電漿子裝置將光轉換成電流

• 文／玄冥
  曾經做過 Radio Astronomy，現在叛逃去 Structure Formation 了，但也許有天會再回去。喜歡的動物是樹懶。

1946 年 2 月的某個清晨，澳洲東海岸的一群無線電科學家嚴陣以待，將電波接收器對向海的彼岸。如果是幾年前，他們會膽顫心驚地觀察日軍戰機的動向，但是今天不一樣，他們滿懷期待地等著日出。因為科學家們知道，他們正將原本用於國家間內鬥的利器 —— 電波干涉術（Radio Interferometry），用於人類探索太空的共同嚮往。

電波干涉術原先是二戰時用來提高電波觀測準確度的技術，如果說大家對電波干涉術不熟悉的話，那麼對人類拍攝的第一張黑洞影像應該記憶猶新（圖一）。這張黑洞影像的成像原理便是電波干涉術，拍攝這張照片的電波干涉儀則是遍佈全球的「事件視界望遠鏡（EHT）」（圖二）。

大家聽到「電波干涉儀」時，腦海中浮出的想像，可能都是如圖二中的碟狀接收器。然而實際上，電波干涉儀最初的樣貌是非常簡單的（圖三），以下這篇文章會分別介紹電波和干涉術，再介紹兩者結合的原理，一步步帶大家了解電波干涉儀的原型機是如何被設計出來的。

什麼是無線電波？

無線電波（Radio wave，簡稱電波）是一種電磁波，它充斥於我們現代生活的各個角落。例如手機產生的信號、衛星轉播，以及藍牙、WIFI 等等。電波與可見光是唯二能在地球大氣中自由穿行的電磁波波段，因此大多數地面望遠鏡都以觀測可見光跟電波為主。重要的是，相對於可見光波，電波波長更長（約 1 mm 以上），較容易穿過障礙物，讓它更便於觀測藏在宇宙塵埃後的物體（如原恆星）。然而，能穿透障礙物的代價是，在相同的望遠鏡口徑下，電波望遠鏡的「角解析度（Angular resolution）」比較低。

角解析度（或稱角分辨率）是探知物體細微移動或分辨兩個鄰近物體的能力，白話的說就是它能看得多「清楚」。角解析度正比於望遠鏡的直徑，但反比於所觀測的電磁波波長。做一個誇張的比喻，如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話，我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛，才能看得跟現實中一樣清楚。有限的角解析度，是電波天文台在 1930 年代剛出現時所面臨的主要困境之一。這個問題一直到二戰時期才得到解方 —— 干涉技術。

光的干涉，相信大家在高中的物理實驗中都見過。在實驗中，我們將光源對準布幕，並將切有兩條平行狹縫的一塊紙板隔在光源與布幕之間。此時通過兩條狹縫的光，便會在布幕上產生黑白相間的干涉條紋。這些條紋，源自光通過不同狹縫抵達布幕所需的距離不同，因此不同狹縫發出的光波到達布幕時的震動方向會有所不同。如果兩道光波震動方向相反，會造成相消干涉而形成暗紋；若抵達布幕時震動方向相同，則造成相長干涉而形成亮紋。

利用動畫可能更好理解一些（見圖四、五）。從實驗設備的上方俯視，藍色的點代表光源，紅色的點則是紙板上的狹縫位置，圖片底端是布幕，白色與黑色的部分即為光波的亮紋和暗紋。從圖四我們發現，當狹縫間距越遠，布幕上亮紋就越細緻，而從圖五則可以看見，當光源橫向移動時，布幕上的亮紋及暗紋亦會大幅移動。結合這兩張圖可以看出，越細緻的亮紋對光源的移動就越敏感，電波作為一種波亦有相同的特性。

軍隊如何利用電波干涉偵測敵軍？

讓我們將焦點拉回二戰時期。當時的英國軍隊為了能預警敵機，通常會將電波接收器對準海平面，隨時觀察敵機的位置。圖六和圖七是電波接收器（紅點）跟敵機（藍點）以及海面（黑色區域）的相對位置圖，此時敵機發出的電波會從兩條不同路徑抵達電波接收器，其中較短的電波是從敵機直達接收器，而較長的則是經海面反射後抵達接收器，這兩條路徑的電波會互相干涉並形成明暗相間的條紋。

