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1945 年7 月16 日:第一顆原子彈 (Atomic Bomb) 爆炸了

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1945 年7 月16 日:第一顆原子彈 (Atomic Bomb) 爆炸了
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

原子時代起源於1800 年代末期,早期有貝克勒爾(Henri Becquerel)和居禮夫婦(Pierre and MarieCurie)研究放射線。在他們之後研究放射線的科學家發現,放射線的衰變相較於化學過程來說所放出的能量相當龐大。可是它的釋放過程是逐次的,並不連續,因此「原子能量」的可能性只是一個概念而已,沒有已知的方法可將其實現,甚至在理論上也不可行。但在1933 年9月,當匈牙利的物理學家Leo Szilard 提出,利用中子和原子核的碰撞(核分裂)以產生連鎖反應的觀念,可以相當快速地釋放出能量,是一個可以製作炸彈的過程後,一切都改變了。 繼續閱讀 »

1913 年8 月:密立肯和他的油滴實驗(Oil-drop Experiment)

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1913 年8 月:密立肯和他的油滴實驗(Oil-drop Experiment)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

密立肯(Robert A.Millikan 1868-1953)著名的油滴實驗發表於1913 年8 月,此實驗對以往測量電子電荷的方式做了大幅的改良,很精巧地測出基本電荷量,被譽為是物理史上最巧妙的實驗之一,但它也成了指控密立肯在科學行為上有瑕疵的根據。密立肯誕生於1868 年,是家裡的第二個兒子,在美國愛荷華州的鄉村長大,父親是牧師。密立肯畢業於奧伯林學院,在哥倫比亞大學獲得博士學位後,到德國一年,然後至芝加哥大學任職。 繼續閱讀 »

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦和布朗運動(Brownian Motion)

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愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦和布朗運動(Brownian Motion)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1905 年3 月,在瑞士專利局一位叫做愛因斯坦的年輕職員提出了一篇震撼性的論文,將蒲朗克1900年的量子概念延伸到有著波與粒子雙重性質的光上面。論文刊登於Annalen der Physik。5 月時,此期刊又收到愛因斯坦的另一篇論文,這是一篇有關氣體運動學的研究,它的結論和前一篇一樣令人震撼。

19 世紀時,物理學家修正了氣體運動學,說明熱是原子不停運動所產生的效應。Ludwig Boltzmann 和美國的物理學家J. Willard Gibbs 利用運動論來解釋物理學上所謂的「可逆性的矛盾」,因為熱力學第二定律說明大部分的自然過程都不能逆轉,這和牛頓的質點力學似乎相互抵觸。

Photo Credit: The American Institute of Physics

波茲曼重新詮釋第二定律只是就統計上來說的,而非絕對的。他說,例如在小至如小冰塊都是由無數的原子與分子所組成的,因此,雖非完全不可能,但卻極不容易讓已溶化小冰塊中的分子從液態中不規則的狀態,恢復到原來很規則的排列。然而,那些在統計上不可能出現的分子集體行為,就是大自然所觀察到看起來不可逆轉的原因。當愛因斯坦仍是蘇黎世理工學院的學生時,他在物理課上遇到了班上唯一的女生,來自塞爾維亞的Mileva Maric。愛因斯坦的父母在Mileva 生了一個女兒後仍反對他們結婚〈他們顯然將女兒送人領養〉。不過,在愛因斯坦進入專利局工作後,他們終於在1903年結婚。1904 年第一個兒子誕生,1910 年又生了第二個兒子。

1902-1904 年,當愛因斯坦開始獨自研究熱力學第二定律,及至後來他得到自己的統計力學形式時,他應該並不知道波茲曼的研究工作。他應用力學、原子和統計的論述形成了「熱量的廣義分子理論」。

