地表下 4km 下放核廢料?

這幾天收到核三公投選舉通知單, 新聞也有報導正反兩方的辯論, 聽說有正方政客提出往地下鑽 4 公里深來放核廢料的建議, 咦, 越接近地心不是越熱嗎? 我很好奇 4km 深的溫度是多少, 就問了 Gemini : "請問底表下 4km 溫度?"? 

AI 的答覆重點如下 : 

• 高溫區：在火山、板塊邊界或地殼較薄的地區（如台灣、日本、冰島），地溫梯度會高得多，可能每公里上升超過 50°C 甚至 100°C。在這些地方，4公里深的溫度可能遠超過200°C，這也是地熱發電的基礎。

• 低溫區：在古老而穩定的大陸板塊中心（如加拿大、西伯利亞），地殼較厚，地溫梯度可能只有每公里 15-20°C。在這些地方，4公里深的溫度可能低於100°C。

OMG! 這麼熱要怎麼挖洞啊! 萬一挖到岩漿不就 ... 而且這麼熱幹嘛丟包核廢料, 直接挖洞用地熱發電不就好了? 而且 24 小時發電又不用買燃料棒哩! 真搞不懂吃進去的營養都跑哪裡去了. 

市圖還書 1 本 (腦洞大開物理學)

 本周市圖還書 1 本 (有人預約) :

1. 腦洞大開物理學 : 30個關於寫真偶像.水手服.鬼魂與貓咪(還有臘腸狗)的奇幻科學知識 /

此書是日本人佐久良剛寫的, 前言強調這是寫給白痴看的物理書, 可想而知裡面完全沒有數學, 完全用幽默的敘事手法說明狹義相對論, 廣義相對論, 量子論, 以及這些理論所衍生的時光機器, 多重世界等概念. 有時間再借回來看. 

1. 量子的季諾效應 : 如果頻繁觀測, 就能讓物質的狀態部發生變化. 微觀物質從某個狀態變成另一個狀態時, 不會讓人看到中途變化中的樣子, 當你觀察微粒子時, 你只能看到它精確的終極樣子 (只要一觀察, 其原子核就塌陷了, 從高能階激態變成一般能階的基態). 基本粒子同時具備粒子與波動二元性, 未被觀測時為波動性, 一被觀測就呈現粒子特性. 
2. 量子的疊加態 (superposition) : 基本粒子在被觀測時會呈現某個確定的狀態, 但沒被觀測時就是所有狀態可能性的疊加. 
3. 基本粒子的波動與水或空氣等由大量分子聚集產生的波動不同, 是由單一粒子形成的波動. 當電子沒有被觀測時, 它就像波一樣搖搖擺擺地擴散開來; 但一被觀測就立刻靜止並收縮起來, 恢復粒子樣貌. 亦即, 微粒子的波動是一種隱藏狀態, 雖然至今仍無任何方法觀察波動的樣貌, 但微粒子均符合薛丁格波動方程式以及呈現干涉等波動現象. 

好站 : 滑翔機的原理

今天在 Youtube 頻道看到這個解說詳細的影片, 說明滑翔機為何都有長長的機翼, 原來是要運用氣體動力學原理讓飛機能在空久一點. 另外, 滑翔機也可利用上升的熱氣流或掠過山峰的陡升氣流將機體撐高, 以增長其無動力滑翔距離, 這也是許多鳥類可以不著陸長距離飛行的原因 :

# How can gliders fly without propulsion

下面這部是沿紐西蘭海岸滑翔的影片 :

# Low Level Flying at the Beach

未來若要建造太陽能無人機也是要採用滑翔機結構, 較長的機翼剛好用來舖滿軟性太陽能板, 在飛控方面也可以利用風速風向等氣體動力感測器數據讓飛行電腦控制飛行角度與方向, 充分利用上升氣流增長低耗能在空時間.

