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藏在一分一秒之中的許多秘密

【每週讀好書】
文 / 一流人    
2016-12-22
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藏在一分一秒之中的許多秘密
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本週推薦好書:《時間之冪》/作者:特胡夫特、范都仁/天下文化

書籍介紹:

以10的冪次方為尺度,

蒐羅各式各樣有關時間的紀錄,

解答各種關於時間的秘密。

作者以令人耳目一新的方式,把天文學到生物學的奇聞軼事、音樂與運動領域的歷史掌故……統統編纂起來,並把重心放在作者最擅長的宇宙學和粒子物理學。不管是逐頁展讀、還是隨意瀏覽,在閒暇之餘,隨手拿起來翻閱,都能徹底的體會到非常愉悅的閱讀經驗、同時更能驚嘆到我們所處的世界之奧妙。

本書完全傳達了費曼所讚嘆的「我們這個宇宙真是無比奇妙」。

書摘搶先看:

自然現象及其時間尺度

時間是大自然的本質。在自然科學領域,時間更是一個不可或缺的參數。「時間」這個詞有兩個含義:一個是「時刻」,意思是在時間軸上的某個點,或是某件事發生的瞬間;另一個含義是「時距」或「時間間隔」,意指兩個時刻之間的一段時期。時距可長可短。在我們的世界裡,在長短不一的時距裡,存在著許多令人驚奇、甚至超乎想像的自然現象。例如,目前的電腦科技,在1秒內,便可以進行上百萬次、有時甚至是數十億次的計算。另一方面,有些自然現象卻需耗時數百萬年。物種演化就是一例,由於演化的速率是如此緩慢,使我們幾乎無法察覺演化的存在。

近代自然科學的進展,分別從兩個方向,向我們展示了比上述兩個例子更為極端的自然現象。在微觀世界裡的一些微小粒子,它們在運動速率上,已經遠遠超過當今最快速的電腦了。而在巨觀世界裡,當我們考慮行星、恆星或整個星系的年齡時,這些動輒長達數十億年的光陰,簡直讓人無法想像。科學家認為,他們幾乎已經可以確定宇宙的真實年齡;然而,這個看似永恆的極長時間,絲毫無法阻礙物理學家的好奇心與研究工作。

1 1 

秒(second)這個字,是從拉丁文的 secundus 或 gradus secundus 而來,意思是「第二步」或「下一步」。羅馬人把 白天的時間分成12小時之後,第一步就是把1小時再分成60分鐘,第二步就是把1分鐘再分成60秒。

大多數的機械鐘錶,大約每秒滴答一聲。荷蘭物理學家惠更斯,引進單擺來改善計時的精密度。單擺來回擺動一次所需的時間,基本上取決於單擺的擺長,而與它的振幅或擺動方式無關。這就是為什麼,相對而言,擺鐘上的指針較容易精準的、以固定速率在鐘面上轉動的原因。擺長99 公分的單擺,來回擺動一次需時2 秒。因此,時鐘的擺長大約需要1公尺長,來完成「1 秒滴、1 秒答」的計時要求:每擺動半次,剛好是1 秒的時間。當然,個別鐘擺的長度會略有差異,在某種程度上,這與它的造型(如重心位置)有關,但無論如何,它都必須精準完成「1 秒」計時的工作。

時鐘的滴答聲,反映出人類對於刻畫光陰的本能需求,它讓我們有個可靠的單位—— 秒,來測量生命中每個飛逝的瞬間。在現代科學裡,「秒」是時間的基本單位。相對於其他可觀測的物理量,時間可以更精準的測量。為了可以準確測量、以及定義「秒」的含義,我們使用了最精確、最可靠的時鐘:原子鐘。

歷史上,人們曾經認為地球自轉一周所需的時間是固定的。因此,正如羅馬人所做的,我們把一天平均分成24小時,每小時裡有3,600 秒,所以「1秒鐘」相當於地球自轉一周所需時間的八萬六千四百分之一。然而,地球自轉的速率並不是那麼固定不變的。

大氣、海洋、極地冰帽的運動,都會引起一些雖然很小、卻足以觀測到的變化。因此對於「1 秒」,我們還需要一個更準確的定義。

今天,我們所使用的時鐘,是根據銫133原子鐘來校準的。我們可以激發這個原子的電子,使其振動,而其振動頻率非常穩定。由於這個特性,我們現在定義1 秒鐘為銫原子振動9,192,631,770 次所需的時間。現代的原子鐘非常準確:每一千萬年的誤差,不會超過1秒鐘。(關於這個主題,請參考第38 章。)

0.86 

人類心跳一次的平均時間

心臟是讓攜氧的血液流經我們身體的幫浦。在休息的時候,人類的心臟大約每秒跳動一次。平均來說,男生每分鐘的心跳是70 次,女生則是75次。運動員的平均心跳次數稍低,每分鐘約40 次;至於不常運動的人,平均心跳則大約是80 次。當我們焦慮或是激烈運動時,心跳可以高達每分鐘200 次。當年,阿姆斯壯(Neil Armstrong)在登陸月球的那一瞬間,應該是情緒非常激動的,所以心跳速率非常快,導致他全身僵硬,難以活動。

