物理學發展史

[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。

[物理史] 杜瓦(James Dewar)製造出固態氣體

杜瓦(James Dewar)製造出固態氣體
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2012年1月)

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杜瓦(James Dewar)拿著杜瓦瓶

科學家長期以來都為物質不同的狀態而著迷,尤其在不同的溫度與壓力下,物質的狀態會改變。19 世紀末期,有一位蘇格蘭的化學和物理學家杜瓦爵士(Sir James Dewar)在這方面做了一些最具開創性的研究,將氣體轉變成液體和固體。

1842 年,杜瓦出生在蘇格蘭金卡丁(Kincardine, Scotland),在家裡是六兄弟中的老么。他雖於 15 歲時成了孤兒,但仍設法獲得教育,先上達樂寄宿學校(Dollar Academy),後到愛丁堡大學(University of Edinburgh)研讀,碰到了一位良師─化學家普萊費爾(Lyon Playfair)。

古典物理學

古典物理學 (Classical Physics)
國立臺灣大學電機工程學系 李晏如

物理學的理論會隨著時代的演進,這一切的推手很大一部分是實驗儀器的進步,這使人們可以量測得更加精準,或者是量測到過去所無法量測的現象。在十九和二十世紀的交界,一些新出現的實驗結果使得物理學界掀起了天翻地覆的波瀾。以此為界,大致上可以將物理分為古典物理 (classical physics) 和近代物理 (modern physics)。

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