保羅・朗之萬，與德國U型潛艇和超聲波

保羅・朗之萬（Paul Langevin）在1917年發明用於探測德國德國U型潛艇（U-boats）的壓電式石英換能器（piezoelectric quartz transducer），至今仍是所有現代超聲波（ultrasonic）技術的基礎。

巴黎先賢祠（Panthéon）是法國最有榮譽的公民的最終安息地。四位著名的物理學家安葬於此：皮耶・居禮（Pierre Curie）、瑪麗・居禮（Marie Curie），尚・佩蘭（Jean Perrin）和保羅・朗之萬。這個科學四人組在形成一個密切關係的團體，他們因對科學、人性和彼此之間的愛而團結起來。不過，其他三位不同的是，朗之萬從未獲得過諾貝爾獎。也許正是因為這個原因，他從未達到像瑪麗・居禮那樣的標誌性地位。

（圖0.）協約國在第一次世界大戰期間使用了炫目迷彩（dazzle camouflage），以使德國U型潛艇難以探測目標船的位置和速度。亞瑟・利斯莫 ( Arthur Lismer ) 在1919年的畫作「奧林匹克號的歸國士兵 ( Olympic with Returned Soldiers )」描繪了在加拿大新斯科細亞省（Nova Scotia）哈利法克斯（Halifax）一個碼頭停泊的奧林匹克號（鐵達尼號的姐妹船）使用炫目迷彩。 （圖片由加拿大戰爭博物館提供。）

但是在20世紀初，朗之萬在電磁學（electromagnetism）、反磁性（diamagnetism）、雙折射（birefringence）和相對論（relativity）等領域貢獻極大。1, 2為紀念他誕辰 150 週年，本文重點介紹他在第一次世界大戰期間發現石英的壓電特性，這讓石英能用於產生和接收超聲波。雖然這個故事已出現在壓電性3、電聲轉換（electroacoustic transduction）4、和水下探測5的歷史回顧中，不過朗之萬在戰時的超聲波研究還是值得單獨記述。

早期生活

朗之萬於1872年1月23日在巴黎一所靠近今日聖心堂（Sacré-Cœur Basilica）所在位置的小屋中出生。當時的巴黎人剛從1870-1871年普法戰爭期間城市被佔領的創傷和1871年5月短暫的對巴黎公社的血腥鎮壓中恢復過來。身為法國在1881年開始推行免費公共教育的受益者，朗之萬一生都堅定地致力於普及教育的社會重要性。

1914年8月第一次世界大戰爆發時，朗之萬的科學影響力已遍及國際。他曾代表法國參加1904年密蘇里州（Missouri）聖路易斯（Saint Louis）的國際藝術與科學大會，並且，是一位通曉數國語言的人，與參加1911年布魯塞爾第一屆索爾維物理學會議（Solvay Conference on Physics），與國際間傑出物理學家彼此輕鬆交談（見圖1）。朗之萬是愛因斯坦的密友，他(朗之萬)在德國和英國都有同事。對他來說，與德國人交戰就跟與英國人交戰一樣沒有意義：作為一名和平主義者，他不認為戰爭是解決衝突的一種手段。因此當戰爭爆發時，他以軍士的身份加入了地方後備部隊（territorial reserve），在凡爾賽（Versailles）執行非戰鬥任務。

圖1. 1911年10月30日至11月3日在布魯塞爾舉行的第一屆索爾維物理學會議的與會者。朗之萬站在最右邊；在他旁邊的是阿爾伯特・愛因斯坦（Albert Einstein）。（圖片由班傑明・庫普里〔Benjamin Couprie〕拍攝，公眾領域）

瑪麗・居禮認為這對他擁有創造力和充滿活力的頭腦是巨大的浪費。到了1914年底，她已經在前線操作她的第一輛X光車。但是，朗之萬被迫應對他任教的巴黎高等物理化工學院（École supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de，以下簡稱ESPCI）的教職員工和學生的流失。

正如居禮在1915年1月給朗之萬的一封信中所寫的：「我們正在經歷如此艱難的時期，以至於與你一樣的人，都必須迫切地主動提供只有你們才能給予的勞務。你能夠而且必須做很多事情。」⁶