愛因斯坦在蘇黎世大學的博士論文是專門研究液體的分子統計理論,之後,他將熱的分子理論應用到液體上,來解釋所謂「布朗運動」的難題,將之寫成另一篇論文。

1827 年,英國的植物學家Robert Brown 觀察到,懸浮於水中的花粉粒會做不規則的「群體」運動,愛因斯坦因此認為,若看的見的微小粒子懸浮於液體中時,在液體中那些看不見的原子會撞擊懸浮的粒子,使得粒子微微地搖動。愛因斯坦詳細地解釋這些運動,並很精確地預測這些在顯微鏡下可以直接觀察到的粒子不規則的隨機運動。

當愛因斯坦的論文首度在1905 年發表時,原子和分子的概念仍是當時科學界激烈爭論的焦點,許多的科學家,如Ernst Mach 和物理化學家Wilhelm Ostwald都否認它們的存在。他們辯稱,熱力學法則不必以力學為基礎來論述看不見的原子運動。Ostwald 尤其鼓吹他自己的看法,認為熱力學只在討論能量與它在生活中如何改變的問題。〔因此,他與他的信徒被稱之為「能量力學家」。〕

1908 年5 月,愛因斯坦已經發表了他對布朗運動研究的第二篇論文,比1905 年所發表的論文更為詳細,也提出了驗證他的理論之實驗方法。就在同一年,一個法國的物理學家Jean Baptiste Perrin 做了一系列的實驗,證實了愛因斯坦的預測。Perrin 在他的實驗結果這樣寫著:「對於愛因斯坦所提出的公式之正確性無庸置疑」,他也因此實驗於1926 年獲得諾貝爾物理獎。

實驗的證明終於完全證實了愛因斯坦布朗運動理論的正確性,因此反對者也不得不接受物質原子的存在。愛因斯坦應用統計的方法於牛頓的原子隨機運動之基本研究,加上他發現熱量統計理論與電磁輻射之間的重要關係,更使得他進一步洞察到光電效應,這是他統合兩個領域的第一步。直到那時為止,馬克斯威爾於19 世紀末所提出的電磁原理已成功地阻止了來自各方企圖要將其視為力學過程的努力,但惟有愛因斯坦得以突破達成。

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦與特殊相對論(Special Relativity)

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愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦與特殊相對論(Special Relativity)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

愛因斯坦小時候曾讀過Aron Bernstein 的《自然科學國民手冊》(The People’s Book on NaturalScience),其中有一章,作者伯恩斯坦請讀者想像自己與電流一起滑過電報線路的情形,這個想像一直盤踞在年輕愛因斯坦的心中。愛因斯坦16 歲時開始思考,假如他能趕上光的速度,那麼光束看起來會像什麼呢?孩童時代的愛因斯坦總認為,如果有人能隨著光一起衝刺的話,光束看起來應該是靜止的,就像靜止的波一樣,但是一直沒有人曾經觀察到靜止的光,所以讓他開始思考其中可能的原因。 繼續閱讀 »

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦與光電效應(Photoelectric Effect)

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愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦與光電效應(Photoelectric Effect)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1887 年時,德國物理學家Heinrich Hertz 觀察到,將紫外光束照射到金屬板時會迸出火花。金屬是良導體,電子和原子的連結較為鬆散,若突然遇到外來的能量就會分開,所以放出電子並不足為奇。 繼續閱讀 »

1911 年5 月:拉塞福 (Ernest Rutherford)和原子核的發現

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1911 年5 月:拉塞福 (Ernest Rutherford)和原子核的發現
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1909年,拉塞福( Ernest Rutherford,1871-1937)的學生在拉塞福所指定的實驗中發現了令人意外的結果,拉塞福說此發現是他一生中所碰過最難以置信的事情。

他們在這個至今仍很著名的實驗中觀察到α 粒子自一張金的薄片往後散射回來。拉塞福在他1911 年5 月所發表的論文中解釋說,此散射是由原子中心一個又硬、又密的核—原子核—所引起的。

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1871 年6 月:馬克士威(James Clerk Maxwell)和他的惡魔

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1871 年6 月:馬克士威(James Clerk Maxwell)和他的惡魔(Maxwell’s Demon)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

