專業 物理

  • 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。

  • 巨觀與微觀之間非平衡的多尺度模型

    人造材料經常展現出新穎有趣的非平衡性質:有些材料十分柔軟卻堅韌,有些能將廢熱轉化為電能,有些表現出奇特的流體行為。我們熟悉的虎克彈簧定律,以及描述流體的納維爾-斯托克斯方程式(Navier-Stokes equationså),只對一般的傳統材料適用。如果要完整描述這些新穎材料的性質,則必須同時在巨觀和微觀的尺度上建立動力學模型。以下的討論盡可能使用最少的數學,希望說明這個新興的領域歡迎物理、數學、材料科學與工程各領域人才的加入。

  • 熱電於再生能源之運用

    由於人類發現已經不能再無止盡的長期依賴石化能源,取而代之的則是發展再生能源。在諸多發展的再生能源研究中,因熱電材料具有熱電互相轉換功能,因此有了運用熱電材料將廢熱或再生能源轉換成電力的方案。

  • 當摩擦起電效應不再惱人-摩擦奈米發電機的誕生與演化

    摩擦奈米發電機發展至今,已被成功驗證不僅具能源收集功能,更因其本身轉換的電輸出會隨施加的環境因素程度而有所不同。即意味本身也可以用來感測施加的環境因素,且不需外部電源即可工作。這種特性,就是自驅動感測器 (Self-Powered Sensor) 的精髓。製作摩擦奈米發電機所需的設備及流程並不複雜,且元件的大小及規格可輕易變換,幫助其在不同領域的應用都可以提供切入點做結合。因此在這幾年已演變成機械能收集及自驅動感測器等研究領域最熱門的技術。

  • 光能轉換成電能:材料的光、熱、電特性之影響

    1839年,19歲的法國科學家亞歷山大.愛德蒙.貝克勒爾 (Alexandre-Edmond Becquuerel) 首先發現材料吸收光產生電壓的現象,即為目前熟知的光伏打效應 (Photovoltaic Effect);1961年,美國物理學家威廉.蕭克力 (William Shockley) 與德國物理學家漢斯.約阿希.奎瑟 (Hans-Joachim Queisser) 在美國貝克曼儀器公司的蕭克力半導體實驗室發展出單一p-n接面的太陽能電池轉換效率之物理模型:蕭克力-奎瑟極限 (Shockley-Qussier (S.-Q.) limit) [1]。

  • 用物理和數學方法洞悉癌症的形成與蔓延

    雖然某些癌症的預後 (prognosis) 技術已經進步了,但從 1971 年「向癌宣戰」(war on cancer) 的宣言開始後在治療方面的發展卻沒有太多。心臟疾病和癌症目前在美國是主要死因,而隨著美國的人口逐漸老化,癌症死亡的人數預計也會跟著上升。先不管癌症的致命率和長久的謎團,光是發現癌細胞除了會對化學和遺傳信號產生反應外也會被物理和力學機制影響就讓許多物理相關領域的科學家開始研究起這種疾病。

  • 細說暗物質(下)

    『暗物質既然是物質,那勢必應有粒子的特性,並可以用實驗儀器捕捉起來研究才對。』這一番話縱然說出絕大部分粒子物理學家的心聲,但可惜的是,除了熱平衡暗物質必需擁有足夠大的作用力以維持早期熱平衡以及產生正確的當前豐度存量外,目前其他的暗物質證據皆來自重力的研究,很難用於測量暗物質的粒子特性。

  • 細說暗物質(上)

    暗物質是一個已經超過八十多年的難解現象。科學家經過近一世紀的努力不懈,暗物質彼此之間有重力交互作用的證據越來越強,但就把暗物質抓進儀器內仔細研究這點而言,科學家使盡渾身解數,無論是上天 (衛星) 還是下地 (地底實驗室),皆無所得。本篇文章中,筆者想藉著Peebles教授拿到諾貝爾獎之際,藉機分享暗物質的歷史、理論、當前探測結果以及未來研究展望。

  • 108年度諾貝爾化學獎與鋰離子電池之發明

    早期鋰電池因其放電電壓與電流穩定而受矚目,然鋰金屬本身活性強,無法輕易加工與保存並使用,直至20世紀才漸漸使鋰電池進入實用階段。1至此鋰電池仍為一次電池,意即其放電完即無法再使用。因於充電將導致鋰金屬枝晶(lithium dendrite)產生,此將使電池短路且再充電效率相當差。鋰離子電池(lithium-ion battery)乃將鋰電池僅可一次使用之缺點改良,而可再充電重複使用。

  • 系外行星科學:天文新時代

    我們並不孤單。筆者撰寫本文時,天文學家已發現4151顆在太陽系以外的『系外行星』。這是一個驚人的數字:首顆系外行星在1992年才被發現 (一顆環繞脈衝星的行星),而第一個圍繞類似太陽恆星的系外行星則是1995年發現的。即使在2011年,當筆者正在完成博士論文時,系外行星數量也才約為600顆。在不到十年的時間裡,系外行星數量增加了7倍。而2019年台灣也透過國際天文協會命名了一顆系外行星『水沙連』。觀測技術不斷的進步,使得系外行星科學日新月異。它的快速發展使得我們幾乎每天都會發現新的星球、從未想過的新世界。人類對生命起源以及尋找『地球 2.0』的好奇心促使了系外行星科學迅速成為最令人興奮的天文領域之一。

  • 系外行星前傳

    2019年的諾貝爾物理獎是頒發給三位天文學家。加拿大籍在美國普林斯頓大學任教詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles) 以他在宇宙論的重要供獻分到一半獎金。其它一半則由瑞士籍原為兩師徒的米歇爾·麥耶(Michel Mayor) 和迪迪爾·奎洛茲(Didier Queloz)  分享(圖一)。麥耶久在瑞士日內瓦大學任教,而奎洛茲則是英國劍橋大學和日內瓦大學的教授。瑞典皇家科學院公佈時的說明說「發現一個太陽類型的恆星的行星」是他們二人得獎的原因。因為這個發現,人類對地球(和自己本身)在宇宙中的位置也從此改變。

  • 聆聽宇宙氣笛 垂釣系外行星

    人類對於太陽系以外是否有第二顆地球甚至系外生命的存在,一直感到莫名的好奇。早在18世紀,英國藝術家John Pass以雕刀勾勒出他所想像其他太陽系的樣貌,他奇想中的系外行星系統好像充斥著整個宇宙,卻和太陽系內的行星分佈大相逕庭

  • 粒子物理行(七)四種基本力 ------ 強交互作用

    強交互作用 (strong interaction),又稱強核力 (strong nuclear force,,是一種極短程並且極強的交互作用。雖然並不顯然易見,物質質量的99%都來自強交互作用。還有,太陽-----地球上生命的終極能源,是一個已持達四十六億年的巨大核爆,其中的能量亦是源自強交互作用。我們對強交互作用的認識導致了核武和核能發電的出現。由於強交互作用是短程的微觀交互作用,描述它必須使用量子力學。描述強交互作用的量子場論稱為量子色動力學 (quantum chromodynamics (QCD))。在本章,我們會對強交互作用和量子色動力學作一簡介。