0

1
0

文字

分享

0
1
0

尋找馬約拉納費米子:披著狼皮的羊,固態系統中的電子

科學月刊_96
・2017/09/06 ・3053字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

張泰榕/國立成功大學物理系助理教授|專長為理論凝態計算物理。研究興趣廣泛,包括各種拓樸材料、多鐵材料、低維度材料、磁性材料、過渡金屬氧化物、超導材料與半導體界面物理。

前些時日,以加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles,UCLA)王康隆教授為首的國際團隊在 Science 雜誌上發表了一篇與馬約拉納費米子(Majorana Fermion)相關的文章。頓時各大媒體爭相報導,各類新聞鋪天蓋地而來,彷彿物理界產生了歷史性的大發現,又開啟了一個新時代。

圖/BY 每日頭條

更甚者有報導提及,諾貝爾物理獎得主楊振寧教授斷言,這必獲「諾貝爾獎」,或「結束物理界對這神秘粒子長達80年追尋」等言論。雖然能讓大眾注意到物理圈內發生的事情讓人感到高興(畢竟多數人在國高中被物理荼毒太久了,已對它退避三舍),但這類被放大的標題還是有必要請大家靜下心來冷靜看待,畢竟物理還是相對嚴謹,自然是最終的答案。

為了能更客觀地看待這次在 Science 上的工作,在之後的段落中,筆者將概略介紹什麼是馬約拉納費米子,之後介紹固態系統中電子的特性,最後回到 Science 上的工作。筆者欲強調,為了盡可能讓各領域、各年齡層的讀者了解這次的發現,之後的介紹將忽略所有實驗與物理細節,以概念簡介為主,因此嚴謹方面難免無法兩全兼顧,有興趣想更深入了解的讀者們,可閱讀其他專業性文章。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

馬約拉納費米子

馬約拉納費米子。圖/Alexey Drjahlov, CC-BY-SA

1928 年,物理學家狄拉克(Paul Dirac)建立了狄拉克方程式,成功整合了量子力學與狹義相對論,至此,自旋 1/2 費米子(Fermion)的行為都能以這條方程式來描述,例如大家熟悉的電子。狄拉克方程另一偉大之處在於預測了反粒子的存在,一個典型的例子是正電子,無論質量或自旋都與電子相同,卻帶有相反的電荷。

1937 年,義大利物理學家馬約拉納(Ettore Majorana)發現狄拉克方程式可以用其他形式改寫,此方程式(馬約拉納方程式)給出了一個完全異於狄拉克方程式的解。馬約拉納方程預言了一種全新的粒子,它的粒子本身即為自身的反粒子,稱為馬約拉納費米子(Majorana Fermion)。之後的 80 年間,一部分的高能物理學家一直嘗試著尋找這種奇異的基本粒子。這期間雖然出現幾位呼聲很高的候選人,例如微中子(Neutrino),但一直沒有觀測到決定性的證據。

固態系統中的電子行為

除了高能物理,回到較為實際的層面,與我們生活息息相關的不外乎各種材料(固態系統),例如半導體、金屬等。而構成材料本身即為電子、質子與中子。電子在其中扮演著至關重要的角色,無論電流傳輸,化學鍵結等行為都與電子脫不了關係。我們可以回到一個有趣的問題,為什麼電子如此簡單的基本粒子卻可以讓材料表現出如此多采多姿的特性?確實,如果電子存在完全真空中,那它的行為很簡單,容易預測。但真實材料中不只具有電子,還有材料內各種原子排列所形成的晶格(lattice),當電子與晶格發生交互作用時,就會產生很多令人意想不到的結果。

如果把真空中的電子比喻為在平地行走的人,那材料中的晶格就像是在地形上加上各種變化。例如當晶格效應像高山深谷一般,電子的移動就會受到阻礙而變慢,如果忽略晶格環境只看電子本身,好像電子「變重了」。反之如果晶格效應像一個瀑布,在上面移動的電子就能以超乎尋常的速度來傳輸電流,彷彿我們的電子元件不是在傳遞電子,而是傳遞某種超速粒子。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
如果晶格效應像一個瀑布,在上面移動的電子就能以超乎尋常的速度來傳輸電流,彷彿我們的電子元件不是在傳遞電子,而是傳遞某種超速粒子。圖/BY vitieubao

