本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出 第1單元：序論與自我介紹;「演化」及「宇宙」之教材資訊 2/22/2010 202 10460 演化 宇宙 人 物理系 侯維恕 本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出

序論 演化、宇宙、人 韓濤 (Prof. of Physics, Wisconsin): That’s Religious! 2/2009 演化 宇宙 人 紅箭頭意義：藉著人來完成對演化與對宇宙的了解。也探討宇宙中是不是只有人有自覺的認知。 2009年是國際天文年，是09年的作業。 交叉點 Ex 搜尋 “達爾文200” 及 “2009全球天文年” (IYA2009) 之事由, 並簡述之。

年少輕狂 你我的類似成長經歷 10 歲前 抓蟲、摸蝦、釣魚 自我介紹 十歲前大部分的同學都沒有抓蟲、摸蝦、釣魚的經驗。

侯維恕 照片是從我的辦公室拍的，用來提示自己年少的經歷，也是這門課的源頭。 左邊是三葉蟲的化石，如果在十歲以前有化石在身邊，大概有很大的想像空間。 中間是晶體，代表的是另一個世界─物理世界。 右邊的紙鶴先保留之後再說明。 侯維恕

年少輕狂 10 歲前 11-12 歲 科學啟蒙:「進化論」 抓蟲、摸蝦、釣魚 生物奧秘 11-12 歲 科學啟蒙:「進化論」 抓蟲、摸蝦、釣魚 生物奧秘 小學六年級讀了進化論，覺得很震撼。回憶起來，自己的科學啟蒙很早。

年少輕狂 10 歲前 11-12 歲 科學啟蒙:「進化論」 12-13 歲 走向天文/物理:「反物質與宇宙論」 11-12 歲 科學啟蒙:「進化論」 12-13 歲 走向天文/物理:「反物質與宇宙論」 抓蟲、摸蝦、釣魚 生物奧秘 Mass is a form of energy! 小學階段的人生經歷跟生物很有關連；國中之後，我喜歡去讀書館看書，其中一本「反物質與宇宙論」，現在都稱「宇宙學」，開啟我對天文物理的興趣。

E = mc2 接受震撼吧！ Sun: 4M ton/sec  能量 Ex 一克物質若全部轉換成能量， 可以煮乾多少已達沸點的水 ? 因為光速很大，平方之後會比平常接收到的能量大小大無數倍。請感受太陽能量每秒有四百萬噸的能量釋放成光、熱，是如此之大，我們只取其1/10的能量進入生命循環。 接受震撼吧！ Sun: 4M ton/sec  能量 Ex 一克物質若全部轉換成能量， 可以煮乾多少已達沸點的水 ?

宇宙浩瀚 質能鉅大 ~ 1/60 of Moon 本銀河系: 直徑 ~ 10萬光年 約1000億顆星 宇宙浩瀚 質能鉅大 ~ 1/60 of Moon 如果從遠方看銀河系的話，像是個漩渦在宇宙中轉；銀河系直徑大約是十萬光年。 光年是光速(每秒30萬公里)走一年的距離。 右圖一個橢圓形的點幾乎都是一個銀河系。看月亮視角的六十分之一的範圍，是哈伯望遠鏡所拍遙遠的太空中有許多銀河系存在，我們只是其中的一點。一兩千億顆星，目前推斷，宇宙中有等量數目的銀河系，如果有類似地球的行星，應該會有很多外星人，正在關切地球人的舉動。宇宙浩瀚、能量、距離、空間，都十分巨大。 本銀河系: 直徑 ~ 10萬光年 約1000億顆星 Ex 10萬光年, 若搭時速1000公里的噴射 客機, 要多少個人生 (60年) 才能走完 ?