使用超聲波進行水下探測

此後不久，朗之萬的辦公桌上出現了一份報告。這是一位年輕的俄羅斯工程師康斯坦丁・奇洛夫斯基（Constantin Chilowski）寫的，他建議使用高頻聲波脈衝（pulses）的回波（echoes）來探測水下物體。雖然回波探測的想法並不新穎，但朗之萬意識到奇洛夫斯基的建議有一些獨創的想法。來自低頻聲源通常會向各個方向傳播。但如果聲源大且頻率足夠高，就可以製作出類似探照燈的聲束。

這完全取決於聲音在海水中的波長λ。在可被人類聽到的1000赫茲頻率下，λ約為1.5公尺。但事實上，一個聲源的直徑需要五個或更多的波長才能在水下產生聲束，這意味著1000赫茲發射器至少需要7.5公尺的直徑——這太大了，無法安裝在海上。但是在100千赫茲的超聲波頻率下，λ大約是15毫米，實用的回波探測系統可以安裝在船上。對於聲音在水中的特性知之甚少以至於朗之萬最初斟酌了從15千赫茲至174千赫茲的幾個頻率。該方案當然也取決於聲波在特定頻率下穿越多遠之前就衰減到無法探測到。那點需要確定才行。

是否有任何替代的超聲波源可以在水下產生聲束？1912年鐵達尼號沉沒不久後，既是物理學家也是氣象學家的路易斯・弗萊・理察森（Lewis Fry Richardson）建議使用超聲波來探測冰山，方法是在鏡子的焦點處放置水下哨（whistle）以產生聲束。另一方面，奇洛夫斯基想到使用大型水下揚聲器（loudspeaker）。經過一番考慮，朗之萬拒絕了這兩種選項。他認為所需的是一種慣性（inertia）極小的設備，能夠低損耗運行，還可以在水下維持電壓驅動。

朗之萬的生平（1872-1946）
1872年：1月23日出生於巴黎。
1888年：開始在巴黎ESPCI就讀，受教於皮耶・居禮。
1894年：開始在巴黎高等師範學院（École Normale Supérieure in Paris）就讀。
1897年：獲得巴黎市的獎學金，使他得以在劍橋大學的卡文迪許實驗室（Cavendish Laboratory at Cambridge University）學習。
1900年：被任命為巴黎大學（University of Paris），今索邦大學（Sorbonne University），理學院研究助理。
1902年：完成了他關於氣體電離的博士論文。
1905年：被選為接替皮耶・居禮的巴黎ESPCI物理學教授。
1909年：獲評為法蘭西公學院（Collège de France）名譽教授。
1911年-1927年：參加了前五屆索爾維物理學會議。
1920年：被任命為物理與鐳雜誌（Journal de Physique et le Radium, Journal of Physics and Radium）的科學指導。
1925年：被委任為巴黎ESPCI的校長。
1930年至1933年：主持第六屆和第七屆索爾維物理學會議。
1934年：當選為法國科學院（French Academy of Sciences）院士。
1940年至1944年：在德國佔領法國期間被軟禁。
1944年：被任命為戰後法國教育改革委員會主席。
1946年：於12月19日在巴黎去世。

應朗之萬的請求，法國海軍於1915年3月開始資助在他ESPCI實驗室的一項研究計劃。他與奇洛夫斯基合作，設計了一種被稱為歌唱電容器（singing condenser）的超聲波發射器。他們使用一個雲母薄片作為介電質（dielectric），透過真空將其固定在金屬片上，該金屬片作為電容器的一個電極。水形成另一個電極。海軍借給朗之萬一台用於產生高頻驅動電壓的實驗性電弧發射器（arc transmitter），到了1915年7月，他已經產生約為100毫瓦每平方公分的超聲波強度。他透過觀察薄膜的位移來證實超聲波的存在。

朗之萬曾設想過一個整合的脈衝回波系統，但未能將電容器用作接收器。奇洛夫斯基和同為工程師的馬塞爾・圖尼埃（Marcel Tournier）設計了一種專門用的碳粒水下聽音器（carbon-granule hydrophone），它是依據用於接收空氣中音頻的碳粒傳聲器（carbon microphones）。為了提高靈敏度，他們將傳聲器安裝在拋物面鏡的焦點處。朗之萬讓圖尼埃負責構建和測試工作系統。1916年4月在塞納河（Seine River）的成功測試引領工作轉移到土倫（Toulon）的海軍基地。

