宇宙與物理每日問題答案和解釋

真實依據

• 太陽光從太陽表面到達地球大約要多久？答案：約 8 分 20 秒。日地平均距離約 1.5 億千米，光要走約 499 秒。你看到的太陽，永遠是 8 分多鐘以前的樣子。

• 宇宙微波背景輻射今天的溫度約是多少？答案：約 2.7 開。約 2.725 開。它在宇宙 38 萬歲時誕生，那時約 3000 開，此後宇宙膨脹把它拉長、冷卻了約 1100 倍。

• 宇宙大約多少歲？答案：約 138 億年。約 138 億年。46 億年是太陽系的年齡；460 億光年是可觀測宇宙的半徑，不是年齡。

• 宇宙只有 138 億歲，可觀測宇宙的半徑卻約有 460 億光年。為什麼？答案：光在路上的時候，宇宙還在繼續膨脹。光在路上走了 138 億年，這期間它出發的地方被膨脹推得更遠了。光速從來沒有變過。

• 除了太陽，夜空中最亮的恆星是？答案：天狼星。天狼星，距離約 8.6 光年。北極星的亮度只排在第 50 名左右，它出名是因為幾乎不動。

• 一顆 20 倍太陽質量的恆星大約能活多久？答案：約 1000 萬年。質量越大，燃燒越猛：壽命大約與質量的 2.5 次方成反比。太陽能活約 100 億年，最小的紅矮星能活上萬億年。

• 宇宙中數量最多的元素是？答案：氫。按原子數約 92% 是氫，按質量約 74%。它們大多是大爆炸後最初幾分鐘留下來的。

• 你身上首飾裡的金原子，最可能來自哪裡？答案：中子星併合這類劇烈事件。比鐵重的元素需要大量中子來造。2017 年的引力波事件 GW170817 讓人們第一次直接看到了中子星併合鍛造重元素。

• 離太陽最近的恆星是？答案：比鄰星。比鄰星，約 4.24 光年。它是半人馬座 α 三合星系統裡最小的那顆紅矮星，2016 年在它周圍發現了一顆行星。

• 黑洞的「事件視界」是什麼？答案：連光都逃不出去的邊界。視界不是實體。對很大的黑洞來說，穿過視界的人當時可能什麼都察覺不到，但再也出不來了。

• 2019 年釋出的人類第一張黑洞照片，拍的是哪個黑洞？答案：M87 星系中心的黑洞。事件視界望遠鏡把全球的射電望遠鏡聯合成一架「地球大小」的望遠鏡。銀河系中心黑洞的照片在 2022 年釋出。

• 星星為什麼會「眨眼」？答案：地球大氣的湍流。冷熱不同的氣團像流動的透鏡，讓星光忽強忽弱。行星看起來是個小圓面，所以閃爍得少。

• 月球總是同一面朝著地球，是因為？答案：月球的自轉週期和公轉週期相同。這叫潮汐鎖定。月球自轉一週約 27.3 天，正好等於它繞地球一週的時間。

• 銀河系裡大約有多少顆恆星？答案：約 1000 億到 4000 億顆。估計在 1000 億到 4000 億顆之間。差距這麼大，是因為闇弱的紅矮星很難數清。

• 太陽最終會變成什麼？答案：白矮星。太陽質量不夠大，會先膨脹成紅巨星，丟擲行星狀星雲，最後留下一顆地球大小的白矮星。

• 宇宙最初的 38 萬年為什麼是「不透明」的？答案：自由電子不斷散射光子。那時溫度太高，電子還沒被原子核捕獲。冷到約 3000 開時原子形成，光才能自由穿行，這道光就是今天的宇宙微波背景。

• 暗物質大約佔宇宙全部物質的多少？答案：約 85%。約 85%。我們熟悉的原子只佔物質的一小部分，暗物質至今只通過引力被探測到。

• 哈勃 1929 年發表了什麼發現？答案：星系越遠，遠離我們的速度越快。他在 1924 年先證明了仙女座在銀河系之外，1929 年發表了退行速度與距離成正比的關係。勒梅特在 1927 年已經推匯出了這個關係。

• 旅行者 1 號現在的速度約是多少？答案：約每秒 17 千米。約每秒 17 千米。以這個速度飛到比鄰星，大約要 7.5 萬年。

• 下列哪個天體不是在太陽系裡形成的？答案：奧陌陌。奧陌陌是 2017 年發現的第一個已知星際天體，它從別的恆星系飛來，正在離開。

• 「宇宙學事件視界」意味著什麼？答案：有些星系今天發出的光永遠到不了我們。宇宙在加速膨脹，足夠遠的星系退行得太快，它們今天發出的光永遠追不上我們。那裡的宇宙並沒有結束。

• 第一代恆星（星族 III）和今天的恆星最大的區別是？答案：幾乎不含比氦重的元素。那時宇宙裡還沒有重元素。它們可能非常巨大、非常短命，至今還沒被確認直接觀測到。

• 一茶匙中子星物質大約有多重？答案：幾十億噸。中子星密度約每立方米 4×10¹⁷ 千克，一茶匙（約 5 毫升）約 20 億噸。

• 2015 年第一次探測到引力波時，LIGO 4 千米長的臂長變化了多少？答案：約質子直徑的千分之一。約 10⁻¹⁸ 米。為了測出這麼小的變化，LIGO 要隔絕地震、交通甚至海浪的振動。

