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這個男人,從攘夷烽火轉向物理救國--山川健次郎參上!(1)

物理雙月刊_96
・2017/11/26 ・5827字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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  • 文/高崇文|中原大學物理系 教授

上一回的阿文開講提到了江戶時期的蘭學者以及蠻社之獄。雖然蘭學者賣力地吸收西洋新知,然而總像浮光掠影一般。真正讓西洋科學在日本生根茁壯的,還是明治一代的學者們。

雖然他們本身並沒有在學術上發光發亮,但是卻紮紮實實地讓日本邁入科學大國之林。在這些學者中,最讓人津津樂道的莫過於日本第一位物理教授.山川健次郎。據說幾年前 NHK 大河劇「八重之櫻」他也有出場呢!就讓阿文為各位介紹這位傳奇人物的一生吧。

山川健次郎。圖/ 九州大學 

攘夷浪人的烽火年代

就在黑船第二次來到江戶、讓幕府無奈地簽下日美親善條約的兩個月後,一個男嬰誕生在會津藩武士的家中。這位武士是會津藩祿高一千石的「國家老」山川重固。所謂「國家老」是指藩主到江戶參勤交代時留守在領國,負責政務的家老。健次郎六歲時父親過世,剛滿十五歲的大哥山川大蔵(後來改名為山川浩)繼承家督,兩年後他的大哥就跟著藩主松平容保到京都去。而健次郎則是開始到會津藩的藩黌日知館接受以朱子學為主的武士教育。

當時京都正值多事之秋,自從在外國的勢力威嚇屈辱開國後,幕府的威信就一落千丈,許多打著「尊皇攘夷」的浪人們企圖假藉朝廷之力來從事各樣的政治活動,尤其令幕府頭痛的是他們以天誅之名四處暗殺與幕府相善的人物。過去京都的治安是由京都所司代負責。幕府有感京都所司代無法控制治安,於文久二年(1862年)設置京都守護職作為負責京都治安的最高機構,京都所司代轉為京都守護職轄下,而松平容保就是擔任京都守護職。

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這是個將會津藩推入火坑的差事。當時會津藩正因為奉派負責蝦夷地的守備,早就財政吃緊,所以家臣們異口同聲地反對,而容保本人也再三地推辭,但是當時的幕府引用會津藩祖保科正之留下的家訓:「會津藩是為了守護將軍家而存在」,松平容保只好同意。據說當時聽到這消息的會津藩家臣在江戶藩邸互相擁抱肩膀慟哭地說:「由於這事會使會津藩滅亡(これで会津藩は滅びる)」。

保科正之是二代將軍德川秀忠的庶子,三代將軍家光的異母弟。家光臨死之際,把正之喚到枕邊,將四代將軍德川家綱託付給他。正之感念家光的重視之恩,在1668年時寫下了「會津家訓十五箇條」,其中第一條載明「會津藩是為了守護將軍家而存在,如有藩主背叛德川家則家臣不可跟隨(会津藩たるは将軍家を守護すべき存在であり、藩主が裏切るようなことがあれば家臣は従ってはならない)」。

會津家訓十五箇條。圖/江戶東京博物館

到了京都的會津藩與京都的「尊攘派志士」衝突不斷,尤其是會津藩招募的「新選組」更是被志士們視為眼中釘。最有名的一次衝突是「池田屋事件」。新選組因此事而聲名大噪,而尊王攘夷派則損失慘重,重要人物吉田稔磨、北添佶摩、宮部鼎藏、大高又次郎、石川潤次郎、杉山松助、松田重助死亡。桂小五郎(後來的木戶孝允)倖免於難。(池田屋在河原町三條附近,現在改裝成餐廳了。)長州藩在此事後為了替死去的同志而舉兵上京,引起禁門之變。結果長州大敗。尊攘激進派的長州,自此對公武合體派的會津和薩摩恨之入骨,稱之為「薩賊會奸」,從此會津與長州之間更是結下深仇大恨。

池田屋事件遺址位於京都(Wikimedia Commons, CC by 3.0)