"一塊石頭、兩片錫箔"

儘管法國人對水下探測很感興趣，但這件事對他們的英國盟友來說或許更為緊迫，因為他們的補給線受到德國德國U型潛艇的威脅。朗之萬在英國的對口單位是物理學家歐內斯特・拉塞福（Ernest Rutherford），皇家海軍指派他改進潛艇探測方法等工作。雖然拉塞福更喜歡使用水下聽音器作為收聽設備，不過他對其他選擇持開放態度。

在1916年5月，物理學家莫里斯・德布羅意（Maurice de Broglie）邀請拉塞福團隊中的一小部分人員訪問朗之萬在法國的超聲波研究小組。這趟訪問順利進行：到了8月，拉塞福正在指導與他和英國海軍部一起工作的加拿大物理學家羅伯特・波以耳（Robert Boyle, 1883-1955，非另一位Robert Boyle, 1627-1691）探索超聲波技術的潛力。波以耳首先專注於接收器上，於秋季製作並測試了幾種傳聲器設計。但他難以製作出可靠的超聲波源。

在1917年初，朗之萬向德布羅意提交了一份進度報告，德布羅意在當年2月將這份報告帶到了英國。在報告中，朗之萬描述了他在超聲波項目上取得的進展。他意識到一個大面積的平面碳粒傳聲器可能表現會比小面積的更有效，所以他採用一個大面積的，帶有他自己的歌唱電容器和兩個用於無線電接收器附加零件：一個音頻放大器（audio amplifier）和一個外差檢波器（heterodyne detector）。但他承認他的設計仍然需要一些技術上的調整。例如，發射器經常因1微米的雲母薄膜產生火花而故障，還有如果海洋狀況不平靜，靜水壓會在碳粒傳聲器中產生噪聲。儘管存在這些問題，朗之萬建議英國科學家採用他的方法。

不過，他很快就開始使用石英代替碳顆粒。石英是二氧化矽的常見結晶形式；它的晶體是具有不同末端的六角棱柱狀。正如雅克・居禮和皮耶・居禮兄弟在1880-1881年發現的，它還具有壓電特性：當石英晶體被壓縮或拉伸時，會在其表面產生電荷。反之，在晶體上施加電壓會導致其尺寸略微變化。⁷

極化電荷在三個特定方向上最大，每個方向都平行於晶體的三對棱柱面，並位於一個垂直於棱柱軸的平面上。當石英被用作壓電裝置時，電極總是放置在垂直於一個這樣的極軸的平面上，該極軸被定義為x軸。居禮兄弟請巴黎光學儀器製造商伊萬・韋萊恩（Ivan Werlein）替他們切割兩塊特定的石英片。第一塊，後來被稱為x截割（x-cut），如圖2中的圓柱體所示，是以沿著x軸壓縮或拉伸方向的方式切割的。第二塊，現在被稱為y截割，如圖2所示的矩形棱柱桿。它有一對垂直於x軸的電性面，但是朝向沿著y軸施加壓力的方向。

圖2. x和y截割石英示意圖。晶體底部的圓柱體是保羅・朗之萬在他的石英換能器中使用的那種x截割板。另一方面，矩形棱柱l × b × d是y截割板。（改編自E. 希德曼〔E. Hiedemann〕，超聲波研究的原理和成果〔Grundlagen und Ergebnisse der Ultraschallforschung, Principles and Results of Ultrasound Research〕，德古意特出版社〔Walter de Gruyter〕，1939年，第4頁。）

根據朗之萬的同事圖尼埃後來回憶的，朗之萬曾要求拿其中一塊居禮兄弟原始的x截晶體。朗之萬將它放在工作檯上，將電極連接到他們為碳粒傳聲器開發的無線電接收器。當他將一只手錶放在晶體上時，朗之萬透過揚聲器聽到了它的滴答聲。這是極其重要的突破：幾天內，朗之萬就和他的團隊構建了一個原型超聲波接收器，其使用居禮兄弟的x截割石英板作為換能器(transducer)。⁸