年少輕狂 10 歲前 ~12 歲 12-13 歲 16 歲 - 關切生死的不可知論者 —— (生命)意義的追尋 科學 — 物理 (生物) 科學 — 物理 (生物) 信仰 — 不可知論 生命 — ?? 16歲的我，已經決定選擇物理為主科。 16歲的我很怕死，很關切生死的問題，有意識到死亡帶來的未知感。「意識」大概就是人類宗教的來源。 16歲的我自我定位是「關切生死的不可知問者」。 科學是一種信仰，找尋個人存在意義是什麼？ 關切生死的不可知論者 —— (生命)意義的追尋

存在的奧秘 iank14 但，你能想像「不存在 」(例如死後) 嗎？

“Two things fill the mind with ever-increasing awe 康德之墓, Kaliningrad 「人類」 “Two things fill the mind with ever-increasing awe — the starry heavens above me, and the moral law within me.” Zwei Dinge erfüllen das Gemüt mit immer neuer und zunehmender Bewunderung und Ehrfurcht, je öfter und anhaltender sich das Nachdenken damit beschäftigt: der bestirnte Himmel über mir und das moralische Gesetz in mir. — Immanuel Kant, Kritik der praktischen Vernunft 這句話是摘錄，但是很有力量。the mind指的是全人類；演化是含在宇宙裡，人類的內心也有康德所關心的規律。 * ... new and increasing admiration and awe, the more often and steadily we reflect upon them ...

演化、宇宙、人 韓濤 (Prof. of Physics, Wisconsin): That’s Religious! 2/2009 “The most beautiful experience we can have is the mysteri ous. It is the fundamental emotion that stands at the cradle of true art and true science. Whoever does not know it and can no longer wonder, no longer marvel, is as good as dead, and his eyes are dimmed. It was the experience of mystery — even if mixed with fear — that engendered religion. A knowledge of the existence of something we cannot penetrate, our perceptions of the profoundest reason and the most radiant beauty, which only in their most primitive forms are accessible to our minds: it is this knowledge and this emotion that constitute true religiosity. In this sense, and only this sense, I am a deeply religious man... I am satisfied with the mystery of life’s eternity and with a knowledge, a sense, of the marvelous structure of existence — as well as the humble attempt to understand even a tiny portion of the Reason that manifests itself in nature.” 好好活！ 愛因斯坦的論述。跟韓濤教授說的religious以及這堂課是互相輝映。奧秘是人生最美麗的經驗，藝術與科學都是從奧秘來的，能感受並欲探知奧秘的眼神尚未昏暗；奧秘也是畏懼的來源，宗教的來源。 Vernunft http://www.aip.org/history/einstein/essay.htm

年少輕狂 10 歲前 ~12 歲 「進化論」 12-13 歲 「反物質與宇宙論」 Mass is a form of energy! ~12 歲 「進化論」 12-13 歲 「反物質與宇宙論」 Mass is a form of energy! 介紹一下反物質的概念

反 物質的預測與發現 保羅 •迪拉克 (Paul Dirac) 在1928 年將相對論與量子力學結合，預測了反電子的存在 簡易版説明: E2 = p2c2 + m2c4 存在 E > 0 & E < 0 的解 Carl Anderson’s Plate 100年前還不知道反物質，Paul Dirac以當時正在發展的量子力學與相對論結合，預測出反物質的存在。 這是原始的愛因斯坦提出的方程式E=mc2 ，p是動量有方向性，E也有正負之別；反物質就是負的能量，定義m=0就是沒有能量，m是正的就是正的能量，m是負的就是負的能量。 本圖片出自Carl D. Anderson. Phys. Rev. 43, 491–494 (1933). 版權歸美國物理學會(American Physical Society) http://prola.aps.org/thumbnail/PR/v43/i6/p491_1 迪拉克方程式隱含: 反電子質量 = 電子質量 反電子電荷 = - 電子電荷 註: 反電子即「正子」e+ Wikipedia，作者: Carl D. Anderson

E = mc2 什麼是 反 物質 ? e g g + - 反電子 (正子) 與電子 相互湮滅產生 g-射線, 或純粹能量 The simplest way to describe antimatter is in terms of its behaviour - when particle and antiparticle meet they annihilate and their mass is turned into energy in the form of g-rays, also called photons. This process is governed by the second and last equation you will see this evening, and surely known to the whole audience - Einstein’s famous equation E=mc2. Not only is this true for electrons and positrons, it also occurs for quarks and anti-quarks and more complicated objects like protons and anti-protons. You would also be in trouble if you met your anti-you. However this possibility is still someway off; it was not until 1996 that anti-hydrogen, the simplest anti-atom was produced. 電子是帶負電的電荷，正子的電荷跟電子相反。 反物質還有一個性質，正子跟電子合在一起就沒有電荷，變成兩顆光子照出來，稱為相互湮滅，轉化成純粹的能量，兩者抵銷掉就回到E=mc2。因此從中有個概念是，物質跟反物質是有對稱性的。   提及反物質的小說可見「天使與魔鬼」