到了慶應 2 年(1866年),支持幕府孝明天皇駕崩,幕府以及容保的立場逐漸變得不利。慶應 3 年(1867年),第 15 代德川幕府將軍德川慶喜實行大政奉還,隨後京都朝廷發出的王政復古大號令,使幕府、京都守護職、京都所司代等職遭廢。

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其後,容保隨德川慶喜撤至大坂;未久,幕府軍和容保麾的下會津藩兵,在鳥羽、伏見與明治新政府軍展開交戰(史稱鳥羽伏見之戰)。由於對著代表天皇的御錦旗(菊花旗)開火,使慶喜、容保等人相繼變成「朝敵」,加上戰況不利,德川慶喜暗自帶松平容保與其弟定敬(京都所司代)等人,脫離戰場,同乘幕府軍艦「開陽丸」回到江戶。

容保讓出藩主之位予養子喜德。由於將軍慶喜對新政府態度恭順,所以容保也跟隨將軍表示恭順。以仙台為首的奧羽越諸藩,對因擔任京都守護職而招致怨恨的會津藩寄予同情,向奧羽鎮撫總督府(新政府軍)提出寬大處理會津的請願。會津又在奧羽越諸藩的中介下,寫下數封謝罪陳情書。可是總督府卻提出苛刻謝罪條件:要求將藩主松平容保斬首。在沒有任何轉圜的餘地之下,會津藩在三月進行軍事改革,把藩士按年齡分成青龍隊、白虎隊、朱雀隊、玄武隊。

被調離前線的白虎隊少年

十五到十八歲的少年編入白虎隊。年方十五的健次郎自然也在其中。但是在訓練時發現十五歲這組的少年根本無法操作重槍而被藩的重臣將他們從白虎隊的訓練中排除。自然地,健次郎也失去了出陣的機會。

慶應 4 年(1868年)四月十日會津藩與庄內藩合組會庄同盟,其後與奧羽越列藩同盟聯手繼續對抗新政府軍,容保在會津戰爭中率領藩士、藩民及新選組與新政府軍交戰。在會津若松城被圍困情況下力戰一個月,死傷達三千多人。在若松城被包圍時擔任總指揮的正是健次郎的大哥。而白虎隊員們在看到若松城被冒著濃煙時,以為城被攻破了,由於不願投降,二十名成員在飯盛山自刃。筆者在高中時看到日劇「白虎隊」看到這一幕時,忍不住鼻酸啊!

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健次郎由於先前被從白虎隊訓練時被排除而沒有出陣,但是他在圍城戰時負責搬運彈藥,每天在槍林彈雨中穿梭,也算得上是出生入死。當九月連米澤藩都投降時,會津藩孤立無援,最後只好也投降了。幸虧薩摩軍監桐野利秋與長州軍監前原一誠為松平容保求情,最後容保免死但被送到東京囚禁,而由祿高 1500 石的家老萱野長修一肩擔起責任,切腹謝罪,因為地位更高的家老不是戰死就是下落不明。山川健次郎與其他投降的會津藩士都被囚禁在豬苗代,等候發落。

這時一件不可思議的事情發生在健次郎身上。在佔領會津的長州藩士中有一位名叫奧平謙輔,他與會津藩士秋月悌次郎在京都時就認識了。兩人雖身處敵對陣營卻惺惺相惜。秋月悌次郎想辦法與奧平聯絡上,他知道維新政府不會放過自己,卻向奧平請求將兩名會津藩的優秀少年當作他的書生帶到東京去。結果健次郎與小川亮兩人就在秋月悌次郎命令下,由在禁門之變曾救過長州藩士的僧人河井善順帶著他們逃出豬苗代與奧平會合。

抵禦來犯新政府軍進駐的會津若松城。圖/L’oeil étranger@Flickr

命運的巧合

後來健次郎跟著奧平到佐渡,明治二年五月他到了東京。這段時間健次郎拼了命地學習英語,而他的大哥以及姐妹們都跟著其他的會津藩士一起被送去斗南藩。名義上是三萬石,但是土地非常貧瘠,實收只有七千石。曾擔任過台灣軍司令官的柴五郎在斗南生活過,他曾回憶道當時一隻被獵人隔著河槍殺的狗,但是河冰太薄,獵人走不過來就丟在原地。他們家難耐飢餓,跟鄰居要了這隻死狗,吃了許多天後柴五郎嫌噁心吃不下去,柴五郎的父親大怒,罵道:

忘了你是武士的兒子嗎?我們被賊軍趕到這種窮鄉僻壤,會津武士要是餓死了,可是會被薩長那班小子笑話,會津國恥不除,這裡就是戰場!

