隨想 物理

拉塞福的野心

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撰文者:梅琳達·鮑德溫(Melinda Baldwin)林祉均 譯
發文日期:2021-07-05
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    作為放射性研究的先驅之一,拉塞福(Rutherford)改變了他的出版策略,以確保自己的工作不會被忽視。


    在20世紀初,厄內斯特·拉塞福(Ernest Ruther ford)(見圖1)是快速發展的放射物理學中一顆耀眼的新星。拉塞福在1890年代時,是劍橋大學傳奇性的卡文迪西實驗室的一員。那時他已經發現了α和β輻射,與物理巨星J.J. Thomson共同撰寫了論文,並以設計簡單而巧妙的實驗聞名。1898年,年僅27歲的他離開卡文迪西實驗室,前往蒙特利爾的麥吉爾大學(McGill University)擔任教授。在加拿大,拉塞福仍持續他的傑出表現,出版了一篇又一篇的論文,探討放射性元素的各種輻射類型。

     
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    圖 1. 1908年的拉塞福肖像。(圖片來自美國國會圖書館印刷和攝影處,喬治·格蘭瑟姆·貝恩攝影集,LC-B2-707-6。)

     
    然而,在1901年3月寫給導師湯姆森的一封信中,拉塞福表示他對自己的生涯現況深感不滿,尤其是工作地點。在20世紀初期,世界上最重要的物理實驗室都集中在歐洲。相比之下,北美洲的實驗室充其量只能算草創階段的新興研究機構,其中比較糟的則根本毫無研究貢獻。對於自己和物理世界的發展核心相距如此遙遠,拉塞福感到相當孤獨和沮喪。他對湯姆森說:「在離開卡文迪西之後,我感覺自己脫離了科學,我很想念能夠和對物理有興趣的人認識交流。」「我認為這種孤獨感正是在殖民區任職的一大缺點。」1他告訴湯姆森,如果在英國有任何可能的教職空缺就跟他說一聲。但是湯姆森沒有職缺可以推薦給他。拉塞福要搬離似乎不太可能。


    考慮到1900年代初期放射物理研究是多麼競爭激烈,拉塞福與其他重要實驗室的距離更加令他擔憂。有其他研究人員正在研究和拉塞福相同的問題,而他擔心自己與歐洲物理學界的距離(疏遠),會導致他的工作被忽略或輕視。為了避免這種命運,拉塞福修改了他的出版策略。他開始尋找方法來確保自己的發現能比競爭對手更快出版,並得到歐洲同行的注意。拉塞福的努力不僅確保了他在該領域的未來,還推動了20世紀最有影響力的科學期刊之一──《自然》雜誌──的崛起。


    拉塞福的訓練

    拉塞福在1871年8月30日生於紐西蘭的南島。他是蘇格蘭裔的輪匠詹姆斯,以及英國裔的學校老師瑪莎兩人所生的第四個孩子。他們在相對偏遠的地區撫養孩子,但他們竭盡全力確保他們的孩子接受良好的教育。拉塞福很快就以物理和數學的天賦,樹立了資優生的名號。1894年,拉塞福從紐西蘭的坎特伯雷學院(現為坎特伯雷大學)獲得理學學士學位後,就向英國王室申請並獲得了1851年的展覽獎學金。該獎學金被授予以支持博士和博士後的研究工作,是英國最負盛名的獎學金之一。拉塞福碰巧在獎學金向殖民地出生的學生開放申請的第一年畢業。2他選擇跟隨以陰極射線研究著稱的湯姆森的指導,在卡文迪西實驗室繼續從事物理研究。


     
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    劍橋大學卡文迪西實驗室。(圖片來自Bjanka Kadic / Alamy Stock Photo。)

     
    湯姆森對拉塞福特別感興趣。他和他的妻子羅斯(Rose)在拉塞福到來之前,便替他尋找可能的住所。拉塞福抵達劍橋後,湯姆森悉心將這位年輕的紐西蘭人介紹給長住居民和其他新人。他對拉塞福的科學研究很感興趣,並為他的實驗提供鼓勵和建議。在給父母的一封信中,拉賽福寫道:「我對湯姆森的敬意和我所預期的一樣多,而這可不是容易的事。」3