宇宙 的 演化 等量 物質-反物質 只有物質 !? 宇宙 Universe 起自 ~ 140 億年前的 大爆炸 “Big Bang” 侯維恕 iank14 宇宙 Universe 起自 ~ 140 億年前的 大爆炸 “Big Bang” 就目前所知宇宙大約137億年，接續前面反物質的問題，在宇宙初始的時候，是純粹能量的過程，物質與反物質是等量產生，大爆炸的一瞬間(對我們而言)，物質反物質會對消，剩下了一部份的物質。宇宙存在137億年，直到人的出現才知道宇宙中反物質的存在，也只是100年內的事情。   等量 物質-反物質 只有物質 !? 侯維恕 iank14

The Mystery of Existence iank14

CP破壞 & 宇宙物質壟斷 (& 你): 沙卡洛夫觀點 (1967) CP破壞 & 宇宙物質壟斷 (& 你): 沙卡洛夫觀點 重子數不守恆 CP 破壞 偏離熱平衡 (CPV) 僅剩 10-9 物質 ! 14 Byr Bang 沙卡洛夫是俄國氫彈之父，他說重子數不守恒、CP破壞、偏離熱平衡這三項成立的話，宇宙大爆炸之後有等量的物質與反物質，結合後一顆反物質會變成一顆物質。物質、反物質碰撞相互湮滅(殘留下淡調的光，就是宇宙背景輻射)，僅剩10-9的反物質變成物質留下來。 Us 相互湮滅 ( 宇宙背景輻射) 等量物質 - 反物質 侯維恕 iank14

個人的研究:台大高能組

CP 破壞 研究 KEKB加速器 日本高能實驗室 (KEK) B 介子工廠 Belle 實驗 筑波山 1994年我在台大組隊建立與日本高能實驗室(KEK)合作。這個環周長是三公里，題目是CP破壞研究，目的是解釋10-9的細節。 Flickr，作者:  くーさん 日本高能實驗室 (KEK) B 介子工廠 Belle 實驗 本圖片由日本高能實驗室(KEK)同意課程：演化、宇宙、人，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本圖片，請另行向權利人取得授權。

日本人喜歡紙鶴，放在自己的辦公室，代表自己的經歷。 侯維恕

探討 質量之源 LHC 加速器 (週長27公里) (CERN，位於日內瓦) CMS 實驗 正在重新啓動 侏 羅 山 侏 羅 山 探討 質量之源 LHC 加速器 (週長27公里) 瑞士的日內瓦CERN就是「天使與魔鬼」製造反物質的地方，歐洲高能實驗室地點就是三角形(乳酪塊)，這個加速器環周長是30公里。這邊的小點是研究質量的來源，是實驗室主體對面。 Davecrosby uk

尋找希格斯粒子 (Higgs particle) @ LHC 侏 羅 山 探討 質量之源 LHC 加速器 (週長27公里) 在地底下一百公尺紅色圈起來是剛剛小點的正下方CMS。

大強子對撞機 CMS 實驗 Total weight: 12500T Overall diameter: 15.0m 這個環的偵測器拆解圖，長度是20多公尺，高度是15公尺。這個實驗是世界性的研究，約有3000多人參與。 Total weight: 12500T Overall diameter: 15.0m Overall length: 21.5m Wikipedia

台大高能組帶領台大拔尖 台大也有參與在CERN實驗室。這是上一張偵測器的實體。 本圖片由侯維恕同意課程：演化、宇宙、人，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本圖片，請另行向權利人取得授權。 台大高能組帶領台大拔尖 台大也有參與在CERN實驗室。這是上一張偵測器的實體。

