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為什麼時間總是向前走?能讓時光倒流嗎?──《這世界難捉摸》

天下文化
・2018/04/28 ・2517字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

第一問:時間與空間有什麼不同(為什麼)?

首先,你可以隨你喜好,自由的在空間中移動,但時間不同,對於時間你沒有這樣的自由。

你以穩定的步伐(精確的每秒行進一秒)在時間軸上移動1。你不能突然決定在時間上後退,並與你之前的時間處在不同空間上。即使你可以在不同時間處於空間中相同的位置,但是你不能同時處於空間中不同的位置。

但是,從你出生到死亡,你只能往一個時間方向前進。雖然在我們的理論中,把時間考慮成另一個維度在數學上相當方便,但要牢牢記住的是,時間與其他各維度有顯著差異,它是獨一無二的。時間與空間以不同方式運作,因為時間不是一組互連的位置。相反的,我們認為時間是因果相連的宇宙靜態快照組,這對我們可以(或不可以)怎麼利用時間,產生巨大的後果。

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第二問:我們可以讓時光倒流嗎?

這本書讓你學到,我們應該要懷疑有什麼事是不可能的。許多以往看似不可能的事,現在已經很普遍了,就像用巴掌大的手機來探索大部分的人類知識和瑣事一樣2

但是,近代物理學明確表示:時間旅行是不可能的。任何可以回到過去的情況,很快就會導致弔詭。這些弔詭違背了宇宙運作的深層基本假設。

在一些科幻故事中,外星人或先進的人類能夠將時間視為空間維度,並在其中來回移動;這允許他們在時間中穿梭旅行,就像你我在走廊上行走一樣。雖然這些故事讀起來非常有趣又享受,但從物理學的角度來看,這些故事有嚴重的問題3

原來從物理學家的眼中看時光機是件極不科學的事情啊。圖/MIKI Yoshihito@flickr

首先,時間倒流會打破因果關係。如果你想讓宇宙合情合理,那就要嚴肅看待因果關係。如果你不介意結果發生在原因之前(譬如,你的信用卡在購買這本書之前就已經付款了;或你的雪貂在早餐準備好之前,就已經把它吃完了),那麼你的思想比我們還要開放。沒有因果關係一切都會變得荒唐至極。

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第三問:為什麼時間向前走?

既然我們不能回到過去,你可能會合理的問:「為什麼時間向前走?」

對我們來說,時間不向前走的概念是匪夷所思的。你不會期待烤箱能把煮熟的食物變回原料;你可以記住過去發生的事,但是你不能想起未來發生的事4

事實上,「時間向前」到底意味著什麼?在某些宇宙中,時間可能流向其他方向。他們的科學家可能會定義往「那個方向」向前。所以真正的問題應該是:

「為什麼時間朝著它前進的方向移動?」

我們先來考慮,如果時間往其他方向走,宇宙是否能夠運作。

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例如,假設你正在觀看一個球上下彈跳的影片,只要球完全彈跳(並且不會因為摩擦或空氣阻力失去任何能量),那麼這個影像無論是往前或往後播放,看起來都會一模一樣!即使量子力學也能逆著時間運作5。事實上,幾乎每個物理定律在時間往前或往後都可以成立。

但這不是全部的故事。完全彈跳球的例子是不現實的,因為它忽略了球在地面上的摩擦力、空氣阻力以及諸多其他讓球的能量耗散成熱量的方式。

via GIPHY

在這個例子中,你可以肯定指出時間向前和向後的區別。但是,如果物理學的大部分定律都能反向工作,特別是熱和擴散等微觀物理,為什麼宏觀過程似乎只在一個時間方向發生?原因是系統中的無序量,也就是熵,非常強烈傾向於單一時間方向。