    儘管湯姆森十分友善,但拉塞福覺得自己的實驗室並不歡迎他。在卡文迪西工作的英國人把拉塞福當作外人,一位闖入者。在寄回家鄉的信中,拉塞福抱怨他遭到同事的排斥和嘲笑,他們還試圖干擾他進行研究,不讓他使用實驗室的設備。同時,拉塞福的未婚妻瑪麗·牛頓(Mary Newton)仍然住在紐西蘭,兩人相隔兩地這也令拉塞福相當難以適應。


    儘管如此,拉塞福還是迅速完成了傳輸與偵測無線電波的研究,樹立了自己的科學地位。(這是)他在紐西蘭時就已經開發出了一種新式無線電波偵測器,並將它帶到了劍橋。僅僅六個月後,他就準備了相關的論文呈交給倫敦皇家學會。同時,湯姆森對拉塞福的天賦越來越感到佩服,並將他的工作介紹給物理學界的同仁。儘管拉塞福起初受到其他年輕同事的冷眼相待,但他的才華和湯姆森的指導很快就幫助他在英國物理學界找到了一席之地。


    倫琴射線和放射性

    拉塞福在卡文迪西工作的期間,恰好是一段物理界的大發現時期。1895年,物理學家威廉·康拉德·倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen)在試驗真空放電管時發現了一個有趣的現象:當他將手放在真空管和塗有鉑氰化鋇塗層的屏幕之間時,屏幕上出現了手骨的影像。人們很快便意識到倫琴發現了一種新的電磁波,「倫琴射線」成為科學界和大眾津津樂道的話題。大多數的英國科學家最終採用了倫琴本人偏好的名稱:「X射線」。


    受到啟發並開始研究倫琴射線的眾多科學家之一,便是任教於巴黎高等理工學院且享負盛名的亨利·貝克勒爾(Henri Becquerel)(教授)。貝克勒爾好奇天然磷光礦物是否也會產生X射線,或發出其他未知的輻射。1896年3月,他向法國科學院報告了一個不尋常的發現:一天晚上,他將硫酸鈾酰硫酸鉀放在裝有照相板的抽屜中,第二天早晨,在照相版上可以看到鹽的輪廓。隨後的實驗顯示,即使鹽沒有暴露在陽光下,鹽也能顯影在照相版上。這意味著貝克勒爾所說的「鈾射線」與鹽的磷光性質無關。


    這些神秘放射線的發現激起了拉塞福的科學創造力。其中關於X射線的研究,他和湯姆森合寫了一篇發表於1986年英國哲學雜誌(Philosophical Magazine)1月刊名為「關於電力通過暴露於倫琴射線的氣體」的影響力十足的論文。然而,最吸引拉塞福的是貝克勒爾的發現,於是他將注意力轉向研究鈾鹽的神秘設線(射線)。


    儘管貝克勒爾的發現並沒有立即像倫琴的X射線那樣引起廣泛的注意,但看到這種射線潛能的物理學家可不只拉塞福。瑪麗·斯沃德·居里(Marie Skłodowska Curie)在她丈夫皮耶位於巴黎高等物理化工學院的實驗室裡工作,並接續了貝克勒爾對鈾射線的研究。她很快發現,許多材料(最著名的例子是瀝青閃石)也會發出鈾射線。居里夫人用「放射性」這個名詞取代鈾射線,以描述她正在研究的現象。1898年,居里夫婦和化學家古斯塔夫·貝蒙特(Gustave Bémont)宣布發現了兩種新元素,釙(以居里夫人的故居波蘭命名)和鐳,而這兩者的放射性都比鈾高數百倍。


    拉塞福的「殖民地任職」

    居里夫婦在巴黎的實驗室發表了一次又一次的新發現,而拉塞福很快就加入了行列。1898年,他展示了兩種不同類型的鈾射線的存在,他分別命名為「α」和「β」。α射線帶正電並易於被大多數物質吸收,而β射線帶負電且可以不受阻礙地穿過金屬。他的實驗十分簡潔優美:他用許多薄鋁板覆蓋一塊鈾,並在每添加一層薄鋁板之後測量鈾塊電離氣體的能力。他發現帶正電的α射線不能穿過三層以上的箔,但是β射線卻能穿透超過十二層的鋁板而使外圍氣體電離。