由前述例子可以發現,同樣都是電子,但這些在固態系統中的電子所呈現出的物理性質可以異於一般的自由電子,它們就像是披著狼皮(環境下的電子)的羊(電子),好似我們找到了電子之外的某種新基本粒子[註一]。

UCLA 團隊在 Science上的工作

電子在材料中運動時,因與晶格產生交互作用,使得電子所表現出的整體行為完全異於真空中的自由電子。在量測其物理特性時,好似我們在觀察新粒子,不像是在量測電子。因此一部分的凝態物理學家就運用此特性,藉由晶格效應所提供額外自由度所產生的準粒子,嘗試在固態系統中實現高能物理中尚未找到的基本粒子[註二]。其中最著名的例子就是石墨烯(graphene)中的無質量狄拉克費米子(massless Dirac Fermion)與鉭化砷(TaAs)中的外爾費米子(Weyl Fermion)。而這次 UCLA 為首的國際團隊即是運用這種準粒子的觀念,嘗試在固態系統中實現馬約拉納費米子。

一部分的凝態物理學家就運用此特性,藉由晶格效應所提供額外自由度所產生的準粒子,嘗試在固態系統中實現高能物理中尚未找到的基本粒子,石墨烯即是一例。

尋找馬約拉納費米子不只在高能物理,甚至在凝態物理中都是一項重要的工作,它不但能幫助我們了解宇宙中的基本物理,更有機會提供未來在科技上的實際應用。例如馬約拉納費米子有機會用於穩定量子位元(quantum qubit),藉以實現量子計算與量子電腦。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

固態中馬約拉納費米子的實驗觀測證據奠基在零偏壓電導峰(zero bias conductance peak)[註三]、半整數量子化電導(half-integer quantized conductance )以及最重要的非阿貝爾統計(non-abelian statistics)[註四]特性。UCLA團隊並不是第一個嘗試測量固態中馬約拉納費米子的實驗組,在此之前已有許多實驗團隊在不同系統中觀察到零偏壓電導峰的訊號,但因造成零偏壓電導峰的原因很多,單一證據並不能完全證實發現馬約拉納費米子。

UCLA 團隊最重要的貢獻在於他們是世界上第一個在超導體/反常量子霍爾絕緣體(一種可能具有馬約拉納費米子的候選材料)異質結構中觀測到半整數量子化電導訊號,且實驗結果與史丹佛大學張首晟教授團隊(Science的共同作者)先前的理論預測相符。前面有提過一般電子都有正反兩種粒子,但馬約拉納費米子本身就是自身的反粒子,因此等效來說馬約拉納費米子可以想像成「半個電子」。一個電子的量子化電導為,同理,半整數量子化電導則為觀測馬約拉納費米子的重要實驗證據。在排除各種誤差與雜訊後,因其他物理效應皆不易產生半整數量子化電導,因此這次的實驗證據比零偏壓電導峰更具有信服力,替證實馬約拉納費米子又邁進了一大步。

至此,物理學家們已經驗證了固態中馬約拉納費米子的兩個特性(零偏壓電導峰與半整數量子電導),之後如能證實系統中的準粒子遵守非阿貝爾統計,將成為證實馬約拉納費米子的重要證據。

註釋

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • ﹝註一﹞固態系統中的粒子依然是電子,並不是真正的高能基本粒子或新粒子,但當電子與材料晶格交互作用後所產生的整體行為卻表現出類似新粒子的特性,專業術語為準粒子(quasi-particle)。物理學家可以藉由研究準粒子的特性來模擬真實高能基本粒子的物理性質或開發新材料。
  • ﹝註二﹞之後所提及的粒子都是指準粒子,不是真正的基本粒子。
  • ﹝註三﹞零偏壓電導峰:測量外加偏壓對dI/dV(I=電流,V=電壓)的關係,可在偏壓等於零的位置測量到一個明顯的dI/dV峰值。
  • ﹝註四﹞非阿貝爾統計:不滿足交換率A×B≠B×A。兩個費米子(例如電子)交換波函數(wavefunction)會差一個負號,而兩任意子(anyon)交換波函數會差一個相位,又馬約拉納費米子為一種任意子,因此可以預期它的統計行為會和電子截然不同。

感謝鍾佳民博士、曾郁欽博士以及蘇書玄博士的討論與意見。


 

 

本文選自《科學月刊》2017 年 9月號

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們 47 歲囉!