熵總是隨時間增加。這稱為熱力學第二定律。熵視為某些事物中的無序量。

如果你回家重新整理客廳,可以減少客廳的熵,但是這樣做需要相當程度的能量,你把能量釋放成熱,在整理客廳時,你釋放的能量將保持總熵的增加。每當你產生任何局部秩序,例如:堆疊書籍、在方格紙上做標記,或打開空調時,你都會同時產生亂度這個副產品,且通常以熱的方式呈現。根據熱力學第二定律,平均而言,總熵沿順向時間減少是不可能發生的事。

這會導致令人不寒而慄的後果:因為熵只會增加,在最終非常非常久遠的未來,宇宙將會達到最大亂度,這有個聽起來很酷的名字:「宇宙熱寂」。在這種狀態下,整個宇宙將處於相同溫度,這表示一切都將完全無序,沒有一丁點有用的有序結構(如人類)。

在熱寂之前,我們仍然有空間可以創造局部秩序,只因為宇宙還沒有達到最大亂度。

為什麼宇宙從一開始是從高度有組織的低熵狀態中啟動?

我們不知道,但是我們確實很幸運,因為宇宙在開始和結束之間,留下了很多時間來做有趣的事情,比如製造行星、人類和冰棒。

  1. 如果你在黑洞附近或高速移動,你的時間可以跑得比其他人慢一點或快一點,但每秒鐘你仍然經歷一秒鐘。
  2. 仍然不可能的事情是,在你真正需要時,受到好的招待。
  3. 物理學從遠古以來就在毀滅樂趣。
  4. 如果你能記得未來的事,請打電話給我們,我們有些問題想請教你。
  5. 除了波函數的崩陷之外,有些人認為它是不可逆的、有些人則認為是失去同調性,而其他人只是為了辯論而辯論。

 

 

本文摘自《這世界難捉摸:霍金也想懂的95%未知宇宙》,遠見天下文化出版股份有限公司

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天下文化
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。
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《天能》與其中可能的物理學:對稱性、熵、馬克士威爾的惡魔
物理雙月刊
・2020/08/25 ・2108字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文/楊仲準

無雷,還沒上映也無從雷起

《天能》宣傳圖。圖/IMDb

克里斯多福諾蘭所執導的幾部電影中,常常使用了許多的科學理論,或者是數學原理,來增加影片的說服力。

例如《全面啟動 (Inception)》裡,大量地使用視覺錯覺、對稱性、與艾雪 (Escher) 錯視藝術來製造迷宮;在《星際效應 (Interstellar)》一片中,則使用了相對論、多維空間、蟲洞、重力場等物理元素貫穿全場;而在即將上映的最新電影──《天能 (TENET)》預告片中,隱約可以再次看出諾蘭導演對於把物理學元素,導入娛樂大片中的可能性。

編按:以下分析內容出自預告片

《全面啟動》中的艾雪階梯。圖/IMDb

《TENET》在片名就呼之欲出的對稱性

對稱性,在物理學中是一種相當重要的概念。當一個物理系統具有對稱性時,便同時會具有一個守恆量。

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例如一個系統如果在空間上具有對稱性時,則此一系統也會遵守動量守恆;而系統在時間上具有對稱性時,則系統也同時會遵守能量守恆。

諾蘭導演選擇了 TENET (天能)這個英文字,出處可能來自於龐貝古城遺址中所發現的石板,稱之為薩托方塊 (SATOR SQUARE) 其中寫著如下圖中的字。相同的文字,也出現在義大利、英國、敘利亞、法國等地的教堂中。

法國 Oppede 的薩托方塊。圖/WIKI

這個薩托方塊中出現了 5 組文字:SATOR、AREPO、TENET、OPERA、ROTAS。如果由左上往右下畫出一條直線,則可以發現文字方塊在這條對角線的兩側是呈現對稱的;如果將文字旋轉 180 度,也是可以出現跟原來文字一樣的排列;再者,無論以圖中橫寫或是直寫的 TENET 為轉軸,把文字做鏡射反映的話,可以發現文字就像轉了 90 度一樣,但是那五組文字還是出現在方塊中,只是順序倒過來。

