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反物質與狄拉克海——阿宅物理(1)

科學大抖宅_96
・2015/08/24 ・2130字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 557 ・八年級
相關標籤: 狄拉克海 (1)

就在不久前的2015年6月22日,第三使徒薩基爾(Sachiel)襲擊了第三新東京市,製造狄拉克海的第十二使徒亦將出現,人類面臨空前的危機……[1]。等等!看過<新世紀福音戰士>動畫的人,或許在心裡都曾有過這樣的疑惑:「狄拉克海?那是什麼?可以吃嗎?」然而,要解答這個問題,我們得回溯到上個世紀。

第12使徒。source:EVA第16集。
<新世紀福音戰士>裡製造狄拉克海的第12使徒。source:EVA第16集。

二十世紀初,物理學有了莫大的進展。愛因斯坦(Albert Einstein)先後提出了狹義與廣義相對論,革命性地改變了我們對於時間、空間和重力的認知。請各位回想在國、高中學習物理的經驗,你可能見過如下問題:

政客坐在以時速二十公里面對你駛來的車裡,你為了阻擋車子前進而以時速五公里正面飛撲到引擎蓋上(以上劇情純屬虛構,如有雷同實為巧合),那麼政客會覺得你用多少的時速撲上來?

先不論上述物理(或是情節)帶給你的痛苦回憶,愛因斯坦眉頭一皺,發覺這個問題並不單純:當車子與你均以接近光速移動時,答案就不是那麼顯而易見了—-因為除了閃電俠外,任何有質量物體的移動速率都不能等於或快過光速,政客也不該測到你以超光速飛撲而來。簡單來說,狹義相對論就是在處理此類議題——當物體運動極快、接近光速時的物理。

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另一方面,從光電效應、氫原子結構等一連串的物理研究埋下根基,到薛丁格(Erwin Schrödinger)發表了著名的波動方程式,量子力學漸趨成熟。在那之前,只要討論到物體的運動(例如中學課本裡那些移動的火車),牛頓的運動定律必定會反覆出現。

然而,那些我們習以為常、但是背得要死的運動公式,在原子的世界裡並不適用。像那麼小的物體,我們必須用另一套方法,也就是薛丁格方程式來描述其行為。在量子力學的世界裡,所有物體(粒子)的能量都有同樣的最小單位量。以日常生活熟悉的卡路里為例,如果我們能夠量測出一卡路里的食物,我們就也可以找出兩卡路里的食物有多少;那麼,要量出1.5卡路里應該也不會是問題。甚至,只要儀器夠靈敏,我們應能測出1.44158卡和1.44159卡中間的1.441585卡。但是,量子力學跳出來說No!我們不能無限地分下去;小到一個地步就不能再分了——能量有不可分割的最小單位。一言以蔽之,量子力學講的是極微小物體的物理。

相對論與量子力學,被稱為近代物理學的兩大支柱,大大拓展了物理的疆界,讓我們從處理日常生活範疇的古典物理,更進一步開始有能力研究移動極快的、或者質量極小的物體。以簡單的示意圖表示,大致如下:

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你可能會忍不住狐疑、總覺得圖裡右上方有些缺憾。恭喜你!這也是接下來的物理學家嘗試解決的問題—-將相對論與量子力學結合。1928年,物理學家狄拉克(Paul Dirac)修改了薛丁格方程式,使其符合狹義相對論,而導出知名的狄拉克方程式。然而,此方程式仍存在著問題。當我們試著解開方程式時,無可避免會得到以下結論:

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螢幕截圖 2015-08-24 18.34.29

其中E代表物體(質量極小的粒子)的能量、m為質量、c是光速,p則稱為動量,我們將其定義為螢幕截圖 2015-08-24 18.35.20,裡面的v表示物體的速度。你可以發現,當v是零、物體靜止時,我們會得到耳孰能詳的相對論公式E=mc2 。但問題在,如上式子一定會有一組解為AY0ZF7gJ7d3RBNbVkEdQbRBEPmNzKvFD40l_DQarhMQ,能量是負的!

負能量代表什麼意思呢?我們並不太清楚。就像腹部的肥肉只有增加的份,永遠不可能沒有、甚至比沒有還少一樣!於是,為了解決負肥肉負能量的問題,「狄拉克海」的概念被提出了。狄拉克假設,能量有正有負,就像地表有山有谷一樣,但是所有負能量的狀態都被粒子填滿了;亦即,我們其實生活在一個所有低於海平面的峽谷都被海水填滿的世界,只看得到海平面以上(也就是能量為正)的粒子。

但是,狄拉克海裡偶爾可能會出現泡泡,就像你在游泳時偷放屁那樣,又因為海平面是不變的,一旦少了負能量粒子去填補這個空洞,我們看上去就會以為是多了個正能量粒子(減掉-1會等於加上+1)—-為了方便,我們把這個少了負能量粒子的空洞稱為「反粒子(antiparticle)」。1932年,安德森(Carl Anderson)從宇宙射線的觀測中發現了「反電子(後來被稱為正子 positron)」的存在,狄拉克方程式的可靠性獲得證實。他們也因此分別得到1933與1936年的諾貝爾獎。然而,因為一些細節上的問題,狄拉克海的詮釋後來漸不再被使用,但反粒子、以及反物質(antimatter,由反粒子組成的物質)的存在卻是毋庸置疑了。

話說從頭,那麼在<新世紀福音戰士>裡,為什麼四號機在啟動機關發生意外後,展開的狄拉克海會讓整個「聯合國直屬特務機關NERV第二支部」及23778平方公里的內華達州消失不見呢?欲知詳情,待下回分解。

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  •  註:[1] 動畫<新世紀福音戰士(Neon Genesis Evangelion)>的劇情。

參考資料:

  1. David Griffiths (1987) Introduction to Elementary Particles, 1st edition

 

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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