專業 物理

  • 粒子物理行(十一)真空

    真空 (vacuum) 一詞,直觀上指一種甚麼都没有的物理狀態,即空間中沒有任何粒子,沒有任何物理過程在發生,是一種死寂沒趣的物理狀態。可是,從現代物理學的角度看,真空其實比想像中有趣得多。而且,我們對真空的認識仍處於很初步的階段。我們對真空的進一步認識很可能使我們明白到宇宙演化的最終命運。

  • 粒子物理行 (十二) 粒子的磁偶極矩

    在粒子物理學的發展史中,粒子的磁偶極矩是一個具有重要地位的物理量。電子的磁偶極矩的理論預言與實驗測量值的高準度吻合是量子電動力學成功的鐵證;質子磁偶極矩的大小反映了它並非基本粒子;緲子磁偶極矩的值與標準模型預言的偏差可能暗示著一些未知的物理。

  • 超音波就在你身邊

    由於在公共場所裡的空間裡有越來越多超音波,有些人開始抱怨出現了噁心、暈眩、耳鳴、疲倦、偏頭痛和長期頭痛的不良反應和感覺到「耳朵受壓」的不舒服感1。畢竟由於技術成本降低,許多新技術已經開始使用超音波,不像過去幾十年超音波基本上只是驅蟲用2 (見圖一)。但要追蹤公共場合裡普及率逐漸增加的超音波裝置難度有點高,畢竟沒有任何機構要求要回報這些訊息,而這也就使研究多了一層困難,因為大家回報超音波造成的症狀都有可能有其他的成因,所以這些人到底有沒有暴露在超音波底下?暴露的程度有多高?暴露時間有多長?這些問題通常得不到清楚的答案,也就代表要知道這之間的因果關係並不容易。

  •  巧奪造化之功的超重元素

    眾所皆知,化學元素周期表是按著原子序排列的。那麼周期表有盡頭嗎?

  • 星際間的重元素與超重元素

    自從化學元素週期表在19世紀間被建立後,科學家不斷的追尋有哪些原子序更高的化學元素 (chemical element) 或是質量數更大的核種 (nuclide),能在實驗室或宇宙演化中被製造出來。在過去二十年內,透過在俄羅斯杜布納 (Dubna) 的核物理聯合研究機構 (Joint Institute for Nuclear Research,JINA),在日本的理化學研究所 (Institute of Physical and Chemical Research,RIKEN),以及在美國的勞倫斯利佛摩國家實驗室 (Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL) 的實驗核子物理學家的努力下,在探索超重元素 (superheavy elements) – 原子序超過103的元素 – 或稱超錒元素 (trans-actinides) 的存在上取得了重要的進展。實驗學家透過熱核融合反應成功產生了原子序從113 (鉨,Nihonium) 到118 (, Oganesson) 之間的元素[見圖(一)]。這些重要進展除了幫助填滿了週期表的第七列之外,更對於超重元素的核物理,原子物理,以及高原子序的化學性質的了解上有重要的幫助。

  • 粒子物理行(十)量子電動力學和費曼圖

    電磁交互作用是日常生活中最常見的基本交互作用。它是帶電荷粒子和電磁場的交互作用。由於電磁場由光子組成,電磁交互作用也就是帶電荷粒子和光子的交互作用。在第五章,我們簡單介紹了電磁交互作用。在本章,我們會討論描述電磁交互作用的量子場論-----量子電動力學 (quantum electrodynamics)。

  • 疫情背後的數學

    2020年可說是COVID- 19 大流行的一年:引發這個大流行的新冠病毒已經感染了數百萬人,並且超過一百萬人因此而死亡。就像愛滋病毒、茲卡病毒、伊波拉病毒、和許多流感毒株一樣,新冠病毒在大肆破壞之前,就已經從動物演化到人類身上。而我們與它的戰爭正在持續進行著。