回到課程

from so simple a beginning endless forms most beautiful “There is grandeur in this view of life... from so simple a beginning endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being, evolved. ” Charles Darwin (Origins) 達爾文有生之年到死後其實受很多批評，不只是宗教，人的自尊以及知識，人怎麼可能是猴子變來的。下圖是前幾年很轟動的發現，之後會談。 下週

吸引我的三大生物問題 一個 細胞 如何是活的 ? 演化 是如何運作的 ? 從 神經元 到 “意識” ? 達爾文的第一個「演化樹」 生物最吸引我的三個素材，就是演化究竟是如何進行？達爾文手稿可見，演化樹中人類是其中一支；活的細胞究竟怎麼運作，活得跟死的怎麼分？第三個就是意識，連結到”I think”。 從 神經元 到 “意識” ? Ethan Hein 達爾文的第一個「演化樹」

3 週教完 與美國之信仰與文化作對比 [閲讀] 演化の教材 (每人) 自己上網下載 演化部分的教材，請上網下載。希望三周內交完。 與美國之信仰與文化作對比 [閲讀] 演化の教材 The National Academies Press (每人) 自己上網下載 演化部分的教材，請上網下載。希望三周內交完。 並組成討論小組。   3 週教完

發現木星衛星 “perspicullum” Galileo Galilei Gingerich (2008)Nature 457, 28-29 (1610年1月) Ex 伽利略首次藉望遠鏡發現木星有衛星, 卻因而遭宗教法庭判軟禁, 爲什麼 ?

從業餘到專業 發現: • 天王星 • 數千clusters & nebulae • Solar Motion the 48-inch (1.2-meter) Wilhelm Friedrich Herschel (1738-1822) 發現: • 天王星 • 數千clusters & nebulae • Solar Motion 19世紀初Wilhelm Friedrich Herschel，他不是專業天文家出身，但是之後對觀測天文著迷；右上圖是他自己建立的大型望遠鏡，發現了天王星，對天文學有大貢獻，後來成為皇家天文學家。 望遠鏡是天文學的核心，從古天文學觀測的行星、哥白尼的太陽中心說、到將望遠鏡送上宇宙，觀察到星系、宇宙大爆炸。   The Universe is Much Bigger than once thought !

宇宙 的 演化 等量 物質-反物質 ➜ 只有物質 !? 宇宙 Universe 起自 ~ 140 億年前的 大爆炸 “Big Bang” iank14 宇宙 Universe 起自 ~ 140 億年前的 大爆炸 “Big Bang” 人有意識，有思想，可以回溯過去，就算不參與宇宙生成的研究，本課的用意是希望能了解課程給各位的意義，另一方面對自己的領域做出貢獻。 等量 物質-反物質 ➜ 只有物質 !? 侯維恕 iank14

我們的穹蒼居所 開場：創世可以有所不同嗎？ 第一段：從大爆炸到生命層 第二段：起初與末了 第三段：基要與臆測 行星與恆星 生命與自覺意識 原子、星星、銀河 銀河之上 銀河系之前 黑洞與時光機 第二段：起初與末了 減速抑加速？ 很久以後： 事情的起頭 ― 頭一毫秒 第三段：基要與臆測 穹蒼與微觀世界 多重宇宙與人本論證 好像交不完⋯ 這是宇宙課程的教材書，我也經過作者同意翻成中文，建議同學可以看原文。 我們像是飄浮在宇宙太空中的微塵，在穹蒼居所的演化樹末端，回過來檢視宇宙過去發生的事情。 Amazon.com。本作品轉載自http://www.amazon.com/Our-Cosmic-Habitat-ebook/dp/B005KLQXXC，瀏覽日期2012/07/10。 依據著作權法第46、52、65條合理使用。 Our Cosmic Habitat Paperback, 224 pages Princeton University Press (2003) 自己組織起來去買 已獲作者同意爲授課做中文翻譯

結論：人在宇宙中的地位 人是 尊貴的。 演化 宇宙 人 好好活！ 善用你的一生，成爲文化人。 交叉點 演化 宇宙 人 交叉點 人是尊貴的，在演化與宇宙交叉點上只有我們有認知。 希望能藉由課程，看到人的渺小，然而能夠繼續生活共同擴展人類的視野。 人是 尊貴的。 好好活！ 善用你的一生，成爲文化人。