好書 : Nanobrain: The Making of an Artificial Brain from a Time Crystal

今天在亞馬遜看到一本很吸睛的書 :

# Nanobrain: The Making of an Artificial Brain from a Time Crystal

Source : Amazon

人造大腦? 時間晶體? 是科學怪人的狂想曲嗎? 時間晶體我是第一次聽到, 經過 Google 一番後找到如下資料 :

# 維基 : 時間晶體
# In Search of Time Crystal
# A new, theoretical type of time crystal could run without outside help

原來時間晶體還是一個相當新的物理學理論, 源自麻省理工學院教授維爾切克 (Frank Anthony Wilczek, 2004 年諾貝爾物理學獎得主) 於 2012 所提出的概念, 目前已有實驗團隊發表成功創造出時間晶體的研究報告刊登於自然等期刊.

一般晶體中的原子在空間結構中依某種特定規則呈週期性重複排列, 時間晶體與此類似, 但不同的是, 時間晶體是在時間上呈週期性重複. 一般晶體是三維的物體; 而時間晶體則是四維以上的晶體, 具有時空的週期性結構, 而且因為處於最小能量狀態, 遵守能量守恆定律, 隨著時間推進無法與環境取得熱平衡, 因此將呈現永動狀態. 換言之, 時間晶體是一種不消耗能量的自發震盪, 參考 :

# 沒有摩擦的自發振蕩「永動機」- 量子時間晶體

以前永動機概念被物理學家斥為不可能, 因為它違反熱力學定律, 現在時間晶體卻可以? 其實時間晶體只是符合永動的定義而已, 其能量似乎無法利用 (需加入額外能量), 已知的應用之一是量子時鐘, 至於拿來建造人工大腦, 嗯, 就要看看此書作者怎麼說了. 作者 Anirban Bandyopadhyay 是印度人, 目前是茨城縣日本國立材料科學研究所的高級研究員.

好書 : Computational Physics

因為二哥讀物理, 最近幫他找了幾本 Python 計算物理學的書, 但現在學期中課較忙沒時間看, 先記下來等寒暑假再找來看 :

1. Computational Physics: Problem Solving With Python (2015, Wiley)

Source : 博客來

此書是計算物理學書中的上上之選, 內容包括微分, 積分, 解微分方程, 矩陣計算, 傅立葉分析, 動力學,熱力學模擬, 分子動力學, 偏微分方程, 波動方程式, 流體動力學, 量子電動力學, 以及蒙地卡羅算法等等. 只是博客來賣 5000 多元也太貴了, Amazon 才賣 27 元美金耶! 

2. Effective Computation in Physics (Oreilly, 2015)

Source :Oreilly

此書是為物理學相關 (天文, 地理, 大氣科學, 生物, 核工等) 的研究者而寫的 Python 程式工具書. 電腦與數學對物理學而言都只是工具, 沒有他們雖然同樣可以搞物理, 但有了他們就如同猛虎添翼. 此書比較偏向物理人的 Python 資訊處理工具書 (例如 Numpy 陣列, 正規表達式, HDF5 資料結構, 版本控制等), 而不是實際介紹物理方面的應用, 書中不會介紹如何用 Python 解波動方程式. 這本有簡體翻譯版, 參考 :

# Python物理學高效計算

3. Computational Problems for Physics with Guided Solutions Using Python (CRC, 2018)  

Source : CRC

此書與上面第一本內容類似, 包含物理學各領域, 但著重在如何從理論式轉換到程式化的過程, 每章末尾附習題, 屬於嚴謹教科書.

另外我在下面這篇找到五本書, 但其中只有第一本 Mark Newman 寫的 Computational Physics 使用 Python :

# 5 Highly Recommended Computational Physics Textbooks

4. Computational Physics (2012, CreatedSpace)

Source : Amazon

此書為 2012 年出版, 應該是使用 Python 2.x 版.