不久後，一塊新的10公分乘10公分x截割石英換能器從韋萊恩提供的大型展示晶體上切割下來。儘管朗之萬擔心石英的壓電性質可能會在高頻下減弱，但該裝置被證明既靈敏又穩定。由於沒有證據顯示有與頻率有關的損耗因子，朗之萬對他優美簡單的解決方案感到滿意，他將其形容為「一塊石頭，兩片錫箔」。⁹

波以耳於1917年4月前往法國學習更多關於如何切割石英的知識，並參觀在土倫的海軍造船廠。英法聯合代表團於6月15日在華盛頓哥倫比亞特區（Washington, DC）全面介紹了他們的進展報告，這促使美國的幾個實驗室也開始研究該技術。到了11月，朗之萬的壓電石英接收器已成功地用於水下回波探測和通訊測試，雖然它仍然是使用雲母換能器來產生超聲波束。

石英發射器

當波以耳於當年4月抵達法國拜訪朗之萬時，這位法國物理學家已經開始研究使用石英作為壓電發射器。他很快發現x截石英可以成功發射超聲波。朗之萬估計，透過激發一塊16毫米厚的純石英晶體的厚度共鳴，他可以生成約1000瓦的聲學功率。一位來訪的美國物理學家羅伯特・伍德（Robert Wood）後來指出，朗之萬的聲束殺死了遊過它的小魚，並對任何把手放在聲束路徑上的人造成「幾乎無法忍受的疼痛」。10朗之萬奠定了後來所有超聲波發展的基礎。

在邁向現代超聲波電路的重要一步中，朗之萬的團隊用可調諧振盪器（tunable oscillator）取代了電弧發射器。然後他意識到，當驅動頻率與石英的自然共振頻率相同時，電能最有效地轉換為聲能，就像鈴聲一樣。經過實驗，他確定當石英片的厚度恰好是聲波在石英彈性介質中的波長的一半時，就會發生主要共振頻率。

但是朗之萬只能估計聲音的速度，他需要精確的聲波波速才能設定正確的厚度。他測試的第一個晶體在大約150千赫茲的頻率下產生共振，這個頻率比他想要的要高。他透過測量聲波和電磁訊號在光束中的干涉波長來估算超聲波的頻率。然後，這種直接測量讓他能夠精確地將晶體厚度與共振頻率聯繫起來。

朗之萬接著專注於在其機械共振（mechanical resonance）下操作晶體所產生的額外增益，並將添加到調諧放大器（tuned amplifier）的共振增益中。但是有一個迫在眉睫的問題：頻率愈高，水中的熱黏性效應（thermoviscous effects）導致的吸收愈多。100千赫茲的頻率太高，朗之萬計算出將其降低到 40千赫茲會使範圍增加六倍。但是產生該頻率所需的石英晶體需要超過50毫米厚。自然形成這種尺寸的晶體很少見，因此這種方法開始變得不切實際。

朗之萬還有另一個問題。為了保持定向波束，換能器的直徑必須與頻率成反比地增加。這代表換能器的總質量需要以大約為頻率倒數的立方來增加。從實驗室內放大到船隻的比例並不容易。

為了解決這些問題，他開發了後來被稱為朗之萬夾心式換能器（sandwich transducer）的裝置（見圖3）。他將一塊4毫米厚的x截石英與兩片3公分厚的鋼板黏貼在一起，創造出一個共振頻率由整個結構設定而非僅有石英的裝置。他藉由把較小的石英片以馬賽克式的拼成直徑10公分的面積，設法為40 千赫茲定向波束創造了足夠面積的換能器。波以耳、朗之萬和他們的團隊之間保持密切聯繫，他們都在拼命尋找難以找到的石英。最終，法國海軍駐外使節在波爾多（Bordeaux）追查到一家吊燈供應商，波以耳在那裡對著一個像煤炭一樣堆積著天然石英晶體的倉庫感到驚訝。

圖3.先前屬於法國海軍的諧振石英夾心式換能器。這個直徑為10公分的儀器目前正在巴黎ESPCI展出。它已經被打開來展示著在右側四分之一波（quarter-wave）鋼板上的石英馬賽克。

戰爭期間的超聲波

1918年10月在巴黎舉行的一場有關超聲波學的盟軍會議上進行公開思想交流。11作為創新者，朗之萬提出了一種用於淺水區的扇形波束設計，並討論了折射和聲穴現象（acoustic cavitation）的挑戰。到那時，已經有計劃將朗之萬設計的超聲波系統安裝在7艘法國船艦上，並將波以耳的設計安裝在12艘英國船艦上。

