簡介擾動熱力學(Stochastic thermodynamics)

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。由於系統微觀狀態數目通常非常龐大，熱力學習慣以亂度S取代 ( 也稱為熵 )，兩者相關性為 S=kB ln Ω ，其中 kB =1.38 10-23 J/K  為波茲曼常數。

我在學生時代就覺得熱力學第二定律很特別，因為我所學的其它物理定律都是十分嚴格以數學等式來表述，但熱力學第二定律是用不等式，好像比較不精準。本文我就熱力學第二定律及非平衡統計物理[1]近年之發展給一個簡單的回顧，同時概括描述近年來我跟多個實驗小組合作的成果。

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。

熱電材料的研究在過去十年以來蓬勃發展，這主要歸因於能源危機與溫室效應兩大世紀事件。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。本文將對熱電材料的發現、物理機制、與再生能源的運用作一個說明。

摩擦起電效應 (Triboelectric effect，或稱Triboelectric charging)，是接觸起電  (Contact electrification) 現象中的一種，指的是當兩種不同材料經過接觸後，其表面會開始產生帶電的現象。在日常生活中，我們都可以常感受到此現象，如梳頭髮、穿衣服及開門等動作。摩擦起電效應最早是在西元前六世紀就被發現，十八世紀時開始被詳細探討，並逐漸有科學家建立起摩擦序列表 (Triboelectric series) 如圖一所示。這張表可以用來了解不同材料經過接觸後，其表面所能夠攜帶正、負電的相對能力。

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]。

筆者有位粒子物理學家朋友對我說起他對暗物質的看法：『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。另一方面，暗物質並不是當前粒子標準模型所預測的粒子，比如，標準模型內的微中子只能是熱暗物質，並不能形成宇宙結構比如銀河系。然則，絕大部分粒子物理學家還是相信暗物質擁有粒子特性，其根本原因仍舊是來自於標準模型本身，因為標準模型雖然好但不完美，仍擁有一些無法解決的問題，像是為什麼沒有右手微中子、左手微中子具有不為零的微小質量、強CP問題、希格斯粒子的階級性問題(Higgs hierarchy problem) 等等。當粒子理論學家嘗試要建構一個可以解決以上這些問題的模型時，那些因需要被引入的新粒子卻可以很自然的符合暗物質三大條件。所以粒子物理仍是研究暗物質領域的主流學科之一，但為避免過於偏頗，筆者除將根據 2018 年物理網站 (https://phys.org) 所挑選的五大熱門粒子暗物質外另加上原初黑洞做簡單介紹。

2019 年的諾貝爾物理獎二分之一獎金頒給了畢身耕耘『宇宙物理學 (Physical universe) 』的James Peebles教授。他所開創的熱大爆炸宇宙學圖像以及他的宇宙大尺度結構的工作，皆影響後進晚輩深遠。他也是最早推動研究宇宙背景輻射的各向異性功率譜，使宇宙學正式跨進精準研究的主要推手。根據功率譜擬合的結果，暗物質正是宇宙中不可或缺的一部份。隨著諾貝爾獎的公佈，這暗物質的神祕又再次被提及。

鋰離子電池之發明迄今四十年有餘。此四十年間鋰離子電池之正極、負極與電解液之發展帶動鋰離子電池性能之提高，並使鋰離子電池廣泛應用于電動車、移動電子設備以及可再生能源發電之存儲。108年度之諾貝爾化學獎授予古迪納夫(John B. Goodenough)，惠廷翰(M. Stanley Whittingham)與吉野彰（Akira Yoshino）三人以表彰他們對鋰離子電池之貢獻，亦為對鋰離子電池發展之肯定。鋰離子電池之研發涉及物理、化學、材料、工程等多領域之協作，而少有專門為鋰離子電池研發人員開設之課程，造成一般之研究人員僅關注自身研究部分之內容而少對鋰離子電池有整體之了解。本文透過介紹鋰離子電池之原理，三位諾獎得主之貢獻，鋰離子電池之應用與未來之發展以增進研發人員與普通大眾對鋰離子電池之了解。

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。

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。

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 (圖一)。19世紀初期，巴伐利亞的一位名為夫朗和斐(Joseph von Fraunhofer)的玻璃師傅，土法自製分光鏡，首次發現太陽的吸收光譜線。光譜線可以因發光天體沿著我們視線的遠離或靠近，而有紅移或藍移的都卜勒現象。這就像警車的警報器聲在靠近我們的時候，變得高頻而刺耳，但在遠離時變得低頻而低沈。甫獲諾貝爾獎的瑞士天文學家梅爾(Michel Mayor)，曾和瑞士科學記者Pierre-Yves Frei合寫ㄧ本科普書籍，叫作『New Worlds in the Cosmos』。在書中他們有趣地稱這個現象為宇宙的氣笛。