【大師演講】丁肇中院士獲頒諾貝爾物理學獎40週年:我所經歷的實驗物理

■今年是丁肇中院士因發現新型粒子榮獲諾貝爾物理獎40週年,臺大科教中心特地與財團法人張昭鼎紀念基金會、中研院和 More »

【摺紙專欄】淺談摺紙數學與機構

文・圖/ 臺北科技大學機械工程學系副教授 王金樹 摺紙是簡單易學的空間藝術表現形式之一,欣逢國立歷史博物館展覽 More »

【2016台積電盃-青年尬科學】邀請你「有『種』來決『豆』」!

一顆小小的豆子和種子,蘊藏著驚人的生命能量,從豆類到種子的科普知識更是包羅萬象。5/16起,歡迎國三至高三(K More »

【週末茲卡專題報導】茲卡病毒的抗蚊大作戰

■茲卡病毒跟登革熱一樣,都靠埃及斑蚊傳播。對抗埃及斑蚊,除了管控環境衛生與清除積水,有沒有其他更有效地防治策略 More »

【豆類年專題】2016豆類年簡介

撰文|葉綠舒 聯合國農糧署(FAO)訂二0一六年是「國際豆類年」。對居住在東亞地區的我們來說,提到豆類,第一個 More »

 

【科學史沙龍】電磁波-電與磁的自動化—從馬克斯威爾及當時的科學家談起

■電是電荷所產生的,磁則是電流所產生的。馬克斯威爾用他著名的方程組,指出電跟磁並不是個別現象,變電可生磁,變磁亦可生電,這個相生關係最奧妙的表現形式,就是電磁波。他是如何將這兩個物理現象,以非常漂亮的方式結合在一起的呢?

講者|國立師範大學物理系 張嘉泓教授
撰文|高英哲

馬克斯威爾對法拉第推崇備至,曾說自己除了法拉第的書以外都不看,就算看了也不敢用別人的論述來思考電磁學。法拉第對電磁學的見解,確實跟當時歐陸的主流想法南轅北轍,那時的歐陸物理界普遍認為,電荷之間的作用力是一種超距力,帶電物體周圍的空間,在電磁作用中不具備任何作用。法拉第透過實驗結果展示,在遠離電荷的空間中,還是可以產生電的效應,據此反對電是超距力的傳統看法,並且將原本被認為電荷周圍不具備任何作用的空間,籠統地稱為「電磁場」。

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【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁肇中院士研究的歷史意義

照片為丁院士提供,請勿任意轉載。

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撰文|中央大學物理系 張元翰教授

丁肇中院士從事粒子物理研究近60年,進行多項重要的實驗,獲得空前的成果,也得到了諾貝爾獎的肯定。在粒子物理領域裡,他數度開創新局,做出前人無法想像的發現。對物理的貢獻,已經成為一個傳奇。他的研究方法與對問題的取材,影響深遠,隱隱形成一個流派。丁院士物理研究的歷史價值,至少可以從以下三方面來看:

(1) 對物理的影響:丁院士獲得諾貝爾獎的工作,是發現了J粒子。這個發現對後續粒子物理的進展有劃時代的影響,被稱為粒子物理的November Revolution (十一月革命)。會被稱為「革命」,就在於這個發現造成多方面的突破,形塑了現代的基本粒子理論。在J粒子發現之前,粒子物理正處於一個相對混亂的時刻。當時夸克理論和電弱作用理論已被提出,成功地解釋了許多現象。但是,很多人並不認同夸克是一個實體存在的粒子,而夸克只有三種的想法深植人心。電弱作用理論則仍有缺陷,跟某些實驗結果有重大的出入。另外,強作用力的理論(量子色動力學)也已經存在,卻沒有一個好的系統可以驗證其預測。

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【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】1976年諾貝爾物理獎官方新聞稿

照片為丁院士提供,請勿任意轉載。

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編譯|葉承効

瑞典皇家科學院(The Royal Swedish Academy of Sciences)決定將1976 年的諾貝爾物理獎頒給美國史坦福直線加速器中心的伯頓・里克特(Burton Richter)教授與美國麻省理工學院的丁肇中教授,以表彰他們在發現一種新的重基本粒子中所進行的開創性研究。

以對基本粒子的研究共享諾貝爾物理學獎殊榮
今年的物理獎頒發給探究物質最基本組成單位的研究,這個單位甚至比原子與原子核還小。根據愛因斯坦著名的質能等價定律, \ E=mc^{2} ,創造重粒子需要大量的動能,而且能量必須非常集中。這次獲獎的兩個實驗是分別在兩個世界最大的粒子加速器中獨立進行。丁肇中和他的研究員將他們自己的偵測器與布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的質子加速器相連接。加速器的直徑約為200 多公尺,而丁肇中的團隊所使用的偵測器,長度將近15 公尺。里克特團隊的偵測器則是與位於史坦福直線加速器中心,長達三公里的直線電子加速器相連。里克特的儀器太過龐大,因此無法放在室內。在探測極微小的物體時,大型的顯微鏡是必需而且無可避免的。為了看到最小的物體,我們需要最大的偵測器。