  • 由小角度散射進入奈米世界之中子小角度散射看更多

    小角度散射技術 (Small-Angle Scattering Technique) 在過去40多年來是用於研究各種材料微結構的公認鑑定方法。它可以探測從奈米 (1 nm) 到微米 (1000 nm) 尺度的材料結構。 而這個尺度的材料結構對於先進工程材料的性能至關重要。例如,高強度高韌性的工程塑膠性能取決於奈米級的剛性聚合物和柔性聚合物分子鏈段的混合條件。奈米/微米尺度的結構對於生物細胞行為,磁碟上的資料儲存,磁簇材料,岩層的天然氣含量,鋼和超合金的硬度,第二類超導體中的磁通量,以及許多其他材料特性等也至關重要。

  • 手遊世界的裝備攻略,現實生活的中子檢測: 繞射與影像,研發與解析尖端材料

    英雄聯盟(League of Legends,簡稱LoL)中讓英雄變得更強的道具與遠古巨龍對抗的矛盾之爭,是手遊世界中,裝備建置取捨的重要策略。在現實生活裡,如何解析遠古恐龍的利齒;與研發更強韌先進的材料,不只是遊戲玩家的渴求,也正是人類歷史進程的寫照。本文回顧並介紹使用非破壞性的影像與繞射技術,探討材料機械性能。說明材料微結構的解析。本文簡介使用中子繞射與影像設備的理由和優點,並整理可提供此應用之相關設施,以方便讀者更進一步接觸與了解。

  • 中子粉末繞射簡介及其應用

    物質由原子構成,但物質的性質除了是由原子種類決定外更多是由原子排列方式決定。以具有許多同素異形體碳元素為例,碳可以非晶的形態存在,或是奈米碳管,也可以是60個碳原子組成的巴克球,或是單層碳原子構成的石墨稀,同素異形體間的特性天差地遠。碳元素還有最經典的範例–鑽石與石墨。鑽石極硬,石墨卻是軟的;鑽石是透明的,石墨卻是黑色不透光;鑽石是絕緣體,石墨則是電的良導體。早在18世紀,化學家就知道鑽石與石墨是由相同元素構成,卻不了解為何性質如此不同,直到20世紀初期,布拉格父子將X-光應用於晶體結構分析上,這個問題才得以解答。原子排列的方式會大大影響各種性質,也可能是材料舉有某些特殊性質的根本原因。

  • 台灣冷三軸中子散射儀SIKA建置與應用實例

    中子非彈性散射所探討的科學議題具獨特性,位於澳洲雪梨近郊,主控權屬於台灣,以台灣特有種梅花鹿學名Formosan sika deer命名的冷三軸中子散射儀SIKA,已在2015年6月12日開始運作,提供研究團隊提出實驗計畫申請,審查通過後,安排實驗時間免費使用。SIKA的科學學名為Spin-polarized Inelastic K-space Analyzer(自旋極化非彈性K空間解析儀)。顧名思義,SIKA的主軸功效在於探討反商晶格 (reciprocal lattice) K空間的動力行為。本文就三軸中子散射的基本概念、SIKA的配備與基本功能、及應用領域作淺顯介紹。

  • 地震破壞背後被忽略的機制

    1995年1月17日,日本中南部的港城神戶及其周邊地區,遭到毀滅性的地震襲擊。這次地震被正式稱為兵庫縣南部地震,芮氏規模達到6.9。震源深度僅僅只有16公里

  • 墜入深淵

    愛因斯坦大概作夢也沒有想到他的廣義相對論會在一百多年後如此大放異彩。2016年美國雷射干涉重力波天文台 (LIGO) 才宣布偵測到雙黑洞合併的重力波訊號,緊接著就在2017年時獲頒諾貝爾物理獎,開啟了重力波天文學的新世代。2019年台灣參與的事件視界望遠鏡 (Event Horizon Telescope; EHT) 團隊發表了史上第一張的黑洞圖像並在隔年獲頒號稱諾貝爾獎前哨的基礎物理特殊突破獎。2020年諾貝爾物理獎則頒發給兩個黑洞相關的重要發現:「黑洞形成是廣義相對論的必然預測」以及「發現銀河系中間的超大質量緻密星體」。這些重要的突破除了滿足我們對未來科幻世界的憧憬同時也是展現人類科學知識進展的一個重要里程碑。獲獎的這三樣重要成就都圍繞著一個共同點:黑洞。

  • 潘羅斯的奇異點定理

    相對論中無可避免的奇異點,既出現在黑洞中心,也曾在大霹靂起點,到底它是怎麼形成的?

