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【Gene思書齋】改變世界的十種物質

Gene Ng_96
・2016/12/03 ・2392字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

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我差點被《10種物質改變世界》Stuff Matters: The Strange Stories of the Marvellous Materials That Shape Our Man-Made World)的書名誤導,以為這是本和市面上許多能夠提供知識、但沒有更深入洞見的知識書籍一樣。不過一讀之下才發現這真是本好書,難怪可以榮獲幾項大獎的肯定。

《10種物質改變世界》作者米奧多尼克(Mark Miodownik)並非等閒之輩,他是倫敦大學學院材料科學教授和製成研究中心主任,英國皇家工程學會會士,並曾入選《泰晤士報》「英國百大影響力科學家」。

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物質,在米奧多尼克的妙筆生花下,成了妙不可言的材料。米奧多尼克對材料科學的熱愛,躍然紙上。這樣的熱愛,居然出自他還是個阿宅學生時,在地鐵車廂裡被人勒索不成而遭受的攻擊,在背上被劃了道十三公分的傷口。攻擊者手上用膠帶纏住的剃刀刀片,硬生生劃破了五件衣服。

從那個嚇人的暴力事件開始,從此改變了他的一生,他沒有身心受創成為變態,而是成了位沉迷材料世界的阿宅,因為他好奇為何劃過五件衣服和他肌膚的鋼刃依然完美無缺,連在警察局做筆錄時的筆,發現那也是鋼製的。回家時乘坐的車也是,回到家吃飯時用的湯匙也是……

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這位愛上物質而無可救藥的阿宅,對我們日常常見到麻木的各種材料,問出了好幾十萬個為什麼,例如為什麼剃刀用來切割,迴紋針卻能隨意彎折?為什麼金屬會發亮,玻璃卻是透明的?為什麼幾乎所有人都討厭混凝土而喜歡鑽石?為什麼巧克力那麼好吃?某某材料為什麼外觀是那樣子、有那樣的性質?

米奧多尼克沉迷材料的宅物質世界,到了牛津大學攻讀材料科學拿到博士,研究主題是噴射引擎合金,接著又到全球各地最先進的實驗室擔任材料科學家和工程師。他在任教的倫敦大學學院製成研究中心弄了個巨大的物質館,裡頭收藏了數百萬種材料。在《10種物質改變世界》的每一章,都秀了張他宅在家的屋頂上喝英式下午茶的照片,展示他的宅……哦不……展示我們日常生活中常見的各種物質,背後精彩絕倫的故事。

在那張宅照片中,出現了不屈不撓的鋼、值得信賴的紙、重要的混凝土、美味的巧克力、神奇的發泡體、充滿創造力的塑膠、透明的玻璃、打不斷的石墨、精緻的瓷器和長生不死的植入物這十種改變世界的物質。哦不對,當我看到巧克力時,差點沒崩潰,巧克力是食物,算哪門子材料科學會關心的物質啊?他是宅到腦袋壞掉了嗎?可是一讀之下,發現原來太宅到井底之蛙的是我自己啦。巧克力不僅好吃,也是好材料!

上述十種物質,只有發泡體,是人類有史以來製造出最輕的物質氣凝膠,還有用膠帶製造出的石墨烯,堪稱神奇到出神入化,其他的都普通到我們視而不見。所以,讀了《10種物質改變世界》,會得到的樂趣不僅是在閱讀他風趣的文字的過程,還會改變你對周遭世界的看法,這改變還不小哦,因為裡頭提到的物質,絕大部分是我們天天無時無刻都看得到、摸得到的,有些還能放入嘴裡吃下肚。

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米奧多尼克指出,我們把文明發展階段的劃分為石器時代、銅器時代和鐵器時代,就可見文明世代就是物質世代,因為人類社會每一個新時代都是因為一種新物質出現而促成的。鋼是維多利亞時代的關鍵原料,而二十世紀常被歌頌為矽時代。另外,摩天大樓由結構鋼和平板玻璃構成、電影的誕生因為有了賽璐珞等等。為了紀念賽璐珞,他還寫了個電影戲本,只是演出效果實在差強人意。

《10種物質改變世界》中,他沒有套用公式在每一章中,有些從歷史出發,有些來自個人經驗;有些強調物質的文化意含,有些則強調科技的驚人創造力,介紹了各種物質的不同角度。書中不少附圖是他人生中值得留戀的回憶,書中甚至附了他的情書,還有老婆懷孕時超市購物的收據等等。

