機器人走路 哪裡難?
理論物理學滿是讓人一想就頭大的點子,以詭異程度而言,量子纏結與蟲洞(wormhole,又稱蟲孔、蠹孔)兩個概念絕對是其中的佼佼者。量子纏結是量子力學的一項結果,指的是表面上沒有任何實質關聯的物體(通常是原子或次原子粒子)之間卻有一種意想不到的連結。蟲洞則是廣義相對論預測的一條捷徑,連結時空中相距很遠的兩個區域。近年來,一些理論物理學家(包括我)的研究顯示,這兩個很不一樣的概念似乎不是毫不相干。我們從某些與黑洞有關的計算了解到,量子力學的纏結與廣義相對論的蟲洞可能是等價的,亦即只是同一現象的不同描述罷了,而且我們相信這個等價性的適用範圍不局限於黑洞。
這個等價性可能帶來深遠的後果:時空本身可能源自宇宙較基本微觀成份的纏結,而彼此纏結的物體(儘管長久以來看做毫無實質關聯),其連結方式可能遠不如以往我們所想的那麼神奇。此外,量子纏結與蟲洞的關係可能有助於發展出統一量子力學與時空的理論。物理學家稱這個理論為「量子重力論」:可以從原子與次原子交互作用的法則,推導出巨觀宇宙的物理學。若沒有這樣的理論,我們就無法了解大霹靂與黑洞的內部。
有趣的是,量子纏結與蟲洞的概念都可追溯至愛因斯坦等人於1935年所發表的兩篇論文。表面上,這些論文似乎在探討非常不同的現象,連愛因斯坦本人可能都沒想過兩者或許有關聯。事實上,量子纏結這種量子力學性質曾讓愛因斯坦傷透腦筋,並稱之為「詭異的超距作用」。現在纏結居然可能成為把相對論推廣至量子領域的橋樑,實在有些諷刺。
羅密歐與茱麗葉相聚蟲洞
為了解釋何以量子纏結與蟲洞可能有關聯,我們必須先描述黑洞的幾項性質,它們和整個想法密切相關。黑洞是彎曲時空中的某些區域,和我們熟悉、比較沒有扭曲的空間大不相同,黑洞的特色是我們可以把幾何結構分成兩部份:在黑洞外部,空間是彎曲的,但是物體與訊息仍可逃離;然而物體進入黑洞內部就出不來了。黑洞的內部與外部是由稱為「事件視界」的表面分隔。廣義相對論顯示事件視界只是一個想像的表面,太空人通過時並不會覺得有任何奇特之處,然而一旦到達另一端,太空人就註定被擠壓進一個極度彎曲的區域,無法脫逃。事實上,與外部相比,黑洞內部位於未來,既然太空人無法回到過去,他當然就不能自黑洞內部逃脫。
愛因斯坦提出廣義相對論後僅一年,德國物理學家史瓦西(Karl Schwarzschild)就找到了愛因斯坦方程式最簡單的解,描述的是後來稱為黑洞的時空。史瓦西發現的幾何結構如此出人意料,以至於直到1960年代,科學家才完全了解它所描述的是一個連結兩個黑洞的蟲洞。兩個黑洞從外面看似乎彼此分離且相距遙遠,但它們共享同一個內部1935年,愛因斯坦與當時美國普林斯頓高等研究院的同事羅森(Nathan Rosen)發表了一篇論文,預見黑洞共享的內部是一種蟲洞(雖然他們並不完全了解論文中所預測的幾何結構),因此蟲洞也稱為「愛因斯坦–羅森(ER)橋」。
史瓦西數學解描述的蟲洞,和宇宙中自然形成的黑洞不同,差異在於蟲洞不包含物質,純粹是彎曲的時空而已;自然形成的黑洞由於包含物質,所以只有一個外部。多數研究人員僅把具有兩個外部的完整史瓦西解當成有趣的數學,和宇宙中的黑洞無關。但這的確是個有趣的解,所以物理學家依舊對其物理意義十分好奇。
