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沒有邁克生干涉儀,就沒有現代物理學和天文學——1907年諾貝爾物理奬

物理雙月刊_96
・2017/05/31 ・2659字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

1907 年的諾貝爾物理奬授予阿爾伯特.邁克生(Albert Michelson)。邁克生的得奬原因是他改良了干涉儀(interferometer),現在被稱為邁克生干涉儀(Michelson interferometer)。今天回望,我們完全可以說如果沒有邁克生干涉儀,就沒有現代物理學和天文學。

我們完全可以說如果沒有邁克生干涉儀,就沒有現代物理學和天文學。圖/By The original uploader was Bunzil at English Wikipedia, Public Domain, wikimedia commons

追上光的速度,才有現代科學

現代物理學,或者說整個現代科學,都是建基於對光速的準確測量。由於光速太快,在 19 世紀時人們不可能用普通方法去量度光速:站在很遠的距離,打開電筒然後計時,光速就是距離/時間了。可是,光速快到能一秒鐘由地球跑到月球。以當時的技術,實驗者恐怕得把光源帶到月球上才行!

幸好,伽利略早在 1610 年發現了木星的其中四粒衛星。木星的衛星運轉到木星後面的現象,叫做掩食。天文學家發現,木星掩食衛星的時間長度,在不同季節不同。如果光速是無限快的話,理應不會發生這個現象。這是因為從木星衛星出發的光線需要一段時間才能到達地球,而地球在這段時間內亦會繞太陽運行一段距離。如果地球的運行方向是向著木星的話,從木星衛星出發的光線走到地球的距離就會短一些,因此掩食時間就會短了;反之,如果地球的運行方向是背著木星的話,掩食時間就會長了。

靠著測量不同月份木星掩食衛星的時間差,惠更斯(Christiaan Huygens)在 1690 年使用奧勒.羅默(Ole Rømer)在 1671 至 1677 年間的掩食觀測數據,首次計算出光速為大約秒速 22 萬公里,是現代測量數值的 75%。

羅默在 1676 年畫的圖解木衛掩食測量光速方法。地球在環繞太陽A運行的不同位置 E、F、G、H、L、K 觀察木星 B 遮掩其衛星(由 C 到 D)的不同時間長度,就能夠計算光線在宇宙空間傳播的速率。圖/By Ole Rømer, Public Domain, wikimedia commons

干涉儀能做什麼?它,抓得住光

除了天文觀測方法之外,其實在實驗室裡也能夠測量光速。例如使用一個旋轉的齒輪遮擋來回反射的光線,在特定的轉速下光線會剛好穿過齒輪的縫隙。只要知道齒輪的轉速、縫隙的間距和兩面反射鏡的距離,就可以計算出光速。另一個光法是測量真空電容率和真空磁導率,利用麥克斯韋波動方程,我們知道

光速 = 1/開方(真空電容率 × 真空磁導率)

邁克生從小就著迷於測量光速。他在 1870 年代開始改良干涉儀去測量光速,在 1883 年得出光速介乎秒速 299,793 至 299,913 公里。邁克生干涉儀故名思義利用波動干涉效應,測量非常小的距離變化。旋轉齒輪把量度速率變成比較容易量度的角速率以提高精確度,而邁克生採用的干涉儀靠反射來加長光線行走的距離,再量度光線的干涉(interference)程度。

邁克生在 1881 年實驗中使用的干涉儀。圖/By w:Albert Abraham Michelson, Public Domain, wikimedia commons

干涉是波動的基本性質。波動有波峰和波谷。以水面的波浪為例,波峰是波浪的最高點、波谷是波浪的最低點,而連續兩個波峰或波谷的距離就叫做波長。干涉是指兩個波浪重疊在一起。兩個波峰重疊就會互相疊加、波峰和波谷重疊就會互相抵消,分別叫做建設性干涉(constructive interference)和摧毀性干涉(destructive interference)。

邁克生干涉儀是一個平台,平台中心有一塊半鍍銀的鏡子。邁克生把一束光線發射到台中心的鏡子,鏡子會把光束分為互相垂直的兩束光線,然後會各自被另一塊鏡子反射回來結合回一束光線。如果兩束光線行走的距離一樣,最後結合的光束就會發生建設性干涉。邁克生調整鏡子的距離,使兩束光線行走的距離差了半個波長,就會發生摧毀性干涉。量度這個調整的距離就知道波長,而如果知道使用的光的頻率,就能夠以波動速率等於波長乘以頻率算出光速。

找出光速,便能重新定義長度

準確測量光速對基礎物理學意義重大。長度是物理學的基本參數。長度單位「公尺」的標準一直靠放在巴黎的一根金屬棒。金屬棒的長度會因熱脹冷縮而改變,而如果金屬棒被破壞或不見了,就沒有辦法回復原本的定義。

