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2016諾貝爾物理獎:用拓撲概念打開量子力學新視野

余海峯 David
・2016/10/07 ・3202字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 581 ・九年級

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文/余海峯|天體物理學家、科學普及工作者。興趣是讀和寫科普、足球、攀石、吉他,一個人散步。在等一個人回來,那個無可取代的她。

 

一年一度頒發的諾貝爾物理奬是物理學界的最高殊榮,自 1901 年起頒發給對人類文明有傑出貢獻的物理學發現。前沿的科學理論很少會迅速被實驗驗證,更遑論其實用性,因此涉及抽象數學的高度理論性研究,往往在十幾,甚至幾十年後才能獲得諾貝爾奬的肯定。

今(2016)年的諾貝爾物理奬得奬研究就是一例。三位來自英國的理論物理學家杜列斯(David J. Thouless)、哈爾丹(F. Duncan M. Haldane)和科斯特利茲(J. Michael Kosterlitz),在三十多年前,利用高度抽象的拓撲學(Topology)數學概念打開了量子力學的一個全新研究方向

2016 諾貝爾物理學獎得主: 美國華盛頓大學名譽教授杜列斯(David J. Thouless),獲 1/2 獎金 美國布朗大學物理系教授科斯特利茲(J. Michael Kosterlitz),獲 1/4 獎金 美國普林斯頓大學物理系教授哈爾丹(F. Duncan M. Haldane),獲 1/4 獎金
2016 諾貝爾物理學獎得主:
美國華盛頓大學名譽教授杜列斯(David J. Thouless),獲 1/2 獎金
美國布朗大學物理系教授科斯特利茲(J. Michael Kosterlitz),獲 1/4 獎金
美國普林斯頓大學物理系教授哈爾丹(F. Duncan M. Haldane),獲 1/4 獎金

物質不只有三態

物質的不同狀態會隨溫度和壓力互相轉換。圖/Nobel Prize Physics 2016
物質的不同狀態會隨溫度和壓力互相轉換。圖/Nobel Prize Physics 2016

在討論得奬研究之前,我們首先來重溫一下物態吧!相信大家都知道物質有三態:氣態、液態和固態。其實大自然並不只存在這三態。例如我們常見的火焰其實並非氣態,而是離子態。離子態通常存在於溫度高的條件下,因為原子擁有的能量足以令電子脫離原子核的束縛,亦即電離。例如我們每天都見到的太陽,其表面發光層就是處於離子態。

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如果溫度非常低呢?物質就會變成凝聚態。其實液態和固態都是凝聚態,這兩態能夠於室溫存在。而當溫度繼續下降,原子的能量越來越低,原子相互之間的距離就會越來越近,直至達到一個溫度與壓力的臨界點。在這臨界點之上,物質受古典統計力學支配;過了臨界點之後,量子力學變得重要,因此物質的物理和化學特性都會改變,科學家稱這種變化為相變(Phase Transition)。我們熟悉的氣態、液態和固態的互相變換,也是相變。

 

凝聚態物理學

我們可能會以為,既然我們已經對支配基本粒子運動的物理有一定了解,量子力學也已成為科學史上最精確的科學,那麼由一堆粒子聚集而成的物質的凝聚態物理學,也能夠被推導出來吧?

當粒子少於一定數量時,其互動方式的確可以被簡化成已知的基本物理定律。不過,當粒子多於一定數量時,其特性就會突然轉變。例如在低溫凝聚態下,物質的磁性可以改變,原本不帶磁性的物質會變成帶有磁性;沒有電阻的超導體和不會感受到摩擦力的超流體也能形成。因此,雖然人類已掌握量子力學、統計力學等工具,凝聚態物理仍未被科學家完全了解。

在 1970 年代,凝聚態物理學家普遍認為相變只會發生在三維物質裡,二維或一維的物質特性是比較簡單的。當然,這裡指的二維或一維並非真的說物質沒有厚度或寬度,只是當粒子層非常薄時,對比其面積來說就如同沒有厚度一樣,因此推論三維的凝聚態物理,理所當然比較豐富。