• 天空為什麼是藍色的？答案：空氣分子更容易散射波長短的光。這叫瑞利散射。日落時光要穿過更厚的大氣，藍光被散射掉，剩下紅光和橙光。

• 原子的絕大部分是什麼？答案：空的。原子核的直徑只有原子的約十萬分之一。如果原子有足球場那麼大，原子核就像場地中央的一粒豌豆。

• 為什麼水是 H₂O 而不是 HO？答案：氧原子需要再得到兩個電子才穩定。氧的外層有 6 個電子，再共用 2 個就滿了，所以它和兩個氫原子各共用一對電子。

• 按質量算，地球上最多的元素是？答案：鐵。算上地核，鐵約佔地球質量的三分之一。如果只看地殼，最多的是氧。

• 鑽石和石墨都是由什麼組成的？答案：碳。同樣是碳原子，排列方式不同：鑽石裡每個碳原子連著四個鄰居，石墨是一層層的六邊形。

• 第一個人工製造出來的元素是？答案：鎝。1937 年在迴旋加速器廢棄的鉬箔裡發現。它的名字來自希臘語「人造的」。

• 為什麼鐵是恆星核聚變的終點？答案：聚變鐵不再釋放能量。鐵-56 附近的原子核結合得最緊。再往上聚變反而要吸收能量，所以大質量恆星的核心一旦堆滿鐵，就會坍縮。

• 光在真空中的速度大約是多少？答案：每秒 30 萬千米。精確值是每秒 299,792,458 米。1983 年起，「米」就是用光速來定義的。

• E = mc² 說的是？答案：質量和能量可以互相轉換。1 克物質完全轉化成能量約 9×10¹³ 焦，相當於約 2 萬噸 TNT。

• 希格斯玻色子 2012 年在哪裡被發現？答案：大型強子對撞機。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機。它的發現證實了粒子獲得質量的機制，2013 年的諾貝爾物理學獎頒給了提出這一機制的物理學家。

• 絕對零度是多少攝氏度？答案：−273.15 ℃。−459.67 是華氏度。絕對零度只能無限接近，永遠達不到，這是熱力學第三定律。

• 每秒穿過你指甲蓋大小面積的太陽中微子大約有多少？答案：約 600 億個。約每平方釐米每秒 600 億個。它們幾乎全都穿過你、穿過地球，一點痕跡也不留。

• 量子糾纏能用來超光速傳遞資訊嗎？答案：不能。糾纏兩端的測量結果是相關的，但每一端單獨看都是隨機的，必須用普通訊號把兩邊的結果對照起來，才能看出相關性。這叫不可通訊定理。

• 「薛定諤的貓」本來想說明什麼？答案：把量子疊加推到宏觀世界會顯得很荒謬。薛定諤 1935 年提出它，本意是批評當時流行的量子力學詮釋，後來它反而成了量子力學最出名的形象。

• 熱力學第二定律說的是？答案：孤立系統的熵不會減少。熱量會自發地從熱處流向冷處，反過來不行。它給了時間一個方向。

• 為什麼在高山上，水不到 100 ℃ 就會沸騰？答案：氣壓低。氣壓越低，水分子越容易逃逸。在珠穆朗瑪峰頂，水大約 70 ℃ 就沸騰了。

• 鏡子裡的你為什麼左右顛倒，上下卻不顛倒？答案：鏡子真正翻轉的是前後方向。鏡子翻轉的是垂直於鏡面的方向。我們把鏡中人想像成一個轉過身來面對我們的人，才覺得左右反了。

• 原子核裡的質子都帶正電，為什麼不會互相彈開？答案：強相互作用把它們拉在一起。在原子核的尺度上，強相互作用比電磁排斥強得多，但它的作用距離極短，出了原子核就幾乎消失了。

• 「半衰期」指的是？答案：一半原子核發生衰變所需的時間。碳-14 的半衰期約 5730 年，所以能用來測定幾萬年以內的有機物的年代。

相關研究

這些研究和本頁主題相關，但不是本頁內容的直接證明。

• 宇宙在膨脹：哈勃發現星系離我們越遠，退行得越快。宇宙不是靜止的，它在膨脹。

  出處：Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"

• 原始原子：勒梅特獨立提出宇宙在膨脹，後來又設想宇宙起源於一個“原始原子”，這是大爆炸理論的雛形。

  出處：Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"

• 找到希格斯粒子：大型強子對撞機在約 125 GeV 處發現新粒子，等了 48 年的預言終於被證實。

  出處：ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"

• 宇宙微波背景：兩位貝爾實驗室的研究員怎麼也消除不掉天線裡的噪聲，最後發現那是大爆炸的餘暉，獲 1978 年諾貝爾獎。

  出處：Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"

• 黑洞的影子：全球射電望遠鏡組成一臺地球大小的“虛擬望遠鏡”，拍下了 M87 星系中心黑洞的影子。

  出處：Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 2019, "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole"

• 引力波：兩個黑洞在 13 億年前合併，時空的漣漪終於被人類聽見，驗證了愛因斯坦百年前的預言。

  出處：Abbott et al. (LIGO & Virgo), Physical Review Letters 2016, "Observation of gravitational waves from a binary black hole merger"

• 宇宙的配方：普朗克衛星測量了宇宙微波背景的細微起伏：普通物質約佔宇宙總能量的 5%，暗物質約 27%，其餘是暗能量。

  出處：Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"