現在我們來仔細來看看人類心跳「噗通一下」的過程:在初始階段,心臟是放鬆的,而且兩個心房都充滿了血液。右心房裝滿了由腔靜脈流進來低含氧量的靜脈血,左心房則是裝滿了由肺臟經由肺靜脈流進來的高含氧量新鮮血液。然後,心房開始收縮,讓血液經過心房與心室之間的瓣膜,流入心室。接著換心室收縮,把血液打出心臟;此時,主動脈瓣與肺動脈瓣必須打開。而區隔左右心房之間有些小肌肉,右邊的是三尖瓣,左邊的是二尖瓣,可防止血液從心室逆流回心房。充氧血經由主動脈流往全身,然後,經由較小的動脈進入身體的各個器官與組織。缺氧血則經由腔靜脈帶回右心房、右心室,然後進入肺動脈流回肺臟,再次補充氧氣。

心跳的動作到此告一個段落,而下一個心跳循環則即將開始。心臟在不到1 秒的時間內,便完成了如此複雜的動作。心臟有一個天然的心律調整器,稱為竇房結(sinus node),控制著心跳的基本頻率。它是位在右心房壁上的一條特殊的肌肉。竇房結週期性的釋放出電流脈衝,迫使心臟收縮。當有劇烈的體能活動或焦慮時,肌肉與其他器官就需要透過血液,而得到較多的氧氣。當人體有這個需求時,竇房結就會讓心房與心室更快速收縮,導致心跳加速。

光秒

在真空中,光在1秒的時間可以行進299,792,458 公尺的距離,換句話說,這是1光秒的距離。1光秒或1光年所指的不是時間,而是用來測量距離的單位。今天,由於光速可以被精確測量,所以我們定義1 公尺為光行進299,792,458 分之一秒的距離。在本書的其他地方,我們還會比較光在不同的時距,所行進的距離。

10 

在英文裡,「10 秒」另有ㄧ個獨立的名詞叫decasecond。Deca 是從希臘字deka 而來。常見的字首deci 則是源自希臘字的decimus,意為「十分之一」。在正式的英文計數名稱裡,十(deca)、十分之一(deci)與百(hecto)都消失了,只有以千為倍數的數字有名稱。

9.58 

世界紀錄,男子百米田徑(2014年)1912年7月6日,美國田徑選手利平科特(Don Lippincott)在百米徑賽中跑出10.6秒的佳績。之後,人類花了近五十年時間,才減少了0.6秒。西德的選手哈里(Armin Hary)在1960成為首位達到「10秒」這個里程碑的人。稍後不久,1968年,另一位美國選手海恩斯(Jim Hines)以新的世界紀錄9.95秒,突破10 秒的關卡。

2009年8月,短跑選手以9.58秒,再次刷新世界紀錄。牙買加選手柏特(Usain Bolt)是目前世界上跑得最快的人,他於2009年以百米9.58秒的成績,成為新的世界紀錄保持人。以短跑選手而言,身高196公分的他,稱得上是「長人」。由於他的腿相對較長,在起跑時並沒有優勢,但是當他達到極速時,步幅長達2.44公尺。因此在整個百米過程中,比起其他跑者,他少跑了三或四步:在他最好的成績那次,柏特只用了41步就跑完全程。他最快的瞬時速率是時速44.72公里。

眾多運動員在將近一世紀的時間裡,讓百米徑賽的成績整整減少了1秒:平均每十年進步0.1秒。這個佳績,歸功於訓練、營養及運動員體能的進步。

10.18 

從508 公尺高,自由落下到地面所需的時間

臺北101 大樓,樓高508 公尺。如果我們忽略空氣阻力,物體從大樓頂端自由落下、到著地的瞬間,總共需要10.18秒;不論物體的尺寸大小或質量多寡。在著地前的瞬間,物體的瞬時速率為每秒99.83公尺(或時速359.40公里)。若想讓自由落體掉落整整10秒,我們需要490.5公尺的高度。

 如果把空氣阻力考慮進來,物體自由落下的時間便會增長很多。空氣阻力的大小,與物體的形狀與尺寸有關。舉例而言,在地表附近,人體在自由掉落時,速度無法超過每秒70公尺(稱為終端速率);雖然這已經超過時速250公里。在這個速度下,空氣阻力恰好抵消了地球的重力,於是速度不會再增快。從這一瞬間起,人便不會再感受到加速度。當然,如果我們遠離地球表面,在較高的大氣層裡,由於空氣稀薄,阻力較小,物體自由落下的終端速率也會較快。

── 摘自《時間之冪》

(圖片提供:天下文化;瞭解更多本書,請上天下文化官網查詢。)

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