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好奇心與意外發現的拓撲學

科學史往往充滿驚奇,這亦是科學引人入勝的原因。在一個國際研討會上,杜列斯和科斯特利茲傾談之間,討論到二維凝聚態物理有沒有可能發生相變的問題。事後他們聲稱,他們展開這個題目的研究原因是好奇心和無知。他們使用拓撲學的數學概念去研究二維的物質世界,最後發現拓撲學這個抽象的數學分支,竟然能夠為凝聚態物理學帶來全新的研究方向。

拓撲學是研究整數形狀改變的數學。誰想過拓撲概念能被應用於量子霍爾效應?圖/Nobel Prize Physics 2016
拓撲學是研究整數形狀改變的數學。誰想過拓撲概念能被應用於量子霍爾效應?圖/Nobel Prize Physics 2016

在拓撲學的概念中,馬克杯跟甜甜圈是一樣的:兩者都只有一個洞;沒有鏡片的眼鏡就跟數字8一樣,因為它們都有兩個洞;因此馬克杯和眼鏡是不同的拓撲物件。若由只有一個洞的馬克杯變成有兩個洞的眼鏡,就叫做拓撲相變(Topological Phase Transition),而我們可以從以上的舉例中得知拓撲相變只能是整數改變,不會有增加半個洞的狀況出現。

諾貝爾物理獎評選委員托爾斯.漢森(Thors Hans Hansson)用麵包來解釋拓撲學。圖/諾貝爾獎記者會影片截圖
諾貝爾物理獎評選委員托爾斯.漢森(Thors Hans Hansson)用麵包來解釋拓撲學。圖/諾貝爾獎記者會影片截圖

杜列斯和科斯特利茲發現,在低溫條件下,二維物質裡會出現漩渦,而且必定是成對出現且旋轉方向相反,而當溫度升高,成對的漩渦就會分離變成各自獨立的漩渦。這些量子漩渦帶有量子化角動量,通常出現在超導體和超流體之中。當時沒人能解釋為什麼會出現這些量子漩渦。杜列斯和科斯特利茲使用拓撲學中的拓撲缺憾(Topological Defect)去描述,簡單說就是描述這個二維物質公式的非顯然解(non-trivial solution,又有其他翻譯如非平凡解)。

由於觀察到這個現象,讓他們發現抽象的拓撲相變概念,原來可以用來描述二維物質的漩渦!這個發現成為了凝聚態物理學中最重要的發現,現在稱為「科斯特利茲–杜列斯 相變(Kosterlitz-Thouless transition)」或 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition」,簡稱「KT 相變」或「BKT 相變」。後來,科學家更發現 KT 相變並不單止存在於聚態物理學之中,在其他物理學分支裡亦找得到它的蹤跡。

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KT相變圖解與漩渦。圖/Nobel Prize Physics 2016
KT 相變圖解與漩渦。圖/Nobel Prize Physics 2016

抽象的現實

許多年來,杜列斯和科斯特利茲的研究已被許多實驗驗證了。然而在 1980 年代,杜列斯發現他與科斯特利茲的理論並不能夠解釋所有在凝聚態物理實驗觀察到的現象。

相信部分學過物理學的讀者會知道,在電磁學裡有一個現象叫做霍爾效應(Hall Effect)——當一個固體的導電體或半導體被置於磁場之中,電流裡的電子就會被電磁力推往一邊,造成一個電壓。而藉由測量這個電壓,就可以測量磁場強度或半導體的種類。

霍爾效應示意圖。圖/By Peo (modification by Church of emacs) - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3773578
霍爾效應示意圖。圖/By Peo (modification by Church of emacs) – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

在量子力學裡,有一個量子版本的霍爾效應(想當然就叫做量子霍爾效應,Quantum Hall Effect)。與一般霍爾效應不同的是,量子霍爾效應裡的量子導電率必定是呈兩倍、三倍、四倍,如此類推地改變的。而且,這個量子化的現象並不會隨電子密度改變。杜列斯發現這個現象原來可以用拓撲相變去解釋,每一個倍數的量子導電率就跟二維物質的拓撲漩渦狀態一樣,可以被描述為不同的拓撲相。使用拓撲相變甚至能夠解釋更加複雜的分數量子霍爾效應(Fractional Quantum Hall Effect)。

