0

4
0

文字

分享

0
4
0

什麼都可以牽扯「量子」!山寨物理逐漸坐大的危機—《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/01/10 ・3320字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/Sadri Hassani|Professor Emeritus, Illinois State University
  • 譯/林中一|國立中興大學物理系教授

山寨科學」在過去的幾十年內正快速的蔓延。營養補充品與「順勢醫療法」在江湖術士運用媒體的鼓吹之下已成了億元級的企業。網路上充斥的自命專家已經蠱惑了大批無知的群眾,準備簽下了請願書以強加他們反科學的需求於食品及農業企業。

主流的大學如哈佛、耶魯、史丹佛都已經有了國家衛生院所出資成立的所謂「整合健康中心」。這些所謂的「中心」提供各種包括針灸、「靈氣」、氣功與「吠陀醫學」等等課程。老牌的愛思唯爾出版社(Elsevier)現在也出了一份期刊 《探索》(Explore為所謂「另類醫學」與「整合醫學」等山寨科學提供了傳播的平台。

2014 年該期刊刊登了一篇〈後物質主義者宣言〉,將所謂「超心理學」與「瀕臨死亡經驗」提升到量子力學的層次 [1]。具有影響力的美國《赫芬頓郵報》(Huffington Post)甚至將該「宣言」的作者與思想先行者如哥白尼、刻卜勒與愛因斯坦並列[2]。

4688447772_1eb6ce6cdb_z
在造成山寨科學大行其道的諸多因素裡,各種對近代物理-特別是量子力學的歪曲誤解顯得特別顯著。這些誤解肇因於上個世紀中有一些著名物理學家的一些近乎神秘主義與反科學的哲學觀點被錯誤的與近代物理聯想在一起。圖/By Luca Mangiapelo @ flickr, CC BY-NC-ND 2.0

在造成山寨科學大行其道的諸多因素裡,各種對近代物理——特別是量子力學的歪曲誤解顯得特別顯著。這些誤解肇因於上個世紀中有一些著名物理學家的一些近乎神秘主義與反科學的哲學觀點,被錯誤的與近代物理聯想在一起。普羅大眾對科學原理貧乏的瞭解,搭配上看到了由智慧型手機、全球定位系統、西格斯粒子以及重力波的確認等令人眼花撩亂的科學進展,那些被歪曲的哲學觀點轉化成了那些莫名其妙山寨科學的強大推力;那些胡說八道包括了所謂「量子療癒」、「量子接觸療法」以及其他在資訊市場上販賣的五花八門的「量子」產品。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這裡作者提供了兩個重要的被歪曲的近代物理例子:雙狹縫干涉實驗與 E = mc2

光子有意識?

整個非相對論量子力學奠基於薛丁格方程式解(φ)的兩個假設。第一個假設是:φ 的絕對值平方表現系統狀態的機率。第二個假設是疊加原理:如果系統有若干容許的路徑,那麼總體的 φ 等於各路徑對應的 φ ,在考慮適當權重後的和。

這兩個假設自量子力學被建構之始,就成了許多量子觀念的混淆與濫用的根源。有點糗大的是,這些誤謬引申的始作俑者卻是部分量子理論的建構者!(參見 1998 年 9 月號 PHYSICS TODAY 第 29 頁 Mara Beller 文章)。這些老兄們的凸槌誘發了後繼者在 1960、70 年代繼續搧風點火。翻開任何一本意圖建立東方神秘主義與近代物理相通的書籍─例如:卡普拉(Fritjof Capra)寫的《物理之「道」:近代物理與東方神秘主義相通的探討》(2010年 Shambhala 出版),或是祖卡夫(Gary Zukav)所著的《跳舞的物理大師:新物理概述》,不難看到引述自像是海森堡、波爾或歐本海默的認同。

一個神秘主義追隨者的最愛之一就是大家熟知的光學雙狹縫實驗 [3]。在《跳舞的物理大師》中,祖卡夫想像了兩次的實驗,第一次實驗關閉了雙狹縫其中一個狹縫,第二次實驗讓兩個狹縫都打開。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
single_slit_and_double_slit2
一個神秘主義追隨者的最愛之一就是大家熟知的光學雙狹縫實驗。圖/By Jordgette, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

他思索著,「第一次實驗中的光子如何能知道第二個狹縫是關閉的?……當射出的光子通過第一個狹縫,光子如何「知道」如果另一個狹縫是開著的話,它會跑到暗線的部分?」……這些問題並沒有確定的答案。有些物理學家……懷疑光子可能有「意識」!(第62頁)」。

祖卡夫重複的使用「知道」這個詞,就已經在暗示光子是有智慧的!

然而儘管祖卡夫如此宣稱,但是對於他的問題,事實上卻是有個確定的答案。那兩種雙狹縫的情境之所以不同,並不是因為光子有了什麼神秘的資訊,而是因為 φ 是各個可能路徑 φ 的組合——如果只有一個狹縫是開的,那就只有一條路徑,兩個狹縫都打開則有兩條路徑。

只有一條路徑時 |φ|所對應的機率分佈是不同於兩條路徑的 |φ|2 所造成的結果;後者會在屏幕上產生亮紋與暗紋。任何解釋光子或其他量子物體的行為(它們都服贋基本機率規則)的意圖,都將引致如祖卡夫所問的荒謬問題;就如同下面的那個更熟悉的例子:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果你扔 10 個銅板,那麼得到 6 個人頭(總數的 60%)的機率大約是 0.205。如果你扔 10,000 個銅板,那麼得到 60% 人頭的機率將降至 0.00…..29(89 個 0)!

現在,若將 10,000 個銅板視為 1,000 組的相互獨立的 10 個銅板系統,那麼每一組的 10 個銅板都有 25.5% 的機率扔出 60% 的人頭。然而,若考慮到其他組的結果一併考慮,那麼要得到 60% 人頭就變得實際上不可能了!

這種狀況,若照祖卡夫的說法,各組的 10 個銅板怎麼會「知道」其他組的出現呢?也許,也許銅板還真的是有意識的!