就拿混凝土來說吧,這是讓現代人又愛又恨的。愛的是,混凝土真的太方便了,讓工程師能夠用這個羅馬帝國時代就擅長的材料,建造出許多大型建築、橋樑和道路。恨的是,混凝土建築卻給人冰冷的感覺,生活在水泥森林的畫面,似乎很難讓人有美好想像。

不過,經米奧多尼克的生花妙筆,我們不僅知道了混凝土了不起的歷史和演化,以及其在不同環境下凝固的箇中道理,還可知道有嵌入細菌和澱粉可自癒合的混凝土和有淨水作用的透水混凝土,還有可塑成各種形狀的水泥帆布,以及摻入二氧化鈦會自潔淨的混凝土。透過混凝土,還有其他物質,他解說了各種物質的性質可以千變萬化,像是玻璃,大部分像杯子般易碎,但也有能夠防彈的玻璃。

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也並非所有神奇的物質能有超炫的用途,像氣凝膠生不逢時,也有過懷才不遇的境遇,居然曾淪落成綿羊用防蠅膏的增稠劑,真是虎落平陽被犬欺,直到太空科技崛起後,它才東山再起。

材料科學是很複雜的一門跨領域科學,《10種物質改變世界》沒有艱澀難懂的術語和觀念,可是更精準地捉到材料科學的精髓,是本娛樂和教育功能兼具的好書。米奧多尼克也提醒我們,投身科學研究是出自旺盛的好奇心,這是身為科學工作者不該忘卻的初衷。

這些物質早已改變了全世界,但讀了這本《10種物質改變世界》好書,也會改變你的世界!

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene。

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文章難易度
Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 30 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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第三類寬能隙半導體到底在紅什麼?
宜特科技_96
・2023/10/30 ・4510字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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寬能隙半導體晶片
圖/宜特科技

半導體產業崛起,我們常聽到「能隙」這個名詞,到底能隙是什麼?能隙越寬的材料又代表什麼意義呢?
近幾年 5G、電動車、AI 蓬勃發展,新聞常說要靠第三類的「寬能隙半導體」發展,到底寬能隙半導體在紅什麼?我們一起來了解吧!

本文轉載自宜特小學堂〈第三類寬能隙半導體到底在紅什麼?〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

宜特科技 第三類寬能隙半導體到底在閎什麼 影片連結
點擊圖片收看影片版

什麼是能隙(Band Gap)?寬能隙又是「寬」在哪裡?

身為理組學生或是工程師,甚至是關心科技產業的一般人,對於「能隙」兩字一定不陌生,但你了解什麼是能隙嗎?

半導體能帶與能隙示意圖
半導體能帶與能隙示意圖。圖/宜特科技

能隙基本上要用量子物理的理論來跟大家說明,「能帶(Band)」的劃分主要為低能帶區的「價電能帶」(Valence Band,簡稱 VB),與高能帶區「導電能帶」(Conduction Band,簡稱 CB)的兩種,在 VB 與 CB 之間即是一個所謂的能帶間隙(Band Gap,簡稱 BG),簡稱「能隙」

能帶因電子流動產生導電特性
能帶因電子流動產生導電特性。圖/宜特科技

金屬材料能夠導電,主要是因為電子都位於高能的(CB)區域內,電子可自由流動;而半導體材料在常溫下,主要電子是位於低能的(VB)區域內而無法流動,當受熱或是獲得足夠大於能隙(BG)的能量時,價電能帶內電子就可克服此能障躍遷至導電能帶,就形成了導電特性。

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我們都知道功率等於電流與電壓加乘的正比關係,在高功率元件(Power device)的使用上如果半導體材料的能隙越寬,元件能承受的電壓、電流和溫度都會大幅提升。大眾所熟知的第一類半導體材料——矽(Si)能隙為 1.12 eV,具有成熟的技術與低成本優勢,廣泛應用於消費性電子產品;第二類半導體材料——砷化鎵(GaAs) 能隙為 1.43eV,相比第一類擁有高頻、抗輻射的特性,因此被廣泛應於在通訊領域。

為什麼需要用到第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)?

由於近年地球暖化與碳排放衍生的環保問題日益嚴重,世界各國都以節能減碳、綠色經濟為共同的首要發展方向,石化能源必須逐步減少並快速導入綠能節電的應用,因此不論是日常用品、交通運輸或軍事太空都逐步以高能效、低能耗為目標。

歐洲議會在 2023 年通過新法提高減碳目標,為 2030 年減碳 55% 的目標鋪路。國際能源署(IEA)也強建議各國企業在 2050 年前達到「淨零排放」,甚至有傳聞歐盟將通過燃油車禁售令,不論是考量環保或經濟,全球企業的綠色轉型勢在必行。因此在科技發展日新月異的同時,要兼顧大幅提升與改善現有的能源,已是大勢所趨。

目前半導體原料最大宗,是以第一類的矽(Si)晶圓的生產製造為主,但是以低能隙的半導體材料為基礎的產品,物理特性已到達極限,在溫度、頻率、功率皆無法突破,所以具備耐高溫高壓、高能效、低能耗的第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)就在此背景之下因應而生。

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現在有哪些的寬能隙(WBG)材料?