    同年,拉塞福受聘為麥吉爾大學物理系教授。這項任命來得有些令人驚訝。儘管得到了湯姆森的熱情推薦,但拉塞福知道這個職位競爭激烈,不敢確定自己的勝算。當時麥吉爾大學擁有世界上設備最齊全的實驗室之一:麥克唐納物理大樓(見圖2和3 )。它在1893年開放時不但因其建築風格,還有令人羨慕的圖書館以及昂貴的實驗設備而受到了國際關注;此外它還收到15萬加幣的慷慨捐贈用於後續建築維護。4 他在1898年4月22日寫給友人牛頓的信中說:「恐怕整個英國物理學界的許多競爭者都會努力去爭取這個職位,而我強烈懷疑我會收到聘書。」5

     
     
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    圖 2.前往麥吉爾大學麥克唐納物理學大樓原始入口(現為麥克唐納·斯圖爾特圖書館大樓)。(照片來自Selbymay / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0 )

     
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    圖3。1905年的拉塞福,在他位於麥吉爾大學麥克唐納物理大樓的實驗室中。(由麥吉爾大學,拉塞福博物館,AIP EmilioSegrè視覺檔案館提供。)


     
    然而麥吉爾大學最終選擇了拉塞福。這是他年輕時期第二次收拾家當並移居新大陸。拉塞福在兩名重要合作者:其中一位是他的第一位研究生哈里特·布魯克斯(Harriet Brooks),而另一位是1900年時從牛津大學加入麥吉爾大學的化學家弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy) 的幫助下迅速重啟了他的放射性研究。拉塞福和布魯克斯開始研究放射性元素放出的粒子和射線。6


    在這項工作的基礎上,拉塞福和索迪在1903年發表了一篇論文,表明放射性是原子分裂的結果。然而守舊的物理學家如凱爾文爵士(Lord Kelvin)等並不承認放射性質可以將一種元素轉變為另一種,表示這簡直跟煉金術沒有兩樣。不過除了少數最堅決的反對者外,拉塞福和索迪說服了大家放射性原子確實在釋放α,β和γ射線後,改變了它們的元素身份。他們使用了麥克唐納大樓的氣體液化機(這在當時是只有少數實驗室可使用的最先進設備),將鐳和釷的射氣冷卻成液態。拉塞福和索迪展示了這些液化射氣的元素,並非原本的鐳和釷。這項發現使得拉塞福和索迪兩人分別獲得了1908年和1921諾貝爾化學獎。


    拉塞福在麥吉爾的這項工作,最主要的劣勢在其地理位置。儘管他遇到了索迪和布魯克斯這兩位貢獻十足的合作者,但拉塞福還是感到自己與物理界的中心距離遙遠。身邊的各種昂貴設備,依然不足以取代他在卡文迪西所體驗到的學術氛圍,而布魯克斯和索迪不久後也都離開蒙特利爾前往英國。在1901年,拉塞福安排他的門生布魯克斯前往卡文迪西實驗室進修,這反映了他的自身信念,即物理學家必須在英國或歐洲工作才能真正產生影響力。布魯克斯在1903年回到了蒙特利爾時,索迪已經前往倫敦大學學院就職。


    被孤立於學術圈外並非拉塞福這項「殖民地任職」的唯一缺點;他同時還擔心研究內容會被居里夫婦搶先一步。他不想在探索放射性的道路上僅僅成為這對巴黎夫婦的另一位追隨者,而是想要成為這個研究領域的領頭人。在一封寫給母親的信中拉塞福透露了他的好勝心,以及迅速發表論文的渴望:「我必須不停推進我的研究工作並盡快發表,因為總是有其他人在的跑道上才不會落於人後。」而在研究放射性物質的領域中,貝克勒爾和巴黎的居里夫婦,是這條探索競賽中的領先跑者,他們在過去幾年內完成了許多重要研究。」7