總之, Python 在計算物理學上的應用幾乎是建立在 Numpy, Scipy, Pandas, 與 Matlablib 這四個重要套件上, 事實上, 不只是物理學, 只要是量化計算, 精通這四個套件是基本要求.

我想找中文 Python 計算物理學的書, 除了 "Python物理學高效計算" 這本檢體翻譯書外竟然付之闕如. Amazon 倒是有一本日文的 :

# 計算物理学II ―物理現象の解析・シミュレーション― (実践Pythonライブラリー)

其實英文的本就不多了, 何況是中文.


2019-09-20 補充 :

找到一個 Scipy 線上教材 :

# Scipy Lecture Notes

好書 : 靈界的科學

這本書借自鄉下的市圖分館, 我大部分看完了, 此書作者是前台大教授, 科技人卻對玄學, 超自然現象有深度涉入實在非常有意思, 特別是他提出八度複數時空來解釋宇宙的結構, 其中四度實數時空為物質世界, 而四度虛數時空為靈界, 複數量子態的虛數 i 就代表意識, 因此意識是一個量子現象. 這種比擬令我感到非常新奇有趣. 此書因有人預約, 所以簡單做個筆記先還了 :

摘要如下 :

1. 大部分的人的語言中樞在左腦顳葉, 只有 1.5% 的人是在右腦, 但大多數人也是右撇子 (左腦控制), 運動與語言共同競爭左腦神經, 使得少部分人的語言區被迫分散在零散區域, 甚至移往右腦, 導致有些人會聽到內在的聲音, 而被認為是精神病. 
2. 英國物理學家 Sir Roger Penrose 與美國亞利桑那州大學骨科醫師 Stuart Hameroft 共同提出意識活動基礎不在神經活動電位上, 而是在神經元內擔任骨架功能的微管束 (microtubule) 的物質進入有序的量子狀態. 腦神經細胞壁是由許多可形成量子狀態的奈米微管束 (~14 奈米) 組成.  
3. 在複數時空模型下, 物體只要進入複數量子態, 就會出現意識現象, 萬物皆有靈 (泛靈主義).
4. 1988 年發現的暗能量與天文觀測資料顯示, 宇宙正在加速膨脹, 暗能量竟佔與佔能量的 73% 且具有斥力. 另外亦存在具有引力的暗物質, 佔宇宙能量的 23%, 而我們熟知的一般正常能量僅佔宇宙的 4%.
5. 描述粒子行為的波函數解惑量子場都是複數函數, 複數的涵義是何無人了解, 因為複數無法測量, 能被測量的物理量必為實數. 信息場就是虛數時空. 
6. 超光速的量子糾纏現象 : 有連結的兩個量子系統, 處於混沌不定之疊加態, 不論兩者相距多遠, 只要其中一個或一部分被儀器測量而確定狀態時, 另一個也瞬間被決定, 其訊息傳遞是超光速的. 這種違反相對論的現象被愛因斯坦的 ERP 悖論斥之為 "幽靈般的超距作用".
7. 量子糾纏 : 量子力學中兩個粒子彼此產生交互作用後, 其自旋或極化方向糾纏在一起有一定的關係, 例如自旋相反, 即使兩粒子相隔遙遠這種關係依然存在. 
8. 哥本哈根詮釋 : 在量子力學中, 觀測創造實像, 在沒有觀察之下, 量子系統處在一種疊加狀態. 
9. 人體特異功能如念力, 遙視, 心電感應, 手指識字等現象是宏觀的心物合一, 相當於網路世界的 URL 網址觀念, 神聖字彙宛如網址, 可連結到特定網站, 表示在這個四度時空物質世界之外, 似乎還有一個訊息的網路世界存在 (信息場, 靈界), 這在科學中被歸類為超心理學 (Parapsychology).
10. 念力無法用牛頓力學來理解, 一定要放棄現代科學架構, 另起爐灶才有可能真正搞清楚特異功能的物理機制. 
11. 楊定一博士提到的水的特性 : 經過特殊處理的水具有奇妙的特殊性質, 例如超流態, 會從杯子中爬壁而出像你走來, 似乎具有意識. 
12. 看過許多靈療過程後讓我開始相信因果輪迴的存在. 很多病其實是業障病, 來自多次前世所累積的因果業力, 因此自 2004 年起開始拜懺的功課, 每日做 108 拜將功德懺悔迴向累世冤親債主. 
13. 意識就是指量子狀態出現, 萬物皆有靈, 只要物體進入宏觀量子狀態, 虛數出現, 意識就出現了. 
14. 中國傳統的太極圖其實是一個三度空間的圓球, 陰陽兩界各佔一半, 經過魚眼交換能量而達成平衡. 複數時空理論架構中實數時空與虛數時空必須經過一個漩渦的時空結構來溝通, 讓信息從陰到陽, 或從陽到陰, 最可能的漩渦通道應該就是粒子的自旋. 
15. 1928 年英國物理學家狄拉克證實, 每個基本粒子 (夸克, 電子, 質子, 中子 ...) 都具有自旋角動量, 不論質量多大, 向上或向下自旋, 角動量大小都是普郎克常數除以 4pi.
16. 真實的宇宙是一個八度的複數時空, 除了已知的四度實數時空 (陽間), 還有一個充滿意識及信息的四度虛數時空 (信息場, 陰間, 靈界) 存在. 為何是八度而非超弦理論的 11 度? 主要的因素是陰陽平衡. 
17. 實數時空與虛數時空有許多具有漩渦的魚眼結構可互通進行能量交換, 必須尺寸小魚漩渦尺寸, 否則無法任意穿越.
18. 包立不共容原理 : 同一軌道兩個電子自旋須不同, 一個向上, 一個向下. 如果在軌道空間放入兩個自旋相同的電子會造成不穩定的時空結構. 