習題一 1. 搜尋 “達爾文200” 及 “2009全球天文年” (IYA2009) 之事由, 並簡述之。 演化、宇宙、人 202 10460 習題一 3/08 交 1. 搜尋 “達爾文200” 及 “2009全球天文年” (IYA2009) 之事由, 並簡述之。 2. 一克物質若全部轉成能量, 可以煮乾多少已達沸點的水? 3. 請翻譯第12頁白框裏 Einstein 的話。請簡述 (200字內) 為何選本課程。 4. 10萬光年, 若搭時速1000公里的噴射客機, 要多少個人生 (60年) 才能走完 ? 5. 伽利略首次藉望遠鏡發現木星有衛星, 卻因而遭宗教法庭判軟禁, 爲什麼 ?

版 權 聲 明 頁

作品 授權條件 作者/來源 台大物理系 侯維恕。攝於辦公室 Dantadd 台大物理系 侯維恕。攝於辦公室 Dantadd http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Albert_Einstein_1947a.jpg 2010.11.19 visited European space agency http://www.esa.int/esa-mmg/mmg.pl?b=b&keyword=M31&single=y&start=1 NASA http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hubble_deep_field.jpg iank14 http://www.flickr.com/photos/iank14/2091941730/

作品 授權條件 作者/來源 康德墓碑 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kant's_tombstone_Kaliningrad.jpeg 2010.11.19 visited “The most beautiful…” The world as I see it. Albert Einstein. Forum and Century vol.84, pp. 193-194, 1931. Pieter Kuiper http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dirac_4.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carl_Anderson.jpg Wikipedia，作者: Carl D. Anderson。本作品轉載自http://zh.wikipedia.org/wiki/File:PositronDiscovery.jpg，瀏覽日期2012/07/10。

作品 授權條件 作者/來源 台大物理系 侯維恕。2010.11 台大物理系 侯維恕。2010.11 http://www.europarl.europa.eu/sides/getDoc.do?pubRef=-//EP//TEXT+IM-PRESS+20070906FCS10161+0+DOC+XML+V0//EN Flickr，作者:  くーさん。本作品轉載自http://www.flickr.com/photos/ezakicoo/3891399357/sizes/l/，瀏覽日期2012/07/10。本作品採取創用CC「姓名標示」2.0版授權釋出。 CERN http://cdsweb.cern.ch/record/39026

作品 授權條件 作者/來源 Davecrosby uk http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Y_Fenni_Cheese_I.jpg 2010.11.19 visited http://lhc.web.cern.ch/lhc/LHCUnder.pdf Wikipedia。本作品轉載自http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Construction_of_LHC_at_CERN.jpg，瀏覽日期2012/07/10。 本圖片由台大校訓同意課程：演化、宇宙、人，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本圖片，請另行向權利人取得授權。 http://www.darwin200.org/

作品 授權條件 作者/來源 ArtMechanic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Charles_Darwin_by_G._Richmond.jpg 2010.11.19 visited Jappalang http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Darwin_ape.jpg Trachemys http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Charles_Darwin_01.jpg http://www.nature.com/nature/supplements/insights/evolution/index.html Mortadelo2005 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Celltypes.svg

作品 授權條件 作者/來源 Ethan Hein http://www.flickr.com/photos/ethanhein/2260959885/ 2010.11.19 visited Jrockley http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Darwin_tree.png Science, Evolution and Creationism. The National Academies Press, 2008 http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=11876 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Galileo_Galilei.jpeg Gingerich (2008) Year of astronomy: Mankind's place in the Universe. Nature 457, 28-29

作品 授權條件 作者/來源 Mattes http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Galileo.script.arp.600pix.jpg.jpg 2010.11.19 visited EMStephens http://commons.wikimedia.org/wiki/File:William_Herschel01.jpg ArtMechanic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wilhelm_Herschel.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Herschel_40_foot.jpg Amazon.com。本作品轉載自http://www.amazon.com/Our-Cosmic-Habitat-ebook/dp/B005KLQXXC，瀏覽日期2012/07/10。 依據著作權法第46、52、65條合理使用。