機器持續不間斷運 轉的概念—即供應著固定的能量就可以永遠運轉的裝置是很令人嚮往的,美國的專利局每年都會收到無數個相關裝置的專利申請,其中大多數都可根據熱力學定律而予以退件,但最詭異、最有名、違反熱力學定律的恆久運轉概念之一是由馬克士威(James Clerk Maxwell,1831-1879)所提出的。 繼續閱讀 »

1932 年8 月:正電子(Positron)的發現

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1932 年8 月:正電子(Positron)的發現
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

「星際奇航」〈Star Trek 〉的創作者Gene Roddenberry 結合大量真實的科學於其虛構科幻影視系列中,是史上最成功的影集之一,其中有一個物質/反物質引擎,可以啟動「企業號」,使其虛擬的航速比光速還快。

1928 年,英國的物理學家 Paul Dirac 由愛因斯坦的相對論推論說,宇宙中的每一粒子皆有一相對應的反粒子,其質量相同,但帶著相反的電荷,形同一組孿生子。

於是,科學家競相尋找此假設的實驗證據,最後由加州理工學院的博士後研究員Carl D. Anderson 勝出。

Anderson 1905 年誕生在紐約,父母是瑞典人〈譯者按:原文誤為瑞士人〉,當他7 歲時,舉家遷往洛杉磯,不久父母離異。因此,Anderson 很早即需幫忙負擔家計,但仍得以進入加州理工學院接受大學教育。起先他想攻讀電機工程,但在上過一門特別有啟發性的物理課程後,他決定改讀物理。最後他在加州理工學院獲得物理工程學〈即為現在的應用物理學〉的博士學位。

Anderson 大半的研究生涯都在加州理工學院度過,他早期研究X 光,但因 Victor Hess 1930 年發現宇宙線,Anderson 即在他的恩師Robert A. Millikan的建議下,轉而研究那些高能的粒子。大多數的科學家做宇宙線的研究都會使用「雲霧室」,那是一個短的圓柱,兩端由玻璃板組成,內部則是水蒸氣氣體。當帶電的離子通過雲霧室時,會留下水滴的痕跡,可經由攝影呈現出來。透過測量水滴的密度,科學家可據以推測電荷產生的游離量進而得知通過的粒子種類。

經過改良後,Anderson 建造了他自己的雲霧室,裏面還裝上一活塞,可以讓壓力急速降低。此外,他將室內的水氣混合酒精,如此攝影的效果比同行們的要好很多。他再將雲霧室繞上一個大電磁鐵,可以使得電離子的軌跡呈現圓弧形;再量出軌跡的曲率〈或半徑〉,就可算出粒子的動量而測出其所帶的電荷量。

Anderson 所得到的攝影結果讓他大吃一驚,因為它顯示出宇宙線產生大量帶正、負電荷的粒子,而其中帶正電荷的粒子並非如大家所預期的是質子,因為如果真是質子,而它又帶有由其軌跡的半徑所算出的動量〈或速度〉的話,那麼它在停止之前所走的距離應該要比實際看到的短很多。

Anderson Millikan 因此推測,那些帶正電荷的粒子可能是朝反方向運動的電子。

為了測試他們的假設,Anderson 就在雲霧室裏放了一塊鉛板,當粒子通過鉛板時,會從另一端出來,所帶的能量比通過前少,因此可推測出其行進的方向。

1932 8 月,Anderson 將雲霧室裏帶正電荷的電子〈現在已知為正電子〉通過鉛塊的歷史性照片記錄下來,確定它是朝上行進帶正電荷的粒子。

雖然一開始科學界對此假設出現了質疑的聲浪,可是Anderson 所得到的結果在第二年就得到了證實。科學家證實了正電子是伽瑪射線轉變成物質時,所產生的一組帶正電荷與負電荷電子中的一個。

Carl D. Anderson, Physical Review Vol.43, p491 (1933)

此發現讓Anderson 1936 年與Hess 分享諾貝爾物理獎,當時他年僅31 歲,是史上最年輕的獲獎者1。反質子帶負電而非平常帶正電的質子,於1955年為柏克萊加州大學的研究員所發現;隔年發現反中子;但卻在30 年後,科學家才創造出第一個反原子。