入不惑之年還是可以當個科青

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3638 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

0

2
2

文字

分享

0
2
2
圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
文章難易度

討論功能關閉中。

賴昭正_96
43 篇文章 ・ 54 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

0

3
2

文字

分享

0
3
2
量子革命的開端——物質波的發現
PanSci_96
・2024/07/08 ・2311字 ・閱讀時間約 4 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

德布羅意的物質波

在 20 世紀初期的物理學界,一個年輕人的大膽想法引發了一場徹底改變人類認知的革命浪潮。1924 年,德國物理學家路易.德布羅意在他的博士論文中提出了一個令人震驚的觀點:除了電磁波之外,構成物質的基本粒子,也應該具有波動的特性。

路易.德布羅意。圖/wikimedia

當時,德布羅意這一前衛想法招來了廣泛的質疑和不解,甚至差點畢不了業。畢竟,波動一直被視為光和其他電磁輻射的特徵,而粒子則被認為是一個個實體。說這兩者具有相同性質……無疑是有違傳統觀念的。然而,正是這樣一個大膽的假說,為量子力學理論的誕生開啟了嶄新的大門,也為物理學的發展鋪出一條革命之路。

幸運的是,德布羅意獲得了當代著名科學家阿爾伯特.愛因斯坦的支持。儘管愛因斯坦自己也未能完全理解德布羅意論文中隱含的物理真相,但他意識到其中蘊藏的巨大潛力。有了愛因斯坦的背書,德布羅意最終順利獲得了博士學位。

而在短短三年後,德布羅意的理論就得到了實驗的直接驗證。美國科學家克林頓.戴維森和勞倫斯.革末,以及英國物理學家喬治.普賴斯.湯姆森,分別進行了一系列關於電子繞射的實驗。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

顛覆想像的電子繞射實驗

他們發現,當電子束穿過特定障礙物時,其行為表現與光波繞射現象如出一轍。就如同光在穿過狹縫或小孔後,會在後方形成一系列明暗相間的繞射圖樣,電子也會產生類似的現象。這直接證實了德布羅意的理論:微觀粒子確實同時具有波動的特性。

電子繞射實驗範例。圖/wikimedia

電子繞射實驗的意義極為重大,不僅為德布羅意的理論提供了實驗上的佐證,更重要的是,它徹底顛覆了人類對粒子和波動本質的傳統認知。在經典物理學框架內,粒子和波曾被視為截然不同的兩種存在形式。但電子繞射實驗卻揭示了微觀粒子同時具有波動與粒子的雙重特性,給當時的科學家帶來了巨大的觀念衝擊。它突破了波動性質只與電磁波有關的傳統思維,訴說微觀世界與人類的日常經驗大相逕庭。

此外,值得一提的是,完成電子繞射實驗的英國物理學家喬治.普賴斯.湯姆森,也是最早發現電子存在的科學家——約瑟夫.約翰.湯姆森的兒子。

約瑟夫.約翰.湯姆森。圖/wikimedia
喬治.普賴斯.湯姆森。圖/wikimedia

1897 年,約瑟夫.約翰.湯姆森在研究陰極射線時首次觀測到了電子,確認了它是構成物質的基本微粒。經過三十年,他的兒子喬治不僅證實了電子同時也具有波的特性,更印證了德布羅意關於任何粒子都兼具波粒二象性的理論。父子倆在發現電子的「粒子」和「波」兩個層面上,都作出了不可磨滅的貢獻,見證了人類對物質本質認知的徹底演進。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

物質波的應用

物質波現象的發現不僅在理論層面意義非凡,在現實應用中也發揮著舉足輕重的作用。其中最著名的例子莫過於電子顯微鏡的問世。

光學顯微鏡利用的是可見光,因此放大倍率會受到使用光線的波長限制。一般的光學顯微鏡波長約略在數百奈米的範圍,頂多只能放大一千多倍,差不多就是我們用光學顯微鏡觀測的最大極限。

而電子顯微鏡,正是利用電子的物質波波長遠小於可見光波長的特性,以電子取代可見光波,讓電子顯微鏡突破傳統光學顯微鏡的分辨率極限。現在的電子顯微鏡,解析度約在 0.1 奈米左右,甚至還能夠看到原、分子,也已經成為科學研究不可或缺的工具。

電子顯微鏡的發明為生物學、材料科學、奈米技術等諸多領域的研究帶來了全新契機,推動了科學技術的飛速發展。可以說,物質波現象的發現不僅在理論層面上極具革命性意義,在現實應用上也是物理學家們的一大創舉。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
1980 年代的掃描式電子顯微鏡。圖/wikimedia

