物理

等加速運動

等加速運動 (Uniformly Accelerated Motion)
國立臺灣大學物理系簡嘉泓

等加速運動為物理學上的運動型態之一,等加速運動有兩個特性:運動軌跡為直線、加速度為定值。我們知道加速度為一向量,向量相等的條件為方向及大小都相同,所以等加速度運動亦即加速度之方向與大小皆不隨時間改變之運動。

公式推導

由加速度為定值這項特性,我們可以推導出等加速度運動的幾項基本公式:由 $$a-t$$ (加速度-時間)圖(如圖一)可得速度的變化量 $$\Delta v=at$$ ─ 式 $$(1)$$,而以 $$v_0$$ 為初始速度,$$v_f$$ 為最終速度,可得 $$v_0+\Delta v=v_f$$ ─ 式 $$(2)$$。

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作者提供

物理
【2013諾貝爾獎特別報導】物理獎:終於,來到了!

【2013諾貝爾獎特別報導】物理獎:終於,來到了!

2013年的諾貝爾物理獎於10月8日宣布頒給比利時布魯塞爾自由大學的方司瓦•盎格列 (François Englert) 與英國愛丁堡大學的彼得•希格斯(Peter Higgs),理由是「理論上發現一種有助我們了解次原子粒子質量起源的機制,所預測的基本粒子最近被歐洲核子研究中心大強子對撞機的ATLAS和CMS實驗找到,因而獲得證實」。
物理
【特別報導】2013年諾貝爾獎預測(二)物理獎

【特別報導】2013年諾貝爾獎預測(二)物理獎

諾貝爾季節又到臨了,今年的幸運者是誰? 依據諾貝爾在1895年立下的遺囑,得獎者應是「在前一年間,對於人類有最大貢獻的人」。就物理獎而論,過去這一年(即2012年),物理學中最受矚目的成就當然就是粒子物理實驗學家利用位於日內瓦的大強子對撞機(LHC)發現了所謂的希格斯粒子。這個粒子在極為成功的粒子物理理論—即標準模型—中處於核心地位,但是長期以來,物理學家一直找不著其蹤跡,現在終於在最高能量的質子碰撞過程中現身,讓物理學家得以確認標準模型的正確性。那麼依據前述諾貝爾遺願,今年諾貝爾獎不就應該頒給對於此發現有最大貢獻的物理學家嗎? 但問題是每年獲獎者,依慣例,不會超過三位,而對於希格斯粒子有重要的貢獻物理學家卻超過這個數目。就實驗而論,發現了希格斯粒子的兩個粒子實驗團隊都各自包括了好幾千位的成員,而建造LHC的眾多加速器物理學家的貢獻也不可忽略。

專家仍對量子論抱持不同的看法

專家仍對量子論抱持不同的看法
國立臺灣大學科學教育發展中心特約撰稿葉承効

專家仍對量子論抱持不同的看法,投票結果顯示這項物理學中的基本問題仍存在著許多不同的觀點

量子論早在一百年前就已問世,但是根據一項最近由arXiv所舉行的投票顯示,直至今日,專家們對於「何謂量子論」仍無法達成共識。

在這項關於量子論之基礎的非正式投票中,33位重要的學者對於此領域的基本問題提出相當不同的見解。舉例來說:針對「物體在測量之前即具有獨立的特性」這個問題,便有兩派分庭抗禮的意見。有21%的學者不認同「觀察」在量子系統中決定了物體接下來的表現。

這項投票是於2011年7月,在一場由位於賓夕法尼亞州西康舍霍肯市的坦伯頓基金會(Templeton Foundation)所資助的一場會議中進行。這場在奧地利舉辦的會議集結了對量子論深感興趣的物理學家、數學家和哲學家。會議的總召集人是維也納大學的物理學家塞林格(Anton Zeilinger)。他對於學者不同的意見,提出了他自己的看法:「事實上,學者們在一些問題上已經產生共識,反而讓我大吃一驚。」

塞林格和奧勒岡州波特蘭大學的修陸斯豪舍(Maximilian Schlosshauer)、德國馬克斯普朗克量子光學研究所的柯夫勒(Johannes Kofler)共同設計了這個投票,讓與會者回答16個與量子論基本論點有關的單選題。

對於量子論的內容,一直都存在著不同的意見。雖然這個狀況從未停止,但是塞林格和他的同事們相信,這個投票很可能是全面檢視專家們各類意見的創舉。上一次舉行類似的投票是在1997年於巴爾的摩舉行的量子論研討會。該投票內容只問一個問題:與會者最看好的量子論詮釋為何?