1995 年,位於日內瓦的歐洲實驗高能物理研究中心CERN 的研究員利用低能反質子環〈Low EnergyAntiproton RingLEAR〉使反質子減速,而非加速,這樣可以將正電子和反質子配對在一起,產生9 個反氫原子,每個僅持續十億分之4040×10-9〉秒。

之後的3 年間,CERN 的研究團隊每小時最多可以產生2,000 個反氫原子。

這樣仍無法達到可實際應用所需的反物質推進劑。要到達星際的目的地需要好多噸的反質子,而CERN 的設備一年所生產的反質子僅夠100 瓦的電燈亮3 秒,且這還尚未考慮到生產反質子時供應高強度粒子束所需的巨大能量。

然而,2000 年時,NASA 的科學家卻宣稱,他們早期的反物質引擎設計可能可以將太空船送上火星,所需的燃料只要使用百萬分之1 克的反物質。

如今,正電子已經發現了一個有用的用途正子斷層掃瞄〈PET〉。這個醫學造影技術是在病人體內注入放射性原子核,再觀察它衰變時所釋出的正電子,與人體器官內的電子在低能時的湮滅所產生的伽瑪射線,以建造出腦內部功能的影像。這樣產生的能量並不足以形成最輕的粒子與其反物質,只會顯示出兩條伽瑪射線。

1Anderson 1936 12 月獲獎時,年31 3個月,這個記錄後來被李政道所打破。李政道1957 12 12 日獲得諾貝爾物理獎時,年僅31 歲又18 天。

1687 年7 月5 日:牛頓《自然哲學的數學原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy)的出版

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■ 物理雙月刊(二十八卷四期) 2006 年8月 本月物理史
■ 1687 年7 月5 日:牛頓《自然哲學的數學原理》的出版(譯自APS News,2000年7月)

高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯

牛頓是英國林肯郡一位自耕農的小孩,於1665年畢業於劍橋大學,主修科學與數學。之後,他回鄉躲避當時正在流行的黑死病,直到1666年止。在此兩年間,他有幾項重大的發現,奠定了他曠世巨作的基礎,例如,他想出了重力理論的基本原則,即每一物質的粒子會彼此吸引;此外他還找到了微積分的要素。1665年11月,他應用微積分算出了曲線上任意一點的切線與半徑,並於1666年10月,用它來解出方程式理論中的許多難題。他同時設計出琢磨透鏡的工具,可將透鏡磨成非球面的特殊形狀,有助於他日後光學的研究。

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1995 年6 月5 日:超級原子的製造:第一個玻色—愛因斯坦凝聚

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1995 年6 月5 日:超級原子的製造:第一個玻色—愛因斯坦凝聚
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

有時物理的實驗要趕上理論是需要一點時間,曾於1920 年代所做的玻色愛因斯坦凝聚(Bose Einstein CondensateBEC)的理論預測就花了75 年的時間才真正地在實驗室中製造出來。此一成就開啟了原子物理學中的一個全新領域,因為它好像讓科學家能透過一個巨大的放大鏡,去觀察、研究奇特、極其微小的量子物理世界,而不斷地有寶貴的科學新發現。

BEC 現象最初是由玻色〈Satyendra Nath Bose,印度物理學家,1894-1974〉和愛因斯坦所預測:當一群相同的玻色粒子彼此聚集得夠近,移動得夠緩慢時,它們會集體轉入最低的能量狀態,稱之為玻色愛因斯坦凝聚〈BEC〉,此現象會在原子的溫度降到極低時發生。原子的波動特質能使其擴散,或甚至重疊,假如其密度夠高,而溫度夠低(絕對零度的十億分之幾度)的話,原子就會如雷射中的光子:整體處於一種高度相關的狀態,而形同一個單一的「超級原子」。