在 1975 年,光速的測量誤差已變得小到不能再提升精確度,誤差來自原本定義公尺的金屬棒長度的不確定性。從此,長度反過來被光速定義:一公尺就是光在 1/299,792,458 秒內走過的距離;越來越精確地量度光速,就變成了越來越精確地量度一公尺的長度。

邁克生的研究使長度單位不用再以實物去做標準。利用干涉儀,邁克生可以量度非常小的距離,連光的波長也能夠直接量度出來。邁克生亦使用干涉儀發現一些原本觀察到的光譜線其實是由一組幾條非常靠近的光譜線組成。干涉儀對例如原子結構和我們討論過的塞曼效應(1902 年諾貝爾物理獎)的研究有很大幫助。

相對論的見證者:否定以太假設,找到重力波

邁克生在 1887 年與愛德華.莫雷(Edward Morley)一起改良了邁克生干涉儀,試圖測量地球在以太之中的運行速度。以太是假設中光線的傳播介質。如果以太存在,那麼由於地球環繞太陽運行在一年不同時間的方向不同,會令干涉儀測量到不同的結果。可是,他們發現無論在何時何地進行實驗,干涉結果從不改變,因此就證明了以太並不存在。這個就是著名的邁克生-莫雷實驗(Michelson-Morley experiment)。

1887 年邁克生-莫雷實驗中使用的干涉儀。圖/By Case Western Reserve University, Public Domain, wikimedia commons

天文學測量亦因邁克生改良的干涉儀而變得非常精確。利用干涉,我們可以把兩支或以上的望遠鏡的觀測結合,效果就好像一個放大了的望遠鏡一樣。在今天,射電天文學家把位於不同大陸的射電望遠鏡的觀測以干涉技術結合,形成一個直徑與地球一樣大的望遠鏡陣。這個叫做甚長基線干涉陣(Very-long-baseline Interferometry Array)的望遠鏡陣,能夠幫助人類看到非常遙遠的宇宙深處。

甚至到今年物理學的極重大發現:直接探測重力波,用的也是最基本的干涉效應。探測到重力波的激光干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO),其實就是放大版本的邁克生干涉儀。LIGO 儀器擁有兩條長 4 公里的真空隧道,利用一道激光分別來回穿過並重新結合得出的干涉圖案去計算空間被重力波扭曲的程度。

其中一台 LIGO 干涉儀。圖/取自 LIGO Lab

邁克生和莫雷的干涉儀,在 1887 年證明以太不存在,成為愛因斯坦相對論的第一個證據,愛因斯坦相當時只有八歲。誰會想到在 2016 年、愛因斯坦發表廣義相著論 100 週年,干涉儀會證明廣義相對論的最後一個預言:重力波的存在?


 

 

 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 2 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

 

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物理雙月刊_96
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地球軌道上最大的衛星——國際太空站

臺北天文館_96
・2022/01/24 ・4522字 ・閱讀時間約 9 分鐘
  • 文/徐麗婷|政大應用物理所兼任助理教授

國際太空站(International Space Station,ISS)是地球軌道上最大的衛星,也是太空中最大的人造物體,其大小約有一個足球場這麼大,有時候我們從地表用肉眼就可以看到它快速地在夜空中劃過。國際太空站在距離地球表面 400 公里高的低地球軌道上運行,並且以每秒約 7.7 公里的速度繞行地球。以這個速度繞地球一圈只需要 93 分鐘,所以太空站每天會繞行地球 15.5 圈(這也表示太空站上的太空人每天可以看 15 次以上的日出與日落)。

圖 1. 由奮進號太空梭(Endeavour)於 2010 年執行任務時所拍攝的國際太空站。圖片來源/NASA

冷戰時代的太空競賽

設置國際太空站的目的,主要是作為太空實驗室、天文臺,以及為未來可能的月球和火星登陸計劃提供運輸、維護和中繼站的服務。在 2010 年美國國家太空政策中,國際太空站更被賦予了為商業、外交和教育服務的額外目的。

然而,最初設立太空站的想法,其實是源自於冷戰時期美國與蘇聯的太空競賽。蘇聯在 1980 年代已經率先發射了模組化的太空站到地球軌道上,而美國政府擔憂蘇聯擁有比美國更強大的核武攻擊力量,因此在 1984 年提出了「戰略防禦計畫」,又稱為「星戰計畫」(Strategic Defense Initiative, 或稱 Star Wars Program),其目標是要建造太空中的反彈道飛彈系統,以阻止敵方的洲際飛彈和太空飛行器。美國太空總署提出的自由號太空站(Space Station Freedom)計劃就是這個「星戰計畫」的一部分,雷根總統更在 1984 年宣示將在 10 年內完成太空站的建設。

