赫斯（Victor Hess）在日全蝕時以氣球飛行測量宇宙線
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2010年4月）

現在，我們理所當然地認為地球大氣層不斷受到源自太陽系統外很遠處的高能宇宙線的衝擊，但以前並非如此認定。這都是因為一個 29 歲的奧地利物理學家赫斯（Victor Hess）確切發現了宇宙線，並繼續奉獻他傑出的科學生涯研究輻射線對人體的影響。

赫斯於 1883 年 6 月出生於奧地利，父親是奧廷根．瓦勒斯坦王子（Prince Oettingen-Wallerstein）的莊園林務長。他 1901 年進入格拉茲大學（the University of Graz），23 歲獲得博士學位。赫斯起先計畫跟隨知名的物理學家，為物理訂光速符號為「c」的德汝德（Paul Drude）研究光學。但很不幸地，德汝德在他預定抵達的幾個星期前自殺身亡了。 Continue reading →

居里兄弟發現了壓電現象
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2014年3月）

麥克風、石英錶和噴墨印表機都使用到一種在各式晶體、陶瓷、或甚至骨頭中所發現的奇特現象，也就是現在已知的壓電效應（piezoelectric effect）。它是法國物理學家皮耶．居里（Pierre Curie）和哥哥雅克（Jacques）所發現的，他們發現在這些物質上加壓可產生電（「Piezo」來自希臘文「piezein」，意思是「擠壓」）。

皮耶 1859 年出生於巴黎，父親尤金．居里（Eugene Curie）是醫生，對兒子皮耶早期的教育很堅定地採非傳統方式，為兒子物色私人家教，相信這對兒子的性情與敏銳出眾的才華是最好的方法。皮耶很早就對數學感興趣，16 歲進入索邦學院接受大學教育，18 歲就成功拿到等同於碩士的學位，但被迫延後攻讀博士。在這段期間，他當實驗室講師，賺取微薄的生活費。

皮耶在 20 歲時開始和雅克一起做化學實驗，專門研究晶體的結構。他們尤其熱衷於熱電效應，它說明晶體物質溫度的改變會產生電位。此效應由於林奈（Carl Linnaeus）和伊皮那斯（Franz Aepinus）的研究，自 18 世紀中期以來即為大家所熟知，之後科學家也推測機械應力的性質和電位之間可能有關係。但實驗証明的結果卻一直難以捉摸。

居里兄弟認為因溫差而產生的電位和導致壓電現象的機械應變之間應有直接的關連性，他們預期在某些晶體不對稱的物質會產生壓電效應。當他們備妥全未加工的物質─錫箔、膠、電線、磁鐵、和一把簡單的弓鋸─後即測試各種的晶體，包括石英、黃玉、蔗糖、若歇耳鹽和電氣石。結果他們發現當這些物質被壓縮時，機械應變即會導致電位的產生，而其中產生最強壓電效應的是石英和若歇耳鹽。居里兄弟立即善用他們的發現，發明了石英壓電靜電計。

壓電研究的故事尚有插曲，隔年，數學家李普曼（Gabriel Lippman）推論說，應該有反向的壓電效應，即對一晶體加以電場應會讓它變形。居里兄弟立即測試李普曼的理論，實驗證明數學家李普曼完全正確，壓電現象的確也可反向。

在最初的研究熱潮消退後，壓電研究在往後約 30 年間隱身於幕後，其中一部份原因是它的理論在數學上很複雜。然而，它仍有一些實質的進展，1910 年，佛依格特（Woldemar Voigt）出版了有關壓電現象的權威性著作《結晶物理學教本》（Lehrbuch der Kristallphysik），是一本說明 20 多類具有壓電性質的天然晶體的巨大書籍。尤其重要的是，它嚴格定義 18 種固態晶體可能的宏觀壓電係數。

這奠定了此類物質實際應用的後續發展，例如 1917 年開始的聲納研究，當時朗之萬（Paul Langevin）利用薄的石英晶體發展出用於潛水艇上的超音波感測器。現今有許多汽車配備有超音波感應器，幫助駕駛測定後保險桿和路上任何障礙物間的距離。