第一次世界大戰結束前，任何一支海軍都未能使用超聲波來探測敵方潛艇。從這個意義上說，朗之萬的工作是一次作戰上的失敗。對於這種新科技的適度財政投資並沒有拯救任何人的生命，也未能阻止例如協約國在1917年因德國U型潛艇損失的大約600萬噸貨物。但是超聲波慢慢開始吸引來自學術界、工業界和軍事界科學家的注意。5

朗之萬拒絕了前往美國的邀請，而是將注意力轉向了他發明的技術在承平時期的應用。他與一位電機工程師查爾斯-路易斯・弗洛里森（Charles-Louis Florisson）合作，開發了第一部商用超聲波深度測量設備並獲得了專利。12 1920年10月，在尼斯（Nice）進行第一次探測。到了1920年代後期，他們的超聲波深度測量儀已被廣泛授權並安裝在商業和客運輪船上。再到1930年代，朗之萬最初的發現被用來生產薄而小的石英板，這些石英板可以產生頻率超過100萬赫茲的超聲波束，並且不需要黏合的基底或馬賽克式的製造。

朗之萬的超聲波技術專利很快在英國和美國法院遭到質疑。雖然美國的案子拖了20年，但他的智慧財產權最終在兩起案件中都得到了保障。對案件提出異議的決定引起了學者們的關注，因為它似乎與他認為科學是一項共同努力，及其成果應該是公共資產的信念相矛盾。4, 5, 7但朗之萬之所以申請專利受到他合作夥伴期望的驅使，而不僅僅是出於他自己的抱負：奇洛夫斯基想在俄羅斯以外的地方發展他的事業；弗洛里森需要為他的測深設備提供商業保護；朗之萬的妻子珍妮（Jeanne）則是尋求改善財務安全。

朗之萬慷慨地將一些與專利相關的部分收入分配給雅克・居禮（Jacques Curie）和皮耶・居禮的女兒伊雷娜（Irène）和伊芙（Ève）。透過這種方式，他感謝居禮兄弟發現了石英的壓電互易性（reciprocity），這對於其在超聲波探測中的應用至關重要。

在第一次世界大戰結束不久後的所有超聲波工作都是源於朗之萬的突破。13波以耳回到加拿大阿爾伯塔州（Alberta），繼續研究超聲波計量學（metrology）和聲穴現象。在英國，波以耳曾經一起共事的其中一位物理學家弗蘭克・勞埃德・霍普伍德（Frank Lloyd Hopwood），在倫敦的聖巴西摩太醫院（St. Bartholomew’s Hospital）基於朗之萬的工作開展了許多的生物物理學實驗。

借鑑朗之萬工作啟發的最為著名研究者或許是伍德，他在戰時參觀法國物理學家圖盧茲（Toulouse）實驗室期間從而對超聲波產生了興趣。10戰後，美國金融家阿爾弗雷德・李・盧米斯（Alfred Lee Loomis）與他接洽，提議資助一個實驗室。當盧米斯問及研究計劃時，伍德想起了朗之萬的工作，並建議探索「超聲波」。14使用極高功率驅動構造簡單的石英換能器，伍德和盧米斯取得了驚人的成果，讓盧米斯在紐約州的塔克西多公園（Tuxedo Park）新成立的實驗室被人關注。

雖然伍德在法國得知了朗之萬的研究成果，但美國的大多數其他科學家和工業家在1917年6月英法兩國訪問華盛頓哥倫比亞特區期間才聽說了朗之萬的突破。那次訪問激發了亞歷山大・尼科爾森（Alexander Nicolson）對稱為酒石酸鉀鈉（Rochelle salt，又稱為羅謝爾鹽）壓電晶體的特性進行研究，以及沃爾特・卡迪（Walter Cady）在石英壓電諧振器的研究。然而，人們對超聲波的興趣隨著戰爭從記憶中褪去而逐漸減弱。直到第二次世界大戰才廣泛使用掃描式聲納（sonar）來定位潛艇。