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【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁肇中院士介紹

●7/3【大師演講】丁肇中院士獲頒諾貝爾物理學獎40週年:「我所經歷的實驗物理

照片為丁院士提供,請勿任意轉載。

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撰文|張忻郁

丁肇中教授1936年出生於美國密西根州的安娜堡 (Ann Arbor) 。他的父母為研究工程學的丁觀海教授和專攻心理學的王雋英教授,當時都在密西根大學訪問。他們全家回到了中國後,由於當時正逢抗日戰爭,生活很不穩定,因此並未接受完整的教育。直到十二歲來台,丁肇中才開始進入正規教育體系。他先後就讀竹南國小,台中大同國小,成功中學,建國中學,以及成功大學。在成大只待了一年,便隻身前往美國,進入密西根大學,於1959獲得物理與數學學士學位,1960及1962年分別獲得物理碩士和博士學位。

1963年丁肇中獲得福特基金會的資助,在歐洲核子物理中心(CERN)進行粒子物理實驗。1965年他回到美國,在哥倫比亞大學擔任助理教授。這個期間他開始對量子電動力學的相關試驗感到興趣,尤其對哈佛和康乃爾團隊的一個實驗結果特別關注。該實驗測量高能光子撞擊碳靶後產生的正負電子對,發現結果與量子電動力學的預測不符。1966年丁肇中離開哥倫比亞大學,轉往德國電子同步加速器中心(DESY),他設計了一套靈敏的儀器,利用DESY的高能光子束重做這個測量,他的結果顯示哈佛/康乃爾的實驗不正確,量子電動力學並沒有錯誤。

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【材料科技】相變誘發塑性雙相高熵合金:高強度又具延展性的新金屬

■這個名稱看起來很奇怪的合金技術再一次突破傳統材料科學的限制。

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: [Nature] (DOI: :10.1038/533306a)

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: [Nature] (DOI: :10.1038/533306a)

撰文|方程毅

我們都知道金屬具延展性,但在許多應用中我們也希望金屬能夠具有高強度,因此材料科學研發出各種方法來強化金屬,例如使用合金、加工硬化或析出硬化等等。但這些方法都有一個共同的特點:強度與延展性不可兼得。一旦強度增強,延展性就會變差。美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)及德國馬克斯·普朗克學會(Max-Planck-Institut für Eisenforschung)最近發表了一項新研究,讓金屬的強度及延展性能夠兼顧。

金屬的強度代表能夠承受多大的應力,而延展性則代表在材料破裂前能夠產生多大形變。延展性跟強度兼顧有什麼好處呢?試想一輛車的鋼板,如果強度高延展性卻很差,固然可以承受一定程度的撞擊,但一旦超過臨界值就會整個破裂;而如果強度低但延展性佳就像坐在橡膠裡面,車體是不會破裂,但遭撞擊後板金凹進來,人就被擠扁了。所以我們需要能承受較大應力且又不容易破裂的材料,一方面能承受應力,一方面也不容易破裂。

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【物理世界】Majorana 粒子,有影無?

利用中子撞擊自旋液體,所產生的漣漪符合 Majorana 粒子的特性, credit: Oak Ridge National Laboratory

利用中子撞擊自旋液體,所產生的漣漪符合 Majorana 粒子的特性, credit: Oak Ridge National Laboratory

撰文|蕭維翰

作為幾乎是最早被發現的次原子粒子,電子應也是與社會大眾最親近的基本粒子了。現代社會生活的運作少不了電磁現象,當科學家要研究電流來去的背後機制時,或多或少得認識電子的本質。

在 1920 年代末到 1930 年代初期,狄拉克(P. A. M. Dirac)寫下描述相對論性電子的方程式。狄拉克發現他的方程式中除了電子外,還有他的反粒子孿生兄弟──正子(positron)。顧名思義,電子是帶(負)電的,正子跟電子長得很像,最大的差異在於,正子跟電子電性相反,以上大概是一般科普文可見的說明。

簡言之,狄拉克方程式描述的是費米子(fermion),由狄拉克粒子組成的家族中最具代表性的電子是帶電的。然而世界上還有玻色子(boson),比如說電磁波光子,而光子是電中性的,雖然眼下沒有實驗證據要求玻色子跟費米子一定要處處平等,但有人還是不禁會問,狄拉克粒子跟他的親戚們有沒有「電中性」的代表呢?