柴五郎只能乖乖把狗肉吞下肚。山川大蔵雖然被任命為大參事,但是生活一樣非常辛苦,連自己的姐妹們都要出外勞動,才勉強維持溫飽,至於在東京寄人籬下的健次郎想來也是過得非常辛苦。

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沒想到幸運之神再次眷顧健次郎!明治三年北海道開拓使.黑田清隆,為了培養開發北海道的人才,準備派出留學生到西洋留學。特別的是,不像之前派出的留學生都是獨厚薩摩長州的子弟,黑田清隆宣稱:為了適應北國嚴寒,特別選拔會津、庄內這兩個藩的子弟各一名。在奧平謙輔的大力支持下,健次郎在明治四年元旦在橫濱搭上汽船,二十三天後到達美國舊金山。

這趟旅程讓他見識到西洋科技的進步,讓他為了祖國的將來憂心忡忡。尤其到了美國之後,他發現美國人居然把日本當成是清國的屬國,更令他非常氣憤。原本以復興會津藩為一生職志的他,不知不覺變成了決心捍衛日本國的愛國青年。就算到了五十年後,健次郎還回憶著說,美國物質文明與當時的日本的宵壤之別,讓這群留學生對於日本能不能獨立地存在於國際社會都深感悲觀。所以他們心懷悲願,一心只想讓未來的日本能與西洋列強並駕齊驅。也在此時,山川健次郎決定把物理當作一生奮鬥的目標。

攻讀物理救祖國!

這個選擇乍看相當奇怪,物理跟救國有什麼關係呢?其實在十九世紀末 Herbert Spencer 的社會達爾文主義蔚為風行,「適者生存」被延伸到國際政治上。對被列強欺凌的國家的留學生而言,一國的生存就端看其文明的能力,尤其是西洋在物理、化學在當時有長足的進步,使得當時的弱小民族的年輕人充滿「科學救國」的想法。時至今日,這種奇怪的想法在許多國家依然陰魂不散呢!

健次郎在修了一年的基礎學科後,進入耶魯大學理工學院的前身.Sheffield Scientific School。由於該校沒有物理系,所以健次郎選擇最接近物理的土木工學。健次郎除了修習一般土木工程所需的專業學問之外,他還特地修了德文與法文、一些高階的數學課和天文學,此外還修了地理學。

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對統計力學有重要貢獻的物理學家吉布斯(Josiah Willard Gibbs)從 1871 年起在耶魯任教,雖然他是 Department of Philosophy of Arts 的教授,但也有在 Sheffield Scientific School 教法文,所以山川健次郎應該上過吉布斯的課。事實上,吉布斯有將論文寄給國外同行的習慣,山川回日本後也收過吉布斯寄去的論文,但是找不到兩人交往的紀錄。倒是山川在學時間與任職在海軍天文台的天文學家 Simon Newcomb 建立交情,居中牽線的是在耶魯任教的 William Augustus Norton,Norton 為健次郎寫的介紹信還留在山川家呢。

山川在耶魯的修業也非一帆風順,入學一年半後他突然接到要他回國的命令,幸虧他的美國同學知道他的窘境,而商請其伯母出錢資助山川完成學業。明治8年 (1875) 健次郎終於完成學業,回到日本。隔年一月他到東京開成學校擔任助教(教授補)。開成學校的前身是安政四年 (1857) 創設的蕃書調所。文久二年 (1862) 改稱洋書調所,後又已稱開成所。明治維新之後多次更名,稱為東京開成學校,只有三年。其「開成」之校名,乃取自《易經.繫辭傳》中之「開物成務」,意即自蕃書調所時代之文獻研究中脫胎換骨,以進行實事實物之研究精神而命名。自一八七四年至一八七六年,即使只有一人在學亦依然開課之學科為法學、理學、化學、工業學、工學、物理學等。