在兩次世界大戰的戰間期，朗之萬成為歐洲最資深和最受尊敬的物理學家之一。在1920年代，他在法國法蘭西公學院教授了一系列物理學課程，主題涵蓋了超聲波、量子物理、磁學和相對論。為了表彰他的資歷，他被選為領導第六屆和第七屆索爾維會議，那是當時國際物理學辯論的大熔爐。

二戰德國占領法國期間，朗之萬因戰前的反法西斯活動被軟禁在特魯瓦（Troyes）。在他返回巴黎後，於1945年3月3日為他舉辦了延遲的73歲生日儀式，參加儀式的有資深科學家、政治領袖、教育家和戰時抵抗運動的代表。15包括英國、蘇聯、希臘、南斯拉夫和中國在內的不同意識形態國家的代表們或善意訊息紛至沓來。朗之萬於1946年12月19日逝世後，廣受愛戴和尊敬（見圖4）。

圖4.保羅・朗之萬肖像（1945-1946），由巴勃羅・畢卡索（Pablo Picasso畫，存於巴黎軍事博物館（Army Museum, Paris）。（圖片來自 agefotostock/Alamy Stock Photo）。

朗之萬的遺產：醫學上的超聲波

超聲波的醫療用途（包括診斷和治療）是朗之萬當今最有形的遺產。1949年，在朗之萬開始從事超聲波研究30多年後，首次超聲波醫學會議在德國埃爾蘭根（Erlangen）召開。在會議上，朗之萬的同事弗洛里森回憶起朗之萬曾預測超聲波可能有朝一日會被用於醫學治療。

出乎意料地，超聲波治療並非在法國而是在德國開始發展。與脈衝回波系統一樣，石英換能器（工作頻率約為100萬赫茲）是技術突破的關鍵。治療用超聲波的科學理論基礎是由在柏林為西門子公司（Siemens）工作的物理學家雷馬爾・波爾曼（Reimar Pohlman）發展出的，他在1939年演示了在適度功率下的超聲波接觸會是有用的而不會造成傷害。到了埃爾蘭根會議召開時，至少有10家歐洲公司在銷售超聲波治療設備。除了一家之外的所有這些公司都使用了x截割石英壓電換能器。另一方面，診斷用超聲波16是在1950年代出現的。 （請參閱卡爾・埃弗巴克 〔Carr Everbach〕的文章，《PHYSICS TODAY》，2007年3月，第44頁。）最初使用的換能器同樣是石英，但它們很快就被陶瓷鐵電體（ceramic ferroelectrics）取代了。

與朗之萬工作的迴響仍然遍及在醫學超聲波領域。壓電換能器仍然是超聲儀器中使用的主要技術。聲功率仍然是使用輻射力來測量的，就像朗之萬所做的那樣。換能器脫層（delamination）是朗之萬面臨的一個主要問題，現在仍然是一個議題。由折射和吸收引起的假影（artifacts）仍然需要辨別。而諧波成像（harmonic imaging）仍然基於對有限振幅傳播的理解，這是朗之萬在1920年代首次教授的知識。

同是一位壓電學的先驅卡迪在1946年形容朗之萬為「超聲波現代科學和技術的鼻祖」。17朗之萬的科學天才在於揭開石英的壓電性，使其同時充當超聲波源和接收器，並開發出第一個可用的超聲波脈衝回波系統。他的石英發射器開闢了超聲波清洗、聲化學（sonochemistry）和外科手術的道路；他的脈衝回波系統使近接偵測器（proximity detectors）、非破壞性檢測（nondestructive testing, NDT）和醫學掃描發展變為可行。如今，全球醫學超聲波掃描儀的銷售額總計約為每年80億美元。超聲波掃描是一種經濟實惠、安全、便攜和非侵入式的醫學技術。和平主義者朗之萬肯定會稱許的。

非常感謝湯姆・薩博（Tom Szabo）對本文早期草稿的評論。
參考資料：
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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. 2022雜誌內 (Physics Today 75,11, 42–48(2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.5122)。原文作者：Francis Duck。中文編譯：劉雨恩，國立台灣大學物理系學生。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Francis Duck and was published in (Physics Today 75,11, 42–48(2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.5122). The article in Mandarin is translated and edited by Y. Ｅ, Liu, studying at the Department of Physics, National Taiwan University.