這些干涉條紋如同雙狹縫干涉所產生的條紋一樣，對波源的移動非常敏感（圖六），因此可以非常準確的判斷出敵機的位置；而如圖七所示，當電波接收器與海平面之間的高度差愈大，干涉條紋愈細緻，這表示電波接收器的海拔高度正比於其角解析度。實際上，如果將電波接收器放在濱海的峭壁上，其影像的清晰度約為一台口徑為兩倍峭壁高度的電波接收器，這便是「電波干涉儀」最初的樣子——也就是圖三那一台在峭壁上的電波接收器。

隨著二戰結束，許多軍事科技被轉為民用或科研用途，電波干涉儀也不例外。對於研究太陽黑子的天文學家們來說，電波干涉儀在這一年轉為民用更是生逢其時，因為隔年恰好迎來了百年內規模最大的太陽極大期。

太陽活動通常以 9~14 年為週期。在太陽活動最旺盛的時候，往往會伴隨著許多太陽黑子的出現、以及被磁場束縛住的日冕物質所迸發的強電波。然而過去受限於電波觀測的低角解析度，人們只知道電波的強度與太陽黑子數量呈正相關，卻並不知道電波具體源自太陽的何處。隨著電波干涉儀的出現，天文學家得以精確地觀測出電波強度的分佈，其範圍比太陽小、且位置與太陽黑子高度重疊，這為此後的太陽黑子研究以及電波通訊應用提供了不少幫助。^(1)(2)(3)

使用電波干涉儀探索宇宙吧！

銀河系和太陽，是天空中兩個最亮的電波源，因此是天文學家最先望向的目標。但天文學家們也注意到，較弱的電波源其實散佈於天空各個角落。這些電波源在沒有干涉儀的時代，因低角解析度以及來自銀河系的電波干擾而遲遲無法精確定位，而這一情況在電波干涉儀出現後得到改善。

二戰後，澳洲海軍負責雷達設備的軍官 John Bolton 以及他的助手，在澳洲沿海各處搭建了電波干涉儀，以觀測來自天鵝座的電波。他們將該電波源的位置精確度，由先前透過一般電波望遠鏡量測的五度推進至七角分（約 1/10 度），也得知這個天體的大小在八角分以下。

然而弔詭的是，如果量測到的電波源自於這八角分不到的天體，這個天體所蘊含的能量密度將遠超出任何已知的天體！更令人驚訝的是，該天體並沒有對應到任何可見光影像中的恆星，於是他們將這個只出現在電波影像的天體稱為天鵝座 A⁽⁴⁾ 。隨後他們用電波干涉儀掃瞄了南方的天空，陸續發現了許多類似天鵝座 A 的天體。

在後續技術發展下，天文學家終於找出這些電波天體在可見光的真身 —— 電波星系⁽⁵⁾（圖八、九）。電波星系在可見光波段的影像如同一般星系，然而在電波望遠鏡下，時常能看見噴流從電波星系中心噴湧而出，噴流的痕跡可達星系本體的數倍。現在我們知道，噴流是在星系中心大質量黑洞進食（吸積）時所噴出的強烈電漿流，其中的帶電粒子在噴流磁場的加速下會發出強電波，從而被電波干涉儀接收。

這些噴流能夠改變星系的氣體與能量分佈，因此對星系演化有著至關重要的影響，今日人們也在透過更先進的電波望遠鏡了解這些星系。

時過境遷，如今的電波干涉儀，已經能夠將遍布全球各地多個電波接收器收到的電波進行干涉，不再是依託於大海的孤立接收器；干涉儀技術的改良，立基於全世界探索宇宙深空的好奇與嚮往，而非國家間互相對抗的戰火。

回首過往，人們在戰爭中其實並未忘記對宇宙的嚮往，因此當硝煙散去，人們便互相合作，將戰時的科技化作探索太空的利器，揭開宇宙奧秘、滿足人類的好奇。如今，我們擁有更強大的科技，希望人們能夠繼承這份嚮往，一同探索更多宇宙的未知。