之後，皮耶開始研究磁性，發現了溫度對順磁性的有趣效應，即現在大家所知的居里定律。另一個發現是居里點：鐵磁物質失去鐵磁性的臨界溫度。他甚至曾在 19 世紀結束時思考過超自然的唯心論，還和知名的女巫師帕拉迪諾（Eusapia Palladino）去參加降神會，和他們接觸，當做科學實驗，詳細紀錄觀察，希望這種研究有助於了解磁性。他 1894 年寫信給未婚妻瑪麗亞．斯克羅多夫斯卡說：「我必須承認我對那些心靈的現象極度感興趣，我認為那些問題和物理有關。」

隔年，皮耶和瑪麗亞結婚，由於瑪麗亞鼓勵他將磁性的研究當做博士論文，他最後也完成了博士學位。1895 年他在巴黎被任命為物理和化學教授。（雅克在蒙特佩利爾大學【University of Montpellier】當礦物學教授。）他新婚的妻子取代哥哥成了他的科學研究夥伴，兩人發現了鐳（後來，又發現了釙），於 1903 年和貝克勒（Henri Becquerel）同獲諾貝爾物理獎。皮耶和雅克之前那些年所發明的石英壓電靜電計對於他們往後的研究是很重要的儀器。

皮耶晚年出現了一些過份暴露於鐳的早期病症，事實上，他的衣物經常有著太強的放射性，因此他需要延遲好幾個小時才做實驗，以免干擾到儀器。為紀念他和瑪麗亞，放射性強度單位以「居里」命名。然而，他並沒因鐳放射性的可怕疾病而亡故，而是有一次當他正橫過人多的道路，一輛貨車在多芬內廣場（Place Dauphine）撞倒了他，在此意想不到的事故中身亡。

瑪麗亞總認為皮耶在他的科學同事中沒得到應有的尊重與支持，他不參與學術政治，喜歡專注於研究工作。他曾申請礦物學教授遭到拒絕，1903 年，他被提名為法國學院院士也遭否決，就在那一年他獲得諾貝爾獎。他早期壓電現象的研究在他傑出的生涯中也許並非他最重要的發現，但正如他 1894 年在一封給瑪麗亞的信中所說：「（在科學方面）我們可以追求各種成就…每一個發現，不論多微小，都是永恆的進展。」

是兄弟，也是研究夥伴：發現壓電效應的雅克（Jacques，左）和皮耶（Pierre，右）

原文刊載於物理雙月刊2015年4月號37卷第2期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。

美國麻省理工學院啟用第一部冷子管
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2012年2月）

現在很難想像以前的電腦都由龐大的真空管所建造，時常佔用了整個房間。科學家研發各種裝置以減少電腦的體積，其中美國麻省理工學院的研究生巴克（Dudley Allen Buck）所發明的冷子管（cryotron）是比較不為人知的裝置之一。冷子管是超導性的第一個實際應用，它利用某些金屬在極低溫下無電阻的導電能力。

19 世紀時，科學家開始試驗低溫狀態的物質，以及它對電性質的影響，達成了將氣體轉化為液態和固態。1911 年，荷蘭的物理學家昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）成功地使用液態氦來冷卻固態的水銀至 4.19 K，他注意到物質在那個低溫度時，電阻突然消失了，這是第一次觀測到的超導現象。

直至 1950 年代中期，繼電晶體的發明之後，研究員一直找尋可以將數千個電晶體合併在單一電路的方法，以製造出速度可以快好幾千倍的計算機，體積也比以前使用老式真空管科技時小很多。但它面臨的挑戰之一是熱：將所有的零件緊密組合在一起會導致電阻增加。因為超導體可以無阻力的導電，所以被視為是有希望的材料，巴克是放眼找尋這些材料的研究員之一。

1927 年，巴克出生於舊金山（San Francisco），成長於聖塔芭芭拉（Santa Barbara），對業餘無線電通訊深感興趣，在 16 歲時就取得了商用無線電操作員的執照。他先在一個地方廣播電台兼差，之後前往美國華盛頓大學（University of Washington）研讀電機、無線電和雷達理論。1948 年畢業後，他在美國海軍服役 2 年，在華府一棟放置了 121 個「小炸彈」電腦，第二次世界大戰期間用來破解日本和德國密碼的大樓，從事加密密碼學研究。他甚至還曾被派到柏林從事極機密任務，這到現在仍屬機密。