美國萊斯大學物理學線上電子書

最近在編寫基本電學授課簡報時, 經由下面陳鍾誠老師的網頁找到美國名校德州萊斯大學的大學物理學線上學習網站 OpenStax, 總共有 34 章, 點 Table of Content 即可進入 :

# https://openstax.org/details/college-physics

此電子書可下載 pdf 檔離線閱讀, 亦有 iOS 版電子書販售, 非常便宜, 約 3 美元左右.

關於易辛 (Ising) 模型

春節假期除了例行的祭祖, 上廟, 迎客等行程外, 就繼續進行我的 ML 修煉, 主要是看年前買的 "Python Deep Learning (Valentino 等, Packt 出版)". 這兩天看完 2, 3 兩章, 其中作者在第三章提到 Ising 模型, 用來解釋類神經網路中神經元的二進位啟動方式, 探討類神經網路中唯一的變量-加權 (weight) 之一致性與強大與否對神經元輸出可否預測具有關鍵影響.

但是, 我查了維基關於 Ising 模型的解釋之後, 發現原來它是用來解釋磁性的一個簡化的數學模型, 其實與神經元並無直接相關, 乍看還有點難以跟神經元運作連結在一起, 但細讀其說明就能明白作者用意了. 我們的大腦神經元除了是電化學反應外, 必定也有微小磁矩存在, 畢竟電與磁是焦夢不離的一體兩面, 參考 :

# 維基 : 易辛模型

摘錄 Ising 模型說明如下 :

"是一個以物理學家恩斯特·易辛為名的數學模型，用於描述物質的鐵磁性。該模型中包含了可以用來描述單個原子磁矩的參數 ，其值只能為+1或-1，分別代表自旋向上或向下，這些磁矩通常會按照某種規則排列，形成晶格，並且在模型中會引入特定交互作用的參數，使得相鄰的自旋互相影響。"