  • 2020諾貝爾獎——黑洞存在嗎?

    曾經有一位物理大師說:天文物理對於基本物理知識的貢獻很小,頂多只有觸及皮毛 (scratch the surface) 。但是從2015年以來,天文相關研究已經拿了四個諾貝爾物理獎,直接肯定天文在物理上的貢獻。天文之所以能大放異彩的主因是,宇宙本身就是最好的物理實驗室。許多測試新物理理論的條件,無法在地球上的實驗室達成,需要透過去觀察宇宙的天體來驗證。建造觀測宇宙的探測器並分析資料,其實就相當於在宇宙中研究實驗物理。

  • 黑洞面面觀

    繼 2017 年的諾貝爾物理獎致敬重力波的研究,2019 年致敬宇宙學(以及系外行星),今年的諾貝爾物理獎再次表彰了與相對論相關的領域 — 黑洞。

  • 描繪質子內部立體風景的部分子物理

    質子在101年前被發現時,與電子一樣被當作是構成世界的惟“二”的基本粒子。雖然在1930年代,科學家透過測量質子的磁偶矩,發現質子的g值並非狄拉克方程式所預測的值以後,才知道質子並非“基本粒子”,而是由更小的粒子所組成,但由於質子的體積極小,實在難以探究其內在的結構。直到五零年代末,美國物理學家羅伯特·霍夫施塔特(英語:Robert Hofstadter,1915年2月5日-1990年11月17日)才藉由電子-質子的彈性碰撞測量出質子的電磁形狀因子 (electromagnetic form factors)。這代表質子內的電荷有著特定的分佈。

  • 下一世代質子次結構和強作用力的細緻解析 ─ 美國電子離子對撞機計畫

    高能物理學家對於物質世界的瞭解,基於化約論的信念,期待化繁為簡,透過確認在不同尺度下的基本粒子種類,和它們的交互作用,來理解更上層較大尺度的物質結構。在1909年,Hans Geiger 和 Ernest Marsden利用放射性元素產生的α粒子撞擊金箔,觀察有大角度散射的事件,Ernest Rutherford由此結果,推論原子的結構是高度集中極小範圍的正電荷中心和大範圍分布的負電荷粒子,而非原先所想像正負電荷粒子均勻分布所構成,這就是有名的「拉賽福散射實驗」,發現了原子核的結構,也正式開啟了人類利用高能量粒子散射的實驗手段,來探索次原子結構的驚奇之旅。

  • 寫佇天頂个名–尤金・帕克和以他命名的帕克太陽探測器

    帕克太陽探測器 (Parker Solar Probe, PSP) 於2018年 8 月 12 日升空了!這是美國太空總署 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 的年度大事。在接下來七年的任務期間,帕克太陽探測器將環繞太陽24次來近距離觀測被稱作外日冕 (outer solar corona) 的太陽大氣。借助金星的萬有引力,它的軌道會逐漸縮小。它將在2025年最接近太陽,距離太陽中心僅有9.86個太陽半徑(690萬公里)。屆時它的速度將高達每秒192 公里,是光速的0.064%。這將寫下史上最接近太陽和最高速人造物體的雙料新紀錄。

  • 穿越時空的彗星觀測

    2020年,一顆自1997年的海爾-波普彗星 (C/1995 (Hale-Bopp)) 以來最為明亮的彗星在盛夏的北半球造成了一股前所未有的觀測旋風,而台灣天文迷在夏至日環食的驚艷後,也迅速把目光聚焦到這顆難得肉眼可觀測的彗星身上。

  • 新太空,站穩腳步再出發

    新太空 (New Space) 通常泛指近年快速發展的太空商業化,相對於過去各國政府一向以國家機構主宰太空發展,現在私人企業扮演越來越重要的角色。然而預計太空產業將快速成長,下個十年將成長至數兆美元。

  • 生命物質中是否潛藏著新物理?