而在差不多同一時期,哈爾丹亦注意到在一維物質鏈之中的原子的磁自旋改變時,如果其改變是雙數的話,就能夠以拓撲相變去解釋;如果其改變是單數則不能。最終,哈爾丹發現即使沒有磁場,量子霍爾效應裡的導電率仍然只會以整數倍改變。他的理論最終在 2014 年的凝聚態物理實驗中被實際觀察到,被稱為「拓撲量子液」。

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杜列斯、科斯特利茲和哈爾丹的研究使物理學家能夠以全新的角度去看待凝聚態物理學,而且陸續發現了很多未知的物理現象。例如在實際應用層面上,凝聚態物理學家製造出拓撲絕緣體,並且於 2014 年成功用拓撲絕緣體造出類似於電腦記憶體的磁性元件。在將來,這些新的拓撲相態物質更有可能用來製造量子電腦。

就是如此,拓撲學這一門本是度抽象的數學分支,竟然被科學家發現真實存在於物理世界。在低維度的世界裡,竟然也有著不遜於三維世界的豐富的物理現象。2016 年的諾貝爾物理奬,表彰了杜列斯、科斯特利茲和哈爾丹如何把抽象變成真實。如同哈爾丹受訪時說:

「令人意想不到的是,量子力學比我們想象中的更加豐富。」

大自然對人類好奇心的回應,就是在觀察之中意想不到的新發現。

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余海峯 David
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天體物理學家。工作包括科研、教學和科學普及。德國馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。現任香港大學理學院助理講師。現為《立場科哲》科學顧問、《物理雙月刊》副總編輯及專欄作者、《泛科學》專欄作者。合著有《星海璇璣》。

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上網也要有「技術」!從言論、隱私到國安,你我都該懂的界線
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/18 ・2366字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

以為鍵盤俠天下無敵?小心一個不留神就觸法!人們常忽略「網路並非法外之地」這個重要事實。不只現實生活中的法律同樣適用於網路空間,隨著科技發展,更多應網路特性而生的法律規範也相繼出現。從基本的言論自由到隱私權保護,從智慧財產權到國家安全,法律體系正全面性地回應數位時代的種種挑戰。

在臺灣,網路上的言論自由權利源自《憲法》第 11 條的明確規定:「人民有言論、講學、著作及出版之自由。」釋字第 509 號則指出,「國家應給予最大限度之維護,俾其實現自我、溝通意見、追求真理及監督各種政治或社會活動之功能得以發揮。」網路快速傳播的特性放大了言論的影響力,而大法官的解釋將言論自由的邊際刻畫得更明確,這在數位時代裡顯得格外重要。

網路與社群媒體的快速傳播,放大了言論的影響力。圖/unsplash

網路上的性、暴力與未成年保護

顯然言論自由並非是毫無限制,2023 年 11 月的一起案件就展現其中一種界線的樣貌。當時,一名 36 歲男子將他和網友在網咖的性愛影片上傳至推特,還寫下「《網咖包廂實戰計 1》我跟某公司 OL 戰鬥」等文字。這段影片一經發布,當事女子立即採取法律行動。最終,法院依其以網際網路「供人觀覽猥褻影像」的罪名,判處該名男子拘役 30 日,得易科罰金。這個判決清楚說明了,即便在虛擬空間,散布猥褻影像仍須承擔實質的法律責任。

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特別是在保護未成年人方面,法律的規範更加嚴格。《刑法》第 235 條明文禁止散布、播送或販賣猥褻物品,無論形式是圖文、聲音還是影像。而《兒童及少年性剝削防制條例》第 36 條更進一步禁止任何形式的兒童色情製品被製造、散布和持有。2019年彰化縣曾層發生過這樣一起案件:一名陳姓中年男子將9歲女童帶往居所,不僅強迫她觀看色情影片,還對她進行猥褻行為,甚至將過程上傳至 Google 雲端。儘管他後來試圖以資助女童就學表達悔意,法院仍以加重強制猥褻等罪,判處他 4 年 4 個月有期徒刑。