靈魂 = mc2

在諸多被「神鬼界」所濫用的字眼中,「能量」榮獲金牌!正負/陰陽、療癒、因果、氣……都屬飄盪在神秘主義大海上的「能量」。這背後可能是有個好理由:能量是非物質,但是物理裡最閃亮的神主牌「E = mc2」就將「非物質」的能量等同了「物質」的質量!依此類推,神秘主義的核心:「非物質」的靈魂/精神與物質的對等,就只剩一步之遙!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但是!能量真的是非物質?能量是物質所具有的一種性質。舉個例子,動能就是聯繫於物體速度的能量。去問動能是否屬物質,和問速度是否屬物質一樣荒謬。速度是運動中物質的一種性質。一顆「紅蘋果」是物質,那麼去說「紅色」是非物質有意義嗎?把物質與其性質——能量搞混,這是甚至受過訓練的物理學家常常落入的陷阱 [4],也是一種山寨科學家推銷其假貨有效且危險的工具。

7262159698_92752372a4_z
一顆「紅蘋果」是物質,那麼去說「紅色」是非物質有意義嗎?圖/By Gaby Altenberger @ flickr, CC BY-SA 2.0

最令人目眩的例子就是當 E = mc被用在物質-反物質的消滅現象;在這個過程中物質完全轉換為「純能量」。然而,等式左邊的 E 表某種質點的性質,這個質點可以是物質,但也可以是像是光子的無質量質點。一個光子撞上一個電子後改變了電子的狀態,這個碰撞的過程裡,光子的行為和一顆入射的電子一樣,都是很「物質」的。的確的,維格納(Eugene Wigner)證明過,一個物質質點是由其質量與自旋來描述,然這兩者都可能為零 [5]。這個事實是基於一個與特殊相對論一樣堅實的基礎。

E = mc裡的 E 永遠是兩個或兩個以上質點的能量,這個能量可以結合這些質點以產生等式右邊的質量,或者由質量虧損以產生。自然界中從來沒有質量能在沒有其他物質質點伴隨的情況之下轉換為能量,反之亦然。神秘主義的「靈魂-質量」對等性與近代物理的質能互換毫無關連。

對科學知能的意涵

山寨科學是一種社會性的精神疾病,而且是強力到無法在公共場域與之抗衡。

做為公眾主要資訊來源的媒體只對事物是否流行而非正確有興趣。還好,在相對具有保護性的學校圍牆內,我們還是有機會接觸到未來的主人翁們,而且希望我們的子孫以及他們的孩子們不要再屈服於折磨我們這一代的非理性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在高中或是大學的物理或化學入門課程中,每週一次對一個 30 到 50 分鐘的閱讀作業的額外 5 分鐘小考,就可以逐漸的讓學生警覺到山寨科學的誤謬以及它對社會的危害。我建議用百科全書級的資源 RationalWiki 做為一個開端。這一層的訓練也許不像許多教師都已經重視的全球氣候變遷那般迫切,但是山寨科學的威脅絕不可輕忽,而且課堂是僅存能夠有效的挑戰山寨科學的地方。

參考資料:

  1. M. Beauregard et al., Explore 10, 272 (2014); E. Mielczarek, B. Engler, SkepticalInquirer 37(3), 32 (2013).
  2. D. Pruett,“Toward a post-materialistic science,”The Blog, Religion, HuffingtonPost (1 October 2014); S. Hassani, Skeptical Inquirer 39(5), 38 (2015).
  3. S. Hassani, From Atoms to Galaxies: A Conceptual Physics Approach to ScientificAwareness, CRC Press/Taylor & Francis (2010), p. 328.
  4. A. Hobson, Am. J. Phys. 81, 211 (2013).
  5. E. Wigner, Ann. Math. 40, 149 (1939).

原始出處:

The dangerous growth of pseudophysics, Physics Today

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

38%e5%8d%b7%e7%ac%ac6%e6%9c%9f001

 

本文摘自《物理雙月刊》38 卷 12 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

文章難易度
物理雙月刊_96
54 篇文章 ・ 14 位粉絲
《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。

0

6
1

文字

分享

0
6
1
你聽過「量子意識」嗎?電子雙狹縫實驗讓人猜測意識會影響物質世界,真的假的?
PanSci_96
・2024/03/06 ・3800字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在市面上,我們常會看到號稱運用量子力學原理的商品或課程,像是量子內褲、量子能量貼片、量子首飾、量子寵物溝通、量子速讀、量子算命、量子身心靈成長課程等等。有人說,量子力學代表了意識具有能量,藉由調整心靈的共振頻率,就能保持身心健康,只要你利用量子力學原理進行療癒或冥想,就能提昇自己的能量,人能長高、身體變壯、每次考試都考一百分;又像是,量子力學就代表一種信息場,讓你跟別人有心電感應,只要轉念,讓宇宙能量幫助你,你就能發大財還能避免塞車。也有人說,別人吃一個下午茶,你也馬上吃一個下午茶,別人喝一杯咖啡,你也馬上喝一杯咖啡,別人跟家人吵架,你也馬上找一件事跟家人吵架,這就是量子糾纏。

然而,量子到底是什麼?跟身心靈、宗教和玄學真的扯得上關係嗎?是否真能幫助你維持健康又賺大錢呢?

在這一系列影片裡,我們就要來討論,量子力學的原理為何?背後又是基於哪些科學的研究成果。等你看完之後,相信對於量子力學跟上述五花八門商品究竟有沒有關係,心裡自然會有所答案。

量子力學和意識有關?

坊間常會聽到量子力學跟意識有關的說法;或許也是因為這樣,量子力學被許多身心靈成長課程甚至玄學拿來作為背書。但,量子力學真的是這樣子嗎?