延伸閱讀

1. 毀滅與新生：超大質量黑洞觸發的恆星形成- PanSci 泛科學
2. 黑洞甜甜圈之後：宇宙噴火槍3C 279 黑洞噴流影像現蹤跡！——《科學月刊》 – PanSci 泛科學
3. 黑洞攝影怎麼拍？七個問答來解謎——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
4. 仰望宇宙的好據點，大國爭相來插旗：「白山」毛納基亞——《黑洞捕手》
5. 太陽升起前，把握最後的永夜！與時間賽跑的組裝任務——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
6. 人類史上首張黑洞近照：這張動員全球、沖洗兩年的照片是怎麼來的？ – PanSci 泛科學

參考資料

1. Some Highlights of Interferometry in early Radio Astronomy, Woodruff T. Sullivan III (2016)
2. Pawsey, J. L., Payne-Soott, R., & McCready, L. L. (1946). Radio-frequency energy from the Sun. Nature, 157(3980), 158-159.
3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspots. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 190(1022), 357-375.
4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature, 161(4087), 312-313.
5. Bolton, J. G., Stanley, G. J., & Slee, O. B. (1949). Positions of three discrete sources of galactic radio-frequency radiation. In Classics in Radio Astronomy (pp. 239-241). Springer, Dordrecht.

• 作者／亞當．羅傑斯 
• 譯者／ 王婉卉

牛頓對色彩與光的瞭解

一六五三到一六五九年間的某個時候，英國格蘭特罕鎮（Grantham）上的一名青少年買了一本小筆記本。這位年輕人（名為艾薩克．牛頓的藥劑師學徒）在筆記本上寫下自己正在學習的科學知識。

他為自己打造了一間小型工作室，放滿儀器設備，在筆記本中描述要如何運用這些儀器進行實驗，並記下自己正在讀的書的一些細節，這本書是約翰．貝特（John Bates）的《自然與藝術之謎》（Mysteries of Nature and Art），內容寫滿了如何打造像是風箏與磨坊等的指示說明。

對牛頓來說，用顏料製作墨水與塗料的配方顯然同樣很實用，因為他也辛勤地抄寫了這些內容。要製造出「海色」，就把藍色的靛藍植物浸泡在水中，再加入銅藍顏料，後者不是藍色的石青，就是綠色的孔雀石。高加索膚色：在塗上一層鉛白的雙頰上，點綴些許紅鉛，陰影處採用燈黑（lamp black）或棕土（umber），若人已經死了，那就把鉛白換成稀釋的黃莓汁液，陰影處改用靛藍。牛頓也曉得，黑與白加在一起就是灰色。

牛頓在一六六一年抵達劍橋，展開大學生涯時，對色彩與光的瞭解可能就僅止於此。在歐洲某些地區，相關知識多為機密，或並未廣為散播。但牛頓開始求學後，讀了笛卡兒（Descartes）的著作，以及羅伯特．波以耳（Robert Boyle）在一六六四年出版的《關於色彩的實驗與思考》（Experiments and Considerations Touching Colors），書中強調，至少在染色與繪畫的過程，誰都可以混合來自三原色的所有色彩。

接著，在一六六五年，由於鼠疫導致每週數千人死亡，劍橋大學取消開課。牛頓於是回到母親在伍爾索普（Woolsthorpe）的娘家，占用一個小房間作為書房，做了幾個書架，就開始進行將定義色彩與光之現代概念的實驗。

最初觀察光的方式

你現在心裡在想，故事終於要談到三稜鏡的實驗了。但你錯了，還早呢。首先，牛頓會把一根粗大的針插進自己的眼睛裡。

他想知道眼睛的運作原理，而且是親身瞭解。於是，從最初使用的手指，再換成黃銅片，他都一一插進自己的眼球與環繞其周圍的眼眶骨之間——我懂你的感受！——然後按壓眼睛，記錄自己看到的結果：「幻象」，他如此寫道。

接著，牛頓更進一步改換成「大眼粗針」，也把它塞進眼球後方。他看到多個圓圈，「持續用大眼粗針的尖端摩擦我的眼睛時，看得最清楚」，不再移動粗針，圓圈就會消失。

牛頓也在自己能忍受的範圍內，盡可能直盯著太陽看，因而發覺盯著太陽後，亮色物體看起來是紅色，暗色物體則偏藍。只有在擔憂可能會對視力造成實際傷害後，他才不再對自己進行實驗，並在暗室中閉關好幾天，直到視力恢復。