不實言論的散布同樣可能觸犯法律。2021 年 9 月爆發的「台大狼師案」就是一個警示。一名女大生在網路上指控教師誘騙她發生關係並傳染性病,幾個月後又指控對方對她進行強制性行為。當她提出告訴時,檢方卻查無性侵事實,加上她反覆的說詞,不僅性侵告訴失敗,還因誹謗罪反被加重判刑。

當駭客、間諜都轉戰網路戰場

2013 年,一名退役空軍上校赴陸經商時被情治單位吸收,返台後透過人脈網絡發展組織、刺探軍事機密,並以空殼公司掩護非法報酬,這個情報網持續運作了 8 年之久。

在涉及國家安全的議題上,法律的態度更是嚴厲。根據《國家安全法》第 2 條的規定,任何人都不得為境外敵對勢力及其控制的組織、機構進行資助、主持、操縱、指揮或發展組織,更不能洩漏、交付或傳遞公務機密,違反者將面臨嚴厲的刑事處罰。《刑法》規定,意圖破壞國體、竊據國土,或以非法方法變更國憲、顛覆政府者,處7年以上有期徒刑,首謀更要判處無期徒刑。

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抄襲與轉貼的邊界在哪裡?

在智慧財產權的保護上,臺灣也經歷了數位時代的轉變。台灣第一個網路著作權相關判決,就發生在傳統出版與數位平台的碰撞之中。南方社區文化網路負責人陳豐偉等三人在中山大學 BBS 上發表的文章,未經同意就被《光碟月刊》收錄在隨刊光碟中發行。三人向台北地檢署提告後,《光碟月刊》發行人兼總經理黃俊義被判處七個月有期徒刑,緩刑三年。這個判決為數位時代的著作權保護樹立了重要典範。

臺灣首例網路著作權案判決,為數位時代智慧財產權保護樹立典範。圖/envato

近年來,影音平台的著作權爭議更趨複雜。2022 年,知名 YouTube 頻道「觸電網」就因為片商車庫娛樂檢舉七十多支未經授權的影片,導致經營 12 年的頻道被迫下架。車庫娛樂透過律師聲明,這是針對「未經合法授權影音內容」的標準處理,並表明將追究民事與刑事責任。

受害了怎麼辦?申訴管道報你知

當我們在網路上的權利受到侵害時,可以根據侵害類型尋求不同的救濟管道。最基本的言論自由權利受到侵犯時,可以先向社群平台提出檢舉。若遇到更嚴重的情況,如散布猥褻影像、非法性私密影片等,除了平台檢舉外,還可以向警方提告,或是尋求衛福部「性影像處理中心」的協助。

在面對網路霸凌、不實言論時,可以向台灣事實查核中心、MyGoPen 等組織求助,協助澄清真相。若發現有害兒少身心健康的不當內容,則可以向 iWIN 網路內容防護機構提出申訴。這個由國家通訊傳播委員會支持的組織,會在受理後進行查核、轉介業者改善或依法處理。

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智慧財產權的侵害在網路時代極為常見,就像「觸電網」遭片商檢舉下架的案例。這類情況可以透過平台既有的著作權保護機制處理,情節嚴重者也可以提起民事訴訟要求賠償。若發現可疑的廣告或不公平交易行為,則可以向公平交易委員會檢舉;若是特定領域的違規內容,則應該向各該主管機關反映,例如藥品廣告歸衛福部管轄、證券期貨廣告則由金管會負責。

網路時代的法律規範正不斷演進,從個人隱私到國家安全,從言論自由到智慧財產權,每個面向都在尋求數位環境下的最佳平衡點。作為網路使用者,我們必須理解並遵守這些法律界線,同時也要懂得運用各種救濟管道保護自身權益。唯有每個人都清楚了解並遵守這些規範,才能共同營造一個更安全、更有序的網路環境。

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當心網路陷阱!從媒體識讀、防詐騙到個資保護的安全守則
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/17 ・3006字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

