專業 物理

  • 地震學的光世代與花蓮米崙斷層深鑽計畫

    台灣位處年輕的弧陸碰撞造山帶,劇烈的板塊擠壓作用導致地下岩層的抬升與破裂,岩層的破裂錯動即產生我們所熟知的地震。地震的活動在時間與空間上都並非隨機無序的。在空間上,地震時常發生在地質構造相對脆弱的地方,例如常聽到的斷層構造 (如車籠埔斷層) 即是經年累月岩層破裂逐漸集中連接而成的斷層錯動面。

  • 太陽電池、量子過程、矽光子學--計算物理的應用實例

    提及計算物理,一般咸認為,根據物理原理或定律所發展出的理論架構、模型、或公式,撰寫相關的程式,用電腦(最好是超級電腦)來做數值計算,藉以求解相關的物理問題,而這問題的數值答案,是較難用一般的手算或簡易計算器得到的。

  • 結構生物物理方法在藥物開發的應用(下)

    雷帕黴素最早是1975 年由在復活島上的吸濕鏈黴菌(Streptomyces hygroscopicus)所分離出來的抗生素[1],後來在器官移植與抗癌等用途都得到FDA 的核准。我們目前探討的其中一個課題是:為什麼2014年在用伊維莫司(everolimu,與雷帕黴素高度相似的藥物)的臨床病人所發現的雷帕黴素機制標靶(mechanistic target of rapamycin, mTOR)上的雷帕黴素結合區域(FKBP-rapamycin binding, FRB)這個蛋白質上面的胺基酸從苯丙氨酸(phenylalanine, PHE)到白胺酸(leucine, LEU)的變化,會造成藥物與這個蛋白的作用消失?

  • 結構生物物理方法在藥物開發的應用(上)

    我們團隊是根據在《神農本草經》就有記載的上品中藥天麻中找到的新的有效成分,運用計算的方式與一系列的化學修飾進而得到新穎的化合物。目前我們在中研院智財技轉處的協助下,已經有了相當程度的專利佈局,主要的化合物也通過了進入臨床測試所需要的部分毒理測試,證實安全無虞,近期也已經進行到下一步動物實驗所需的化合物量產。雖然已經進行到這個階段了,但是在藥物開發的標準流程中,還是需要有其他的候選藥物,所以持續開發新的藥物分子仍是我們團隊應該繼續去做的事情。

  • 第一原理計算方法介紹:自旋傳輸計算之應用

    第一原理計算方法(First-principal calculation method)是基於變分法(Variation Principle)。變分法有兩個基本要素:一個是一組有限數目(非完整集合)的基礎波函數(basis wavefunctions)集合,另一個是電子位能的計算。若是我們能同時考慮完整集合(complete set)的一組基礎波函數,以及準確的電子位能,那麼就可以得到準確(exact)的能階及波函數;不過,這兩者都是不可能的任務。

  •  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。

  • 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。

  • 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。

  • 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。

  • 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。

  • 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。

  • 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]。

  • 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。