在史瓦西解中,連結兩個黑洞的蟲洞會隨著時間流逝變得又長又細,就像一塊有彈性的麵團被拉長了;兩個黑洞的視界也會快速分離(它們曾一度相碰)。事實上,它們分離得太快,以致於我們不能穿越蟲洞從一個黑洞的外部到另一個黑洞的外部;換句話說,橋在穿越之前就塌縮了。在麵團被拉長的比喻中,橋塌縮的過程就對應到麵團被拉得越來越長,最終變得無窮細。
請注意,廣義相對論定律不允許超光速行進,這裡討論的蟲洞必須符合這些定律。所以我們的蟲洞和科幻作品描述的不同,科幻作品的蟲洞允許瞬間從空間的一個區域跑到遙遠的另一個區域,例如電影「星際效應」的情節。科幻作品的蟲洞經常違背已知的物理定律。
我們所討論的蟲洞如果出現在科幻小說中,可能會是如此:想像一對年輕戀人,例如羅密歐與茱麗葉,兩家人不喜歡彼此,所以安排兩人居住在不同星系,無法相見。但是這對戀人很聰明,他們建造了一個蟲洞;這個蟲洞從外面看像是一對黑洞,一個位於羅密歐所在的星系,另一個則位於茱麗葉的星系,兩人決定跳進各自的黑洞。他們家人看到,這對戀人自殺了,因為他們跳進黑洞後再也沒出現。不過黑洞外的人不知道,蟲洞的幾何結構可以讓羅密歐與茱麗葉在這對黑洞共享的內部相聚!而且他們可以快樂相處,直到橋塌縮,摧毀了黑洞內部,把兩人殺死。
各界推薦
特別收錄 / 編輯的話:
機器人走路,哪裡難?
無敵鐵金剛從游泳池中緩緩升起,指揮艇組合後,鐵金剛邁開大步,往前衝刺、跳起……然後與金剛飛翼組合!
這是五、六年級生共同的回憶,也是數十年前年我們對於「機器人」的基本期待:機器人就應該和人類一樣,用一樣的姿態走路。但是這樣的期待,卻讓全世界好幾世代的發明家、工程師努力至今,不只資訊科學家參與其中,連動物學的知識也必須納入。
想想你小時候如何學走路的?走路並不只是抬起腳、踏下,並加以重複,我們必須透過視覺、觸覺及本體感覺來控制行走的動作並維持平衡,要是一個踉蹌,你必須立即應變;但對雙足機器人而言,機械結構需要多少彈性?致動器要如何設計才最有效率?或是更根本的,機器人應該採取哪種步態?
全世界頂尖的幾個機器人研發團隊,在美國國防高等研究計畫署舉辦的機器人挑戰賽(DRC)中爭奪200萬美元的獎金,想知道他們的〈雙足機器人開步走〉出了哪些奇招?〈擬人步行鐵金剛〉為你詳細剖析其中的力學奧秘!
透過語言學拆解野獸、獵人和星座的三角關係,就可知人類祖先怎麼〈帶著神話去旅行〉。精準醫學的第一步是〈專屬你的藥!〉,但藥物基因檢測必須先納入醫療體系。新的一年又將展開,就讓2017年1月號《科學人》 雜誌告訴你,還有哪些〈驚豔視界的科學創意〉!
特別收錄 / 編輯的話:機器人走路,哪裡難?
無敵鐵金剛從游泳池中緩緩升起,指揮艇組合後,鐵金剛邁開大步,往前衝刺、跳起……然後與金剛飛翼組合!
這是五、六年級生共同的回憶,也是數十年前年我們對於「機器人」的基本期待:機器人就應該和人類一樣,用一樣的姿態走路。但是這樣的期待,卻讓全世界好幾世代的發明家、工程師努力至今,不只資訊科學家參與其中,連動物學的知識也必須納入。
想想你小時候如何學走路的?走路並不只是抬起腳、踏下,並加以重複,我們必須透過視覺、觸覺及本體感覺來控制行走的動作並維持平衡,要是...
目錄
關於封面
打造雙足步行的「萬能工具人」是人類長久以來的夢想,它能勇闖未知環境、協助人們解決各種難題,但是我們對行走的認識並不深切。已有許多研究人員投入這個領域,發揮巧思探索步行、甚至擬人行走的原理,期望有朝一日讓機器人走進人類的世界!