可見作者只是借用 Ising 模型中原子磁矩之值僅能正負 1 的性質來比擬神經元之啟動或不啟動罷了. 事實上, 易辛模型是 Ising 的老師楞次發明的, 易辛則對此模型提出其一維解. 這讓我想起以前電磁學中描述感應電流方向的楞次定律, 感應電流的產生是為了抵抗磁通量變化 (事實上是一種能量守恆), 但這兩個楞次是不一樣的人, Ising 的老師是德國物理學家 William Lenz, 而發現楞次定律的是德裔俄國物理學家 Heinrich Lenz, 姓氏一樣, 又都是知名物理學家, 很容易讓人搞混. 參考  :

# https://zh.wikipedia.org/wiki/海因里希·楞次

這也是中文譯名習慣只用姓氏的一種缺失, 例如美國有兩個羅斯福總統, 比較早當的就只好變成老羅斯福總統; 瑞士的白努利家族出了很多科學家, 中文都叫白努利, 其中數學大師尤拉 Leonhard Euler 的老師是約翰白努利; 而發展統計學白努利分布的則是他的哥哥雅可布白努利. 所以談到外國人時, 最好連名帶姓一起講, 以免混淆傻傻分不清.

上帝的粒子

今日在YAHOO科技新聞裡看到這篇關於希格斯坡色子的報導,美國費米實驗室可能領先歐洲核子研究中心,找到俗稱"上帝粒子"的希格斯坡色子,這是粒子物理學的標準模型預言的62種基本粒子中,唯一也是最後一個尚未被找到的粒子,其他61個均已經實驗證實.到底希格斯坡色子有何重要性呢?原來這是英國物理學家希格斯為了解釋粒子質量來源所做的假說,認為是這個希格斯坡色子構成一個稱為希格斯場的能量場,電子與夸克等粒子受此能量場作用產生慣性,因而形成質量.一旦這理論被證實,那麼是否標準模型的最後一塊拼圖就找齊了呢?物理學家還得上窮碧落下黃泉,努力拼出一個能完美自圓其說的解釋.

閱讀摘要:

標準模型的兩類粒子:費米子,坡色子(標準理論不包含重力)

坡色子:傳遞各種作用力之基本粒子

費米子:組成物質的粒子

構成大部份物質之電子,中子,質子中,僅電子被標準理論視為基本粒子.質子和中子是由更基本的夸克受強作用力吸引而成.

相關知識參考:

>>WIKI "希格斯坡色子"

>>標準模型理論

愛因斯坦的相對論靈感

這是我隨意點選科學月刊看到的文章, 簡明扼要地闡述相對論的歷史. 原文參見 :

>> http://163.20.22.171/science/content/1999/00110359/0006.htm

20世紀最偉大科學家愛因斯坦並非在 1905 年 "突然" 發現了狹義相對論, 而是台上十分鐘, 台下十年功. 他已經花了十幾年做了各種 "想像實驗" 與理論探討, 到了1905 年才機緣成熟, 突然頓悟, 在短短不到一年中, 陸續寫下好幾篇劃時代論文. 然後放棄傳統幾何學, 學習黎曼幾何, 過了7年, 才又推展到廣義相對論. 這讓我想起六祖壇經中, 慧能大師當年砍材維生, 某日送材至客棧, 聞客誦金剛經而 "頓悟", 此悟在一瞬間故稱為頓, 其實是數十年思考, 甚至數世薰習, 到了機緣成熟那一刻, 黑漆桶底吭的一聲脫落, 徹見本來面目. 這在物理學, 叫做臨界點. 凡人看成功, 只看成功那一刻以後之風光, 沒有看到之前的辛苦鋪路. 沒有長久的默默鋪路, 哪有可能到達悟道的臨界點呢?

套句金剛經的辨證, "故說頓悟, 即非頓悟, 是名頓悟".

LHC 強子對撞實驗

昨天正式啟用的 LHC 強子對撞機, 將進行質子對撞實驗, 以重現大霹靂理論中宇宙成形時的狀態. 由於有科學家擔心實驗產生微黑洞, 對地球附近天體造成危害, 使得該實驗計畫充滿爭議. 對近代物理陌生的人, 這個新聞可能有聽沒有懂, 不容易了解. 總之, 這是粒子物理學中非常重要的一項實驗.