說到量子力學跟意識的關係,我們就必須來看看,量子力學最著名的實驗之一,20 世紀的物理學大師費曼(Feynman)甚至曾經說過,這個實驗「包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。」它,就是雙狹縫干涉實驗。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

雙狹縫干涉實驗

現在我拿的器材,上面有兩道狹縫,中間間隔了非常短的距離。等一下,我們會讓雷射光通過這兩道狹縫,看看會發生什麼事。

我們看到,雷射光在打向雙狹縫之後,於後面的牆上呈現有亮有暗的條紋分布,這跟我們在國、高中學過的波的性質有關。

在兩道光波的波峰相會之處,會產生建設性干涉,即亮紋的位置;而暗紋的部分,則是來自破壞性干涉,是兩道光的波峰和波谷交會之處,亦即,光的效應被抵銷了。

在歷史上,雙狹縫干涉實驗占有非常重要的地位。19 世紀初,英國科學家、也是被譽為「世界上最後一個什麼都知道的人」的湯瑪士.楊(Thomas Young),利用雙狹縫實驗,證明了光是一種波。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

那麼,如果我們拿不是波的東西,來進行雙狹縫實驗,會看到什麼結果呢?讓我們試驗一下。

現在我手邊有一堆的彈珠,前面是用紙板做成的兩道狹縫,後面則是統計彈珠落點的紙板。我們讓這些彈珠朝狹縫的地方滾過去,並在彈珠最後的落點劃下記號;若在同樣位置的記號越多,就代表有越多彈珠打中該位置。

在丟了一百顆彈珠之後,我們可以看到,扣除掉一部份因為路徑被擋住、通不過狹縫的彈珠之外,彈珠最終抵達的位置,大致分別以兩道狹縫的正後方為最多,呈現兩個區塊的分布,不像先前光的雙狹縫干涉實驗中,出現明暗相間的變化。

所以,我們得到結論:若是拿具有物理實體的東西進行雙狹縫實驗,因為其一次只能選一邊通過,所以落點最終只會聚集在兩個狹縫後方的位置;而且要是行進的路徑不對,還可能會被擋住。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

至於波的情形,那就不同了,只要狹縫的大小適當,波可以同時通過兩個狹縫,並互相干涉,產生明暗相間的條紋。

換言之,是波,還是物質,兩者在雙狹縫實驗的表現是截然不同的。

只不過,以上的實驗似乎並沒有什麼太令人感到意外的地方,我們也看不出來,它跟量子,還有意識,到底有什麼關係?事實上,若要真正顯示出它的獨特之處,就要來看電子的雙狹縫干涉實驗。

電子的雙狹縫干涉實驗

我們知道,電子是組成原子的基本粒子之一,而原子又組成了世間萬物。可以說,電子是屬於物質的一種極微小粒子。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在電子的雙狹縫干涉實驗,科學家朝雙狹縫每次發射一顆電子,並在發射了很多顆電子之後,觀察電子的最終落點分布會怎麼呈現。

既然電子是物質的微小粒子,那麼在想像中,應該會跟我們前面使用彈珠得到的結果差不多,電子會分別聚集在兩道狹縫後方的區域。

從實驗的記錄影片中可以看到,在一開始、電子數量還很少的時候,其落點比較難看得出有明顯規律,但隨著電子的數目越來越多,我們慢慢能夠看出畫面上具有明暗分布,跟使用光進行雙狹縫實驗時得到的干涉條紋,有著類似的結構。

這樣的結果,著實令人困惑。直覺來想,既然電子是一顆一顆發射的,它勢必不可能像光波一樣,同時通過兩個狹縫,並且兩邊互相干涉,產生明暗相間的條紋。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但無可否認,當我們用電子進行雙狹縫實驗時,最後得到的結果,看起來就跟干涉條紋沒什麼兩樣。

對這出人意表的觀測結果,為了搞清楚發生什麼事,科學家又做了更進一步的實驗:

在狹縫旁放置偵測器,以一一確認這些電子到底是通過哪一個狹縫、又如何可能在通過狹縫後發生干涉。

這下子,謎底就能被解開了――正當大家這麼想的時候,大自然彷彿就像在嘲笑人類的智慧一樣,反將一軍。

科學家發現,如果我們去觀測電子的移動路徑,只會看到電子一顆一顆地通過兩個狹縫其中之一,並最終分別聚集在兩個狹縫的後面――換言之,干涉條紋消失了!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在那之後,科學家做過無數類似的實驗,都得到一樣的結果:只要你測量了電子的路徑或確切位置,那麼干涉條紋就會消失;反過來說,只要你不去測量電子的路徑或位置,那麼電子的雙狹縫實驗就會產生干涉條紋。

在整個過程中,簡直就像是電子知道有人在看一樣,並因此調整了行為表現。

在日常生活中,若有人要做壞事,往往會挑沒人看得到的地方;反過來說,當有其他人在看,我們就會讓自己的言行舉止符合公共空間的規範。

量子系統也有點像這樣,觀測者的存在與否,會直接影響到量子系統呈現的狀態。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

只不過,這就帶出了一個問題:到底怎麼樣才算是觀測?如果我們在雙狹縫旁邊只放偵測器不去看結果算嗎?我們不放偵測器只用肉眼在旁邊看算嗎?或是,整個偵測過程沒有人在場算嗎?

這就是量子力學裡著名的觀測問題(measurement problem)。

結語

在量子力學剛開始發展的數十年,有許多地方都還不是那麼清楚,觀測問題就是其一。在歷史上,不乏一些物理學家,曾經認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。

如果真是這樣的話,那麼「意識」就存在非常特別的意義,而且似乎暗示人的意識能夠改變物質世界的運作。

有一些物理學家曾認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。圖/envato

可以想見地,上述出自量子力學觀測問題的猜測,後來受到部分所謂靈性導師跟身心靈作家的注意,於是,形形色色宣揚心靈力量或利用量子力學原理進行療癒、冥想或身心靈成長的偽科學紛紛出籠,直到近年都還非常流行。

另一方面,可能因為量子兩個字帶給人一種尖端科學的想像,坊間琳瑯滿目的商品即使跟量子力學一點關係都沒有,也都被冠上量子兩字;除此之外,商品宣傳裡也常出現一堆量子能量、量子共振等不知所謂的概念,不然就是濫用量子力學的專有名詞如量子糾纏、量子穿隧等,來幫自己的商品背書。只要有量子兩字,彷彿就是品質保證,讓你靈性提升、身體健康、心想事成。

對此,我就給三個字:敢按呢(Kám án-ne)?