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【時事焦點】LIGO觀測到第二個重力波事件

© LIGO/T Pyle

© LIGO/T Pyle

■LIGO繼今年二月公佈了首次觀測到重力波的事件後,日前又宣佈發現了第二個重力波事件,GW151226。

撰文|陳勁豪

LIGO是雷射干涉引力波偵測站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)的簡稱,由兩座一模一樣的雷射干涉儀所組成。兩座雷射干涉儀一座位於美國華盛頓州的Hanford,一座位於路易斯安那州的路易斯安那州的Livingston。為了偵測極為微弱的重力波,兩部雷射干涉儀的臂長長達四公里,同時使用各種去除雜訊的方式,使得兩部干涉儀只對重力波所造成的微小改變有反應。

根據愛因斯坦的廣義相對論,當兩個質量極大的物體,例如兩個黑洞,進行高速相對運動時,這時會因為周圍時空的不斷扭曲而放出重力波。

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【免疫學】維生素C 真的能增強免疫力嗎?

■有感冒前兆的時候,吞幾顆高劑量維生素C,好像已是街頭巷尾人人必會、「預防感冒」的保健常識。但,維生素C真能如此神乎其技地增強免疫力嗎?

Vitamin-C撰文|駱宛琳

維生素C與免疫力之間眉來眼去、似真若假的關係,要從蛋白質教父鮑林博士(Linus Pauling)說起。鮑林博士是目前歷史上唯一一個「獨」享兩次諾貝爾獎,而不用把這殊榮跟其他人分享的科學家(一次諾貝爾化學獎,一次諾貝爾和平獎)。在1960年左右,鮑林博士因緣際會認識了另一位生化學家史東博士(Irwin Stone),他被史東博士大力推廣高單位維生素C可以預防感冒的論點大大吸引,兩人一拍即合。自此,鮑林博士開始身體力行,每天服用一千毫克的維生素C,遠遠高過當時美國食品與藥物管制局建議的成人每日攝取劑量60毫克。後來,鮑林博士更寫了一本書,大大暢談維生素C可以預防感冒與流感。

鮑林博士對維生素C幾近偏執的支持,引起醫療、營養學界一片譁然。正反聲音都有,但大多數的臨床實驗與基礎研究,對鮑林博士的論點都是以負面點評作收。這麼多年來,依然沒有扎實的研究數據與結果,可以支持鮑林博士所謂「高劑量維生素C可以預防感冒、減緩症狀」的論點。

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【探索15-8】混沌裡有一隻黑天鵝

Photo by Bournemouth News / Rex Features

Photo by Bournemouth News / Rex Features

講師|師大物理系 陳啟明教授
撰文|陳奕廷

在一個根深蒂固地相信世上只有白天鵝的社會中,若飛入一隻黑天鵝,這個社會將會如何被撼動呢?「黑天鵝」除了象徵非常脆弱的思想體系,在經濟學中,也代表著極為罕見卻有深刻影響的事件。歷史上幾次經濟泡沫都被稱為黑天鵝,其對社會的影響在教科書上皆有描述。但是,究竟黑天鵝為什麼會出現,才是人們真正感興趣的對象。

●古典的研究方法
物理學美妙的地方在於它能將日常生活中看到的千百種看似不同的現象抽絲剝繭,釐清背後主導這些現象的真正原因。誰能知道太陽每天升起和蘋果從手上掉下,背後竟能由相同的理論來描述。傳統物理學解決問題的方法是先用『還原法』找出形成系統的最小單位,將問題簡化。隨後,再用『隔離法』拋棄不必要的變因並留下真正關鍵的因素。如此一來,我們方能用最簡單的方法描述物理世界的運行,就像我們能用相同的運動定律來描述蘋果和橘子從手上掉下來的過程,而不用分別為蘋果和橘子創造出兩種不同的運動定律。

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【流言追追追】玉米吃多了會得糙皮病?

玉米。圖片來源:Wikipedia

玉米。圖片來源:Wikipedia

撰文|葉綠舒

最近聽到有這麼一個網路謠言:玉米吃多了會得糙皮病(pellagra)。這個謠言讓我覺得相當驚訝,玉米的確與糙皮病有關,但中間沒有因果關係。

怎麼說呢?我們先來看糙皮病。典型的糙皮病是因為飲食中缺乏維生素B3(菸鹼酸,niacin)導致,但也可以因為飲食中缺乏色氨酸(tryptophan)或賴氨酸(lysine)、或吃太多含有亮氨酸(leucine)的食物,如高粱( sorghum)引起。

●糙皮病的成因
典型的糙皮病的成因,主要是由於維生素B3是合成細胞內重要的輔酶 NAD+ 或 NADP+ 所需。因為細胞內許多重要的氧化還原反應,都要靠這兩個輔酶幫忙;而合成這兩個輔酶的重要原料就是菸鹼酸。

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