結語

物質波的發現標誌著量子力學理論的誕生,它徹底改變了人類對粒子和波動本質的認知。這場思維革命,對於人類認識世界的方式產生了深遠的影響,其餘波盪漾直到今天仍在延續。

事實上,物質波的發現並非量子力學革命的終點。德布羅意的物質波理論為量子力學奠定了基礎,而量子力學本身又為當代物理學乃至整個科學發展開啟了嶄新的大門。

隨著量子理論的不斷深入和發展,人類對微觀世界的理解越來越透徹,卻也越發察覺到一個令人費解的事實:我們熟悉的經典物理定律,在微觀領域幾乎完全失效。在這個奇特的量子世界中,物質不僅展現出波粒二象性,還呈現出一些令人錯愕的現象,比如量子糾纏、量子疊加等。 這些現象彷彿在諷刺人類對世界的認知有多麼淺薄,也引發了科學家對宇宙運行法則的激烈討論。

討論功能關閉中。

0

4
1

文字

分享

0
4
1
為什麼會被陽光曬傷?光有能量的話,為什麼照日光燈沒事?
PanSci_96
・2024/05/05 ・3185字 ・閱讀時間約 6 分鐘

唉!好曬呀!前兩集,一些觀眾發現我曬黑了。

在臺灣,一向不缺陽光。市面上,美白、防曬廣告亦隨處可見,不過,為什麼我們會被陽光曬傷呢?卻又好像沒聽過被日光燈曬傷的事情?

事實上,這也跟量子力學有關,而且和我們今天的主題密切連結。

之前我們討論到量子概念在歷史上的起點,接下來,我們會進一步說明,量子概念是如何被發揚光大,以及那個男人的故事。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

光電效應

在量子力學發展過程中,光電效應的研究是非常重要的轉捩點。

光電效應指的是,當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上,會使得材料發射出電子的現象。

在 19 世紀後期,科學家就已經發現某個奇特的現象:使用光(尤其是紫外線)照射帶負電的金屬板,會使金屬板的負電消失。但當時他們並不清楚背後原理,只猜測周遭氣體可能在紫外線的照射下,輔助帶負電的粒子從金屬板離開。

光電效應示意圖。圖/wikimedia

於是 1899 年,知名的英國物理學家 J. J. 湯姆森將鋅板放置在低壓汞氣之中,並照射紫外線,來研究汞氣如何幫助鋅板釋放負電荷,卻察覺這些電荷的性質,跟他在兩年前(1897 年)從放射線研究中發現的粒子很像。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

它們是比氫原子要輕約一千倍、帶負電的微小粒子,也就是我們現在稱呼的電子。

1902 年,德國物理學家萊納德發現,即使是在抽真空的玻璃管內,只要照射一定頻率以上的光,兩極之間便會有電流通過,電流大小跟光的強度成正比,而將光線移除之後,電流也瞬間消失。

到此,我們所熟知的光電效應概念才算完整成型。

這邊聽起來好像沒什麼問題?然而,若不用現在的量子理論,只依靠當時的物理知識,很難完美解釋光電效應。因為根據傳統理論,光的能量多寡應該和光的強度有關,而不是光的頻率。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果是光線把能量傳給電子,讓電子脫離金屬板,那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢?比如我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射,會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流。而且,當紫外線的頻率越高,電子的能量就越大。

另一方面,若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板,會發現無論如何都不會產生電流。但如果是紫外線的話,就算強度很低,還是會瞬間就產生電流。

這樣難以理解的光電效應,使得愛因斯坦於 1905 年一舉顛覆了整個物理學界,並建立了量子力學的基礎。

光電效應的解釋

為了解釋光電效應,愛因斯坦假設,電磁波攜帶的能量是以一個個帶有能量的「光量子」的形式輻射出去。並參考先前普朗克的研究成果,認為光量子的能量 E 和該電磁波的頻率 ν 成正比,寫成 E=hν,h 是比例常數,也是我們介紹過的普朗克常數。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在愛因斯坦的詮釋下,電磁波的頻率越高,光子能量就越大,所以只要頻率高到一定程度,就能讓電子獲得足以逃脫金屬板的能量,形成電流;反過來說,如果電磁波的頻率不夠高,電子無法獲得足夠能量,就無法離開金屬板。