在量子論的爭辯中,最著名的應該是愛因斯坦與同時期的學者,特別是丹麥物理學家波爾(Niels Bohr)之間,對於量子論中所指涉的世界本質是機率性還是命定性的辯論。而在最近的投票中顯示,少數達到共識的議題之一就是愛因斯坦的論點並不正確。

電偶極

電偶極 (electric dipole)
國立臺灣大學物理系陳昱璟

簡介

電偶極(electric dipole)為一個由兩個相距一段距離,電量相等,正負相反的電荷組成之系統,圖一即為一個電偶極構成之電場分布。自然界中的許多分子,例如:水分子(H2O)、氯化氫(HCl)……等等,因正負電荷分布不均,就像是一個電偶極一樣,具有極性。

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圖一 圖片來源_維基百科_電偶極http://zh.wikipedia.org/wiki/File:VFPt_dipole_electric.svg

三用電表

三用電表
國立臺灣大學物理系陳昱璟

簡介

三用電表是一種多功能用途的的電子測量儀器,主要用於物理、電子等測量領域,常見於進行電子儀器的基本故障檢測以及許多基本測量。一般所使用的三用電表,主要功能是測量電路的電壓、電流和電阻值,大多包含電流表(安培計)、電壓表(伏特計)、電阻表(歐姆計)等功能,三用電表有不同之稱呼,如萬用計、多用電表、伏特-歐姆-微安計等等。

三用電表是由一個圈轉電流計、倍率器、分流器、整流器及電池等組合而成的多功能儀器,由開關的切換,即可分別使其成為直流電壓計、電流計、交流電壓計及電阻計,每一種計器又分為各種單位以適合實際需要。

除了基本的功能外,必要時配合其他輔助設備,也可達到其他功能,例如:用來測量電容、電感、電晶體、二極體及分貝等值。

必歐-沙伐定律

必歐-沙伐定律 (Biot-Savart law)
國立臺灣大學物理系林司牧

丹麥物理學家奧斯特(Hans Christian Oersted 1777 –1851)於1820年首先發現,載有電流導線附近之磁針會偏離南北的方向。同年,法國物理學者必歐(Jean-Baptiste Biot 1774 –1862)與沙伐(Félix Savart 1791–1841)共同以實驗確立了通有電流的長直導線周遭磁場的性質。數天後,法國數學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace 1749 –1827)便提出一個理論,指出必歐-沙伐的實驗結果可以看成是由於導線上每一小段的電流在遠處產生了一個與距離平方成反比的磁場所致。而很快地,必歐便以精巧的實驗更進一步確立、並拓展了建立了拉普拉斯的說法。後世則習慣上把此綜合成果稱為必歐-沙伐定律。在靜磁學裏,必歐-沙伐定律 (Biot-Savart Law)方程式用以描述電流在其周圍所產生的磁場,且由公式可看出磁場與電流的大小、方向、以及距離有關。

功率(Power)

功率(Power)
國立臺灣大學物理系陳昱璟

簡介

功率(Power)是能量轉換或是使用的速率,以單位時間所消耗的能量大小來表示。國際標準制(SI)的單位為瓦特(Watt),用來紀念蒸汽引擎的設計人十八世紀英國著名發明家詹姆斯‧瓦特(James Watt)。瓦特數越高代表單位時間所消耗的能量越高。

單位

除了國際標準制的功率單位瓦特($$W$$)等於一焦耳每秒其他功率單位還包括:爾格每秒($$erg/s$$),等於 $$10^{-7}$$ 瓦特;馬力($$hp$$),也就是一分鐘將 $$550$$ 磅的重物提高一英尺所需的功率,約等於 $$746$$ 瓦特;分貝毫瓦($$dBm$$),這是以一毫瓦為基準的對數值;此外還有卡每小時(或是千卡每小時)、英熱單位每小時($$Btu/h$$)、以及冷凍噸,而一冷凍頓約等於 $$3,517~kW$$,常用在冷氣或空調系統。

希格斯粒子發現1周年

希格斯粒子發現1周年
國立臺灣大學物理學系高涌泉教授

歐洲核子研究組織(CERN)的兩個實驗團隊宣布他們在位於瑞士日內瓦的大強子對撞機(LHC)所產生的高能質子對撞中,發現了一個性質接近大家期待已久的希格斯粒子(圖片來源:flickr用戶Image Editor)

2012年7月4日,歐洲核子研究組織的兩個實驗團隊—超導環場探測器(ATLAS)與緊緻緲子螺管偵測器(CMS)—宣布他們在位於瑞士日內瓦的大強子對撞機(LHC)所產生的高能質子對撞中,發現了一個質量約125GeV的嶄新基本粒子。初步的結果顯示這個粒子的性質接近大家期待已久的希格斯粒子,這是基本粒子標準模型中之前唯一剩下尚未現身的粒子,所以這當然是一個極重要的發現,CERN的希格斯粒子發表會也因此特別邀請當年提出希格斯機制的理論物理學家希格斯(Peter Higgs)、翁勒(Francois Englert)等人出席見證這個歷史性時刻。