東京開成學校之教師主要以外國教師為主;健次郎由於接受完整的西洋教育才能在此任教。隔年東京開成學校與東京醫科學校合併成立東京大學,這是日本第一所大學。健次郎除了要幫 Peter Veeder 教授上課外,還要編教科書、講義,連實驗課的器材也要由他來負責。當時日本並不平靜,不滿新政府的士族在各地舉事,明治九年冬天,對健次郎有再造之恩的奧平謙輔與前原一誠在荻企圖舉事,結果都被新政府砍頭,明治十年更爆發了以西鄉隆盛為首的薩摩軍起兵的西南戰爭。健次郎的大哥擔任征討軍的參謀立下不少功勞,而曾為會津藩主求情的桐野利秋澤與西鄉隆盛同一天戰死。隨著西鄉隆盛的死,明治時代進入下一個階段。

日本第一位物理教授

明治十二年(1879),健次郎成為日本第一位物理學教授。(註:兩年前,菊池大麓已經是日本第一個理學部(數學)教授,雖然菊池比山川年輕一歲,卻兩度前往劍橋,拿到碩士學位之故。)

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山川除了繼續繁忙的教學活動,還開始訓練年輕一輩的物理學者。他曾帶著學生上富士山頂作實驗,也曾派學生到北海道測量當地的重力。他所講授的內容包含熱學、光學、電學、磁學、音響學等。他的講義後來編成書《新選物理学 明治20年代の自筆草稿の翻刻》,有一百七十頁呢。他的助教田中舘 愛橘日後也成為東京大學的教授,而他的學生長岡半太郎更是第一位名揚海外的物理學者。田中舘曾多次前往歐洲,在1888到1890年間在蘇格蘭格拉斯哥大學跟隨開爾文男爵學習,並且曾在德國柏林洪堡大學學習物理學。長岡半太郎則是前往歐洲,在柏林、慕尼黑和維也納等地學習,並師從物理學家路德維希·波茲曼,回國後進入東京帝國大學任教。

除了教學之外,山川也積極貢獻他的專業,像是明治十四年他所編寫的《東京府下火災錄》就是他用科學方法研究過去江戶所發生的大火的紀錄,並提出預防對策的著作。從東大留下來的紀錄,他還寫過介紹繞射光柵的《分光器觀測法小引》,以及介紹 1884 年在巴黎萬國電器公會通過以 106 厘米長、截面為 1 平方厘米的水銀柱的電阻為 1 歐姆的決議。還有一篇關於測定大理石熱導率的新方法的文章登在《東京帝國大學紀要.理科》上。在當時,物理主要還是被當作是一門實驗科學。

分光器觀測法小引。圖/東京數學物理學會記事

明治19年(1886年),日本頒布了帝國大學令,東京大學改名為帝國大學,採用分科大學制,並開始設置研究生院,成為一所名符其實的大學。

隔年,日本發布了學位令,由文部大臣頒發包含數學、物理學、化學、生物學、地學五個學科的「理學博士」。1888年(明治21年),山川健次郎成為第一個被東京帝國大學授予理學博士的人。其間,各帝國大學紛紛冠上本地名稱,為示區別,帝國大學的名稱前面添上「東京」二字。這一年他與村岡範為馳共同編纂的《物理學術語:和英佛獨對譯字書》則是將物理名詞分別以日文、 英文、 法文、 德文列出。這對物理學在日本有非常重要的影響。

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村岡範為馳比健次郎年長一歲,他的父親是鳥取藩士太田静馬,是戊辰戰爭中用兵如神的大村益次郎的同學。他本人則在明治十一年(1878年)到史特拉斯堡大學留學。1881年(明治13年)他的炭素材料的電阻與溫度的關係的研究成果刊登在德文期刊《Annalen der Physik und Chemie》,讓他成為第一位出現在國際期刊的日本作者。這一年他拿到史特拉斯堡大學拿到博士學位。回到日本後他先在東京大學醫學部,後來到第一高等學校任教。編完字書後村岡再度赴歐,剛好聽到赫茲成功製造成電磁波的消息!回日本後他擔任過東京音樂學校的校長。之後他到京都新設的第三高等學校擔任教授,1897年(明治30年)京都帝國大學成立時,他轉到這裡擔任教授並且成立理學部物理學教室。跟山川健次郎算是一時瑜亮吧!