事實上,量子力學至今仍是持續演進的學問,我們對量子力學的理解也隨時間變得越來越豐富。現代的物理學家,基本上不認為我們可以用意識改變物質世界,也不認為「意識」在「觀測」上佔據一席之地,甚至可以說正好相反,人的意識在觀測上根本無關緊要。

不過,我們不會那麼快就直接進入觀測問題的現代觀點。在之後接下來的幾集,我們會先從基本知識開始說起,循序漸進,讓你掌握量子力學的部分概念。而在本系列影片的最後一集,我們才會重新回到觀測問題,並介紹量子力學領域近幾十年來在此問題上獲得的進展。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

討論功能關閉中。

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2179 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

1

8
3

文字

分享

1
8
3
從 J 粒子到宇宙射線——實驗物理學家丁肇中的研究之旅
研之有物│中央研究院_96
・2023/05/20 ・9459字 ・閱讀時間約 19 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 整理撰文/郭雅欣
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

丁肇中是享譽全球的物理學家,他的研究為現代物理學奠定了基礎,也讓他獲得 1976 年的諾貝爾物理獎。丁肇中是中央研究院院士,也是現任麻省理工學院的物理學教授。

歷經數十年實驗物理的研究之路,他用一次次的實驗結果打破原本的理論認知,為物理學開創了新的道路。

丁肇中如何從 J 粒子的發現,走到最前沿研究宇宙射線,探索宇宙的起源與未知?中研院「研之有物」梳理記錄丁肇中 2022 年在院內物理研究所的演講內容,介紹他在物理學領域的傑出成就以及科學家的體悟。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
丁肇中院士 2022 年 12 月在中研院物理所演講,題目為「我所經歷的現代物理和我的體會」。圖/中研院物理所

實驗是自然科學的基礎,理論如果沒有實驗的證明,是沒有意義的。當實驗推翻了理論後,才可能創建新的理論;理論是不可能推翻實驗的。過去 400 年來,我們對物質基本結構的了解,大都來自於實驗物理。」

中研院物理所於 2022 年 12 月 27 日舉辦了李水清講座,邀請到著名的實驗物理學家丁肇中,他以這段話做為整場講座的開端。

從丁肇中踏上實驗物理之路開始,至今已有 60 多年,這一路走來,丁肇中累積了許多突破性的成果,這些經歷也讓他獲得了豐富的人生體會。在這場講座中,丁肇中以「我所經歷的現代物理和我的體會」為題,一一細數這些成果及體會,在言談中展露出他對物理的熱情、堅持,以及永不磨滅的興趣與好奇心。

做實驗不盲從專家:證明電子沒有體積

1965 年丁肇中前往德國的大型粒子物理學研究機構「德國電子加速器」(DESY)進行第一個實驗工作,目的是證明「電子沒有體積」。為什麼要做這個實驗呢?因為當時科學家對電子有無體積的問題出現了爭議。

根據理查.費曼(Richard Feynman) 、朱利安.施溫格(Julian Schwinger)和朝永振一郎在 1948 年提出的量子電動力學理論(Quantum Electrodynamics,簡稱 QED),電子是沒有體積的,當時所有的實驗都證明了 QED 理論的完備性,他們三人也因此獲得 1965 年的諾貝爾物理獎。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可是在 1964 年時,哈佛大學和康乃爾大學的科學家和專家耗費多年心思,進行兩個不同的實驗,卻得出與 QED 相反的結論——量子電動力學是錯誤的,電子是有體積的,半徑是 10-13~10-14 公分。這個結論是兩個不同實驗團隊的成果,也因此受到物理界人士的認可和重視。

當時剛獲得博士學位的丁肇中,決定用不同方法來測量電子半徑。丁肇中回憶:「那個時候沒有人相信我能做出這個實驗,更沒有人支援我。」所以在 1965 年,丁肇中決定離開美國,到德國新建的 DESY,利用這個周長 320 公尺的加速器,產生能量 75 億電子伏特的光,打到儀器上,以測量電子的半徑。

在德國八個月後,丁肇中的實驗結果證明量子電動力學是正確的:電子真的沒有體積,它的半徑小於 10-14 公分。我們可以說:在當年實驗可及的範圍內,電子半徑為零(consistent with zero)。這推翻了當初康乃爾大學與哈佛大學備受重視的實驗結果。

丁肇中:「我的第一個體會就是:做實驗不要盲從專家的結論。」

縱軸是正負電子對產生率的實驗結果和 QED 理論預測的比值,橫軸是到電子中心的距離,代表電子半徑大小。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

證明宇宙新物質—— J 粒子

1965 到 1970 年間,丁肇中在 DESY 做了他的第二個實驗,這是一系列和光子、重光子相關的實驗。光子的質量為 0,當時已經知道有三種重光子,它們的質量約為 8 億~10 億電子伏特(eV/c2),其他的特徵則與光子一樣。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

丁肇中表示,在高能情況下,重光子與光子應該可以互相轉化,只是機率很低。要找到互相轉化的事例,實驗裝置必須能辨識出一億分之一的發生事例,後來他也成功完成了這項困難的實驗。

之後,丁肇中還想解決另一個問題:「為什麼所有的重光子質量都和質子的質量相近,都是 10 億電子伏特左右?」為了尋找更重的重光子,丁肇中決定到美國布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的質子加速器上,做一個更加精密的探測器。

要找到高質量的重光子,必須每秒鐘輸入一萬億個高能量質子到探測器上,這會徹底破壞探測器,也會對工作人員造成危險。所以,丁肇中發展的新探測器不但必須非常精確,還必須是在非常強的放射線下,能正常工作的儀器。

因此輻射遮蔽相當重要,如下圖。藍色部分是磁鐵,黃色部分是大型探測器,為了保護探測器,在中心放射線周圍包裹了厚厚的水泥,黑色區塊部分是遮蔽材料,例如鈾、鉛和肥皂(含水可吸收中子),放在水泥周圍遮蔽輻射,位置會依實際需求做改動。此外,圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這個實驗的遮蔽材料總共用了 5 噸鈾 -238、100 噸的鉛、 5 噸的肥皂,以及 1 萬噸的水泥。整個實驗設施的最外圍,還會堆上大量的水泥塊,保障工作人員安全。

新探測器必須非常精確,還必須在非常強的放射線下遮蔽輻射,避免影響儀器。圖中藍色部分是磁鐵,黃色部分是大型探測器;黑色區塊部分是遮蔽材料,例如鈾、鉛和肥皂,放在水泥周圍遮蔽輻射,位置會依實際需求而變動。此外,圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

高質量的質子碰撞,可以增加新粒子產生的機率,但其他無關事例產生的機率也同樣會提高。丁肇中形容,尋找高質量的重光子就像是:

「在臺北下雨的時候,每秒鐘會降下 100 億顆雨滴,其中有一顆的顏色不同,你必須在 100 億顆裡面把它找出來。」

可想而知,物理界都不看好這個實驗,因為理論物理學家認為,現有理論已「足夠」解釋現象,找高質量的重光子物理意義不大;實驗物理學家則認為,沒有人能做出如此困難的實驗。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在排除萬難的堅持之下,1974 年丁肇中就在實驗中發現了新的粒子「J 粒子」,它的壽命比已知的粒子長一萬倍。丁肇中說:「這個發現的重要性,就等同於我們到深山裡發現了一個偏僻的村子,村民不是一百歲,而是一百萬歲,也就是這些人和普通人類是不一樣的。」

換句話說,這證明了宇宙中有新的物質存在,理論必須修正。

當時科學界流行三夸克模型,也就是用三種夸克基本粒子來解釋質子和中子的狀態,而 J 粒子的發現,證實了還有第四種夸克「魅夸克」(Charm quark)的存在。

這段歷程讓丁肇中有了第二個體會:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「做基礎研究要對自己有信心,做你認為正確的事,因為自然科學的發展基本上是多數服從少數,不要因為大多數人反對而改變你的興趣。」

意外的發現——膠子

1970 年代,丁肇中的第三個實驗,是在德國正負電子對撞機(PETRA)上做的,PETRA 是當時能量最高的正負電子對撞機,可讓 300 億電子伏特的正負電子對撞。丁肇中在實驗過程意外發現膠子的存在。

膠子是人眼不可見的基本粒子,是自然界基本作用力「強作用力」的傳遞媒介(Force carrier)。根據現在的標準模型(Standard Model),我們知道原子核裡面有質子和中子,質子和中子是由數個夸克組成,而膠子可以在夸克之間傳遞強作用力,讓夸克束縛在一起。

從原子到夸克的示意圖,膠子是夸克之間的「強作用力」傳遞媒介,用彈簧形狀示意。(為求圖片精簡,仍使用三夸克模型)圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

那麼,丁肇中是如何發現膠子的呢?

物理中用來描述強作用力的理論是量子色動力學(Quantum Chromodynamics),根據理論預測,一個正電子和負電子碰撞時會產生能量,大部分是轉變成一對夸克和反夸克(兩個噴柱)。偶爾會產生夸克、反夸克和一個膠子(三個噴柱)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在丁肇中的實驗中,透過大量的測量,發現正負電子對撞後,果真出現了許多三噴柱的事例,這三個噴柱現象的數量與分布和量子色動力學是符合的,這個實驗結果證明了膠子的存在。

「我們最初做實驗的時候,並沒有想到會發現膠子。最初做實驗目的是繼續尋找電子的半徑。」丁肇中說。因此這個實驗帶給丁肇中的第三個體會,就是:

「對於意外的現象,要有充分的準備。」

大型國際科學合作:L3 實驗

丁肇中的第四個實驗,是 1982~2003 年在歐洲核子研究中心(CERN)進行的 L3 實驗。他們以周長 27 公里的加速器,將對撞的正負電子能量增加到 1000 億電子伏特,碰撞時的溫度是太陽表面的 4000 億倍,也是宇宙誕生最初的 1000 億分之一秒時的溫度,「我們是在實驗室內製造宇宙剛開始的情況。」丁肇中說。

這個實驗的目的是尋找宇宙中最基本的粒子,解答關於宇宙中各種粒子的問題,包括宇宙中有多少種電子?電子有多大?為什麼找不到電子的體積?電子能不能分成更小的粒子?現在有人說最基本的粒子是夸克,夸克到底有幾種?夸克有多大?能不能分成更小的粒子?

這次的國際合作實驗,有美國、蘇聯 、中國、臺灣、歐洲等 19 個國家,共約 600 名科學家共同參加。實驗的規模很大,每個國家也各司其職。

實驗的最外層重達 1 萬公噸的磁鐵,以及探測器中 300 公噸的鈾,都來自蘇聯;用於探測高能粒子和高能射線的鍺酸鉍晶體(簡稱 BGO),原本全世界年產量只有 4 公斤,經由中國上海矽酸鹽研究所研發成功,生產了 12 公噸,用於這項實驗中;臺灣與義大利、瑞士的團隊共同研發矽微條軌跡探測器,測量粒子位置的解析度可達 5 微米,中央大學團隊也參與了數據分析。

L3 的實驗前後進行了 20 年,發表了 300 篇相關論文。丁肇中總結出以下結論:

  1. 宇宙中只有三種不同的電子和六種不同的夸克。
  2. 電子是沒有體積的,它的半徑小於 10 -17 公分。
  3. 夸克也是沒有體積的,它的半徑小於 10 -17 公分。
  4. 所有的實驗結果都和電弱理論符合,電弱理論是描述電磁力和弱作用力的理論。

「很不幸的,所有的結果都和電弱理論符合。」丁肇中說:「當一個實驗和理論有衝突的時候,才能學到新的東西,把理論推翻掉。假如實驗結果和理論符合,那麼學到的東西就很少。所以對我來說,L3 並不是成功的實驗。」

這個首次的大型國際合作經驗,也為丁肇中帶來了第四個體會:要領導一個國際合作,要選科學上最重要的題目,引起參加國際科學家的最大興趣。對貢獻大的國家要有優先的認可,使之得到國際上的公認,才能得到參加國政府長期的優先支援。

「要領導一個國際合作,要選科學上最重要的題目。」

國際太空站照片,阿爾法磁譜儀(AMS-02)位於國際太空站一側, 如右側紅圈處。圖/European Space Agency

史上創舉:阿爾法磁譜儀上太空

丁肇中的第五個實驗目前仍在進行中,那就是位在國際太空站上的阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer,AMS)。

AMS 目標是研究宇宙射線的特性和起源。帶電的宇宙射線有質量,會被地球表面上 100 公里厚的大氣層吸收,所以我們無法在地面上研究帶電宇宙射線的電荷、動量等性質。這就是為什麼必須把一個磁譜儀放在外太空。

磁譜儀內含有磁鐵,當宇宙射線進入磁譜儀,會因為磁鐵的影響而偏轉軌跡,不同的粒子會留下不同的軌跡,因此根據偏轉的軌跡,就可以分辨出是哪一種宇宙射線粒子。在此之前,從來沒有人會把一個超大磁鐵放到太空站上。

