《像火箭科學家一樣思考》(文長)
這是一本4月14號出版的新書,書裡用火箭的製造到發射各個階段遇到的困難,舉了許多成功與失敗的例子當作主軸,旁證博引的帶出許多思考的觀點。
﹝作者介紹﹞
瓦羅爾曾是一個火箭科學家,後來轉進法學在法院工作過,然後成了一名法學教授,而作者真正的興趣卻是政治,他出版的第一本書的主題是「專制國家能不能透過軍事政變變成民主國家」。
﹝馬斯克的”十倍思考“﹞
SpaceX使用“第一性原理“造火箭,為什麼能比NASA便宜十倍百倍?
1.零件使用外包不自己生產,太空總署因為是行業壟斷都自己做。
2.採購方法更靈活,甚至買二手。
3.和大市場對接。 NASA一台電腦報價要100萬美元, spaceX用街頭ATM的量產電腦,一台只要五千美元。
4.勁量重複使用火箭。
5.spacex不只用專門航太人才。
6.奧卡姆剃刀法則。
『從來如此,便對嗎?』凡是能用的魯迅這句話的地方,就是能用馬斯克的第一性原理的地方。
﹝登月思維﹞
書中拿美國登月計劃的例子,建議可以找一個看似不可能的大目標。公開宣佈,然後集中力量把這個目標做出來,把不可能變成可能。它的好處是:就算失敗了,也能得到一定的經驗:一但做成了,回報是不成比例的:競爭反而不激烈。它還能逼著所有人從“第一性原理”去思考問題。登月是個發散思維,需要人提供集中思維,驗證可能性。可行性認證一定要從最難的部分開始。
﹝隨時注意自己是不是陷入了思維的定勢﹞
斯坦福大學在“科技風險投資”課堂上,對學生提出了“五美元挑戰”。學生分成若干小組,老師給每組5美元的啟動金,在兩小時內,看哪一組可以賺到最多錢,賺回最多錢的小組,可以有三分鐘的時間給全班分享賺錢的過程。普通的思路,是拿這5美元去買點便宜的東西,比如檸檬汁之類的,在校園裡賣,可以賺一點差價,或是去買張彩票,這些方法的名次都很靠後。優秀的團隊是怎麼做的?他們意識到這“5美元”的啟動基金根本沒意義,是思考的障礙,他們沒有使用這5美元,有團隊的做法是,打電話給附近的高檔餐廳訂座,然後位置轉賣給後來想要插隊的人,一下子就賺了500美元。而第一名的團隊,則認為“兩小時”這個條件也沒意義,為什麼一定要工作兩小時呢?他們意識到這個項目裡最有價值的不是這兩小時,更不是5美元,而是最或在全班自我介紹的這三分鐘:他們把這三分鐘賣給了一家想來斯坦福招人的公司:你們願意花多少錢換取一個來這個班三分鐘講話的時間,他們賣出了650美元。
﹝解決問題的水平怎麼樣,很大程度上取決於你如何提出問題﹞
1957年蘇聯發射人造衛星,美國兩個物理學家利用人造衛星發出的嘟嘟聲,算出了衛星的速度跟軌道,他們會報上級時,主任的思路也很不一版,他問到既然能根據地面上聽到衛星信號來判斷衛星軌道,那我們反過來想,如果已知衛星軌道,你們能不能反推地面收聽者的位置?答案是可以。因為這三個人提出的問題,在蘇聯發射衛星區區三年後,美國就實現了用5顆衛星給自己的海外核潛艇定位,這正是我們今天使用的GPS前身。
﹝自己證偽自己﹞
1999年 火星氣候探測號。進入火星軌道的時候,墜毀了,原應是探測器的製造者用英制單位,而控制探測器的團隊用的是公制,這麼簡單的問題不應該發生。其實火箭例行的校正和調整都沒有少,在進入火星軌道之前,至少要進行四次軌道調整,就在進入火星軌道之前的兩個月,偵測人員的數據顯示,此時離預定地點偏離了70公里。但操控組認為這是觀測的誤差,操控組相信真實的偏差只有10公里。我們現在都知道這次任務已經失敗了,操控組犯了一個所有人都會犯的錯誤,他們在欺騙自己。費曼說“首要原則是你不要騙你自己,因為你自己是最容易騙自己的人“。
我們的”確認偏誤”和”逆火效應”,會讓我們本能地捍衛自己的觀點,這個 觀點會變成你的立場,你會在爭論中選邊站,然後這個站隊就成了你身份認同的一部分,如果別人攻擊這個觀點,你就會認為他是在攻擊你本人。因此科學家寫論文很少用”我相信”我認為“。而是用客觀中立的說法”假設“,不是站隊,我是發現了這麼一個假設,我們一起找正反兩面的證據。當這個假設不成立時,我也不當你是反對我,大家心平氣和的討論問題。