因此諾蘭導演想要玩弄對稱性與翻轉鏡射的用意,可能就呼之欲出了。

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熱力學第二定律,限制了時間的方向性

在古典的力學公式中,雖然沒有限制時間與空間能不能反轉,也就是位置可以由 x 變成 -x;時間 t 也可以變成 -t。但是熱力學第二定律的出現,便限制了時間的方向性。由於一個孤立系統的熵只能不變或是增加,因此對於宇宙這一個孤力系統來說,時間上便只有往熵增加的方向演化。使得「時間」這個概念,只能往單一的方向行進。

既然時間是不可逆,那麼諾蘭導演是要玩時空旅行的老梗嗎?在預告片中顯然有了答案。連結的預告片中,1 分 04 秒到 1 分 05 秒處中似乎是否定了使用時空旅行梗的可能性。那麼還有甚麼可能玩的科學梗呢?

暗藏在背景白板上的「馬克士威爾惡魔」。圖/預告片截圖

馬克士威爾的惡魔

在天能的預告片 1 分 08 秒到 1 分 09 秒的短短一秒間,主角的背景白板上,出現了馬克士威爾的惡魔 (Maxwell’s demon) 的圖

這是馬克士威爾提出的一個想像實驗,假設有兩個裝滿相等溫度氣體的箱子,箱子之間透過一個小洞相連。假設有一個惡魔 (demon) 看守在那個相連的閥門旁。當氣體分子飛向那個閥門時,惡魔便會判定氣體分子的速度。他只讓速度較慢,也就是溫度較低的氣體分子進入左邊,而讓速度較快,也就是溫度較高的氣體分子進入右邊箱子。經過很長一段時間後,左邊的箱子內的氣體溫度就會變得比較低,而右邊箱子內的氣體則呈現較高的溫度。

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這明顯的違反了熱力學第二定律。因為這樣兩側均為等溫度箱子的總熵,將比一邊是高溫而一邊是低溫氣體的總熵來的大。而自然界總是會往高熵的方向演化(時間前進),熵變小的過程就有如時間倒流。

諾蘭導演或許是想要連結這個想法,就像把墨汁滴到清水中,如果把這個過程錄影並倒著撥放,就會出現黑水變成清水這樣高熵變成低熵的過程。這個「類時間倒流」的想法,也就是物理世界中時間也是可以有對稱性的想法,或許會成為天能本片的中心科學!

《天能》海報。圖/IMDb

諾蘭導演的大篇通常需要看完整片才能知道其中的故事是如何發展連結。因此本文所有的推測都是其中一種可能而已。讓我們期待正片上映後真正的故事發展!也期待多一點這樣有科學依據的影片上映!

 

本文轉載自《物理雙月刊》,原文為〈天能與其中可能的物理學

延伸閱讀

  1. Sator Square Wikipedia
  2. 《天能》預告片
  3. 馬克士威爾惡魔 Wikipedia
  4. 為科學而生 為原子而死的波茲曼(上) 帝國的黃昏 物理雙月刊
  5. 為科學而生 為原子而死的波茲曼(下):飄泊的靈魂 物理雙月刊
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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

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如果月亮消失了,對地球會有什麼影響?
言蓁
・2020/07/22 ・1193字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

月亮時圓時缺,抬頭望去初一十五不一樣,偶爾也有隱沒的時候,但你能想像有朝一日,月亮真的「消失」會怎樣嗎?