    但是要在科學的競賽中,超越貝克勒爾和居里夫婦這樣的「跑者」,十分不容易,拉塞福時常發現自己處於落後。例如,在1899年11月,他正準備投稿到1『哲學雜誌』1(Philosophical Magazine),概述放射性的釷如何誘發其他 物質的放射性。他稱這種現象為「激發放射性」。但居里夫婦也一直在研究相同的現象,而他們的研究工作最終率先發表。當拉塞福的論文發表在1900年2月刊的哲學雜誌,其文章結尾處有一行鬱悶的註腳,表示巴黎夫婦首先得出類似結論:「在這篇論文的出版過程中,法國科學院院刊已經在去年11月6日發表兩篇關於鐳和釙所激發的物體輻射,其中包含一篇居里的論文和一份貝克勒爾的短論。」8


    被搶先出版對拉塞福的職業野心和自尊心都是一大打擊。他將此落後主要歸咎於他的地理位置。由於拉塞福和知名物理期刊的出版地距離遙遠,所以他經常必須等一個月或更長時間才能使他的文章橫渡大西洋並到達編輯部,然後在一個月或更長時間後才能收到出版社寄回的校對稿。這些時間加起來相當可觀。例如,他與布魯克斯的早期工作在1899至1900年進行,但直到1902年才出版。而貝克勒和居里夫婦這些「領先跑者」,可以在短短幾天內就將手稿交給頂尖的法國科學院院刊(Comptes Rendus de l’Académie des Sciences )。跟他們的速度比起來,拉塞福簡直毫 無勝算。於是他開始尋找能盡快出版自己作品的方法,他很快將目光投向了英國最普及的科學期刊之一:自然週刊(Nature)。


    拉塞福和自然期刊


     1900年時,自然期刊(見圖 4 )才剛成立30多年,雜誌的編輯大位仍由創始人天文學家諾曼·洛克耶(Norman Lockyer)擔任。在成立最初的幾十年裡,自然期刊儼然已成為科學爭論的主要場域。該雜誌的每週出版的頻率,以及19世紀皇家郵政的傳遞速度,讓自然的《致編輯的信》專欄成為科學家爭論的理想平台。如果英國讀者對當週的討論很感興趣,可以很快的寫下一封信,寄給​​自然​的倫敦辦事處,並期待看到自己的回覆登上下週期刊的版面。在19世紀末期,該專欄包含了許多科學的討論和爭辯,其中牽涉的問題從地球年齡到最新的革命性理論等。


     
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    圖4。1896年自然的封面,當時正值放射性研究的興起階段。(由AIP Niels Bohr圖書館與檔案館的Wenner收藏提供)

     
    當科學界對X射線的興趣激增,自然的讀者們為本專欄找到了新用途:宣布令人振奮的最新研究成果。像自然及其競爭對手電工期刊(The Electrician)與化學新聞(Chemical News)這類的專業週刊,因它們出版速度較快,故而能夠吸引關於倫琴射線研究的投稿。它們為研究人員提供了一個平台。在這裡,有關放射性的初步發現與理論可以在提交後一周內,就可以讓為數可觀的科學家們閱讀到相關內容,從而大幅減少被其他研究人員搶先的可能。自然期刊的版面很快就被以X射線嘗試新實驗並報告他們新發現的物理學家投稿塞滿。其中最著名的是自然期刊出版了倫琴論文的第一份英文譯本,還有在英格蘭拍攝的第一張X射線照片。9


    在1899年被居里夫婦搶先之前,拉塞福並不曾在自然期刊上發表過文章,這也許是因為他以往都專注於在如皇家學會期刊這類聲譽卓著的科學刊物發表長篇論文。但他很快做出改變。在1901年至1908年之間,拉塞福向自然投稿了十幾篇短論文,內容包括放射性的熱效應,鐳射氣中的氦含量,放射性物質濃度對放射性的影響,以及鐳衰變出之α射線的電荷等主題。他仍然會將論文投到哲學雜誌(Philosophical Magazine )和倫敦皇家學會報告(Proceedings of the Royal Society of London ),但僅限於自己最好的長篇作品。然而令人振奮的初步結果都先寄給自然期刊,以防止他在激發輻射性上的不愉快經驗再度發生。


