物理學發展史

[物理史] 路易斯在給《自然》的信中造了「光子」一詞

路易斯在給《自然》的信中造了「光子」一詞
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2012年12月)

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路易斯(Gilbert Lewis)

在 20 世紀初,普朗克(Max Planck)和愛因斯坦(Albert Einstein)提出了量子的概念,為物理界投下了震撼彈。愛因斯坦 1905 年的論文討論光的粒子本質,但他並沒稱這些粒子為光子,光子一詞是由美國的物理化學家路易斯(Gilbert Lewis)所創造出來的。

路易斯是美國麻塞諸塞州維貿斯(Weymouth, MA)人,他主要都是由家教到家教導,只短暫地於 9-14 歲間到公立學校就讀,那時他到內布拉斯加大學(University of Nebraska)註冊。3 年後,他 17 歲,轉到哈佛學院就讀,1899 年,他年僅 24 歲就完成了博士學位。路易斯在德國當了 1 年的訪問學者,追隨有名的科學家如奧士華(Wilhelm Ostwald)和能斯特(Walther Nernst)做研究,之後回到哈佛教書。

[物理史] 托里切利(Evangelista Torricelli)示範了真空的存在

托里切利(Evangelista Torricelli)示範了真空的存在
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2012年10月)

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托里切利(Evangelista Torricelli)

托里切利(Evangelista Torricelli)出生於卑微的家庭,最後晉身於義大利的知識界。他引領義大利,之後甚至全球,解決了兩千年來有關真空、以及空間本質的哲學辯論。托里切利因做了一個簡要明確的物理實驗,經了解後得到了答案,所使用的設備也是一個實用的發明─水銀氣壓計。

托里切利於 1608 年 10 月 15 日出生在義大利法恩扎(Faenza, Italy),自幼遭父親遺棄,所以被帶到羅馬接受教育。他在那裏出色的表現引起了人在佛羅倫斯的伽利略(Galileo)的注意,於是他搬去佛羅倫斯和伽利略住在一起。伽利略當時正全力思考托斯卡掘井師傅們所面臨的一個難題;他們每次試著用抽水機將水往上抽大約 10 公尺後,即會感到很洩氣,因為當他們努力要再抽高一點時,水就會從抽水機的活塞分岔開來,而無法再往上。這是因為活塞下形成了真空嗎?他們問伽利略,為什麼水無法再往上抽高呢?伽利略認真地思考此問題,可是直到他 1642 年過世時,此問題仍是無解。

[物理史] 康普頓(Arthur H. Compton)的誕生

康普頓(Arthur H. Compton)的誕生
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀

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圖1:康普頓(Arthur H. Compton)

1895 年,倫琴(Wilhelm Conrad Roentgen)在研究陰極射線時,發現了 X 射線。雖然當時有人建議將此新射線命名為「倫琴射線」,但因它的本質是個謎,所以倫琴還是堅持以數學上用以代表未知數的符號「X」來稱呼它。由於倫琴所發現新型態的射線可以穿透身體的軟組織,看得見骨頭,在醫學診斷上助益很大,所以馬上在全球各地引起轟動。科學家對此新射線更是著迷,用盡各種方法,希望能揭開它的謎底,了解它的本質。1923 年,康普頓(Arthur H. Compton)提出了答案,X 光是短波長的電磁波,同時帶有波和粒子的性質。

[物理史] 莫斯利(Henry G. J. Moseley)在戰爭中陣亡了

莫斯利(Henry G. J. Moseley)在戰爭中陣亡了
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2012年8月)

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莫斯利(Henry G. J. Moseley)

世界各地學習科學的學生都很熟悉以化學元素的特性和原子序為基礎的現代週期表,不過,早期週期表的組織架構卻是鬆散許多;例如,1789 年,拉瓦節(Antoine Lavoisier)將他 33 種化學元素表分類為氣體、金屬、土和非金屬。但是化學家都期盼能有一個顯示更精確的分類架構。

1869 年,門得列夫(Dmitri Mendeleev)和他的前輩對我們現代的元素週期表提出一個更好的架構,他們將其按照原子質量排序。可是,這樣還是會引發他將有些元素如何在表上排列的爭議。例如,他基於元素的物理和化學特性,將原子序 27 和 28 分別給予金屬鈷和鎳,雖然鈷的原子質量稍重,嚴格來說應該排在鎳之後。那是他直覺的躍進:門得列夫是基於該兩種元素已知的化學和物理特性做了他的決定。 

[物理史] 磁振造影在臨床診斷方面使用到基礎物理

磁振造影在臨床診斷方面使用到基礎物理
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2006年7月)

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拉比(I. I. Rabi)

全球首次為病人做核磁共振造影(MRI)檢查是在 1977 年 7 月 3 日。核磁共振利用原子在磁場中不同的行為來辨識它們,現在已成為人體內組織造影及疾病診斷極其有用的非侵入性方法。此救命的醫學技術是基於物理學家拉比(I. I. Rabi)的研究,他於 1930 年代發展出測量原子核在磁場中性質的方法。

拉比(I. I. Rabi)於 1898 年 7 月 29 日出生在奧地利雷馬努夫鎮(Rymanow, Austria),1899 年全家移居美國紐約,先是居住在曼哈頓東南的工人區下東城(Lower East Side),生活貧窮,1907 年才搬到布魯克林區(Brooklyn)。拉比的雙親都是正統的猶太人,雖然拉比長大後從未參加宗教活動,但他總受到成長過程時的宗教影響。他認為做好物理是「跟隨上帝的腳步」。

[物理史] 蓋革計數器的發明

蓋革計數器的發明
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2012年6月)

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蓋革(Hans Geiger)

要討論原子的歷史,若不提及拉塞福(Ernest B. Rutherford)於 1909 年所帶領完成之著名的金箔實驗是不可能的,那是第一次以實驗證明原子核的存在。實驗的結果推翻了湯木生(J. J. Thomson)更早的梅子布丁原子模型,奠下波耳(Niels Bohr)發展其原子模型的基礎,直至今日在教學上都扮演著重要的角色。那次實驗重要的一個因素是,拉塞福的實驗室助理蓋革(Hans Geiger)發明了一個可靠的儀器,可以測量 $$\alpha$$ 輻射。

蓋革出生於 1882 年,父親是德國埃蘭根大學(University of Erlangen)的哲學教授,家中共有五個小孩。年輕的蓋革在慕尼黑大學研讀物理,畢業後服德國兵役,再到埃蘭根大學上研究所,1906 年獲得博士學位,論文研究經由氣體的放電現象。蓋革之後到英格蘭,在曼徹斯特大學拉塞福的實驗室擔任實驗室助理。

[物理史] 梅曼(Theodore Maiman)建造了第一部可運作的雷射

梅曼(Theodore Maiman)建造了第一部可運作的雷射
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2010年5月)

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梅曼(Theodore Maiman)凝視著立方狀的紅寶石晶體沉思

21 世紀,雷射的使用無所不在,是一年幾十億美元的產業,隨便舉幾個例子,電信、數位光碟播放機(DVD player)、結帳掃描機、切割及焊接器、眼睛手術、刺青移除、牙科和醫學等都是雷射的市場。而雷射的發明是由一個孤獨的物理學家梅曼(Theodore Maiman)所開始的,他全然不顧存疑同事們的困惑,於 1960 年建造了第一部可運作的雷射,此成就為他贏得了「光電產業之父」的稱號。

1927 年,梅曼出生在美國洛杉磯,成長在丹佛,父親是電機工程師,也是一位發明家,很希望兒子成為醫生。可是,年輕的梅曼將他的才華用在數學上,加上他早期當收音機及家用器具修理員的工作經驗,使他獲得科羅拉多大學的工程物理學位。1955 年,他在史丹佛大學完成物理博士學位,他的指導教授蘭姆(Willis E. Lamb)也在同年獲得諾貝爾物理獎。梅曼很快地在休斯飛機公司獲得工作,而他也在那裏加入建造第一部可運作雷射的競爭行列。

[物理史] 貝爾實驗室示範了第一個實用的矽太陽能電池

貝爾實驗室示範了第一個實用的矽太陽能電池
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2009年4月)

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傅勒將硼注入矽中,製成全球第一個太陽能電池。

可以將陽光轉換成電流的太陽能電池開始出現於一百多年前,但早期的太陽能電池效率太低,所以並無多大用處。 1954 年 4 月,美國貝爾實驗室的研究員才示範了第一個實用的矽太陽能電池。

太陽能電池的故事要追朔到 1839 年早期光生伏打效應的觀測,法國物理學家安東尼.貝克勒(Antoine Cesar Becquerel)之子,物理學家亨利.貝克勒(Henri Becquerel,因發現放射線,於1903年獲得諾貝爾物理獎。)之父的亞歷山卓.貝克勒(Alexandre Edmond Becquerel)當時以金屬電極置於電解溶液中做研究,發現金屬若暴露在陽光下,會產生小小的電流,但他無法解釋此效應。

[物理史] 查隆納(William Chaloner)鑄造偽幣被處絞刑──牛頓晚年二、三事

查隆納(William Chaloner)鑄造偽幣被處絞刑──牛頓晚年二、三事
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2011年3月)

72661_p1牛頓耀眼的科學成就廣為人知:他的《自然哲學的數學原理》(Principia)和《光學》(Opticks)為現代物理學奠定了根基。但他晚年的歲月,從 1696 年接任英國皇家鑄幣局的局長開始,則較少被提及。牛頓於鑄幣局期間,監督英國的錢幣鑄造,嚴厲地追捕偽造者,其中包括最成功的查隆納(William Chaloner)。

英國於 1662 年前這段期間以手工敲打鑄造的銀幣,時常在四周被「削邊」,修整銀幣緣,減輕其重量,也降低其做為法定貨幣的價值,尤其在國外。但因銀在國外的價值比英國的錢幣面額高,所以也提供了人們強烈的誘因,將銀幣融化後賣到國外,造就了套利的市場。

[物理史] 卡斯帕羅夫(Garry Kasparov)對抗「深藍」

卡斯帕羅夫(Garry Kasparov)對抗「深藍」
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2002年2月)

72657_p1自從庫布里克(Stanley Kubrick)所導演的《2001:太空漫遊》(2001:A Space Odyssey)引進了暱稱哈兒(HAL,Heuristically programmed ALgorithmic computer)的啟發式程序化演算計算機以來,電腦科技爆發性的進步即引來了疑問:真的能建造智慧型電腦嗎?人類製造的機器之思考力最終能勝過其創造者嗎?1996 年 2 月,由 IBM 研究員所發展出來的知名電腦「深藍」(Deep Blue)創造了歷史,它和當時世界西洋棋冠軍卡斯帕羅夫(Garry Kasparov)在一連六場比賽中對決。

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