地球北半球所見,剛過滿月的月球。圖/WIKI

可能影響一:潮汐變弱!漲退潮不再洶湧

地球上之所以有潮汐漲退,主要便是由月球引力再加上一點點太陽的引力所造成的。地球繞太陽公轉所產生的離心力,和月球引力配合地球自轉相互消長之後的合力,成就了潮汐。

而潮汐變化中,大潮和小潮的更迭也會受月亮相對位置的影響而改變。如果月亮消失,潮汐便會一同衰微,一來人類生活習慣必得隨之改變,二來也可能增加陽光對地表生物的傷害。

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地球不同區域下,受月球影響的重力方向、與自身地心引力圖示。箭頭指向處為月亮的位置。圖/WIKI

可能影響二:自轉速度加快!一天不再有二十四小時

在很古早很古早的過去,地球自轉的速度比現在快很多,一天的存在甚至不到 6 個小時。

那為什麼地球現在的速度慢了這麼多呢?罪魁禍首便是我們今天的主角──月球。月亮的潮汐力消耗了很多地球自轉時的能量,因而降低了地球自轉的速度。

所以說,如果月亮消失了,少了個扯後腿的傢伙,地球自轉可能會加快許多,人類的一天也就會少於 24 個小時。

另一方面,月球現在的公轉速度其實在慢慢加快,讓地球越來越抓不住它,每一年,月球都以 3.8 公分左右的速度離我們遠去,所以說,現在的地球,正在越轉越慢喔。

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時間變得好快好快,一天不到 24 小時啦!圖/GIPHY

可能影響三:地軸傾斜改變!四季變得混亂不明

地球之所以有春夏秋冬四個季節,是因為地球自轉的軸心傾斜。

目前,地球自轉和公轉的平面之間,夾了一個約 23.5 度的角度。這個角度可不是固定的,它可能會隨時間推移、太陽系間的作用而改變。那麼,為什麼現在會是這個剛剛好能創造出四季的角度呢?這是因為月球將地球牽制住了,才能讓地球的傾斜角度保持穩定,不至於產生巨大偏移。

如果月亮消失,那麼,南極或許會陷入永晝,北美、歐洲則會陷入永夜,四季就此變得紊亂也不一定。

春分時,從太陽出發所見到的地球軸心、傾角和軌道平面。圖/WIKI

以上種種情境聽起來十分驚人,難道月亮一旦消失,地球的季節、計時標準就會馬上崩潰嗎?並不是!

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上述的效應可能都需要長達十億年才能發揮作用。如果明天月亮就消失了,二十四小時和春夏秋冬四季的現況,依然會保持原狀很長時間,只有潮汐的改變會明顯一些。所以,也不用過於擔心喔!

資料來源

本文編譯自 Paul Sutter 所撰寫之科普報導 What If the Moon Disappeared Tomorrow?,刊載於 Live Science ( July. 23, 2016)

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言蓁
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喜歡貓但不敢紮實去摸,像對所有喜愛的事物,嚮往也懼怕。依賴文字,生存於不被看好的文組,走著忽焉變成資訊的雜食動物。

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宇宙的存在,是永無止境的奧祕——《機器人會變成人嗎?33 則最令現代人焦慮的邏輯議題》
活躍星系核
・2020/02/14 ・3461字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 作者/彼得.凱夫(Peter Cave);譯者/丁宥榆

「好久好久以前,宇宙間空無一物……」

這故事不好發展下去。

如果我們接著說「……然後,有個東西出現了」,一定會有很多人要問:「那個東西是怎麼突然出現的?無中生有嗎?是嗎?」我們能給出的回答也只有:「就是出現了。」

「就是出現了。」圖/GIPHY

可是這樣聽起來很弱。有些物理學家提到有自然法則在「支撐」,但是我們要納悶,都空無一物了,是要支撐什麼?我們還要納悶,何以見得自然法則存在,而不是不存在。

我們試著把故事重講一遍。

「好久好久以前,宇宙間有個東西……」

終於有東西可以發揮了。但是很多人不禁又要問:「這東西哪裡來的?」對於這個問題,我們可以提出幾個暫時令人滿意的答案。我們可以宣稱這個東西是由另一個東西引發的,另一個東西又是由另另一個東西引發的,另另一個東西又是……云云,把解釋的責任全推到另一件事身上。

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姑且不論這種「引發它」的串連鏈能否一直下去,不斷往回推,找不到起點,仍有一個問題存在:這種串連鏈,無論有無盡頭,怎麼會存在?為什麼不是什麼都沒有?