國際太空站照片,阿爾法磁譜儀(AMS-02)正在收集宇宙數據,於 2011 年 5 月 19 日安裝完成。圖/NASA

丁肇中說,原因非常簡單,「大家都知道指南針的原理。當指南針放在太空站上,一端向北、一端向南,很快就會讓太空站失去控制。」為此,AMS 團隊設計了一個特殊的環形磁鐵,從外觀看就像一個木桶,它的磁場不會洩露,「AMS 做過兩次飛行,第一次是用太空梭載運到軌道上運行十天,就回到地面,驗證了這個實驗的可行性。第二次才送到太空站上。」丁肇中說。

AMS 也是一個國際合作的科學計畫,參與的團隊來自世界各地,臺灣也包括在內。對於如何挑選合作夥伴,丁肇中特別提到:「這個實驗很困難,是一個沒有人做過的實驗,你一定要專心。所以參加的人通常只做這個實驗。」

NASA YouTube 頻道對 AMS 磁譜儀的簡介。圖/NASA

AMS 獲得了很多的支援,2008 年,美國參議院和眾議院甚至通過了一條法律,在當時希望盡量減少太空飛行的時空背景下,要求美國政府為 AMS 增加一次太空梭飛行任務,把磁譜儀送到國際太空站上去。

自從 2011 年 5 月升空至今,AMS 在太空中順利地運行,值得一提的是,由臺灣製造的電子系統非常成功,丁肇中說:「整個電子系統包括 650 個微處理器 、30 萬個訊號通道。最值得驕傲的是,至今已經 11 年了,沒有一個是壞的 。

AMS 的訊號經由 NASA 通訊衛星傳遞,每日 16 小時由位在 CERN 的控制中心負責監控。在歐洲的夜間時段,則轉到中山科學院的亞洲控制中心監控,實現全年無休,每日 24 小時的監控。

「一開始做實驗的時候,我並沒有想到,太空站在太空中一定要不斷運行,這樣向心力與引力才會平衡。」丁肇中說:「這就表示我們沒有週六、週日,沒有中秋節也沒有過年,每天都要嚴格地監控著。」

丁肇中院士於 2013 年 5 月講述 AMS 首次研究成果。圖/NASA

科學研究的競爭只有第一,沒有第二

這 11 年來,AMS 獲得了許多和現有理論不符合的結果,帶來了對宇宙全新的認知。AMS 第一個成果是探索宇宙中電子與正電子的來源。

目前推測電子和正電子來源有三種可能性:宇宙線(含有質子和氦)與星際物質之間的碰撞、脈衝星產生、再來是暗物質的碰撞。圖/研之有物(資料來源/丁肇中、Wiki)

根據 AMS 目前的成果,關於電子的來源,宇宙線碰撞產生的電子佔比極低,顯然不是主要來源。從數據來看,電子主要是由兩個未知來源的冪律譜數據疊加而得,目前仍缺乏理論解釋冪律譜的來源。所謂的冪律譜,就是能譜隨著能量的某次方變化。

至於正電子的來源,如下圖所示,低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞,高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合,丁肇中表示,「到 2030 年,AMS 的數據誤差會更縮小,」屆時就能真正證明高能正電子是否來自暗物質碰撞,「這是一個非常重要的目標。」

另一方面,AMS 也從數據推論出高能量正電子的來源很可能不是脈衝星,所以更意味著暗物質才是高能量正電子的主要來源,後續期待更多數據的佐證。

除了探索電子來源之外,AMS 也檢視了正電子的來源。低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞,高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合,有待更多數據驗證。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

AMS 的第二個重要成果,是探索宇宙射線的特性和起源。

宇宙射線分為一級、二級宇宙射線。一級指的是在恆星裡經過核融合產生,然後在恆星爆炸的過程中被加速到高能量的射線,包括氫、氦、碳、鐵等。二級宇宙射線是一級宇宙線和星際物質相撞產生的,包括鋰、鈹、硼、氟等。

AMS 發現,一級宇宙射線可以依據剛度(動量除以電荷)的變化分成兩種,第一種包括氦、碳、氧、鐵,第二種則包括氖、鎂、矽、硫。而二級宇宙射線也分為兩種剛度變化:鋰、鈹、硼隨著剛度的變化是一樣的,氟則是另外一種變化。

宇宙中有各式各樣的宇宙射線,可是它們隨著剛度的變化卻是有限的,「這是不可想像的現象,」丁肇中說:

「所有宇宙射線的實驗結果都與理論不符合——所有目前的理論都是錯誤的。」

AMS 將繼續工作到 2030 年,在那之前,AMS 的探測器會升級,讓接收度提升三倍。AMS 將在宇宙這個最廣袤的實驗室中,持續收集數據,尋找自然界中存在,而我們未曾想到、也不曾發現的現象,改變我們對宇宙的認知。

「我的大多數實驗都受到很多人的反對。理由是實驗沒有物理意義、實驗非常困難,不可能成功。」丁肇中說:「可是過去 45 年來,很多優秀的科學家,包括臺灣的李世昌院士和張元翰教授[註],對實驗做出很重要的貢獻。實驗結果改變了我們對宇宙的認知。每一個實驗都發展新的儀器,讓實驗成功。」

丁肇中以自身的最後一個體會,為整場講座下了一個總結:

「自然科學的研究,是具有競爭性的,只有第一名,沒有第二名。」畢竟,「沒有人知道誰是第二個發現相對論的。」

最後,「研之有物」也收錄了在該場演講的尾聲,中央研究院物理所的李世昌院士與丁肇中院士的精彩對談,他們是合作多年的朋友,在問答之間,我們也能更瞭解丁院士如何看待實驗物理,節錄摘要如下。

李世昌院士(左)與丁肇中院士(右)對談。圖/中研院物理所

Q:您到母校密西根大學的時候 ,起初是想要鑽研理論物理,但為什麼後來改朝實驗物理的方向進行?

我起初其實是學機械工程,但當時還沒有電腦,必須自己畫圖,而我一條線都畫不直,所以我的老師建議我改念數學或物理。而就像李院士說的,我一開始選擇了理論物理,但後來,發現電子自旋的喬治.烏倫貝克(George Uhlenbeck)教授給了我啟發。

烏倫貝克說:「如果重來一次,我會選擇當個實驗物理學家,而不是理論物理學家。」我問他為什麼,他說:「對物理真正有影響力的理論物理學家,一隻手的指頭就數得出來。但做實驗得到的每一個結果,都是對物理、對人類知識有貢獻的。」我和他談完之後,就在他的辦公室外走來走去,然後告訴他:「You are right, I’m leaving you.」(在場聽眾笑)

Q:剛才演講中,您強調科學需要打破現有理論才會進步。但是我跟您工作這麼多年,看到您經常徵詢有名的物理學家意見,也有邀請理論物理學家參加 AMS 實驗組的大會。因為您對理論不會完全相信,所以想請問您在什麼情況下 ,會覺得要跟這些理論物理學家談一談?