但是由於太空站預算龐大、加上 1986 年挑戰者號太空梭的爆炸意外,太空站計劃不斷地被延宕。一直到 1991 年蘇聯解體後,冷戰正式結束,美國和蘇聯的太空競賽也失去了意義。冷戰結束後,美國總統柯林頓於 1993 年宣布結束自由號太空站的計劃。同年,在美國副總統高爾的推動下,美國太空總署開始與俄羅斯聯邦太空總署協商合作建立太空站的構想,這也促成了兩國初步的太空合作計畫:「太空梭–和平號計劃」。

國際太空站的前身:太空梭–和平號計劃(1993–1998)

國際太空站的成立主要分為二個階段:第一階段是從 1993 到 1998 年,由美國太空總署(NASA)和俄羅斯聯邦太空總署(Roskosmos)所合作的「太空梭–和平號計劃」(ShuttleS–Mir Program),而這個計劃也可以說是國際太空站的前身(見圖 2)。

圖 2. 1995 年,俄羅斯「和平號」太空站(Mir)和美國的太空梭「亞特蘭提斯號」(Atlantis)對接。圖片來源/wiki

其中俄羅斯在 1986 年升空開始興建的和平號太空站(space station Mir),是世界上第一個模組化的太空站,也是第一個讓人類可以長期居住的太空研究中心。在這個「太空梭–和平號計劃」其間,NASA 一共執行了 11 次太空梭任務,並且派了 7 名美國太空人長駐在和平號上(累計將近 1000 天)向俄羅斯太空人學習長時間的太空生活經驗、操作太空站、太空漫步訓練、和進行各種科學實驗。其目的就是為了建造之後的國際太空站而作準備。

2001 年,因為和平號太空站的設備老化且缺乏維修經費,俄羅斯聯邦太空總署決定將其墜毀於地球大氣層,而其碎片則是掉入南太平洋海域中,結束它長達 15 年的太空服役生涯。

國際太空站(1998–現在)

國際太空站目前由五個太空機構聯合運作,包括美國太空總署(NASA)、俄羅斯聯邦太空總署(Roscosmos)、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)、加拿大太空總署(CSA)和歐洲太空總署(ESA)。最初在命名國際太空站時是提議稱之為「阿爾法太空站」,但是俄羅斯方面並不贊成「阿爾法」(Alpha,α 是希臘字母表裡的第一個字母)這個名字,因為「阿爾法」有表示「第一個」的意涵。事實上俄羅斯的和平號才是第一個模組化的太空站,所以他們認為國際太空站的名字應該稱作「貝塔」(Beta,β 是希臘字母表裡的第二個字母)會更合適。在各國商談之後才決定直接定名為「國際太空站」(International Space Station)。

1998 年 11 月,國際太空站的第一個模組:俄羅斯的曙光號功能貨艙(Zarya)發射升空;同年 12 月,美國的團結號節點艙(Unity)發射進入軌道並與曙光號連接;2000 年 7 月,俄羅斯的星辰號服務艙(Zvezda)升空與太空站連接。星辰號服務艙主要是提供太空人的生命維持系統,包括太空人睡眠的區域、健身器材、飲用水裝置、廚房設備、廁所以及其他衛生設施。這些設備都是為了 2000 年 11 月首批登上國際太空站的太空人做準備。(圖 3 的三張照片可以看到最初三個模組陸續建構太空站的演進。)

圖 3a. 1998 年從奮進號太空梭上拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya),這也是第一個升空的國際太空站組件。圖/Wikipedia
圖 3b.1998 年從奮進號太空梭上所拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya)和團結號節點艙(Unity)。 圖/NASA
圖 3c. 2000 年從亞特蘭提斯號太空梭上所拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya)、團結號節點艙(Unity)和星辰號服務艙(Zvezda)。圖/Wikipedia

國際太空站的架設工作一直持續到 2002 年。不幸的是,在 2003 年發生了哥倫比亞號太空梭(Columbia)的失事事件,NASA 停飛了所有的太空梭,國際太空站的建設也因此受到拖延。在太空梭停飛的兩年半裡,太空人的物資完全依賴俄羅斯聯盟號(Soyuz)太空船的輸送,一直到 2005 年 NASA 太空梭才再度重返太空。之後太空梭連續運送了大量的桁架與太陽能板到太空站上組裝(見圖 4)。日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)於 2008 年也加入了建造國際太空站的行列,陸續在太空站增設了希望號實驗艙(Kibo);2012 年,美國太空探索科技公司(SpaceX)發射了第一艘商業用太空船飛龍號(Dragon spacecraft)。