讓我們第三次把故事重來一遍。

「好久好久以前,宇宙間存在一切萬物……」

這會兒我們可能開始擔心,問題會不會出在一直被我們忽略的「好久好久以前」。

我們可能會指出,在好久好久以前的那個時候,並沒有什麼都已經存在。有在那之前就已經存在的所有事物,還有在那之後才出現的所有事物,即,所有那些過去事物和所有那些未來事物。

我們可能開始沉思是否只有現在存在,或只有現在和過去存在而尚未有未來,抑或是,過去、現在、未來三者都存在。在這裡我們先不考慮這麼複雜的問題。

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「好久好久以前」的故事蘊含變動在內,常訴說著某些事件如何作為其他事件的結果出現。因此,我們要再來改一下故事的開頭。

「好久好久以前,宇宙間存在著直到並包括那個時候所存在的一切……」

為何萬物存在呢?

為何現在會存在這些存在的一切萬物?為何過去會存在那些已經存在的一切萬物?

即便這些「萬物」已經包含引發一連串已經發生的事物在內,上述問題仍然還是會被問起。我們還可以加問一句:「為何未來會存在即將存在的一切萬物?」

為何現在會存在這些存在的一切萬物?為何過去會存在那些已經存在的一切萬物?圖/Nejc Košir@Pexels

上述問題可歸類成兩個問題:「現在或過去為何會有萬物存在?『及』現在或過去萬物為何會帶著它們所具有的特質存在?

我們先來討論第一個問題,它有兩種理解。第一種理解中,這個問題經常被各種社會階層的人提出,人們想知道答案,也有人提出答案。另一種理解中,這個問題也常被各種人問起,不過大家不是真的想知道答案,也未曾有人提出過很好或很具體的答案。這兩種理解都聚焦在問題的「一切」或「萬物」。

  • 第一種理解認為「萬物」涵括整個宇宙,即科學家所研究的一切:恆星、行星、電、遊戲主機、汽車、中央暖氣、男人、女人、糖漿餡餅—所有的一切,包含心智、金錢等制度、法律和道德。

這裡需要留意複雜的用詞問題:近年來有部分哲學家以及物理學家認為,可能有好幾個宇宙存在。我們這裡所說的「宇宙」就是涵蓋這一切的全部。

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當我們這樣理解「萬物」,有人便要問:「『萬物』是怎麼出現的?或為什麼會出現?」就算這個「萬物」是由一連串沒有起頭的事件所組成,那麼為何會有這樣的串連呢?有些人認為這才是個真正的問題,找不到答案就將之化為奧祕。

結果導致許多人主張,如此必有個作為造物主的上帝(或神明們)存在。他們說,唯有主張造物主存在,才能解釋宇宙之存在。

  • 第二種理解則是這樣子的。「萬物」的意思,說來奇怪(登楞!),就是一切萬物。它包含整個宇宙,也包含任何存在的上帝或神明。

那麼這個被認為已經涵蓋一切的「萬物」是怎麼來的?弔詭的是,有些人對這個問題反而不以為意。

祂既是萬物的一部分,也創造其他萬物。圖/GIPHY

他們回答,必須有個造物主(或神明們)存在,祂既是萬物的一部分,也創造其他萬物。宇宙也許只是偶然存在,可上帝不是。上帝必然存在。你我也許不曾存在;我們是有條件的存有,不是必要的存有。要不是我們的父母某天(某晚的可能性更高)從事了奇怪的身體交易,我們也不會存在。上帝不一樣。祂的存在不取決於祂自身之外,祂必然存在。

但是怎麼會有某件事物必然存在呢?有時答案也只是:「那是個奧祕。」

「到此為止吧,」我們很想這樣回答,「不要再說什麼唯有接受上帝存在,才能合理解釋這看似成謎的宇宙存在問題。」倘若我們提出宇宙本身也必然存在,不需要由上帝創造,一定會有人搖頭回答:「如果那樣就會是個奧祕了。」

會嗎?還有比必然存在一個行動奧祕的造物主還要奧祕的事情嗎?

