物理

[物理史] 蘇聯發射第一枚人造衛星進入地球軌道

蘇聯發射第一枚人造衛星進入地球軌道 (Soviets launch First Artificial Satellite into Earth Orbit)
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News ,2007年10月

50年前,1957年的10月4日,蘇聯發射了史潑尼克號 (Sputnik),這是第一枚人造衛星,震驚全美民眾,開啟了太空時代。

在發射史潑尼克號之前,人類就已夢想了好一陣子的太空旅遊。1903年,俄國的火箭專家齊奧爾科夫斯基 (Konstantin Tsiolkovsky) 由數學證明人造衛星是可行的,然而美國對他的研究卻完全不在意。火箭學在數十年後發展起來,而太空飛行也顛覆了人們的想像。

[物理史] 紐約的第一個氣動地鐵

紐約的第一個氣動地鐵 (First Pneumatic Powered Subway Line in New York City)
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News ,2013年2月

隧道和氣動運輸系統是古典科幻小說的主題,從韋爾納 (Jules Verne) 在20世紀的《巴黎》(Paris ,1863年)開始,作者在書中想像著地下火車橫越過海洋。1882年,何畢達 (Albert Robida) 在他的小說《20世紀》 (The Twentieth Century ) 中不僅描述地下火車,還提到了氣動郵務系統。那些作家的虛構創作都基於實際建成的系統,有些至今仍存在著。

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比奇 (Alfred Ely Beach)

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氣動地鐵的入口

[物理史] 愛因斯坦追求一個統一的理論

愛因斯坦追求一個統一的理論 (Einstein’s Quest for a Unified Theory)
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News ,2005年12月

愛因斯坦 (Albert Einstein) 在物理方面獲得了包括布朗運動、光電效應、特殊和廣義相對論等幾個輝煌的突破而成名後,花了一生最後的30年,欲尋找一方法,可以將重力和電磁作用力結合成單一簡雅的理論,卻徒勞無功。

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愛因斯坦 (Albert Einstein)

愛因斯坦受到理智的驅使,要統一大自然的作用力。他強烈地認為所有的自然現象都可以用單一的理論來解釋,所以他於1923年的諾貝爾得獎感言中說:「我欲探索一個統整理論的理智思維,是無法滿足於存在有兩個本質彼此完全獨立的領域之假設。」

[物理史] 克卜勒的洞見成就了《宇宙的奧秘》

克卜勒的洞見成就了《宇宙的奧秘》(Kepler’s Insight Leading to Mysterium Cosmographicum)
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News ,2014年7月

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1610年,一位藝術家筆下的克卜勒 (Johannes Kepler)

今天我們認為物理學和天文學息息相關,然而在16世紀時並非如此,當時認為物理學是自然哲學,而天文學則與數學和博雅課目有關,幫忙打破此藩籬的科學家就是克卜勒 (Johannes Kepler)。

1571年12月,克卜勒出生在現在德國斯圖加特 (Stuttgart) 的西邊,祖父曾擔任市長,家中有四個小孩,他是老么。在他出生時,家道已經中落,所以父親受僱當傭兵貼補家用,在克卜勒5歲時就拋棄家人。他母親是位精神療法術士和草藥商,在那迷信的年代是危險的職業。

雙折射現象、電光效應與波版

雙折射現象、電光效應與波版 (Birefringence, Electro-optic Effect & Waveplate)
國立臺灣大學物理所 任蕎東

一個平面光波通常會有兩個互相垂直的偏振方向,而在某些特殊應用上,我們可能會希望讓入射波的這兩個偏振以特定的相位差出現,這時我們便可使用一種稱為波版的元件來達到目的。波版是一種利用物質(通常是晶體、液晶……等)的雙折射現象的光學元件。所謂的雙折射現象,指的是光在通過物質時,由於物質的晶格排列導致不同偏振方向的光會在晶體彼此正交的光軸上觀察到不同的折射率,進而產生不同的相速度 (phase velocity)。這彼此正交的光軸共分為二種:一是波的行進方向與其能量傳遞方向同向,我們稱之為尋常波 (ordinary wave);反之我們稱之為異常波 (extraordinary wave)(見圖一)。

