在宇宙的邊緣會看見什麼?

答案是我們什麼都不會看到。這非因沒有東西在宇宙外面,而是宇宙根本沒有邊緣。

讀者們可能聽說過:我們的宇宙是無邊無際的。不過這並非指我們的宇宙是無限大的。實際上,宇宙的大小是有限的,而且我們更可能知道,宇宙正在膨脹。這聽起來有點不可思議:一個正在膨脹的宇宙,怎會沒有邊界?

我們要稍微討論一下「維度」這個概念。維度就是我們常說的 2D、3D 的那個 D,即 dimension 的意思。一維可以用一條線表示、二維是一個平面、三維則是一個立體。好,問題來了:你能夠想像到四維的模樣嗎?我不是說「4D 電影」那種震動送風噴水啊⋯⋯咦,我說什麼?

好了,時間到。想到四維是什麼樣了嗎?想不到?沒錯,想像不到。為什麼呢?因為我們都是活在三維空間裡的生物。等等,我以前好像曾經寫過文章,說我們的宇宙是四維的⋯⋯?

對,我們的宇宙確實是四維的。不過並非四維空間,而是四維時空。時空的意思就是「時間 + 空間」。愛因思坦發現我們的宇宙是由三維空間加上一維時間構成的。牛頓認為時間與空間是獨立於宇宙而存在的。換句話說,在牛頓力學裡空間和時間就好像房間與掛在牆上的時鐘,房間裡放了一個宇宙;而愛因斯坦卻指出,空間和時間其實就是宇宙本身。我們的宇宙有了另一個名字:時空,而且它是四維的。

二維宇宙的膨脹。Image courtesy of Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli, & Rocky Kolb.

說了這麼多,究竟跟宇宙沒有邊界有什麼關係啊?我們來想像一個氣球,氣球的表面積是有限的而無邊際的,就像我們的地球一樣。我們可能會以為球體表面是三維的,但其實它只是二維的。因為我們是生活在三維空間的生物,我們能用三維的視角看二維表面。現在,假設氣球正在膨脹,我們可以輕易地理解氣球表面如何在三維空間中越變越大。但如果有一些二維生物生活在這個二維表面上,他們也會發現他們的宇宙是沒有邊界的,但他們不能夠想像它是如何膨脹的。所以問他們在宇宙邊緣會看見什麼也是沒有意義的,因為氣球表面根本就沒有邊界。

同樣地,如果我們把這個二維氣球在三維空間中膨脹的比喻,套在我們的三維空間正在四維時空裡膨脹,就多少能夠明白我們的宇宙了。物理學家相信,如果我們在宇宙裡向一個方向走,最後有可能會從反方向回到起點,就好像在地球上一直向東走,最後會從西面回到起點一樣。

說不定,有些四維生物正在看著我們的宇宙,笑說我們是如何愚蠢呢。

生活數學:地鐵新優惠計劃真的比較優惠?

地鐵正考慮推出每程97折的新優惠計劃,以取代舊有的即日每第二程9折優惠計劃。我們可以計算一下,究竟新優惠計劃是否真的比較優惠?

首先,我們把每一程車資叫做 M,那麼第 n 程的車資就是 M_n。由於有優惠,實際上在第 n 程我們只需付 M_n \times d_n,其中 d_n 是第 n 程的折扣。

我們叫舊優惠計劃做 A,新優惠計劃做 B。那麼,我們就有

^Ad_n = 1n = 1,3,5...
^Ad_n = 0.9n = 2,4,6...

^Bd_n = 0.97n = 1,2,3...

如果我們一日內共搭 N 程,要付的總車資就是

\sum_{n=1}^{N}M_n d_n = M_1 \times d_1 + M_2 \times d_2 + M_3 \times d_3 + ... + M_N \times d_N

現在,我們希望新優惠比舊優惠便宜,因此我們就需要 A 的總車資比 B 的總車資貴:

\sum_{n=1}^{N}M_n~^Ad_n - \sum_{n=1}^{N}M_n~^Bd_n > 0

\sum_{n=1}^{N}M_n (^Ad_n-~^Bd_n) > 0

\sum_{n=1,3,5...}M_n (1-0.97) + \sum_{n=2,4,6...}M_n (0.9-0.97) > 0

0.03\sum_{n=1,3,5...}M_n - 0.07\sum_{n=2,4,6...}M_n > 0

0.03\sum_{n=1,3,5...}M_n > 0.07\sum_{n=2,4,6...}M_n

\frac{\sum_{n=1,3,5...}M_n}{\sum_{n=2,4,6...}M_n} > \frac{0.07}{0.03} \approx 2.333

所以,所有單數程的車資加起來必須是所有雙數程的車資加起來的 2.333 倍以上。換句話說,把較貴的旅程例如長途過海的安排在第一、三、五程,中間隔著短途較平的旅程,新計劃才真的會比舊計劃更優惠。

其實更簡單去想,如果每程車資一樣,新計劃折扣為95折才會與舊計劃總車資一樣。因此,除非平常每日只搭一程,或者第二程搭得特別平,新計劃根本沒有比較優惠,反而更貴。

好喇,計完,滿意啦?聽朝記得準時返工。

如果你願意一層一層一層的剝開科學

以前,我曾以為科學是用來證明什麼是對、什麼是錯的學問。

與此相反,科學的重要性在於所有科學理論都是可被證為錯的。這就是所謂的「可證偽性」。實驗儀器可以越來越精密,但我們永不能造出絕對準確的儀器;任何測量都必定有誤差。那麼,我們可能會問:如果科學理論只可能被證為錯,哪麼我們如何知道正確的科學事實?世界上的科學家豈非都在吹水?

科學理論的而且確不能被證實。但這並不等於說,我們不能知道一個理論有沒有錯。其實,正正因為科學可以被證為錯,我們就可以知道這個科學理論到底有沒有錯。

科學實驗的目的,其實是在找一個理論到底在什麼時候、怎樣的條件下才會與實驗結果不同。實驗測量都必定有誤差,隨科技進步,人類能夠製造出越來越細小誤差的儀器。一個理論如果在極其精確的實驗儀器測量下,仍然沒有超出其細小的誤差範圍,這個理論就是正確的。

每個理論都可以被未來更精確的實驗測量所推翻,就好像牛頓定律被愛因斯坦的相對論取代了一樣。然而,我們知道相對論效應非常微小,這就是為什麼汽車、飛機,甚至火箭升空,都不需要用到相對論,因為其誤差比牛頓的公式與相對論的公式之間的差距更大,用簡單的牛頓定律就足夠了。

回到主題上,究竟科學是什麼?想像一個洋蔥。這個洋蔥就是某個科學理論。我們把理論預測和實驗結果對比,修改理論中與實驗結果不相符的地方、保留相符的細節,好像把洋蔥的一層皮剝開。

隨著科技進步,我們造出越來越精密的實驗儀器,用來做越來越精細的對比。這個循環不斷重覆,這就好比一層一層一層的剝開這個洋蔥。我們永不知道下一次被剝開的是哪個部分,但我們可以說,真相就藏在剩下的某個部分之中。

不是去證明什麼是正確的,而是去找出什麼不是正確的。這就是科學。

如果你願意一層一層一層的剝開科學
你不會鼻酸  也不會流淚
你會看到大自然最深處的秘密

不相闗點唱:

科學普及有感

我的書架上有過百本科學書,包括教科書和科普書,是十多年儲來的。其中大部分是自購的,也有少量是朋友相贈的。架上有十多本書放了好幾年,卻仍未讀過。

高中的時候,我對物理著了迷,每有閒暇就是到書店「科學」書架前看書。當時錢不夠,往往要考慮良久才決定把哪幾本書帶回家。其餘的就在書店裡讀完,再不捨地放回架上。後來上了大學、研究所,到現在博士後,有了正式的薪金。財務上許可了,本以為自己會買更多科學書。然而,就像長大成人去逛玩具店一樣,有了金錢,卻失去了買玩具的衝動。

不過,我並非完全不買新書,只是考慮的時間更長了。一來,家中書架已不夠空間;二來,藏書已多得讀不完;三來,大多數新書的內容,其實已經寫過、讀過很多次。

然而,我最在意的是第四個原因:越來越多新作者把極前沿的理論當成已驗證的事實般寫成書。這些書對於我這個把論文當報紙看的「業內人士」來說,自然沒有起到太多興奮的作用。但無可否認地,「前沿理論」四個大字仍然是吸引讀者的金漆招牌。