巴克從柏林回國後，開始在麻省理工學院研究所就讀。他第一個研究是和奧爾森（Ken Olsen）一起做，要為名為「旋風」（Whirlwind）的計算機原型的磁心記憶體開發陶鐵磁材料。這成了他碩士論文的基礎，證明鐵電材料可用來做數位資料的貯存與轉換，是最早鐵電記憶體（FeRAM）的示範；他還指出這些材料可作為極佳的電壓控制開關，於 1952 年獲得碩士學位。

巴克的研究還包括磁材料非破壞性檢測的新方法。磁心記憶的一個挑戰是，當讀取資料時，記憶的資料會被刪除，必須再重新寫入磁貯存庫，這是一個很耗時的過程。巴克非破壞性的方法可排除那多出來的一步，因為資料讀取時不會刪除記憶。他還發明可定址內容記憶體（content addressable memory），是一種儲存和讀取資料時不需知道資料確切位置的方法，這也減少了處理時間。

此外，巴克還對電腦電路的製造不用真空管或最近才發明出來的電晶體的可能性深感好奇。他知道他可以只用導線、二極管和磁心製造出邏輯電路，正如那些在早期密碼通訊系統所使用的。而且，假如他可以開發出以磁場干擾超導性 ─通常被視為缺點─ 的能力的話，就可能做一個開關，使用於電腦積體晶片。

1953 年 12 月，巴克在他的研究筆記中勾勒出冷子管的想法，並開始在兩年中建造可行的設施，分別使用鈮（niobium）和鉭（tantalum）兩種超導電線，每一個的臨界溫度不同。他將臨界溫度較高的鈮線包在臨界溫度較低的鉭線外面，確定兩者彼此電絕緣。

之後，巴克將此設備浸在液態氦中，讓它們具超導性。鉭線在超導狀態可以傳導大量電流，但當電流通過鈮線圈時，它會產生磁場將鉭線的超導性關掉。鉭的功能是「閘」，而鈮線圈的功能則為「控制」。

這個突破大大激勵了電腦零件微型化的遠景，雖然它需要液態氦以維持超導狀態。1957 年，《生活雜誌》（Life Magazine）為巴克做了全頁照片的報導，他一手拿著冷子管，另一手是舊式的真空管，同年，他獲得美國無線電工程師學會（the Institute of Radio Engineers）所頒發的 30 歲以下年輕工程師獎項。

巴克所做的冷子管越小的話，所能得到的處理速度就越快，因此他在 1950 年代後期所做的實驗都集中於研究進一步將零件縮小的方法。他和同事修德斯（Kenneth Shoulders）開始在實驗室使用鉛和錫的薄膜製造薄膜積體電路，並加上絕緣的氧化層。他還經由電子束平版印刷術技術的發展，來改進系統的機械強度，這樣當蝕刻他所謂的「微型印刷系統」時，即可減少化學劑的使用。

之後其他的科學家基於他的研究，於 1956 年發明了冷子管目錄記憶系統、IBM 的克羅威電池 ─ 克羅威（James W. Crowe）於 1957 年所申請的專利、約瑟夫接面（Josephson junction）、以及第一個超導量子干涉儀（SQUID）。現在，神經科學家可以使用腦磁圖儀（magnetoencephalography，MEG）繪製大腦的活動，都因這些開創性的發展，以及磁浮列車、高效率風力渦輪機、和粒子物理加速器的應用。

巴克的科學前景正蒸蒸日上，這讓他於 1959 年 32 歲時，因罹患「神秘疾病」突來的死訊更添悲劇性。他 1 年前才剛獲得博士學位。他在麻省理工學院的同學克勞福（Charles Crawford）在他死後回憶說：「以平常所說的野心來說，巴克沒有野心，巴克對他自己沒有野心，但他對全人類有野心。」

巴克（Dudley Allen Buck）

原文刊載於物理雙月刊2015年2月號37卷第1期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。

杜林（Alan Turing）的家遭竊
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2014年1月）