這一位白虎隊士轉身成為物理學者的奇人,在進入二十世紀後又會發生什麼樣的奇事呢?還請下回分解!

 

參考資料

  1. 中文、日文、英文維基相關條目
  2. 日本近代政治史 第二卷 信夫清三郎著 周啟乾譯
  3. 山川健次郎とSheffield Scientific School–初期日米科学交渉史の一面,渡辺正雄著
  4. 山川健次郎 
  5. 白虎隊士から東大総長へ(山川健次郎)

本文轉載自《物理雙月刊》 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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物理雙月刊_96
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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5940字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

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圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

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圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

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可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

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1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

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但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

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阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

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舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

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如果子彈飛到最高點時,伸手抓住會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/05/10 ・1577字 ・閱讀時間約 3 分鐘

有什麼方法可以開槍讓子彈在空中飛,然後安全的用手接住?比方說,開槍射擊的人在平地,而接住子彈的人在山上,位於射程的最遠處。
——艾德蒙.許(Edmond Hui),倫敦

接住!

「接住子彈」是舞台上的特技,表演者看似接住射擊出來飛到一半的子彈——通常是用牙齒接住的。當然啦,這是錯覺,像那樣接住子彈是不可能的。

但在適當的條件下,你可能接得住子彈,只是要有很多的耐心和運氣。

直直向上射擊的子彈最終會達到最大高度。子彈可能不會完全停止;比較可能的是,它會以每秒若干公尺的速率往旁邊偏移。

如果有人舉槍向上射擊子彈……。

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……而你乘著熱氣球在射程範圍的正上方閒晃……

……當子彈飛到最高點時,你伸手出去抓住子彈,這是有可能的。

你不應該做的事情

(清單已更新)

#156,812 吃洗衣膠囊球

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#156,813 在雷雨中踩高蹺

#156,814 在加油站放煙火

#156,815 餵你的貓吃「與人類手部形狀質地」一模一樣的零食

#156,816 在間歇泉噴口上方彎腰低頭想要一窺究竟

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#156,817(新增!)搭乘熱氣球飛越射程範圍

如果你在子彈弧線的最高點成功抓住子彈,或許你會注意到奇怪的事情:子彈除了很燙之外,還會自旋。

它會失去向上的動量,但不會失去自旋角動量;子彈仍然具有槍管造成的自旋。

當子彈射擊在冰面時,可以很明顯的看到這種效應。正如數十部 YouTube 影片所證實的那樣,我們常發現射進冰中的子彈仍在快速自旋。你必須緊緊抓住子彈,不然它可能會跳出你的手掌心。

如果你沒有熱氣球,在山頂很有機會行得通。加拿大索爾山(Mount ­Thor)的垂直落差有 1,250 公尺。根據「近距離對焦研究」(Close Focus Research)彈道學實驗室的數據,這幾乎剛好是 0.22 長步槍子彈直直向上射擊會飛的高度。

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如果你想要用更大的子彈,就需要更大的落差;AK-47 子彈向上射擊可能超過 2 公里。地球上沒有那麼高的垂直懸崖,因此你需要以某個角度發射子彈,結果子彈在弧線頂點會具有顯著的橫向速度。不過,夠硬的棒球手套也許有辦法接住子彈。

其中任何一種情境下,你都必須非常走運。由於子彈的弧線有不確定性,你恐怕必須射擊數千發子彈才能碰巧接個正著。

等到那個時候,你可能會發現自己招來了某些人的關注。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。