那麼有哪些更佳的寬能隙材料呢?目前市場所談的第三類半導體是指碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN),第三類寬能隙半導體可以提升更高的操作電壓,產生更大的功率並降低能損,相較矽元件的體積也能大幅縮小。
Si 與 C 的化合物碳化矽(SiC)材料能隙可大於 3.0eV;Ga 與 N 或 O 的化合物氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3)能隙也分別高達 3.4eV 與 4.9eV,大家可能沒想到的是鑽石的能隙更高達 5.4eV。

特性Si 矽SiC(4H)
碳化矽
GaN
氮化鎵
Ga2O3(β)
氧化鎵
Diamond
鑽石
能隙(eV)1.13.33.44.95.4
遷移率
(cm2/Vs)
1400100012003002000
擊穿電場強度
(MV/cm)
0.32.53.3810
導熱率
(W/cmK)
1.54.91.30.1420
半導體材料的物性比較。圖/宜特科技

氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3),雖然分別在 LED 照明或是紫外光的濾光光源,已經應用一段時間,但受限於這類半導體材料的特性,其實生產過程充滿了挑戰。例如:要製作 SiC 的單晶晶棒,相較 Si 晶棒的生產困難且時間緩慢很多,以及 GaN 與 Si 晶圓的晶格不匹配時,容易生成差排缺陷(Dislocation Defect)等問題必須克服,導致長久以來相關的製程開發困難及花費高昂,但第三類半導體市場潛力無窮,對於各國大廠來說仍是兵家必爭之地。

寬能隙半導體運用在那些產品上?

現在知名大廠如意法半導體、英飛凌、羅姆等,對寬能隙材料的實際運用均有相當大的突破,如氮化鎵(GaN)在以 Si 或 SiC 為基板的產品已陸續發表,而我們最常接觸到的產品,就是市售的快速充電器,採用的就是 GaN on Si 材料製作的高功率產品。

除了功率提升,因為溫度與熱效應可大幅降低,元件就可以大幅縮小,充電器體積也更加玲瓏小巧,除了已商品化的快充電源領域,第三類半導體在 AI、高效能運算、電動車等等領域的應用也是未來可期。

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(延伸閱讀:泛科學—快充怎麼做到又小又快? 半導體材料氮化鎵,突破工作頻率極限)

現行以矽基材料為主的高功率產品,多以絕緣閘雙極電晶體(IGBT)或金氧半場效電晶體(MOSFET)為主,下圖可以看到各種功率元件、模組與相關材料應用的範圍,傳統 IGBT 高功率模組大約能應用至一百千瓦(100Kw)以上,但速度卻無法提升至一百萬赫茲(1MHz)。而 GaN 材料雖然速度跟得上,但功率卻無法達到更高的一千瓦(1kW)以上,必須改用 SiC 的材料。

功率元件與相關材料的應用範圍
功率元件與相關材料的應用範圍。圖/英飛凌

SiC 具有比 Si 更好的三倍導熱率,使得元件體積又可以更小,這些特性使它更適合應用在電動車領域。特斯拉的 model3 也從原先的 IGBT ,改成使用意法半導體生產的 SiC 功率元件,應用在其牽引逆變器(Traction inverter)、直流電交互轉換器與充電器(DC-to-DC converter & on-board charger),能夠提高電能使用效率與降低能損。

特斯拉充電樁
多家車廠加入特斯拉充電網路。圖/特斯拉

在未來更高的電力能源需求下,車載裝置除了基本要具備高功率,還需要極高速的充電能力來因應電力補充,車用充電樁、5G 通訊基地台、交通運輸工具、甚至衛星太空站等更大的電力能源需求,相關的電流傳輸轉換,電傳速度的要求以及降低能損,就必須邁向更有效率的寬能隙材料著重進行開發,超高功率的 SiC 元件模組需求亦會水漲船高。

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寬能隙半導體在開發生產階段,需進行那些驗證分析?