網路已成為現代人生活中不可或缺的一部分,可伴隨著便利而來的,還有層出不窮的風險與威脅。從充斥網路的惡假害訊息,到日益精進的詐騙手法,再到個人隱私的安全隱憂,這些都是我們每天必須面對的潛在危機。2023 年網路購物詐欺案件達 4,600 起,較前一年多出 41%。這樣的數據背後,正反映出我們對網路安全意識的迫切需求⋯⋯

「第一手快訊」背後的騙局真相

在深入探討網路世界的風險之前,我們必須先理解「錯誤訊息」和「假訊息」的本質差異。錯誤訊息通常源於時效性考量下的查證不足或作業疏漏,屬於非刻意造假的不實資訊。相較之下,假訊息則帶有「惡、假、害」的特性,是出於惡意、虛偽假造且意圖造成危害的資訊。

2018 年的關西機場事件就是一個鮮明的例子。當時,燕子颱風重創日本關西機場,數千旅客受困其中。中國媒體隨即大肆宣傳他們的大使館如何派車前往營救中國旅客,這則未經證實的消息從微博開始蔓延,很快就擴散到各個內容農場。更令人遺憾的是,這則假訊息最終導致當時的外交部駐大阪辦事處處長蘇啟誠,因不堪輿論壓力而選擇結束生命。

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同年,另一則「5G 會抑制人體免疫系統」的不實訊息在網路上廣為流傳。這則訊息聲稱 5G 技術會影響人體免疫力、導致更容易感染疾病。儘管科學家多次出面澄清這完全是毫無根據的說法,但仍有許多人選擇相信並持續轉發。類似的例子還有 2018 年 2 月底 3 月初,因量販業者不當行銷與造謠漲價,加上媒體跟進報導,而導致民眾瘋狂搶購衛生紙的「安屎之亂」。這些案例都說明了假訊息對社會秩序的巨大衝擊。

提升媒體識讀能力,對抗錯假訊息

面對如此猖獗的假訊息,我們首要之務就是提升媒體識讀能力。每當接觸到訊息時,都應先評估發布該消息的媒體背景,包括其成立時間、背後所有者以及過往的報導記錄。知名度高、歷史悠久的主流媒體通常較為可靠,但仍然不能完全放下戒心。如果某則消息只出現在不知名的網站或社群媒體帳號上,而主流媒體卻未有相關報導,就更要多加留意了。

提升媒體識讀能力,檢視媒體背景,警惕來源不明的訊息。圖/envato

在實際的資訊查證過程中,我們還需要特別關注作者的身分背景。一篇可信的報導通常會具名,而且作者往往是該領域的資深記者或專家。我們可以搜索作者的其他作品,了解他們的專業背景和過往信譽。相對地,匿名或難以查證作者背景的文章,就需要更謹慎對待。同時,也要追溯消息的原始來源,確認報導是否明確指出消息從何而來,是一手資料還是二手轉述。留意發布日期也很重要,以免落入被重新包裝的舊聞陷阱。

這優惠好得太誇張?談網路詐騙與個資安全

除了假訊息的威脅,網路詐騙同樣令人憂心。從最基本的網路釣魚到複雜的身分盜用,詐騙手法不斷推陳出新。就拿網路釣魚來說,犯罪者通常會偽裝成合法機構的人員,透過電子郵件、電話或簡訊聯繫目標,企圖誘使當事人提供個人身分、銀行和信用卡詳細資料以及密碼等敏感資訊。這些資訊一旦落入歹徒手中,很可能被用來進行身分盜用和造成經濟損失。

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網路詐騙手法不斷進化,釣魚詐騙便常以偽裝合法機構誘取敏感資訊。圖/envato

資安業者趨勢科技的調查就發現,中國駭客組織「Earth Lusca」在 2023 年 12 月至隔年 1 月期間,利用談論兩岸地緣政治議題的文件,發起了一連串的網路釣魚攻擊。這些看似專業的政治分析文件,實際上是在臺灣總統大選投票日的兩天前才建立的誘餌,目的就是為了竊取資訊,企圖影響國家的政治情勢。