﹝場景要真實﹞
太空人需要接受非常極端的訓練,在遇到任何難題時才能面對,事實上太空人每次任務遇到的問題都非常棘手,需要有“安全邊界”與“冗余”。裝修醫院的重點應該是天花板,這要真的去醫院躺過才會知道,你平常有去考場踩果點嗎?你準備談判的時候有模擬過不容易回答的問題嗎?你自己認為通過是正常的,遇到意外都是運氣不好,而按照航太的標準,你都應該責備自己,你犯了準備不充分的錯誤。
內文整理自:得到-萬維鋼菁英日課
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🔺【候選歷史人物知多少 | 張衡】🔺
🔸年度人物歷史選舉2020
🔸主辦單位:國史教育中心(香港)
張衡,出生於南陽郡西鄂縣,在東漢時期,是著名的士大夫、天文學家、地理學家、數學家、科學家、發明家、文學家,與揚雄、班固、司馬相如並稱為漢賦四大家。
張衡自幼聰穎好學,年紀輕輕便結識了許多有才能的學者。二十多歲時,名氣已傳偏鄰里。他曾多次婉拒出仕的機會,後來推辭不過,到南陽郡太守那裏擔任幕僚的工作,負責起草文書,期間他完成了《同聲歌》、《定情賦》、《兩京賦》、《南都賦》這些作品,這些創作呈現出二千年前的時代精神和風貌,所用的辭藻豐富華麗,將漢代的辭賦推向另一個高峰。此外,他撰寫的《四愁詩》首次脫離了楚辭的句式,開創了七言古詩的體制。
張衡推崇道家學說,他極力反對朝庭的貪污腐敗以及王公貴族的奢侈生活。他曾多次上書皇帝,批評宦官專權,但他很快受到了權貴們的報復,被外調為地方官。張衡在他早期的作品,《兩京賦》中的《東京賦》提到:「為無為,事無事」;「尊節儉,尚素僕」,已大致顯露出張衡較推崇道家思想。他後期作品「歸田賦」中更提到:「遊都邑以永久,無明略以佐時。 徒臨川以羨魚,俟河清乎未期。」表達了不願為榮辱所束縛,希望能超脫於世俗之外,返璞歸真的志向。
張衡在科學上的成就,尤其天文學及地理學方面,同時期無人能及,他不但是出色的理論家,更是大發明家。
在天文學方面,張衡有以下幾個成就:
首次,張衡根據自己的見解及觀測所得,提出了改良版的渾天說:嶄新採用盤古開天地式說法,提出天是蛋殻,地是蛋黃,星辰是蛋白;強調浮力的存在,提出大陸浮於水上,天穹浮於氣體之上。
其次,他論證了行星運動之間有快慢的差別,在沒有任何望遠鏡和精密儀具的幫助下,發現了各星辰離地球的距離有遠近之分。他重申了宇宙無限大的理論:空間無邊界,時間無起點。這個理論與現代宇宙演化學說吻合。他更發現並解釋了月球並不會燃燒卻會發光的原理。同時,他根據以上推測解釋了月的食成因。
再者,他改進了西漢天文學家耿壽昌所創的天文儀器「渾象」,制成全新的天文儀器,該儀器以水力推動,加上其特色吻合「渾天說」的理論,張衡為其命名為「漏水轉渾天儀」。
在地理學方面,張衡發明和製造了世上第一部驗震器「候風地動儀」,同時是有歷史紀載以來最早,最準確測量地震的儀器。與渾天儀不一樣,真正的候風地動儀已徹底失傳。關於候風地動儀的歷史資料記載只有兩項:一個是它曾經存在的官方證明,以及受到朝廷認證的作用(能測出地震的記載);另一個則是《漢書》裏對它僅有短短二百字左右的描述。後世的科學家們,在嘗試復原地動儀的過程中多次碰壁。
除了上述所提及的渾天儀和候風地動儀以外,張衡還發明了指南車、「自飛木雕」和機械日曆,並改良了漏刻的構造。
張衡是中國科技史裏所處年代最早之一,成就非凡的漢代科學家。後世以不同的方式紀念張衡。1970年,國際天文聯合會用張衡的名字為一座月球環形山命名。1977年,紫金山天文台把小行星1802命名為「張衡星」,為第一個以中國人命名的小行星。2018年2月2日,中華人民共和國的一顆人造地球衛星,亦是中國首顆電磁監測試驗衛星,成功發射升空,其名為「張衡一號」。2002年,中國天文學會設立「張衡特殊貢獻獎」,獎勵天文學的傑出人仕。現今深圳市龍崗區坂田街道華為基地有一條以張衡命名的街道——張衡路。
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黑洞是什麼?