根據宜特的觀察,晶圓代工廠與功率 IDM 廠商正持續努力研究與開發。不過,新半導體材料在開發初期,會有許多需要進行研發驗證的狀況,近年我們已協助多家寬能隙半導體(WBG)產業的開發與生產驗證。

比如磊晶製程相關的結構或缺陷分析,就可以藉由雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)製備剖面樣品並進行尺寸量測或成分分析(EDS),亦可搭配穿透式電子顯微鏡(TEM)進行奈米級的缺陷觀察;擴散區域的分析可經由樣品研磨製備剖面後,進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察以及掛載在原子力顯微鏡 (AFM) 上的偵測模組-掃描式電容顯微鏡(SCM)判別摻雜區域的型態與尺寸量測。

下圖為 SiC 的元件分析擴散區摻雜的型態,我們可以先用 SEM 觀察井區(Well)的分布位置,再經由 SCM 判斷上層分別有 N 與 P 型 Well 以及磊晶層(EPI) 為 N 型。

SEM及SCM分析的量測圖
使用 SEM 剖面觀察 SiC 元件的結構,搭配 SCM 分析 N/P 型與擴散區的量測。圖/宜特科技

另外在摻雜元素及濃度的分析,則可透過二次離子質譜分析儀(SIMS)的技術,下圖 GaN on Si 的元件,先用雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)進行剖面成份分析(EDS)判斷磊晶區域的主要成份之後,提供 SIMS 參考再進行摻雜元素 Mg 定量分析濃度的結果,作為電性調整的依據。

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使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度
使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度。圖/宜特科技

除了上述介紹 WBG 元件結構的解析之外,其它產品也都可以透過宜特實驗室專業材料分析及電性、物性故障分析來尋求解答,包括因應安全要求更高的產品可靠度測試與評估,藉由宜特可以提供更完整與全方位的驗證服務。

希望透過本文介紹,讓大家對第三類半導體有更進一步的了解,近期被稱為第四類半導體的氧化鎵(Ga2O3)也逐漸躍上檯面,它相較於第三類半導體碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN),基板製作更加容易,材料也能承受更高電壓的崩潰電壓與臨界電場,半導體材料的發展絕對是日新月異,也代表未來會有更多令人期待的新發現。

本文出自 www.istgroup.com。

宜特科技_96
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我們了解你想要的不只是服務,而是一個更好的自己:) iST宜特自1994年起,以專業獨家技術,為電子產業的上中下游客戶, 提供故障分析、可靠度實驗、材料分析和訊號測試之第三方公正實驗室

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快充怎麼做到又小又快? 半導體材料氮化鎵,突破工作頻率極限
PanSci_96
・2023/03/11 ・2703字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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除了線材,市場上也到處可看到標榜使用氮化鎵、可支援大電流快充的充電頭。但為什麼之前充電速度一直快不起來呢?為什麼現在要改用氮化鎵呢?快充能變得更快更快更快嗎?

快充加速了充電速度

在快充出來以前,我們的智慧型手機充電器,功率大約是 5 瓦特(W)或是 2.5 瓦特,現在最夯的的氮化鎵快充頭功率則高達 65 瓦特,相差了 13 倍,理想上充電時間也會縮短為十三分之一。

實際上,這幾年快充的發展速度可能比想像的還要快上許多。

還記得在 21 世紀的 Nokia 3310 嗎?其功率僅 4.56 瓦特,而蘋果一直到 2014 年的 iPhone6 才支援更快的 10 瓦特快充。然而,現在不僅已經出現不少支援 50 瓦特以上快充的手機,今年二月中國手機品牌 realme 推出的 GT Neo5,甚至出現 240 瓦特的超快充技術,是目前充電最快的智慧型手機。

提升充電器功率的關鍵

從過去到現在,充電器不僅功率大幅提升,充電器的大小同時也縮小了許多。過去的線性充電器,除了有條細細長長的尾巴外,最大的特徵就是不僅大、充電時還會發熱的變壓器;為了將市電的 110V 交流電轉為手機可以使用的 5V 直流電,就需要變壓器協助降壓。

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變壓器的發熱來源來自內部占了絕大部分體積的線圈,在電路學中被稱為「電感器」。輸入與輸出的線路會以線圈的形式綑在一組鐵芯上,兩端的線圈數量十分關鍵,線圈數量的比值就是兩側電壓的放大大小;若想從 110V 變成 5V,則為輸入的線圈圈數是輸出的 22 倍,那麼輸出的電壓就會減少 22 倍。

在變壓的過程中,輸入端的線圈與鐵芯就像一顆大電磁鐵,讓磁通量通過鐵芯,將能量傳到輸出線圈,輸出線圈則會因為電磁感應,產生相同頻率但電壓不同的交流電,完成降壓。只要再把 5V 交流電轉成 5V 的直流電,就可以幫手機充電啦。