科技創新
30 驚豔視界的科學創意
文╱斯尼德(Annie Sneed)、帕夫洛斯(John Pavlus)、巴特爾(Prachi Patel)
面對全球暖化、超級細菌、極端貧窮、網路資訊安全等問題,需要更有創意的科學研究來一一克服。Scientific American 挑選了過去這一年裡10個極具創意的科學妙點子,或許將能解決難題,增進人類生活福祉。
機器人學
40 雙足機器人開步走
文╱帕夫洛斯(John Pavlus)
讓人形機器人平穩行走,不像你想得那麼簡單!然而研究人員正採取各種不同策略,可望讓機器人走進人類世界。
機器人學
48 擬人行走鐵金剛
文╱江明勳
科學家從人類步行的關鍵姿勢思索,設計新型的機械構造,讓人形機器人走起路來更擬人、更帥氣!
宇宙學
52 看見宇宙太虛之境
文╱ 沙普迪(István Szapudi)
天文學家為了解釋宇宙微波背景輻射(CMB)中令人費解的冷點,竟然發掘出一個更詭異的現象:幾乎空無一物的超級空洞。
特別報導
60 專訪 廖俊智:中央研究院應是學術先行者
採訪/李家維 整理/吳文正
2016年6月,台灣學術研究最高機構中央研究院在一連串風暴中迎接第11任院長廖俊智。面對各界的責難、疑問與期許,廖俊智將如何重新定位中研院?中研院能否突破難關、成為典範,並帶領台灣學術研究邁向頂尖?
科學與社會
66 五項科學事實 有人還不信?
文╱薛莫(Michael Shermer)、霍爾(Harriet Hall)、皮爾杭伯特(Ray Pierrehumbert)、歐菲特(Paul Offit)、修斯塔克(Seth Shostak)
不論時局如何變化,科學始終力求有幾分證據說幾分話,真相不容混淆。
人類學
74 帶著神話去旅行──野獸、獵人和星座
文╱杜伊(Julien d'Huy)
神話故事的內容在反覆講述、代代相傳的過程中逐漸改變,分析神話的演變方式可以一窺人類的遷徙歷史,甚至可回溯至舊石器時代。
健康
82 專屬你的藥!
文╱馬隆(Dina Fine Maron)
個人化醫療的願景之一「根據個人基因選擇藥物」已逐漸實現,運用藥物基因測試以避免因個人體質產生危險的藥物反應,但臨床上普遍應用這項科技仍有困難。
目錄
第179期
2017年1月號
科學人觀點
6 歲末三猴啟示:無智不成人
文/曾志朗
總編輯的話
8 史前奇畫
文/李家維
讀者論壇
13
科學人新聞
14 親愛的,銀河系更清楚了!
群居的大貓較聰明
歐巴馬保育成績單
左右腦合作才幽默
溶小體不容小覷
木衛二地底噴泉現蹤?
高中生聰明抗旱
隱藏小我,成就大我
風力發電避雷擊
一覽世界科技進展
銅是臭味好夥伴
形上集
23 科學哲學答問(二)
文/高涌泉
網路不打烊
24 免費的代價
文/林玉柱
不可勝數
26 中國天文學首度西化
文/張海潮
健康與科學
28 真檢驗,假結果
文/施密特(Charles Schmidt)
專家看新聞
88 科學界男女不平等
文/瓦倫泰(Hannah A. Valantine)
資訊世界
89 勇於改變,迎向未來
文/波哥(David Pogue)
真真假假
90 天生本性
文/薛莫(Michael Shermer)
反重力思考
91 暗黑版陽光之州
文/米爾斯基(Steve Mirsky)
聊聊科學人
92 從台灣來──化學家劉兆玄的小說天地
文/洪志良
生物手記
96 失落的島嶼原民──霧臺澤蟹
文/黃智男
科學創藝術
100 徜徉電子夢境
文/沈伯丞
科學人書摘
104 尋回最初的驚喜
文/摘自《那些異國玩意兒》
圖表會說話
108 越來越多雙胞胎
文/皮克(Katie Peek)
關於封面
打造雙足步行的「萬能工具人」是人類長久以來的夢想,它能勇闖未知環境、協助人們解決各種難題,但是我們對行走的認識並不深切。已有許多研究人員投入這個領域,發揮巧思探索步行、甚至擬人行走的原理,期望有朝一日讓機器人走進人類的世界!
科技創新
30 驚豔視界的科學創意
文╱斯尼德(Annie Sneed)、帕夫洛斯(John Pavlus)、巴特爾(Prachi Patel)
面對全球暖化、超級細菌、極端貧窮、網路資訊安全等問題,需要更有創意的科學研究來一一克服。Scientific American 挑選了過去這一年裡10個極具創意的科學妙點子...