我通常在進行大型實驗之前 ,會找幾個人談一談。 一個是實驗物理學家沃爾夫岡.帕諾夫斯基(Wolfgang K. H. Panofsky),他在史丹佛大學做了一個兩公里長的直線加速器,對技術及理論都非常了解。還有一個人是理查.費曼(Richard Feynman),我和費曼相熟是因為我證明了他的理論是對的。

此外包括史蒂文.溫伯格(Steven Weinberg) 、謝爾登.格拉肖(Sheldon Glashow)等物理學家,我也會跟他們談我的實驗。通常我都是已經想好實驗以後,再聽聽他們的意見作為參考,不過我從來不照他們所說的去做。

Q:您曾經說過,如果人是依據自己有什麼能力,再來選擇研究的課題,這是最笨、最愚蠢的,應該先看一個題目有沒有重大影響力來決定。如果自己的能力不足,可以找別人合作。請問您在做完 L3 實驗之後,是如何選擇現在正在進行的 AMS 實驗?

當時我已經做了很多加速器的實驗,我想下一步,應該挑一個大家都認為不可能的實驗,所以就挑了一個到太空去做的實驗,也就是 AMS。我從來沒有做過太空實驗,我們組裡也沒有一個人有太空相關的經驗,所以過去的經驗是沒有意義的。

當我和美國政府提出 AMS 實驗時,美國能源部反對。他們認為我從來沒做過太空實驗,而且太空實驗非常非常貴。為了證明實驗的價值,我要求他們成立評審委員會,成員必須是世界第一流的科學家 、美國科學院院士以及拿過諾貝爾獎的人。

這是因為第一流科學家眼光比較遠,能夠看到將來。後來委員會成立,成員包括許多天文物理學家。經評審後,他們認為這是很重要的實驗。最後我們就在 NASA 展開了 AMS 實驗。

Q:發表的實驗結果一定要正確,這是您最重視的一件事。在發現 J 粒子的時候,從您看到訊號到最後決定發表,隔了很長的時間。有人說如果您早一點發表,Burton Richter 可能就沒有機會和您共同得到諾貝爾獎。您對於實驗的結果,是如何決定發表的時機?

我們是在 1974 年 8 月看出有 J 粒子的訊號,本來打算在 10 月時發表,但我想稍微等一等,看能不能看到更高能量的粒子,所以才等到 11 月。當時我並不知道別人可以用正負電子對撞機來做這個實驗。直到 11 月 11 日,我到史丹佛大學去,才知道伯頓·里克特(Burton Richter)帶領的 SLAC 國家加速器實驗室團隊也發現了一樣的事情。

至於 AMS 的成果,我一直提醒大家記住一件事,我們花了 20 年的時間準備這個實驗,在接下來的半個世紀,我想很可能沒有人會再像我們這麼笨,再放一個磁譜儀到太空中,所以如果發表了什麼結果,一定會影響整個物理研究的方向,所以要特別小心謹慎。

註解

  • 註:李世昌院士現為中研院物理所兼任研究員,張元翰現為中研院物理所特聘研究員。

延伸閱讀

  1. Mars, K. (2022). About AMS-02. NASA. 
  2. Spry, J. (2021). A $2 billion particle detector stars in new Disney Plus docuseries “Among the Stars”: Q&A with principal investigator. Space.com. 
  3. AMS Collaboration, Aguilar, M. A., . . . Zuccon, P. (2021). The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) on the international space station: Part II — Results from the first seven yearsPhysics Reports894, 1–116. 
  4. AMS Collaboration, Aguilar, M. A., . . . Zuccon, P. (2019). Towards Understanding the Origin of Cosmic-Ray PositronsPhysical Review Letters122(4). 
  5. Lindley, D. (2016). Landmarks—The Charming Debut of a New Quark. Physics. 
  6. SciShow. (2012). Strong Interaction: The Four Fundamental Forces of Physics #1a [Video]. YouTube. 
  7. Samuel C.C. Ting. MIT Physics. 
  8. Samuel C. C. Ting | The Alpha Magnetic Spectrometer Experiment. (n.d.). AMS-02.space.
  9. Samuel C.C. Ting Facts. (n.d.). NobelPrize.org. 
  10. Samuel C.C. Ting Nobel Lecture. (n.d.). NobelPrize.org. 
  11. 張忻郁(2021)。〈【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁肇中院士介紹〉(張元翰編),《科學 Online》。
  12. 國立成功大學-數位演講網(2018)。〈20150813 丁肇中探索宇宙中的基本結構和宇宙的起源 [影片]〉,《YouTube》。
  13. 臺大科學教育發展中心 CASE(2016)。〈【大師演講】丁肇中院士獲頒諾貝爾物理學獎40週年:我所經歷的實驗物理 [影片]〉,《YouTube》。 
  14. 簡宗奇(2016)。〈談物理課中的典範敘述-丁肇中的實驗物理——《科學月刊》〉,《PanSci 泛科學》。
  15. 張瑞棋(2015)。〈發現「J 粒子」──丁肇中生日|科學史上的今天:1/27〉《PanSci 泛科學》。
  16. Musser, G.(2011)。〈反物質之眼〉(甘錫安譯),《科學人知識庫》。
  17. 郭雅欣(2011)。〈上太空找反物質〉,《科學人知識庫》。
所有討論 1
研之有物│中央研究院_96
296 篇文章 ・ 3399 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

1

4
0

文字

分享

1
4
0
「真.無線充電」?試試電磁波獵能手環,你的身體就是最好的捕能裝置!
PanSci_96
・2023/04/22 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

你的手機能無線充電嗎?不過,雖說是無線充電,但還是得要放在充電盤上,由充電盤連結一條電線,這樣的充電方式,想必跟大家期待的「真.無線充電」有落差。

好消息是,有人提出一種藉由捕捉空間中的無線電波、獲得電能的無線充電方式,所以代表這些電能是完全免費的!但……這是真的嗎?