過去的線性充電器最大的特徵就是體積大、充電時還會發熱。圖/Envato Elements

聰明的你應該已經想到,提升充電功率的關鍵就在於——線圈數量

如果希望變壓器的輸出提升,必須在維持線圈比值的情況下,等比例增加輸入與輸出端的線圈數量;更多的線圈就意味更多的磁通量能透過鐵芯傳到另一端,更多的能量也隨之傳遞。但如此一來,早已被塞滿的變壓器,為了塞進更多的線圈就只能繼續增加充電器的體積,還會因能量耗損放出大量的熱。

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若想提升功率,又能減少電感器大小,最好的方法就是——增加工作頻率

透過「高頻變壓器」的幫忙,將原先市電 60 赫茲的頻率提升到 50K 赫茲,被轉為高頻的交流電再進行變壓,如此一來就能降低能量損耗,所需的電感器大小也會大幅降低。

然而,要注意的是,要想改變交流電的頻率,是無法直接轉換的。要先將交流電轉為直流電,再經由特殊的「開關」電路將直流電轉為特定頻率的交流電;這類型的充電器就被稱為「開關充電器」,現在的智慧型手機就是使用開關充電器。

救世主材料

但隨著手機電池容量不斷增加,手機充電效率的需求永無止盡,充電器又開始一個比一個大。

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智慧型手機所使用得充電器為開關充電器。圖/Envato Elements

不是繼續提升工作頻率就好了嗎?那是因為,我們遇到了「矽的極限」。

開關電路中將直流轉為交流的關鍵,就是我們熟知的半導體元件電晶體。裡頭的原料過去都以我們熟知的矽為主,然而以矽為材料的半導體工作頻率極限僅在 100k 以下,如果超過 100k,轉換效率會大幅下降,更有嚴重的能量浪費問題。

解決的方法就是:尋找下一個材料。沒錯,就是最近最夯半導體的——氮化鎵(GaN);其能隙是矽的 3 倍,電子遷移率為 1.1 倍,崩潰電壓極限則有 10 倍。

顯然,氮化鎵擁有更良好的電特性,還能在高頻、高電壓的環境下工作,使用氮化鎵為材料的快充頭因此誕生!氮化鎵最高的工作頻率是 1000K,是矽的 10 倍,除了讓變壓器的電感線圈能再次縮小,連帶縮小充電頭的體積;亦能降低能耗並減少電容與散熱器的大小,成為好攜帶的快充豆腐頭。

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到這裡,或許你會想問,提高充電效率應該不只有換材料一條路吧?還會有更快的充電技術出現嗎?

當然會的;和矽相比,氮化鎵仍有很大的研究性。

而且不僅手機,就以現在市面上正夯的電動車來說,也需要快充技術支援,來減少充電時所需要的時間;為應對龐大的充電市場需求,綜觀整個半導體材料的發展歷史,已經有許多材料問世。除了氮化鎵,還包括矽、鍺、三五族半導體「砷化鎵」(GaAs)、「磷化銦」(InP),以及化合物半導體「碳化矽」(SiC);在能源產業中,又以氮化鎵和碳化矽的發展最令人期待。

電動車也需快充技術的支援,來縮短充電所需時間。圖/Envato Elements

氮化鎵與碳化矽的未來與挑戰

不論以技術發展還是成本考量,這兩位成員還不會那麼快取代矽的地位。

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兩者應用的範圍也不完全相同。氮化鎵擁有極高的工作頻率,在高頻的表現佳,並且耐輻射、耐高溫,除了運用在充電技術內外,在高功率 5G 基地台、航空通訊、衛星通訊也都將大展身手。碳化矽則在高溫及高電壓下擁有良好的穩定性,尤其在未來電動車快充的需求增加,1000 伏特以上的充電需求,將使得僅能承受 600 伏特的矽半導體無法負荷,預期將接手電動車中的關鍵元件。

兩者看來潛力無窮,但目前在製程上仍需克服許多問題;如:材料介面的晶格缺陷及成本考量;在它們能像矽材料應用在各方領域之前,還需要投入更多研發能量。

但令人興奮的是,駛向下個半導體世代的鳴笛聲已經響起,不論是台積電、晶圓大廠環球晶,國內外各家半導體大廠,都早以搭上這班列車。不同的材料也意味著,從磊晶、製程、元件設計、晶圓製造都將迎來改變,陸續也有廠商開始使用 AI 輔助設計氮化鎵半導體元件。

未來半導體與科技產業將迎來何種轉變,就讓我們拭目以待吧!

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半導體未來的發展令人興奮!圖/GIPHY

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

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到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

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看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

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  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

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不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

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相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

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於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

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宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

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