美國科羅拉多州JILA1 研究院的Carl Wieman(科羅拉多大學)和Eric Cornell(美國國家標準與技術研究院,NIST),在1990 年左右最先使用雷射和磁冷設備開始找尋玻色愛因斯坦凝聚。Wieman 率先使用美金200 元的雷射二極管(和CD 播放機使用同類型),而非其他團隊所使用的美金150,000 元的雷射。他的方法起先遭到同行們的質疑,但當他開始有了真正的進展後,好幾個團隊都急著跟進,希望能第一個找到BECJILA 的研究團隊首先使用室溫的銣氣體原子,先讓它緩慢下來,再用雷射光網捕捉它,這會將其原子冷卻至絕對零度的百萬分之10 但溫度仍太高,無法產生BEC

一旦捕捉住了,就關掉雷射,而以磁場捉住原子;再將磁場內最熱的原子挑出來,將其趕出場外,使磁場內的原子進一步地冷卻。接下來則需要高度的技巧:捕捉住密度夠高,溫度夠低的原子以製造BEC。為了達此目標,Wieman 和他的研究團隊將傳統標準的磁捕井設計,改良成為一個對時間平均的旋轉式磁捕井。

1995 6 5 10:54AM,由科羅拉多大學、和美國國家標準與技術研究院所組成的JILA 研究院成功地製造出了全球第一個玻色愛因斯坦凝聚。BEC在一個胡蘿蔔大小的玻璃試管中產生,經由照相機的畫面呈現,它的直徑僅大約20 微米,大約是一張紙1/5 的厚度。那是一組大約有2,000 個銣原子的 BEC,持續15-20 秒。之後不久,Wolfgang Ketterle 也在他MIT 的實驗室中成功地製造出BEC

圖示為原子雲的密度,越往右,溫度越低。此圖來自JILA >

目前,科學家可以生產更大量原子的凝聚,並能持續整整3 分鐘,繼而對這個不尋常的物質形式獲得更深入的了解與認識。直至2001 年的9 月,已有40個左右的實驗室可以複製此凝聚。1997 年,MIT 的研究員利用凝聚的原理開發出一種原子雷射,可以讓一顆顆的原子從極小的噴口掉下來;1999 2 月,哈佛大學的研究團隊製造出BEC,再將光穿過此凝聚,讓光速減慢至只剩下每小時38 哩,兩年後,此團隊進一步宣稱他們已經可以做到讓光短暫地靜止。

1999 3 月,在馬利蘭州Gaitherburg 市的美國國家標準與技術研究院的科學家成功地將極度低溫的原子擠成一束,再讓成束的原子四處噴出。此突破可能發展為製造超小電腦晶片,或以單一原子製造奈米元件的新技術。

1999 6 18 日,JILA 的研究員使用此技術首度達成簡併費米原子氣體。2001 年,一群德國的研究員證明了玻色愛因斯坦凝聚可以使用所謂的原子晶片來製造操作,如此一來,則有可能利用原子的運動,而非電子的運動,來做為製造原子積體線路的基礎。

2002 12 月,在Innsbruck 的科學家首次以銫原子製造出BEC,這是原子鐘的基礎,同時也在有些度量衡的應用上扮演著關鍵性的角色,包括電子電偶極的測量。

科羅拉多州的研究團隊現在正以各種不同的新方法來操作、試驗此物質的新形式。2001 7 月,Wieman和他的研究團隊可以讓BEC 收縮,接著產生小爆炸,有些像微小的超新星(Supernova),因此就稱它為「玻色新星」(Bosenova)。

在製造BEC 的過程中,約有一半的原子會消失,科學家可以將原子冷卻至絕對零度的十億分之3 度,是目前可達到的最低溫度。

CornellKetterle Wieman 因此成就,於2001年同獲諾貝爾物理獎。瑞典皇家科學院在讚揚他們共同發現玻色愛因斯坦凝聚時說:「這將會對精密量測與奈米科技等方面帶來革命性的應用。」JILA 團隊所使用的裝備現已為美國華盛頓的Smithsonian 博物館所永久收藏。

 

1 JILA , 源自Joint Institute for LaboratoryAstrophysics,現在概以JILA 稱之,研究領域涵蓋下列7 大方面: 天文物理、材料物理與化學、原子與分子物理、光學物理、生物物理、精密量測、與化學物理。

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