1952 年 1 月 23 日，英國數學家杜林（Alan Turing）回家時發現竊賊闖入了他家。杜林當時寫信給一個朋友時雖然承認被偷的物品並沒特別貴重，但對於被侵犯還是表現出了可理解的情緒。然而，這件事卻的確很快地嚴重涉及他的隱私，原應該只是憤怒與煩人的小事結果卻完全改變了杜林的人生 ─ 到那時為止主要在職場上一直受讚譽與成功的人生。 Continue reading →

沙卡洛夫（Andrei Sakharov）辭世
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2002年12月）

沙卡洛夫（Andrei Sakharov）是一位以研究武器開始的蘇聯科學家，後來成為諾貝爾和平獎委員會所說的「人類良知的發言人」。

沙卡洛夫是一位傑出的物理學家，深深著迷於基礎物理和宇宙論，他起先花了 20 年設計核武器，以蘇聯的氫彈之父聞名，對蘇聯的強大軍力貢獻很大。

然而，漸漸地，他成了蘇聯政權最敢言的評論家，一位國際知名的人權和民主的捍衛者。 Continue reading →

佩雷爾曼（Grigori Perelman）將龐加萊猜想的証明貼到 arXiv 網站
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2013年11月）

2000 年，克雷數學研究所（the Clay Mathematics Institute）宣布，它要懸賞 100 萬美元，給凡是正確解答出任一所謂千禧年大獎名題（Millennium Prize Problems）的七大未解數學難題的人。七個難題中至今只有一題被解答出來，即是所謂的龐加萊猜想（Poincaré Conjecture），當時被認為是拓撲學（Topology）中最重要、尚未解決的問題之一。

這個猜想是龐加萊（Jules Henri Poincaré）獨創的概念。龐加萊 1854 年 4 月出生，父親是法國南錫大學（University of Nancy）的醫學教授。他童年時得了傳染性強的白喉，所以早期都由母親在家教導學習，但 1862 年他上公立學校時，即是一個出眾的學生，除了音樂和體育外其他的學科都很突出，有一位教師形容他是一位「數學巨獸」。畢業後，他和父親都在普法戰爭期間服役於傷患救護中心。 Continue reading →

女性和諾貝爾物理獎
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2013年12月）

這個月再過幾天，物理學家希格斯（Peter Higgs）和恩格勒（François Englertur）將會到斯德哥爾摩領取 2013 年的諾貝爾物理學獎。他們因為提出基本粒子如何獲得質量的理論，於 2012 年在歐洲核物理研究中心（CERN）大型強子對撞機發現希格斯玻色子時得到了證實而獲獎。這是物理學界最高的成就之一。自從 1901 年第一屆諾貝爾獎開始，至 2013 年，共有 196 位物理學家得獎，他們都實至名歸，然而除了 2 名外，全都是男性得主。

最有名的女性諾貝爾物理學桂冠是第一位女性得主：瑪麗亞．居里（Marie Curie），她於 1903 年因放射性的發現及後續研究，與她先生皮耶合．居里，以及貝克勒（Henri Becquerel）同時獲獎。在她先生早逝後，居里夫人繼續於 1911 年又贏得了第二個諾貝爾獎，這次是化學獎，因她發現，且分離出一個新元素「鐳」，以及發現了釙。  Continue reading →

近代原子論先驅─道爾頓的誕生
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀

原子論的概念早於西元前約 500 年前即由古希臘哲學家路希伯斯（Leucippos）和德謨克利特斯（Democritus）師徒提出，說明萬物皆由極小且不可分割的質點所組成。不過那只是他們當時哲學思辯的建構，真正從科學實驗中決定原子重量，以確立其存在的論證則應歸功於道爾頓（John Dalton）。

道爾頓來自一個貴格會（Quaker）家族，定居於英格蘭昆布蘭郡的伊格斯菲爾德城（Eaglesfield, Cumberland, England），祖父為鞋匠，父親則從事編織。他是家中三個小孩最年幼的一個，就讀貴格會小學期間即顯現出母親堅毅果決的個性，學習快速。12 歲時，校長將小學移轉給他哥哥經營，道爾頓則協助教學工作，當地貴格會聞人羅賓遜（Elihu Robinson）是他的良師，他受惠很大。  Continue reading →