這篇說明昨日公佈的黑洞照片雖不能算真正黑洞照片,卻是人類首次直接見証的第一步。
高科技進步,讓我們得以一窺黑洞神秘面紗,而就算不懂科學的人,這篇說明簡單易懂,好像帶我們在黑洞外圍走一圈,宇宙真的好神奇!黑洞更神秘。
#黑洞
#宇宙視野旅行
【新文章】人類首次拍得黑洞照片 再證愛因斯坦廣義相對論
黑洞帶給人類永恆的神秘感,它是時空的盡頭、連光也擺脫不了的「洞」。即使是理論物理學家,也難以用筆墨形容黑洞的模樣。要派太空人到黑洞附近去看看也不太可能,儘管航行者1號、2號花了近40年,才剛在不久前越過太陽系邊界,但黑洞都在太陽系以外非常遙遠的地方。
2017年,來自世界各地超過60個科研單位的天文學家聯結起位於地球各大洲的眾多個無線電望遠鏡,持續地觀察M87星系。這個名為事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,簡稱EHT)的無線電望遠鏡網絡,終於直接拍攝到了人類史上首張黑洞「照片」,並於2019年4月10日全球同步發表。
黑洞是什麼?
黑洞是愛因斯坦於1915年發表的廣義相對論的方程式的一個數學解。愛因斯坦發現,在我們身處的宇宙中的任意點上,加速度與重力並不能被區分開來,是為「等效原理」。利用等效原理,加上光速不變假設,愛因斯坦推導出一組十式的方程組。廣義相對論取代了牛頓重力定律(或者可說是牛頓重力定律的更新版本),只要知道時空某處存在多少質量,就能夠利用那十條方程式描述時空的演化。
重力的特性是它只會互相吸引,不像電磁力那樣既能相吸亦能相斥。因此,質量越多,重力就越強;重力越強,就更輕易吸引更多物質。物質如果要擺脫更強的重力,就得付出更多能量。例如,在一顆小行星上,輕輕一跳可能就已足夠擺脫其重力;在地球上,卻必須利用火箭加速至最少每秒11.2公里,才能飛進宇宙空間。
早在愛因斯坦以前,物理學家就曾經想像過一顆質量非常高的恆星,其重力強大到必須跑得比光更快才能逃逸。牛頓重力理論中沒有質量的東西不會被重力影響,而光線究竟有沒有質量在當年也是未解之謎,他們想像「如果」光線也會被重力「拉」回恆星表面的情況,就把這種想像中的恆星稱為「暗星」。
廣義相對論中的重力卻能影響一切事物。所有物質,哪管有沒有質量,全都會被重力吸引。天體物理學家發現,當一顆質量巨大的恆星耗盡核反應燃料時,抵抗自身重力的壓力就會在一瞬間消失,恆星會向內坍縮、反彈,引發超新星爆發。超新星爆發後剩下來的核心質量如果足夠高,就會變成一個逃逸速度比光速更高的區域。我們叫它做黑洞。
黑洞不會發光,而且大多數黑洞體積又不大、離地球又遠(幸好)。因此,望遠鏡必須造得夠大,才能收集更多光線和提高解析度。以人類的科技,要探測上述由恆星死亡超新星爆炸所創造出來的細小黑洞(尺寸大多比地球上的城市更小),仍然遙不可及。不過,宇宙間有些黑洞尺寸卻巨大得難以置信。天文學家發現,在每個星系的中心,都存在一個極其巨型的黑洞,質量達到幾百萬個太陽,稱為超大質量黑洞。天文學家認為這些星系中心的黑洞由遠古細小黑洞互相結合而成的,它們同時也影響著星系的演化過程。
星系M87(Messier 87)的中心也有一個超大質量黑洞。它距離太陽系約5千5百萬光年,半徑約為37光時。M87的質量是太陽的65億倍,從地球上觀察,它的事件視界(event horizon)只有大約16微角秒。從地球看,這等於月球上太空人的拳頭大小。事實上,今次EHT的天文學家拍攝的並非M87的事件視界,而是在事件視界外面約40微角秒大小的吸積盤(accretion disk),叫做「黑洞的影子(black hole shadow)」,實際尺寸大概為冥王星軌道的2.7倍。
事件視界望遠鏡(EHT)是什麼?