環環相扣的充分理由定律

這些教人摸不著頭腦的思想之所以出現,也許是我們太期望得到解釋。

萊布尼茲採納「充分理由定律」:萬物之存在必有其充分理由。

當我們提出理由或解釋時,往往會訴諸於解釋對象以外的事物。我們用 B 來解釋 A,再用 C 來解釋 B,依此類推。以至於當我們成功解釋了一件事,無可避免須涉及另一件事,因此又需要另一個解釋,也就是還要再找出一個另一件事。

體認到必須在某處終結這些解釋,於是訴諸於造物主。然而一旦又體認到這一點,就沒有必要去索求是誰創造了宇宙,也許,宇宙就是偶然發生的吧。

如果「宇宙」就是個偶然……

假如宇宙就只是偶發,有沒有可能最初真的空無一物?或者必然已存在某個宇宙,唯獨不一定是我們這個宇宙。

一想到原本可能空無一物,真教人頭昏腦脹。當我們試著想像一個空無狀態,我們腦子裡可能把宇宙間所有的東西都拿掉,可縱使清空,不是還有時間和空間嗎?時間和空間要怎麼拿掉?然而不能因為我們無法想像「空無一物」(假如我們真的無法想像的話),便說宇宙最初不可能空無一物。

時間有可能是空的嗎?圖/GIPHY

時間與空間有可能是空的嗎?讓我們聚焦在時間上。假如沒有任何事情產生變化,沒有時鐘滴答響,沒有電子活動,沒有心臟跳動,如何定義時間流逝?也許時間之存在仰賴活動與事件之存在;當然,活動與事件也需要占據時間才能發生。

有沒有可能有某樣東西,既不存在於空間亦不存在於時間?

有人回答,上帝獨立於空間與時間之外。倒是有種非空間性與非時間性是我們可以理解的:數字,假如數字存在的話,既不存在於空間,也不存在於某一特定時間。

但是,假設上帝沒有時間性,另一個奧祕便要出現:創造乃為一種活動、一項事件,在時間中占據位置。假設上帝不存在於時間中,祂要怎麼進行創造?至少數字不用創造東西,可上帝卻往往被認為要創造東西。

還有其他更多奧祕。其中一個關注的焦點是:時間本身到底有沒有開端?

時間當然不可能找到起點,如果時間可以無限回推,是否代表至今已完成的「時間段」是個「無窮級數」,即沒有盡頭的序列呢?這怎麼可能?

即便某樣事物的存在可以不需要解釋,仍有人堅持這一樣事物是需要理由的,它便是充滿有意識、有智慧(偶爾啦)生命的宇宙。這個宇宙極可能不是經由精心設計而來的,不是嗎?

好多好多的奧祕在這裡。圖/GIPHY

我不大確定當我們探討宇宙時,對於何為可能、何為不可能有任何理解,對於宇宙我們知之甚少,亦只有單一宇宙作為參考。無論我們對可能性做出什麼樣的結論,何以宇宙只是偶發的可能性,會小於上帝創造宇宙的可能性?

毫無疑問,我們將繼續被灌輸上帝的行動是很奧祕的,那麼為什麼上帝的奧祕會比宇宙存在的奧祕來得不奧祕,還真是個奧祕。

好了,奧祕來奧祕去的,也夠了。不能再繼續製造奧祕,也不能再繼續解釋下去了,不過這倒是令我想到……我們的故事該如何作結呢?

「到最後,事情就這麼戛然而止」

「到最後,宇宙間將空無一物。」

「到最後,沒有最後。」

人們的關注往往圍繞在「萬物」的起源,但是也許「萬物」的結局也一樣成謎。果真又製造出更多奧祕。

——本書摘自《機器人會變成人嗎?33 則最令現代人焦慮的邏輯議題》,2019 年 10 月,EZ 叢書館出版

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活躍星系核
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia