物理學發展史

物理學發展史

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大約1961 年1 月:羅倫茲 (Edward Lorenz)和蝴蝶效應

大約1961 年1 月:羅倫茲 (Edward Lorenz)和蝴蝶效應

大約1961 年1 月:羅倫茲 (Edward Lorenz)和蝴蝶效應
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

對於一般門外漢來說,渾沌的概念帶給他們的是一種完全任意性的印象,但對於科學家來說,它卻是表示在因果系統中的隨機行為,也就是說,系統對於測量太敏感,以致於產生的結果雖然有著根本的秩序,但看起來卻很隨機。這個表面上很矛盾的觀點是一位由數學家改行成為氣象學家的愛德華‧羅倫茲 (Edward Lorenz)所提出的,他在一次意外發現了此現象,隨即孕育出現代渾沌理論的領域,並永遠改變了我們檢視像天氣等非線性系統的方式。

羅倫茲小時候就對天氣非常著迷,常在康乃狄克州西哈特福父母家的屋子後面觀察著溫度計,記錄氣溫的高低;他也對數學感興趣,經常和父親一起解數學難題。1938 年,羅倫茲自達特茅斯大學畢業後,計畫步入數學領域,但爆發了第二次世界大戰,他在陸軍航空兵擔任氣象預報員,使得他的計畫出現了變化。後來,他決定就此鑽研氣象學,發表過一般大氣循環等議題的文章,所以很早就成名。

1968 年2 月:宣布發現了脈衝星(Pulsars)

1968 年2 月:宣布發現了脈衝星(Pulsars)
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

1967 年,當時還是天文學系研究生的約瑟林‧貝爾(Jocelyn Bell)注意到她的無線電波望遠鏡傳來的資料中有一些奇怪的「少許雜訊」,她和她的指導教授安東尼‧赫維斯(Anthony Hewish)起初以為他們可能偵測到來自外星生物的訊號。結果並非外星人,但仍是非常令人振奮:他們發現了第一顆脈衝星,並於 1968 年 2 月對外宣布此發現。

大約1970 年時的約瑟林‧貝爾

貝爾於 1943 年誕生於愛爾蘭,由於受到中學老師的鼓勵而研讀科學,並至劍橋攻讀天文學博士學位。貝爾和指導教授所做的研究採用偵測行星間所發出閃爍光的新技術來觀察類星體,因為類星體比其他的天體更會閃爍,赫維斯認為此技術是研究類星體的好方法,所以他設計了一個無線電波望遠鏡來觀察研究。

1665年1月:虎克《微物圖解》的出版

1665年1月:虎克《微物圖解》的出版
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

在古典科學的書籍中,幾乎沒有一本能夠像牛頓的《自然哲學的數學原理》(Principia)和達爾文的《物種起源》(Origin of the Species)一般,擁有彌久不衰的影響力,但有一本書卻經常為大家所遺忘,那就是《微物圖解》(Micrographia)。《微物圖解》的作者是虎克(Robert Hooke1635-1703,於 1670 年代提出虎克定律),雖然他的知名度無法和他同時期的牛頓相比,可是他卻是英國 17 世紀最聰明、最多才多藝的科學家之一。《微物圖解》除了在科學上的重要性有目共睹外,它更打開了原來看不見的宇宙,將其呈現給一般的讀者。

1987年2月:超新星1987A的發現

1987年2月:超新星1987A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

1987 年的 2 月,加拿大天文學家 Ian Shelton(當時他是多倫多大學大四的學生)忙著在智利的 LasCampanas 天文台用望遠鏡對著 $$167,000$$ 光年外一個叫做大麥哲倫星系的小銀河系拍照。他以為他只是做著每天的例行公事,可是當他將底片沖洗出來後,卻注意到一個極度明亮的星球,是他以前觀察此區域從未見過的:一個大約為五等星的星球。他知道那不是新的星球,而只是一個在超新星爆炸中散開來,正在老化中的巨大星球。

1938年1月:超流體的發現

1938年1月:超流體的發現 (Super Fluids)
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

當氦$$-4$$ 降溫至低於 $$2.2~K$$ 時,它會開始出現一些很奇特的行為—液態氦幾乎可以毫無阻力地通過細管,甚至可以爬上管壁,溢出管外。儘管液態氦早就出現奇特的現象,但是科學家還是在將氦液化過後的 $$30$$ 年才發現它的超流體性。

1908 年,Heike Kamerlingh Onnes 首度在荷蘭的雷登大學(University of Leiden)將氦液化,之後很快地就發現了液態氦奇特行為的跡象。直至 1924 年止,Onnes很精密地測量了液態氦的密度,他發現當溫度持續下降,液態氦的密度在大約 $$2.2~K$$ 時突然達到最高。

1927 年,Willem Keesom 和 Mieczyslaw Wolfke 下結論說,液態氦在 $$2.2~K$$ 時經歷狀態的改變〈即相變〉,他們稱 $$2.2~K$$ 為「$$\Lambda$$ 點」(lambda 點),因為它熱量與溫度的對照圖表曲線和希臘的字母「$$\Lambda$$」很相似,這兩個「相」分別稱之為氦$$\mathrm{I}$$ 和氦$$\mathrm{II}$$。

雖然這些結果很有趣,但並沒有很讓人驚訝,也因此在當時並未引起太多的關注。

真正值得注意的結果是,1937 年 Pyotr Kapitsa 首次在莫斯科發現氦$$\mathrm{II}$$ 是超流體,並於 1938 年 1 月將其發表;同時,John F. Allen 和 Donald Misener 也獨立地於多倫多大學發表了相同的結果。 Kapitsa 是軍事工程師的兒子,於 1894 年誕生在列寧格勒附近的克隆斯達特(Kronstadt)。他在佩翠格拉德理工學院(Petrograd Polytechnical Institute)主修工程學,於 1918 年畢業後留校擔任講師多年,並致力於磁場的研究。 1921 年,Kapitsa 的太太與兩個年幼的小孩因感冒大流行而病故,之後,他搬至劍橋,在 Cavendish 實驗室和 Ernest Rutherford 一起做研究。

Kapitsa 首先研究磁場,找出產生極強磁場的各種方法。幾年後,他轉而研究低溫現象,1934 年,發展出將大量氦液化的新方法,奠定了他日後繼續研究此奇特液體的基礎。

1934 年,Kapitsa 訪問俄羅斯,結束後要返回劍橋,但不知何故,史達林下令扣押他的護照,將他拘留。在確定他無法回到劍橋後,Rutherford 幫忙將他在劍橋實驗室的大部分設備運送給他,於是 Kapitsa 就在莫斯科建立了新的研究設施—物理問題研究所。

1937年,Kapitsa 在莫斯科研究液態氦的熱傳導時,他測量其通過兩個圓盤中間的狹縫後,流入旁邊盆子的流動。 結果令人很震驚:在 $$\Lambda$$ 點之上,液態氦幾乎沒有流量,但在 $$\Lambda$$ 點之下的溫度,液態氦的流量便很順暢,所以 Kapitsa 畫了一個它與超導體的相似圖,1938 年 1 月 8 日在他發表於「自然」雜誌中的論文這樣寫著:「低於 $$\Lambda$$ 點的氦進入一個特殊的狀態,可以稱之為『超流體』。」

1893年2月2日:愛迪生(Edison)在影片(film)中記錄第一個「噴嚏」(a sneeze)

1893年2月2日:愛迪生(Edison)在影片(film)中記錄第一個「噴嚏」(a sneeze)
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

每個週末都有數百萬人成群結隊地進入戲院觀賞最新上映的好萊塢巨片,但鮮少有人會去思考我們現在習以為常的娛樂業之科技根源。雖然在19世紀後期,有許多科學家和發明家做了電影的實驗,但只有著名的美國發明家愛迪生利用他最早發明的電影照相機(他稱之為電影攝影機)來製作短的影片,經由他同時間的發明「電影放映機」播放出來,取得了專利。

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