人在學生時代留下了好難、學不會、學起來很辛苦的回憶，長大之後繼續過著和物理無緣的生活。
身為物理學者，我覺得這實在是件很可惜的事。學會物理學，映入眼簾的景色和世界都會隨之改變。這絕不是因為我是物理學者才如是說。

回顧歷史，從哥白尼提倡地動說，伽利略因為金星的盈虧等現象而贊成地動說以來，人類所認知的世界便已經出現一百八十度轉變。
據說牛頓看到蘋果從樹上掉落而發現萬有引力定律，人類因為牛頓的發現而明白世界萬物之間都存在引力。

愛因斯坦提出相對論，更進一...

序言

第一章 物理學改變眼中的世界
01其實華爾街充斥著物理學家？
02物理學真的能用來預測股價嗎？
03真相不見得只有一個？量子論告訴我們世界其實很深奧
04世界上充滿無線電波——為什麼我們收得到電子郵件？

第二章 物理學家的真實身分
05我成為物理學者的理由
06物理學究竟是一門什麼樣的學問？
07世上存在四種作用力
08神岡探測器發現的不是原本預定的結果？
09理論是如何成立？
10愛因斯坦是業餘學者？

第三章 天上的物理學
11為什麼天上的雲不會掉下來？
12為什麼天空是藍色的，夕陽卻是紅色的？
13地球為什麼暖化？
14地軸為什麼傾斜？
15地球為什麼開始自轉？
16地球以外的星球有生命嗎？
17前所未有的行星大發現——如何找到行星？

第四章 我們看到的究竟是什麼呢——光的知識
18紅色為什麼看起來是紅色？
19偏光鏡為什麼能讓水中景象變得清晰？
20電影為什麼看起來是立體的？
21同樣都是紅色，卻不見得每個人看起來都是紅色？
22其實人類常常出現錯覺？

第五章 萬物皆由粒子組成——基本粒子、原子與分子的世界
23燙傷是分子運動害的？
24如何證明原子的存在？
25原子分解之後會變成什麼？
26夸克和夸克——中子和質子如何結合？
27基本粒子來自何處？
28基本粒子永遠不會消失嗎？
29人死了會去哪裡？
30意識究竟來自何方？人工智慧進化了就會有意識嗎？

第六章 時間永恆不變嗎——相對論的主張
31 GPS正確是因為相對論是對的
32何謂「狹義相對論」？
33何謂「廣義相對論」？
34愛因斯坦為何是「天才」？
35如何證明時空扭曲？
36大廈高樓層的時間比較慢？
37相對論推論出黑洞
38黑洞後面是白洞嗎？
39曲速引擎和時光機都可能成真？

第七章 意識可以改變現實嗎——量子論的世界
40為什麼照大量的光不會曬黑，照紫外線卻會曬黑呢？
41何謂「量子論」？
42究竟如何釐清量子「波粒二象性」的奇妙現象？
43太陽光發電是如何把太陽光轉換為電力呢？
44「電子繞著原子核轉」是錯的？
45何謂「量子波」？
46愛因斯坦和薛丁格都無法接受量子論
47球可穿盒而出？
48出現量子電腦就不能用虛擬貨幣了？
49量子運動有三種解釋
50其實世上有無數個平行世界？
51量子論可以說明宇宙起源

結語——因為人類出現，宇宙才會存在？

序言

第一章 物理學改變眼中的世界
01其實華爾街充斥著物理學家？
02物理學真的能用來預測股價嗎？
03真相不見得只有一個？量子論告訴我們世界其實很深奧
04世界上充滿無線電波——為什麼我們收得到電子郵件？

第二章 物理學家的真實身分
05我成為物理學者的理由
06物理學究竟是一門什麼樣的學問？
07世上存在四種作用力
08神岡探測器發現的不是原本預定的結果？
09理論是如何成立？
10愛因斯坦是業餘學者？

第三章 天上的物理學
11為什麼天上的雲不會掉下來？
12為什麼天空是藍色的，夕陽卻是紅色的？
13地球為什麼...