反微中子;反中微子

反微中子;反中微子 (Antineutrino)
國立臺灣大學物理系 蔡雨錡

反微中子是微中子的反粒子,所以就要先來介紹微中子跟反粒子。微中子是電中性粒子,有三種:電微中子、μ微中子和τ微中子,自旋量子數為½,符號為 。微中子不參與電磁交互作用和強交互作用,而粒子間的弱交互作用會產生微中子。中子衰變時,會產生一個質子,一個電子和一個反電子微中子;而質子衰變時,則會產生一個中子,一個正電子和一個電子微中子。,所以,微中子能輕易的穿過普通物質而不發生反應。此外,核融合反應中的質子-質子碰撞生成氘核的過程中,因為必須藉由弱交互作用放出正子以及電子微中子,這個很慢的反應也使其成為該過程的主要障礙。

光纖光柵

光纖光柵 (Optical Fiber Gratings)
國立臺灣大學光電工程學研究所 許世昌

光纖光柵

光柵不僅可製作於平面基板上,亦可製作於玻璃光纖上,即以UV(紫外光)照射具感光特性的光纖,寫出週期性的折射率變化,達到光柵效果。常見光纖光柵有光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Gratings, FBG) 與長週期光纖光柵 (Long-period Fiber Gratings, LPFG),在光纖中分別扮演截然不同的角色,前者可視為特定波長下的反射鏡,後者則為衰減器。若我們在光纖中寫上週期性的光柵,它可用來調制特定波長的模態。以光纖布拉格光柵來說,在光纖裡由左往右傳播的光波,經適當週期的光柵繞射(大約幾百奈米),會產生反向傳遞的光波,如圖一。

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圖一、常見光纖光柵示意圖

二氧化碳雷射

二氧化碳雷射 (Carbon Dioxide Laser)
國立臺灣大學物理系 蔡雨錡

要了解二氧化碳雷射前,首先要來了解雷射。電子狀態有不同的能階,當電子自發地從高能階往低能階躍遷時會釋放出相應能量的電磁波,這樣的現象稱做自發射 (spontaneous emission)。如果有外界干擾(例如入射電磁波),也會促使電子從高能階往低能階躍遷,如此而釋放出電磁波的現象稱為受激發射 (stimulated emission)。雷射就是靠這種「以光生光」的機制來產生相干性很好的光源。受激發射的概念是愛因斯坦在1917年首度提出。受激發射所有光學特性跟自發辐射相同,包括频率、相位、前进方向,只是光的强度放大。而「laser」就是受激發射的光訊號放大 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 的縮寫。

[物理史] 氦的發現

氦的發現 (Discovery of Helium)
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2014年8/9月)

雖然氦在可觀察到的宇宙是第二多的元素,但可由鈾等的放射性元素衰變而生成的氦,在地球上卻是相對稀少。事實上,氦真的太稀少了,所以直到 1868 年才被發現,這主要都要歸功於兩位科學家的努力,一位在英國,另一位在法國。

1859 年,克希何夫 (Gustav Kirchhoff) 認知到可用太陽和其他星球所輻射出的光譜來推斷它們的化學成分。克希何夫使用此方法,發現了銫和銣兩種元素。天文學家對日珥─如火焰般絢麗的氣流,現在已知是稠密氣體的熱雲,的研究尤其感興趣。科學家相信觀察日珥最好的方法是在日食期間。 

[物理史] 荷蘭天文學家法比利薩斯 (Johannes Fabricius) 觀測到太陽黑子

荷蘭天文學家法比利薩斯觀測到太陽黑子 (Dutch astronomer Johannes Fabricius observes sunspots)
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2015年3月)

凡爾納 (Jules Verne) 在他的古典科幻小說《從月球到地球》(From the Earth to the Moon) 中提及一位 17 世紀的天文學家法比利薩斯 (Johannes Fabricius)。在小說中,法比利薩斯 (Johannes Fabricius) 宣稱他曾從望遠鏡中看到居住於月球上的外星人。外星人是虛構的,但法比利薩斯卻真有其人。這位荷蘭人是最先從望遠鏡觀測到太陽黑子的其中一位,也是最早確認黑子的人,貢獻雖小但卻很重要,因當時天文學正處於兩個競爭的太陽系模型的抉擇關頭。

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