隔空充電可行嗎

現在我們已經可以透過無線網路串連全球的資訊,但是遠距能量傳輸卻尚未成真。

當代的無線通訊裝置,舉凡手機電話、wifi 網路、無線電、衛星定位等,都可以靠著不斷地發射無線電波來交換訊息。不過其實仔細想想,無線電波、電磁波其實就是不斷變化的電磁場。既然可以透過磁場變化來傳遞能量,那這些強大的電磁波網絡,是不是也可以拿來傳遞電能呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

實際上還真有類似的例子,一百年前最早的收音機竟然完全不需要插電!礦石收音機只需要天然礦石、金屬針、線圈和一些電線,就能收到附近廣播電台送出的訊號,轉換成聲音並放出。

那麼為什麼沒有沿用至今呢?主要就是效率的問題。礦石收音機需要不斷調整金屬針接觸礦石的位置,還得拉長長的天線來捕捉更多的無線電波;市售的礦石收音機玩具,甚至附有一條長長的鱷魚夾電線,可以接到大型金屬家具,產生更清楚、更大聲的聲音。當然這種收音機很快就被以電驅動的真空管收音機取代了。

2021 年初小米曾發表過隔空充電技術專利,利用指向型遠距充電,系統會先定位出手機的位置,再透過多個天線組成的陣列將電波瞄準發射給手機,克服電磁波發散的問題,據稱能在數公尺內進行無線 5W 的無線充電,雖然還不到快充,但也算是革命性突破。不過目前還在技術發表階段,尚未正式推出。

礦石收音機是利用天然礦石或晶體,加上天線、地線和調諧電路,所製成的收音機。圖/維基百科

無線射頻獵能

再換個角度思考,能量在傳遞的時候會向四周發散,而我們生活周遭到處都是會發出電磁波的 3C 產品,那能不能反過來,捕捉這些由其他電器溢散的電磁波,並轉為能量呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

還真的有人這麼做了。收集這些廢能,並轉化成可用電能的技術,就稱為「無線射頻獵能」。近十年來,有許多相關的技術與研究,不過效率大多還未到達實用階段。

就在今年一月,美國麻州大學團隊發表了一種可以用於無線射頻獵能的線圈手環,而且功率竟然比一般的線圈天線高十倍以上。

有趣的是,其實他們當時並不是在研究無線充電,而是如何使用 LED 快速閃爍來傳遞訊息;這種名為可見光通訊 VLC 的技術,有望成為未來 6G 通訊的方式。但發現到,這種技術需要 LED 以每秒數百萬次的頻率閃爍,過程中會釋放出大量不可用的無線電波,浪費掉許多能量;於是轉念一想,嘗試用線圈收集這些逸散的能量,降低傳訊時的能量浪費。

研究團隊發現,當線圈靠近金屬片時,收集能量的效率會變得更好。透過反射增強訊號,金屬片吸收環境中的電磁波再向外放出;隨著金屬片面積越大,攔截到的電磁波也越多,收集能量的效果也越好。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但是無線充電就是要擺脫這些笨重的金屬板,於是研究人員開始拿生活周遭的 3C 產品來進行實驗。從獵能的功率來看,效果最好的依序是筆電、平板、手機。這和預期的一樣:面積越大,獵能效果越好。

然而,意想不到的是,實驗效果最好的,竟然是人體!

推測這是因為人體中含有大量水分,其容易導電、被極化的特性有助於蒐集空間中的電磁波。人體就是一根巨大的共振天線,能增加無線電訊號的發射效率,同樣的道理,也可以用來收集環境中的無線電波能量。

人體是巨大的共振天線!圖/GIPHY

研究團隊將線圈手環的設計稱為「Bracelet+」,是第一個借助人體的獵能裝置;後續又嘗試將線圈做成戒指和手環,希望能打造出輕便的隨身獵能裝置。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

那這樣是不是以後只要綁條線圈在手上,就再也不需要幫手機充電了呢?該線圈手環目前在數公尺的距離外最多可以捕獲微瓦等級的功率,也就是百萬分之一瓦。用這種電壓當然不可能幫手機充電,不過已經足以供應一些低功耗的隨身裝置,像是常見的智慧健康手環,或是負責監控體溫或血糖的元件,甚至類似心律調節器的植入式醫療器材,或許就可以利用該線圈設計,減少充電的頻率。

在 5G 物聯網的架構中,各種居家和隨身裝置必須隨時維持連線,如何為這些獨立、低功耗的裝置供電便成了重要的課題。在這種情況下,如果可以汲取周遭無線電波的廢能,不只可以節省能源,還能免去定期更換電池或充電的麻煩。

遠距充電熱潮

目前的 5G 和開發中的 6G 技術,都持續往電磁頻譜中更高頻率的部分去探索,設置覆蓋率更高、頻譜更寬的無線通訊網絡,而這些頻率的電磁波也將為無線充電帶來新的發展機會。

去年在 Scientific Reports 期刊上,有篇研究提出了 5G 網路作為電力網的想法。團隊針對 5G 使用的頻率設計出一種天線以及搭配的電路,可以在 180 公尺外接收到 6 微瓦,為無線電力網的夢想邁出了第一步。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

不過,在這波遠距無線充電的熱潮下,市面上也出現許多令人半信半疑的遠距充電技術。

例如 2011 年一家新創公司推出了超音波充電技術,宣稱可以透過空氣的震動替手機充電;然而,雖說超音波充電雖然在原理上可能可以運作,但在充電效率和經濟成本上根本不切實際,對人體健康的影響也相當有爭議。

除此之外,還有一家叫做 TechNovator 的公司推出了前所未聞的量子充電技術,他們宣稱可以透過「能量量子化」來傳輸能量,並且在「空間中創造能量結構」,還不需要任何形式的電磁場,就可以達成 100 瓦的無線充電!至於到底有沒有這麼好的事,就留給各位判斷了。

在所有物品與資訊都以無線網路相連的這個時代,無線的電力傳輸與電力網是關鍵的下一步;能夠有效的無線傳輸能量,才能讓我們生活周遭的智慧裝置擺脫電線的束縛,減少電池的消耗,成為一個自由移動,自給自足的物聯網。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

不論是透過可見光、wifi、還是 5G 訊號,無線且遠距的充電與獵能,將來勢必會有讓人驚豔的發展。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

所有討論 1
PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2179 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。