根據簡單光學定律,望遠鏡越巨大、觀測使用的波長越短,解析度也越高。人類所造的地面望遠鏡之中,無線電望遠鏡建造相對容易,因此普遍來說都較可見光望遠鏡巨大。另一方面,無線電受大氣擾動干擾的影響亦較可見光為低。EHT使用的無線電波段為1.3毫米,經過計算,我們需要的望遠鏡尺寸是⋯⋯地球直徑(即大概13,000公里)!
然而,即使是地球上最巨型的無線電望遠鏡,例如美國的阿雷西博望遠鏡(Arecibo Telescope,直徑305米)、中國的500米口徑球面無線電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,簡稱FAST,直徑500米),以及俄羅斯的科學院無線電望遠鏡-600(Academy of Science Radio Telescope – 600,簡稱RATAN-600,直徑600米)等等,也遠遠不夠大。怎麼辦呢?總不能把整個地球改建成一支望遠鏡吧?幸好,物理學家早就發展出一種技術,叫做甚長基線干涉測量法(Very-long-baseline Interferometry,簡稱VLBI)。VLBI技術利用光線的波動特性,把不同地點的光線訊號互相重疊,從而構成更光亮、解析度更高的影像。
世界各地都有很多無線電望遠鏡,因此天文學家組成了一個VLBI望遠鏡網絡,用來加強所拍攝的影像的光度和解析度。EHT就是這個VLBI網絡的一部分,專門拍攝M87。過去兩年間,EHT收集到了足夠的光線,利用干涉分析建構出一幅解析度達20微角秒、足以分辨出M87的黑洞影子的照片。2019年4月10號,我們終於能夠一窺黑洞的廬山真面目!
不發光的黑洞為什麼可以看得到?
咦,不是說過連光也不能離開黑洞嗎?為什麼還會有來自黑洞的訊號?
黑洞本身不會發光(理論上黑洞會放出所謂的霍金輻射(Hawking radiation),但這超出本文討論範疇,我在以往文章中已經討論過)。然而,正被黑洞吸入的星際物質、甚至是被黑洞強大重力扯得支離破碎的恆星碎片,會一邊加速至極高速度、一邊落入黑洞之中。這些物質構成一個溫度極高的吸積盤,會在落入黑洞之前釋放出大量輻射。EHT觀察的就是這些剛好在黑洞邊界發射出來的光。
順帶一提,黑洞邊界是時空中的資訊能夠傳播的最後界線,跨越了黑洞這道邊境的任何資訊都不可能被黑洞外面的宇宙所探知。因此,黑洞邊界又稱為事件視界,象徵宇宙中一切事件的盡頭。EHT的名稱也就很明顯了:事實上它拍攝的並非黑洞「本身」,而是事件視界外的黑洞影子。
愛因斯坦的預言
既然這是人類史上首張黑洞照片,為什麼我們會知道M87中心有個黑洞?
我們觀察到來自M87的X射線高能量噴流(jet)。天體物理學模型指出,當吸積盤的物質落入黑洞時,會有一部分物質被高速從黑洞兩極拋走,形成噴流。噴流中的物質溫度極高,加上其速度非常接近光速,因而放出X射線。這些來自M87的X射線能量間接指出其中心必定存在一個能提供物質如此強大能量的能源。根據人類已知物理學,黑洞是唯一解釋。
科學與其他學問的一個分別是,我們能夠利用科學定律來作出極其準確的量化(quantitative)預言。愛因斯坦廣義相對論的預言已經被實驗和觀測所一一證實,包括位於較強重力場中的時間流逝速率相對較慢(全球定位系統人造衛星必須使用廣義相對論作岀修正,所以我們的手提電話已是明證)、空間會被重力場扭曲(人造衛星已經測得地球附近空間扭曲程度與相對論預言一致)、2015年直接探測到去兩個黑洞碰撞結合所釋放出的重力波(重力波觀測亦為黑洞存在的證據)。
EHT這張照片只是人類直接觀察黑洞的第一步。雖然這照片與想像中的電影劇照有頗大出入,卻是愛因斯坦相對論的另一個明證。誰知道未來人類科技會進步到何等程度,帶我們看到什麼?
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