網路詐騙還有一些更常見的特徵。首先是那些好到令人難以置信的優惠,像是「中獎得到 iPhone 或其他奢侈品」的訊息。其次是製造緊迫感,這是詐騙集團最常用的策略之一,他們會要求受害者必須在極短時間內作出回應。此外,不尋常的寄件者與可疑的附件也都是警訊,一不小心可能就會點到含有勒索軟體或其他惡意程式的連結。

在個人隱私保護方面,社群媒體的普及更是帶來了新的挑戰。2020 年,一個發生在澳洲的案例就很具有警示意義。當時的澳洲前總理艾伯特在 Instagram 上分享了自己的登機證照片,結果一位網路安全服務公司主管僅憑這張圖片,就成功取得了艾伯特的電話與護照號碼等個人資料。雖然這位駭客最終選擇善意提醒而非惡意使用這些資訊,但這個事件仍然引發了對於在社群媒體上分享個人資訊安全性的廣泛討論。

安全防護一把罩!更新裝置、慎用 Wi-Fi、強化密碼管理

為了確保網路使用的安全,我們必須建立完整的防護網。首先是確保裝置和軟體都及時更新到最新版本,包括作業系統、瀏覽器、外掛程式和各類應用程式等。許多網路攻擊都是利用系統或軟體的既有弱點入侵,而這些更新往往包含了對已知安全漏洞的修補。

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在使用公共 Wi-Fi 時也要特別當心。許多公共 Wi-Fi 缺乏適當的加密和身分驗證機制,讓不法分子有機可乘,能夠輕易地攔截使用者的網路流量,竊取帳號密碼、信用卡資訊等敏感數據。因此,在咖啡廳、機場、車站等公共場所,都應該避免使用不明的免費 Wi-Fi 處理重要事務或進行線上購物。如果必須連上公用 Wi-Fi,也要記得停用裝置的檔案共享功能。

使用公共 Wi-Fi 時,避免處理敏感事務,因可能存在數據被攔截與盜取的風險。圖/envato

密碼管理同樣至關重要。我們應該為不同的帳戶設置獨特且具有高強度的密碼,結合大小寫字母、數字和符號,創造出難以被猜測的組合。密碼長度通常建議在 8~12 個字元之間,且要避免使用個人資訊相關的詞彙,如姓名、生日或電話號碼。定期更換密碼也是必要的,建議每 3~6 個月更換一次。研究顯示,在網路犯罪的受害者中,高達八成的案例都與密碼強度不足有關。

最後,我們還要特別注意社群媒體上的隱私設定。許多人在初次設定後就不再關心,但實際上我們都必須定期檢查並調整這些設定,確保自己清楚瞭解「誰可以查看你的貼文」。同時,也要謹慎管理好友名單,適時移除一些不再聯繫或根本不認識的人。在安裝新的應用程式時,也要仔細審視其要求的權限,只給予必要的存取權限。

提升網路安全基於習慣培養。辨識假訊息的特徵、防範詐騙的警覺心、保護個人隱私的方法⋯⋯每一個環節都不容忽視。唯有這樣,我們才能在享受網路帶來便利的同時,也確保自身的安全!

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從太陽發光到生命突變,一切都歸功於量子穿隧效應?
PanSci_96
・2024/10/19 ・1962字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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在這個充滿光與生命的宇宙中,我們的存在其實與一種看不見的力量密切相關,那就是量子力學。沒有量子力學,太陽將不會發光,地球上的生命將無法誕生,甚至整個宇宙的運行規則都會截然不同。這些微觀層次的奧秘深深影響了我們日常生活的方方面面。

其中,量子穿隧效應是一個看似違背直覺但至關重要的現象,從太陽的核融合反應到基因的突變,這種效應無處不在,甚至還牽動著當今的高科技產業。

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什麼是量子穿隧效應?