圖 4. 2006 年,太空人正在安裝桁架,桁架是用來安置太陽能板和艙外機器的結構。圖/Wikipedia

國際合作太空站的組裝

目前國際太空站的空間大小約為 1,000 立方公尺,總質量約 41 萬公斤。整個站體長約 108 公尺,寬約 74 公尺(大概是一個足球場的大小)。要建造完整的太空站,需要 40 多次的太空飛行任務才能達到。到 2020 年為止,NASA 太空梭一共執行了 36 次任務來運送國際太空站的模組,另外負責運送模組的還包括俄羅斯的質子號(Proton)和聯盟號(Soyuz)運載火箭,以及美國太空探索科技公司的「獵鷹 9 號」(SpaceX Falcon–9)。太空站的模組主要是先在地面上建造完成,再運送到太空中組裝。

下面列出一些規模較大的太空站模組:

  • 曙光號功能貨艙(Zarya,於 1998 年11 月升空)
  • 團結號節點艙(Unity,於 1998 年 12 月升空)
  • 星辰號服務艙(Zvezda,於 2000 年 7 月升空)
  • 命運號實驗艙(Destiny Laboratory Module,於 2001 年 2 月升空)
  • 協和號節點艙(Harmony,於 2007 年 10 月升空)
  • 哥倫布號實驗艙(Columbus orbital facility,於 2008 年 2 月升空)
  • 日本希望號實驗艙(Japanese Experiment Module,又稱 Kibo,於 2008~2009 年間分批發射升空)
  • 綜合桁架結構與太陽能板(於 2000~2009 年間分批發射升空)
  • 科學號實驗艙(Nauka,於 2021 年 7 月升空)

國際太空站在繞行地球的過程中,高度會逐漸下降。為了維持太空站的軌道高度,會以太空站的推進系統、或是以來訪的飛行載具引擎來提供推力,藉此推高太空站的軌道高度。太空站所在的低地球軌道上,同時也存在很多太空碎片。前面所提到的改變太空站軌道高度的方法,也可以應用在避開太空碎片撞擊的操作上(Debris Avoidance Manoeuver, DAM)。萬一太空站來不及執行 DAM 以躲避太空碎片,那麼所有的太空人將會集合到俄羅斯的聯盟號(Soyuz)太空船上,若太空站受到嚴重破壞時就可以緊急撤回地球。這樣的緊急疏散事件在 2009、2011、2012 和 2015 年都虛驚過一次,但只有進入聯盟號,沒有撤離。

圖 5. NASA 太空人 Nicholas Patrick 正在用太空漫步執行艙外任務,攝於 2010 年。圖片來源/wiki
國際太空站是怎麼運作的?影/YouTube

國際太空站上的實驗

由於國際太空站以高速繞著地球轉,太空站上的地心引力與離心力幾乎相互抵消。但是實際上,太空站上的重力環境其實並非是全然的「零重力空間」,而是還受到非常微小的重力影響,我們稱之為「微重力環境」(micro-g environment)。太空站設立的其中一個重要目的,就是做為在微重力環境下的實驗室,其研究領域包括天文生物學、天文學、氣象學、物理學、材料科學和太空天氣等。

在微重力的環境下研究植物生長、流體力學、材料合成、燃燒現象和結晶過程等,都有助於科學家更加了解在無重力下的各種物理現象。例如,圖 6 是非常著名的火焰實驗:在太空中燃燒的火焰會因為在微重力的環境下變成圓形的。另外一個重要的實驗,是研究長期在太空中生活對人體的影響,包括肌肉萎縮和骨質流失等問題。研究顯示長時間的太空旅行可能會造成太空人有重大骨折的風險,所以現在太空站上裝有為太空人設計的健身器材,讓太空人每天都能有固定的運動量,以防止肌肉萎縮及維持人體循環系統的健康運作。

圖 6. 左:在地表上的火焰形狀。右:在微重力環境下的火焰形狀。圖/Wikipedia

國際太空站的未來發展

在太空站上的各項實驗與儀器測試,對於 NASA 即將執行的重返月球計畫以及之後的火星登陸計畫尤其重要。除了累積在太空中操作與維修各種儀器的經驗之外,對於微重力、宇宙輻射和隔離對太空人身心健康的長期影響,也能研究出較可行的應對之道。

到 2010 年為止,國際太空站所花費的金額已經高達 1,500 億美金,遠遠超過了最初的預算。雖然很多人對國際太空站未來的持續運作抱持著反對的意見,但是基於考量到未來重返月球與登陸火星的計畫,2018 年美國國會還是通過相關法案,確定延長國際太空站的使用期限到 2030 年。

YouTube 相關影片:

NASA/JSC 專家 陳啟明談「國際太空站」:人類地球之外的家。影/YouTube
國際太空站的組裝過程 。影/YouTube
太空人的日常生活 。影/YouTube
國際太空站從太陽前方飛越而過 。影/YouTube

參考資料:

  1. International Space Station
  2. Shuttle–Mir program
  3. Assembly of the International Space Station
  4. Strategic Defense Initiative
  5. 福爾摩沙衛星二號 10 週年專題報導-4

 

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