不過儘管ATLAS與CMS所發現的粒子看似希格斯粒子,他們2012年在宣布之時所掌握的數據尚不足以確定這就是標準模型中的希格斯粒子,所以許多人還很謹慎地只稱呼這個粒子是「類希格斯粒子」。粒子物理學家其實期盼最好這個粒子不全然就是標準模型預測的希格斯粒子,因為若是如此,他們就無從找到超越標準模型的線索。

從2012年那令人激動的宣布至今已有1年,那麼對於這個「類希格斯粒子」是否真是希格斯粒子的問題,有無進一步的消息?2013年3月ATLAS與CMS提供了他們最新的分析,答案是「類希格斯粒子」越來越像是正宗的希格斯粒子。2004年因發現強交互作用的「漸進自由」性質而得到諾貝爾物理獎的得主─麻省理工學院(MIT)物理教授威爾切克(Frank Wilczek),特地為《自然》期刊寫了一篇文章,標題為〈最簡理論的勝利〉,來報導這件事。威爾切克所謂的最簡理論指的就是一般人所說的標準模型理論,因為在標準模型中我們只用上了單一個純量場,是利用「希格斯機制」的最簡便辦法。原則上我們可以用更多的純量場—也就是更多的希格斯場—來實現希格斯機制,如此一來就會有1個以上的希格斯粒子,但是實驗並不支持這樣更複雜的狀況。另外我們也可以假設希格斯粒子是由更小的粒子所組成的,這些粒子之間有更複雜的新類型交互作用,或者是假設宇宙還有更多的維度等更奇特的模型,可是這些當初曾被人賦予眾望的模型通過實驗檢驗的機率看來是越來越低。

在2012年的數據中,希格斯粒子衰變成2個光子的機率似乎比標準模型的預測來得高,但是最新的分析卻顯示實驗數據與理論值的差距縮小了,讓許多寄望於從這個雙光子衰變模式發現標準模型出錯之處的人有些失望。當然,目前的數據還無法百分之百肯定標準模型,但是以2013年的數據來看,希格斯粒子與其他粒子(夸克、輕子、W粒子、Z粒子)的交互作用強度,大致都與標準模型的預期相符。萬伯格(Steven Weinberg)與沙朗(Abdus Salam)於1967、68年提出的最簡模型竟然能通過層層考驗,至今屹立不搖,這實在令人驚訝,若沒有大強子對撞機,我們就學不到這非常重要的事。

希格斯粒子系列》上帝粒子之後的夢

上帝粒子之後的夢
知識通訊評論第120

2012年7月物理學家宣布發現希格斯粒子的可能證據之後高能實驗物理有提出建造下一個加速器的提案。但是科學家心知肚明目前全球經濟困窘只為科學發現投入過多的經費是脫離現實的夢想而根據過去歷史經驗許多大科學計畫也莫不是政治現實裡的產物。

世界各地的粒子物理學家在2012年7月5日清晨醒轉,腦中對摻雜著喜悅、淚水、如釋重負的場景,記憶猶新,心中同時則另有一個巨大的問號。猶新的記憶是前—天的慶祝活動,研究人員宣布,他們終於從「大強子對撞機」(LHC)得到的數據,發現一個新粒子,與科學家尋覓多時的希格斯玻色子極其相似。「大強子對撞機」設於瑞士日內瓦近郊的「歐洲粒子物理研究中心」(CERN)。巨大的問號則將重新定義粒子物理學這門學科的未來。這個粒子,是否就是希格斯玻色子的一個最簡形式,一如粒子物理學有40年歷史的標準模型所預測?又或者這是更複雜、有趣的發展,將發展出更深入、更完整的一套理論?

物理學家希望,在未來幾年大強子對撞機就能解開他們的心中迷惑。但是他們同時鼓起如簧之舌,遊說再造一個新機器,來取代。這個「希格斯工廠」的新機器,將提供比大強子對撞機更為精確的測量數據。

「國際直線對撞機」(ILC)是繼大強子對撞機之後讓科學家們寄予厚望的候選大機器之一。

帕沙迪納「加州理工學院」物理學家巴瑞許(Barry Barish)說,「我們知道標準模型外,肯定另有新物理。」他和許多物理學家都肯定認為,原因是既有的若干現象,無法套入標準模型中來解釋,例如疑似占宇宙質量密度四分之一,具有隱形架構的「暗物質」,以及名為中微子的粒子從一種形式「振盪」到另一種的能力。巴瑞許是設計「國際直線對撞機」(ILC)一個全球組織體的負責人。ILC是大強子對撞機之後的候選大機器之一。即使沒人知道新物理學會是什麼,巴瑞許說,「我們的策略是,為事情的發生事先作好準備。」

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