我們可以將量子穿隧效應比作一個奇妙的穿牆術。想像一下,你身處一個被高牆包圍的城市,牆外是未知的世界。通常,如果你要越過這道牆,需要極大的力量來翻越它,或者用工具打破它。然而,在量子的世界裡,情況並不如此。

在微觀的量子力學世界中,粒子同時具有波的特性,這意味著它們並不完全受限於傳統物理的規則。當一個微觀粒子遇到能量障礙時,即使它沒有足夠的能量直接穿過障礙,卻仍有一定機率能出現在障礙的另一邊,這就是「量子穿隧效應」。粒子彷彿直接在牆上挖了一條隧道,然後穿越過去。

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這聽起來像魔法,但它背後有深刻的物理學道理。這個現象的發生取決於量子粒子的波動性質以及能量障礙的高度和寬度。如果障礙較矮且較窄,粒子穿隧的機率就較高;反之,障礙越高或越寬,穿隧的機率則會降低。

太陽發光:核融合與量子穿隧效應的結合

量子穿隧效應的存在,讓我們能夠理解恆星如何持續發光。以太陽為例,太陽內部的高溫環境為核融合反應提供了所需的能量。在這個過程中,氫原子核(質子)需要克服極大的電磁排斥力,才能彼此靠近,進而融合成為氦原子核。

然而,單靠溫度提供的能量並不足以讓所有質子進行核融合。根據科學家的計算,只有約10的 434 次方個質子中,才有一對具備足夠的能量進行核融合。這是一個極小的機率。如果沒有量子穿隧效應,這種反應幾乎不可能發生。

幸好,量子穿隧效應在這裡發揮了關鍵作用。由於量子粒子具有波動性,即便質子沒有足夠的能量直接跨越能量障礙,它們仍然能透過穿隧效應,以一定機率克服電磁排斥力,完成核融合反應。這就是為什麼太陽內部的核融合能夠源源不斷地發生,並且持續產生光與熱,讓地球成為適合生命生存的家園。

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量子穿隧效應與生命的演化

除了恆星的發光之外,量子穿隧效應還對生命的誕生和演化起到了關鍵作用。地球上物種的多樣性,很大一部分源於基因突變,而量子穿隧效應則幫助了這一過程。

DNA 分子是攜帶遺傳訊息的載體,但它的結構並不穩定,容易在外界因素影響下發生變異。然而,即使沒有外界因素的干擾,科學家發現 DNA 仍會自發性地發生「點突變」,這是一種單一核苷酸替換另一種核苷酸的突變形式。

量子穿隧效應讓氫原子隨時可能在 DNA 結構中進行位置轉換,從而導致鹼基對的錯位,這在 DNA 複製過程中,可能會引發突變。這些突變若保留下來,就會傳遞給下一代,最終豐富了基因與物種的多樣性。

量子穿隧幫助促進 DNA 突變,協助生命的演化與物種多樣性。圖/envato

半導體技術中的量子穿隧效應

除了在宇宙和生命中發揮作用,量子穿隧效應還影響著我們的日常生活,尤其在現代科技中。隨著半導體技術的發展,電子設備的體積不斷縮小,這也讓電子元件的性能面臨更大的挑戰。

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在微小的電子元件中,量子穿隧效應會導致電子穿過元件中的障礙,產生不必要的漏電流。這種現象對電晶體的性能帶來了負面影響,因此設計師們需要找到方法來減少穿隧效應的發生,以確保元件的穩定性。

雖然這是我們不希望見到的量子效應,但它再次證明了量子力學在我們生活中的深遠影響。設計更有效的半導體元件,必須考慮到量子穿隧效應,這讓科學家與工程師們需要不斷創新。

量子力學是我們宇宙的隱藏力量

量子穿隧效應看似深奧難懂,但它對宇宙的運作和生命的誕生至關重要。從太陽的核融合反應到基因突變,甚至現代科技中的半導體設計,量子力學影響著我們生活的方方面面。

在這個充滿未知的微觀世界裡,量子現象帶來的影響是我們難以想像的。正是這些看似不可思議的現象,塑造了我們的宇宙,讓生命得以誕生,科技得以發展。當我們仰望星空時,別忘了,那閃耀的光芒,背後藏著的是量子力學的奇妙力量。

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