科普書籍能夠吸引年輕有志學子,幫助他們開啟科學眼界。就像我當年被費曼、薩根、道金斯、愛因斯坦的文字感動,投身科研,轉眼十多年光陰。可是,我開始懷疑把未經證實的科學理論放上科學普及書架,對於傳播正確的科學事實有多大效果。縱使這些理論有著堅實的數學支持,若然未觀察到任何證據,也只能維持在科學猜想階段,與事實相去甚遠。

因此,我寫的文章和合著的書中,都不會出現前沿理論的討論。一來,我非相關理論專家,未必能夠準確傳達理論內容;二來,我堅信科學是基於可觀測的結果之上。我相信已知的科學事實一樣可以引起大眾對科學的興趣。

當然,這都純屬我個人的感覺,或許連猜想都說不上。我近年買的都是出版較久的舊書,例如薩根的著作我仍未儲齊;我也開始讀越來越多的科幻小說;對科學家傳記我仍然愛不釋手。

我相信科普和科學一樣,可以同時是有趣和嚴謹的。希望十年後回望,今天的堅持沒有白費。

教你如何連中十元⋯⋯背後的數學原理

有時會見到一些網頁,付費加入預測股市/賭波/賭馬貼士群組,聲稱每場必中,更有真實連中十元參加者現身說法。你會懷疑,這是真的嗎?

假設那是真正的參加者,要做到連中十元並不難。或者,我甚至能說,有人連中十元是必然的。我就解釋給你聽。

為了簡化以下解釋,我們用單循環淘汰賽做例子,即每場比賽必須分出勝負,沒有平手。

假設只有 2 隊隊伍,甲隊跟乙隊。那很明顯只有 1 輪、共 1 場比賽。如果你跟我買不同隊伍,我們當中必定有一人買中最後勝方。

如果有 4 隊隊伍,甲乙丙丁隊,就有 2 輪、共 3 場比賽。如果 4 個人各買不同隊伍,那麼第一輪比賽,甲隊對乙隊、丙隊對丁隊,4 個人當中就必定有兩人買中勝方;第二輪比賽就跟上面兩隊比賽的例子一樣,剩下 2 人必定有一人買中最後勝方。換句話說,4 人中就有一人 2 場連中了。

相信各位已能推論下去:如有 8 隊隊伍,就有 3 輪、共 7 場比賽。只需要最少有 8 個人各買不同隊伍,我就能夠保證最少有一人能 3 場連中。事實上,對於這種零和遊戲,如果我想製造 N 場連中紀錄,我只需要最少有 2^N 個人向我購買貼士,我再私下告訴每個人去買不同隊伍就行了!

我們再用世界杯決賽週做例子。在決賽週單循環淘汰賽階段有 16 = 2^4 隊國家隊,因此有 4 輪比賽。只需要有最少 16 人購買我的所謂貼士,我就算完全不懂足球也能夠確保有一人能在世界杯決賽週 4 場連中。而且我們也知道並非每一隊實力都一樣。所以實際上我可以把較強的隊伍配給多些人,也就不一定需要 2^N 這麼多人了。

有人會問,有贏有輸有和的聯賽呢?我們有 3 個可能性,因此需要連中 N 場就最少要有 3^N 個人買貼士。一般來說,在有 M 個可能性的情況下,需要最少有 M^N 個人買貼士,那麼我就算只靠估也能給出 N 場連中貼士!更別提每隊隊伍實力都有所不同了。

至於估股市更易:向 1024 = 2^10 人提供股市預測,升跌各半;只要不斷向測中的一半提供預測,最後剩下的一位,就是連中十元的證人。

戴個頭盔,我並非說那些提供貼士的人沒有實力,上面我也解釋了適當根據隊伍實力去分配就能增加貼士準確度。我只是分析了這種「連中貼士」背後的數學原理,為什麼我可確保必然有人能夠連中。大家分析完之後,自己決定要不要購買了。

公我贏,字你輸。你以為這世上真有那麼多貼士嗎?

廷伸閱讀:

不可能的事情如何不斷發生?》- 周達智