六年後，在一七二六年，牛頓告訴助理，只要自己動念想到當時的太陽殘像，他依然看得見那個影像。

這些色彩與殘像讓牛頓想知道，腦中看到的色彩與現實世界中的色彩，兩者究竟各占多少。只靠施壓就能看到色彩，也就是當色彩實際上並不「存在」卻能看到，使牛頓得以推測出「神經錯亂與夢境的本質關鍵」，他如此寫道。

牛頓想瞭解光是如何產生色彩的同時，卻也領悟到感知這些色彩是另一項關鍵因素。若要產生色彩，不只光與化學物質得聯手合作，觀者的大腦也得加以配合。

當時牛頓也在讀虎克的作品。羅伯特．虎克（Robert Hooke）為一堆倫敦有錢人擔任「實驗管理負責人」，這些人當時早已開始聚在一起，討論彼此對「實驗哲學」的共同理念。

一六六二年，這群英國人為他們創設的團體取得授權，成立了皇家學會（Royal Society）。三年後，虎克出版了《微物圖誌》（Micrographia），（輔以插圖）詳細描述他透過新發明的精良器材所看到的一切，這個工具就是顯微鏡。

虎克繪製的蝨子與雪花等插圖讓《微物圖誌》大為暢銷，但牛頓認為，虎克針對孔雀羽毛如彩虹般的斑斕色彩以及玻璃薄片的觀察結果，甚至比那些插圖更加重要。就某種程度來說，即使不是經由大氣中水分子折射光所產生的結果，這兩者也是彩虹。這些現象的背後還有更為根本的原理。

好的，現在輪到稜鏡登場了

在只有一扇窗的書房裡，牛頓關上百葉窗，然後跟法利希一樣，在上面弄出了個小洞，使細長光束能照射進來。他將三稜鏡設置好，讓光在穿透後可以在寬達七公尺房間的另一頭散開成彩虹的各種顏色，他記下看起來是藍色的光線，偏折角度比看起來是紅色的光線要大。

投射距離也導致牛頓看到的色彩散開成橢圓形，而不是緊密相連的圓形，這些有色光束之間的空間大到足以插入另一個稜鏡。

第二個稜鏡折射藍光的角度比紅光要大，但這些光沒有再分離出其他顏色。藍光就是藍光，紅光就是紅光。如果再把另一個稜鏡放置在兩個稜鏡中間，使發散的光束再次聚合，將產生不同的效果。

「多個稜鏡產生的紅光、黃光、綠光、藍光、紫光混雜在一起，就會出現白光。」牛頓意識到，三稜鏡不是藉由改變白光來產生色彩，白光早已透過某種方式，把所有這些色彩混合起來了。

我在此應該要指出，這項實驗聽起來很困難，也確實是如此。我買了幾個品質不錯的三稜鏡（不像我，牛頓那時可沒有亞馬遜網路商店），然後把辦公室的門窗都關起來，就跟牛頓當時做的一樣。

我在百葉窗上拉開一個縫，設法在牆上投射出一道彩虹。但要對齊兩個稜鏡，讓色彩散開來，實在很難辦到。我想，這恐怕一定得有某種天分才做得到。

——摘自《全光譜》，2021 年 12 月，商業周刊。

不知道大家在炎熱的夏天，有沒有看過這樣一個現象：

在不遠的前方，路面上好像有一灘水，還映出了前車的倒影，但我們走近一看，其實路面上根本沒有水。

你並沒有出現幻覺，這是一種光的折射和全反射現象，通常稱為「海市蜃樓」。

原來，這是因為光線會轉彎

我們說過，光在不同介質間傳播的時候，方向通常會發生變化。例如一束光從空氣斜射進入水中，會向下偏折。出現折射的原因是因為光在不同介質中的傳播速度不同。人們用折射率 n 表示光在不同介質中傳播速度的不同，折射率 n 等於真空中光速 c 與介質中光速 v 的比： n = cv ，也就是說，介質的折射率 n 愈大，光在介質中傳播的速度 v 愈小。