    有趣的是,拉塞福對出版速度的渴望並沒有導致他尋求自然期刊以外的其他週刊。在1902年,他和索迪合著了關於釷射氣10的多篇文章,並投給了化學新聞。但在索迪離開麥吉爾大學後,拉塞福停止向該刊投稿,而他也從未成為電工期刊的定期投稿者。這種選擇似乎是源自拉塞福對自己物理學家身分的強烈執著。化學新聞迎合英國的化學家;而電工則瞄準工程師和工業科學家這類讀者。但是拉塞福一直認為自己是物理學家,而不是工程師或化學家。一項廣為人知的事蹟是當他獲得諾貝爾化學獎而不是物理獎時,所表現出的困惑。


    另一方面,北美的期刊在拉塞福的出版策略中,並未扮演重要的角色。儘管美國週刊《科學》​​雜誌有一個類似​《自然》​​雜誌的投書專欄,而且其紐約編輯部也比​《自然》​的倫敦辦公室更靠近蒙特利爾,但他從沒有將他的工作寄給《科學》​。此外,他似乎抗拒在加拿大期刊上出版,也從未在居禮夫婦的主場法國嘗試出版。


    拉塞福以英國為主的出版策略表明:除了對時效性的擔憂外,他還試圖吸引特定國家的讀者。在英國期刊出版讓拉塞福能夠保留以母語(英語)出版的優勢,也提升了他的工作被正在尋找新同事的英國物理學家注意到的可能性。值得注意的是,拉塞福拒絕了紐西蘭維多利亞大學學院,西澳大利亞大學和紐約哥倫比亞大學的物理學教授職位,這表明他的目標不僅僅是離開麥吉爾,而是要回到英國。11


    拉塞福對自然期刊的青睞,不僅塑造了他往後的生涯走向,更影響了自然期刊本身的發展。快速發表以確保優先的做法在科學界並不陌生,例如法國科學院院刊,長期以來就是法國科學家迅速發表論文的平台。但自然期刊是在X射線和放射性的發現之後,才成為搶先發表的主要戰場之一。此外,拉塞福的頻繁投稿,讓自然期刊從一本放射學界邊緣的期刊(像是,其中很少提到關於居里夫婦及其工作),搖身一變成為該主題研究者的必讀刊物。


          拉塞福的投稿也有助於擴大《自然》期刊的國際影響力。在19世紀,它的編輯成員和目標讀者都是英國科學界的成員。它在美國也有少數讀者,但在歐洲科學社群的訂閱者卻很少。它的投稿者幾乎全是英國人。然而到了1910年,全世界的物理學家都在閱讀自然期刊,並將他們的作品投給這本期刊。例如,在拉塞福與美國物理學家伯特拉姆·博登·博特伍德(Bertram Borden Boltwood )的往來書信中,兩人經常提到《自然》期刊作為出版自己的文章,並獲知他人研究成果的的重要資訊來源。


          博爾特伍德可以說是當時美國最重要的放射性物理學家,他和拉塞福一樣,必須對抗自己和巴黎與劍橋等主要研究中心相距遙遠的劣勢。作為相關摘要的來源以及出版論文,自然期刊被證明有著無可取代的價值。博爾特伍德習慣將初步結果先寄給美國期刊和《自然》期刊,他在1906年給拉塞福的一封信中提到:「我已向《自然》編輯投稿了一篇簡報,同時投稿一份短論給十二月份的美國科學雜誌12」。拉塞福的回信也有提到將初期結果寄給​《自然​》期刊;他在1906年10月寫道:「我最近做的幾次實驗表明,這些射氣會完全被常溫下的椰殼活性碳吸收……您或許在一周左右之後就會在《自然》期刊雜誌裡看到一篇類似的文章。」 13


            其他國際的放射線科學家也跟隨著拉塞福和博爾特伍德,加入了投稿《自然》的行列。其中最著名的是奧托·哈恩(Otto Hahn),他於1905–6年在麥吉爾和拉塞福一起工作,後來因鈾裂變的發現贏得了諾貝爾獎。一如拉塞福與其他英語系國家的同事,哈恩很快也開始將有趣的初步結果投稿給《自然》期刊。