這就像是巨石強森一拳 punch 能把我打昏,但如果有個弱雞用巨石強森百分之一的力道打我一百拳,就算加起來總力道一樣,我是不會被打昏,大概也綿綿癢癢的,不覺得受到什麼傷害一樣。

而當電磁波的強度越強,代表光子的數目越多,於是脫離金屬板的電子自然變多,電流就越大。就如同我們挨了巨石強森很多拳,受傷自然比只挨一拳要來得重。

雖然愛因斯坦對光電效應的解釋看似完美,但是光量子的觀點實在太過激進,難以被當時的科學家接受,就連普朗克本人對此都不太高興。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

對普朗克來說,基本單位能量 hν,是由虛擬的「振子」發出的;但就愛因斯坦而言,電磁波本身的能量就是一個個光量子,或現在所謂的「光子」。

然而,電磁波屬於波動,直觀來說,波是綿延不絕地擴散到空間中,怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢?

美國物理學家密立根就堅信愛因斯坦的理論是錯的,並花費多年時間進行光電效應的實驗研究。

到了 1914 年,密立根發表了世界首次的普朗克常數實驗值,跟現在公認的標準數值 h=6.626×10-34 Js(焦耳乘秒)相距不遠。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在論文中,密立根更捶心肝(tuî-sim-kuann)表示,實驗結果令人驚訝地與愛因斯坦那九年前早就被人拋棄的量子理論吻合得相當好。

這下子,就算學界不願相信愛因斯坦也不行了。愛因斯坦也因為在光電效應的貢獻,獲得 1921 年的諾貝爾物理獎。

1921 年,愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎之後的官方肖像。圖/wikimedia

光電效應的應用

在現代,光電效應的用途廣泛。我們日常生活中常見的太陽能發電板,利用的就是光電效應的一種,稱為光生伏打效應,材料內部的電子在吸收了光子的能量後,不是放射到周遭空間,而是在材料內部移動,形成正負兩極,產生電流。

而會不會曬傷也跟光子的能量有關。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

曬傷是皮膚受到頻率夠高的太陽光,也就是紫外線裡的 UVB 輻射造成的損傷。這些光子打到皮膚,會讓 DNA 分子裡構成鍵結的電子逃逸,引起皮膚細胞中 DNA 的異常變化,導致細胞損傷和免疫反應,這就是為什麼曬傷後皮膚會出現紅腫、疼痛和發炎的原因。

而頻率較低的光線,因為光子能量偏低,所以就不太會造成傷害,這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事。

結語

從 17 世紀後半,惠更斯和牛頓各自提出光的波動說和微粒說開始,人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大哉問;19 世紀初,湯瑪士.楊用雙狹縫干涉實驗顯示了光的波動性,而到 19 世紀中後期,光屬於電磁波的結論終於被馬克士威和赫茲分別從理論和實驗兩方面確立。

經過約莫兩百年的研究發展,世人才明白,光是一種波動。

怎知,沒過幾年,愛因斯坦就跳出來主張光的能量由一個個的光量子攜帶,還通過實驗的檢驗——光又成為粒子了。

物理學家不得不承認,光具有波動和粒子兩種性質,而會呈現哪一種特性則依情況而定,稱為光的波粒二象性。

愛因斯坦於 1905 年提出的光量子概念,顛覆了傳統認為波動和粒子截然二分的觀點,將光能量量子化的詮釋也被實驗印證,在那之後,除了光的能量之外,還有其他物理量被發現是「量子化」的,像是電荷。

我們現在知道,電荷也有個基本單位,就是單一電子攜帶的電荷大小。

儘管之後又發現組成原子核的夸克,具有 -1/3 和 +2/3 單位的基本電荷,但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事,並不是要多少的電量都可以。

如果你覺得很奇怪,不妨想想,我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的,但其實在微觀尺度,身體也是由一個個很小的原子和分子組成,只是我們根本看不出來,才覺得是連續的。

光子的能量和電荷的大小,其實也是像這樣子,細分下去就會發現具有最基本的單位,不是連續的。

事實上,量子力學在誕生之後,一直不斷地為人們帶來驚喜,簡直就是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓。我們下一個故事,就要來聊量子力學發展過程中,打破世間常識的某個破天荒假說,而假說的提出者,是大學原本主修歷史和法律,擁有歷史學士學位,但後來改念物理,並憑藉博士論文用 5 年時間就拿到諾貝爾物理學獎的德布羅意。

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。