顯然，真空中光速 v = c ，折射率 n = 1。空氣中光速接近於真空中光速，因此，其他介質中光速都小於真空中光速，折射率 n>1 。

折射率主要由介質材料所決定，但是與光的波長也有一定關係，這就是上述的色散現象，上表中的折射率指的是這種材料對光的平均折射率。

光線在折射率不同的兩種材料中傳播時，角度的關係滿足司乃爾定律，用荷蘭物理學家威理博．司乃爾的名字命名。

其中 n 是折射率， θ 是介質中光線與法線的夾角， sinθ 是正弦函數，在 0 ～ 90° 的區間內是一個遞增函數，也就是說，角度 θ 愈大， sinθ 也會愈大。透過這個公式我們就會發現，如果材料的折射率 n 比較大，介質中的角度 θ 就小，這種介質就稱為「光密介質」；如果材料的折射率 n 比較小，介質中的角度 θ 就大，這種介質就稱為「光疏介質」。

例如空氣相對於水就是光疏介質，水相對於空氣就是光密介質。光從空氣射入水中，折射率變大，折射角小於入射角，因此光線向法線偏折。

走出不去的光：全反射現象

如果光線從水中射入空氣中，情況又是如何呢？由於水是光密介質，角度較小，空氣是光疏介質，角度較大，因此光線會向水面偏折。如果增大水中光線的入射角，空氣中的折射角也會增大，在某個時刻，空氣中的折射角達到 90° ，此時就稱為「掠出射」。如果繼續增大入射角，折射光線無論折射向哪裡都不合理。此時會出現一種奇特的現象，折射光線消失，只剩下反射光線，這種現象就稱為「全反射」。

全反射在生活中有很多應用，例如光纖就是利用光線在內芯和外套之間反覆全反射傳播訊號。

所謂的海市蜃樓，究竟從何而來呢？

現在我們就可以解釋「海市蜃樓」了，先說說什麼叫「蜃」呢？

龍生九子，各不相同，其中有一個兒子就叫蜃，蜃喜歡吞雲吐霧，在海上把東西都吞到肚子裡，一會兒又吐出來，這時人們就可以看到有些東西浮在海平面上。這只是一種神話傳說，「海市蜃樓」實際上是一種光的折射現象，在海洋和沙漠中都可能出現。

在海洋上，海水比熱更大，也就是說，在接受太陽照射時，海水不容易升溫。在強烈的太陽照射下，靠近海水的地方，空氣溫度比較低，密度較大，折射率較大，屬於光密介質；高層空氣溫度較高，空氣受熱膨脹，密度較小，折射率較小，是光疏介質。光線從光密介質射向光疏介質，就像從水中射向空氣一樣，折射角變大，光線會趨於水準。假如海面上有一艘船，這艘船反射出的光線向上射，就會在各個不同的空氣層之間發生折射，發生彎折。

如果在還沒有發生全反射時，光線就進入人眼，就會以為物體在遠方的高處，形成正立的蜃景；如果光線在傳播過程中發生全反射，人們逆著光線看去，就會看到倒立的蜃景。

沙漠中的海市蜃樓成因剛好與海洋上相反，沙子的比熱很小，所以靠近沙漠的地方，空氣溫度比較高。空氣受熱膨脹，密度較小，折射率較小，是光疏介質；上層的空氣距離沙子較遠，溫度相對較低，空氣密度相對較大，折射率較大，也就形成了光密介質。光線從上向下照射時，從光密介質進入光疏介質，相當於從水射向空氣，折射角變大，光線偏向水準。當折射角增大到一定程度時，就會發生全反射而向上照射。

例如有一朵雲彩飄在空中，反射的光線經過折射和全反射被地面上的人觀察到。大腦會認為光線依然是直線傳播，因此判定雲彩在地下。雲彩不會在地下，所以人們會認為地面上有一個可以反射光線的物質，那就是水，這就是沙漠中海市蜃樓的原理。由於沙漠中沙子的溫度非常高，形成蜃景的光線在靠近沙子時一定會發生全反射，所以在沙漠中的海市蜃樓都是倒像。

炎熱的夏天，馬路上的溫度也非常高，形成的效果與沙漠相同。在靠近地面的位置，光線很容易發生全反射，映出車輛的倒影，所以就會讓人們誤以為地面上有水。下次再遇到這種現象，別再被你的眼睛欺騙了哦！

• 文章首圖來源：Flickr

——本文摘自《跟著網紅老師玩科學》，2019 年 4 月，時報出版。