"「強子」是一種次原子粒子，在粒子物理標準模型中，所有具有強相互作用力的粒子都叫做強子，科學界認為，宇宙的基本粒子就是夸克，而3個夸克所組成的粒子就稱為「強子」。"

>> 自由時報 http://www.libertytimes.com.tw/2008/new/sep/9/today-int2.htm

>> 科學月刊 夸克與基本粒子(上) http://163.20.22.171/science/content/1978/00070103/0014.htm

>> 科學月刊 夸克與基本粒子(下) http://163.20.22.171/science/content/1978/00080104/0009.htm

>> 以下摘要, 整理自 http://chntlb.chshs.tpc.edu.tw/science/content/1979/00070115/0008.htm

基本粒子可以分成三大類：輕子、強子及場量子（gauge particles）

量子場論的第一個基本觀點是除了輕子與強子之外，還有第三類粒子─亦即作用場的量子存在，它們負責傳遞作用力。例如光子便是傳遞電磁力的粒子。

第二個基本觀點，是各作用力的範圍與傳遞者的質量成反比，例如電磁力的範圍為無限大，那是因為光子的質量為零。而弱作用力的範圍卻極小（10^-15厘米），這表示弱作用力的傳遞者（叫做W^±粒子與Z⁰粒子）質量很大

6種輕子: 不會參與強交互作用的粒子稱為輕子(lepton)

電子(Electron), 渺子(Muon), 濤子(Tau), 以及三個微中子(neutrino)

微中子不帶電, 分別為電子微中子, 渺子微中子, 以及濤子微中子
輕子是最基本的基本粒子，因為它們像是「點」粒子(無大小)

強子(hardron) : 包括質子、中子、派介子等，目前已知的強子種類超過一百。

1964年葛爾曼 Gellman 提出夸克理論, 才把強子家族的龐大族譜建構起來

四個作用力 : 強作用力, 弱作用力, 電磁力, 重力

>> 以下簡介取自 http://hepsrv.phy.ncu.edu.tw:8000/c_overview/fourforce.html

較詳細參考

>> 粒子物理摘要 http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/particleadventure/other/proj_sum.html

四個基本作用力

作用力

 理論

 強度

 傳遞子(mediator)

強作用力 （把質子、中子等拉在一起形成原子核的力）

 色動力學(chromodynamics)(QCD)

 1

 膠子(gluon)

電磁力

 電動力學(electrodynamics)(QED)

 10-2

 光子(photon)



弱作用力 （引起粒子放射性衰變，如β-衰變的力）

 Fermi theory(flavordynamics)

 10-14

 W 和 Z

重力

 廣義相對論(幾何動力學geometrodynamics)

 10-40

 重子(graviton)

重力的交換粒子是重子(尚未發現)，電磁力是光子，強作用力是膠子，

而弱作用力是Ｗ與Ｚ，這些基本力藉由交換mediator粒子而表現出來。

強作用力

強作用力是最大的力，短程力，強作用可視為帶強作用力的"色荷"(如

同電磁力之電荷)之產生。色荷分Ｒ(red)，Ｇ(green)，Ｂ(blue)。

電磁力 & 弱作用力

電荷的改變產生了電磁力，而"色荷"則產生了強作用力，輕子(lepton)

沒有"顏色"，所以它們不會參與強作用力；微中子(neutrino)沒有電

荷，所以它不會經驗到電磁力，但是它們都有弱交互作用。有兩種：是

由Ｗ或Ｚ做mediator的作用。

重力

重力場的量子稱為graviton，它的靜止質量要如同同樣是長程力(long range force)的電磁場的光子一樣為零。它的自旋(spin)必為２，因為宇宙中沒有負的重力質量的緣故。