    拉塞福的野心實現


          拉塞福的出版策略獲得了成效。1906年12月,在寫給母親的信中提到獲聘英國的職位:「我擔任曼徹斯特大學物理系主任的職缺邀請,我認為我很可能會接受。基於許多原因,我認為這是一個明智的舉動:首先我將獲得更高的薪水,並擔任實驗室主任,以及對我來說最重要的是能夠更接近科學發展的中心。」14


    在曼徹斯特大學,拉賽福重啟他對α粒子的研究,希望找到一種方法來確定它們是由氦原子還是氫原子組成。1908年他成功地捕獲了足夠多的α粒子以進行光譜分析,結果表明它們確實是氦原子,這證實了拉塞福長久以來的懷疑。1908–9年,拉塞福與來訪的同事漢斯·蓋格(Hans Geiger)和名叫歐內斯特·馬斯登(Ernest Marsden)的大學生合作,將α粒子束對準金屬箔發射。令他們驚訝的是,有一小部分的粒子向後反彈,而不是像他們預期的那樣輕鬆穿過金屬箔。此一發現掀起了原子理論的一場革命。湯姆森(Thomson)的舊「葡萄乾布丁」模型認為正電荷和負電荷像甜點中的葡萄乾一樣,在整個原子中均勻分佈。這個模型很快就被原子核模型所取代,在此模型中,正電荷全部集中在一個密度極高的核心。


         在曼徹斯特工作的期間,拉塞福持續擔任年輕物理學家的導師。他試圖說服布魯克斯與他一起來英國,但她在1907年結婚後決定留在蒙特利爾。他在曼徹斯特的門生中,有許多著名的物理學家,其中包括亨利·莫斯利(Henry Moseley),他發現每個元素都有一個獨一無二的原子序;詹姆斯·查德威克(James Chadwick),發現了中子;尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)革新了原子理論,並成為量子物理學中最有影響力的人物之一。


         1919年,第一次世界大戰結束後,拉塞福收到了一個更加令人嚮往的職缺邀請:重返卡文迪西實驗室擔任新主任(見圖 5 )。他攜同查德威克前往卡文迪西,兩人在1920年代共同研究放射性裂解。儘管拉塞福對放射性衰變和原子結構有深入的了解,但他當時卻認為分裂原子的想法是痴人說夢。他沒能夠活著目睹後來哈恩,弗里茨·施特拉斯曼(Fritz Straßmane),和莉澤·邁特納( Lise Meitner)證明他錯了。他於1937年在疝氣手術後引發的併發症意外去世。


     
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    圖 5。卡文迪西實驗室的合影,包括查德威克(前排左三),湯姆森(前排左六)和拉塞福(前排左七)。攝影:Hills and Saunders,劍橋。(照片來自劍橋大學卡文迪西實驗室,AIP EmilioSegrè視覺檔案館,貝恩布里奇攝影集。)

     
    拉塞福為後世樹立了典範。他在放射性和原子結構方面的研究,讓物理學家對世界的理解方式從此改變;同時,他也提攜了許多20世紀該領域最有影響力的學者。拉塞福還塑造了現今科學出版的樣貌。世界各國各個領域的學者依循他的做法,將令人興奮的研究結果寫成短文,寄給《自然》的編輯。15如果不是因為拉塞福和他重返英國的夢想,這本英國週刊可能永遠不會成為世界上最受歡迎的出版品之一。

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    本文感謝 Physics Today(American Institute of Physics)同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於 Physics Today, Nov. 2021 雜誌內(Physics Today 74, 5, 26 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4747)。原文作者:Melinda Baldwin。中文編譯:林祉均,國立清華大學物理系學生。


    Physics Bimonthly(The Physics Society of Taiwan)appreciates that Physics Today(American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Melinda Baldwin, and are published on(Physics Today 74, 5, 26 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4747). The article in Mandarin is translated and edited by J.-R. Lin , Studying at the Department of Physics, National Tsing Hua University.
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