    對於物理學家來說,生命就像是魔術般神奇。生物成就壯舉,如此耀眼且神祕,以至於人們很容易忘記它們其實是由普通原子所構成的。但是,如果生命的奧秘不在於製造生物體的材料,那又是什麼呢?是什麼賦予了生物體獨特的活力,使它們與眾不同?這就是埃爾溫‧薛丁格 (Erwin Schrödinger) 在1943年於愛爾蘭都柏林 (Dublin, Ireland) 舉行的一系列著名演講中所提出的問題,並於次年出版了一本極具影響力的書,名為《生命是什麼》

  • 宇宙的漣漪-波暗物質

    「暗物質」,顧名思義,不發光亦不反光,但提供重力。暗物質約佔宇宙總能量的27%,對星系形成和演化至關重要。然而,目前科學家仍無法在實驗室中直接量測到暗物質,僅能藉由觀測天體間的重力交互作用間接證明其存在。因此,暗物質究竟為何,甚至是否真的存在,無疑是 21 世紀最重要的科學問題之一。

  • 大學如何克服轉型到網路授課的障礙

    隨著第一個學期大規模網路授課的結束,全球各地的大學教師們總算是鬆了一口氣。因為實施社交距離以減緩COVID-19傳播而關閉的校園,掀起讓各個大學院校都措手不及的遠距教學。教師們必須在家工作,將他們的課程上傳到網路教室,並吸引那些受到多種外在因素干擾,或是因為網路連線品質不佳而無法集中注意力的學生們。棘手的考試問題,更是所有學科在這個過渡期所共同面對的困難之一。至於物理學科,則是多承受了內容龐大的入門教學課程,與實驗室教學的雙重挑戰。

  • 穿透力十足的不速之客-渺子

    “Who ordered that?” 當渺子(muon)1936 年被發現時,物理學家 Isidor Rabi(1944 年諾貝爾物理獎得主 ) 以如此的妙語評論它。

  • 軸子強CP與暗物質的橋樑

    軸子這個假想的粒子早在 1977 年就已提出來, 雖然實驗上一直未被偵測到,但是軸子的研究和軸子的搜尋在過去四十多年來一直沒有間斷過。這是因為暗物質的探索一直是宇宙學和粒子物理最熱門、最基本的研究課題,而軸子是宇宙暗物質一個理想的候選者,所以暗物質軸子的研究近年來更是方興未艾。

  • 粒子物理行(九)反物質

    在前幾章,我們認識到粒子物理的基本概念和四種基本交互作用。由本章開始,我們會探討粒子物理的一些具體的有趣現象。這些現象違反直觀,甚至荒誕離奇,但都一一被實驗證實。在本章,我們會介紹量子場論的一個驚人結論-----反物質。

  • 都卜勒效應的跌宕起伏

    我們生活中的依賴著無所不在的都卜勒效應,但是在當初都卜勒的這個想法卻是受到嚴厲挑戰,花了半個世紀才說服大家。

  • 利用電子電路系統探索擾動熱力學物理

    熱力學發展初期,與生活的經驗和應用息息相關,主要聚焦於如何從帶有大量熱能的環境取得動力,驅動工業發展。所有系統要取得動力,都受限於兩項定律,能量守恆、以及熱無法憑空轉成動力,分別稱為熱力學第一及第二定律。生活上經驗的系統,通常由巨量基本物質組成,在微觀上是十分巨大的系統,第二定律的本質,是封閉系統允許的微觀狀態數目 Ω,隨時間只增不減,或最多維持不變。

  •  從鳥群與細菌群開始: 無序、有序、漲落、穩定與不穩定-Active soft matter

    為了研究生物集體運動,統計力學與流體動力學被推廣,發展出新領域active soft matter。現在我們用active soft matter 中的標準觀念來理解細胞爬行,胚胎成長,細菌聚落,以及染色體在細胞核內的型態。