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是光,還是粒子?終結宇宙線大辯論的熊子璥--《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/11/24 ・7456字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 588 ・九年級

  • 文/熊克儉、黃明輝

1911~1912 年間,維克爾·海斯(Victor Hess)從數次的高空氣球飛行發現了來自地球以外的輻射源[1][2]。初期海斯仍不了解此種輻射的本質是粒子還是伽瑪射線,只知道其穿透力遠勝於伽瑪射線,故稱之為「超伽瑪射線」(Ultra-gamma-ray),現代的通稱是宇宙線(cosmic ray)。名稱從電磁波的輻射變換成粒子的輻射,這就涉及到三十年代在物理學史上的一場有關宇宙射線的本質的精彩大辯論[3][4]。

1930年代是宇宙線本質的大辯論時代。 圖/pixabay

宇宙線的大辯論時代

辯論的一方是當時任教於加州理工學院的羅伯特·密立根(Robert Millikan),他因在基本電荷和光電效應方面的成就,獲得 1923 年度諾貝爾物理學獎。辯論的另一方就是亞瑟·康普頓(Arthur C. Campton)。由於辯論的雙方都是獲得諾貝爾物理學獎的著名的物理學家,因而格外引起世人注目。

密立根認為宇宙射線是來自宇宙,而非起源於地球或低層大氣,是由光子組成,而組成光子的過程實際上是一種造物主還在創生的過程[4]。這在當時造成很大的轟動[3]。但從 1931 年秋季起,他的假說受到物理學家們的挑戰。

1931 年在羅馬的核物理會議中,義大利物理學家布魯諾·羅西(Bruno Benedetto Rossi)對著台下的密立根與康普頓,提出理論認為宇宙線所帶電性可以經由地磁場的篩選而確定[5],這就是著名的東西效應[1]。

從 1932 年起,康普頓組織了 6 個遠征隊,到世界各地的高山、赤道附近低緯度區等進行了廣泛測量,以便對初始的宇宙射線到底是光子還是帶電粒子作出合理的判斷。他的研究證實了1927年由荷蘭物理學家克萊(Jay Clay)所觀察到的緯度效應對宇宙射線的影響,從而康普頓認定宇宙射線是由帶電粒子組成,而非密立根所認為是光子組成。

1932 年 12 月底,美國物理學會在新澤西州大西洋城(Atlantic City)召開會議,密立根和康普頓進行了激烈的爭論。康普頓在會議上報告:不同緯度處宇宙射線強度有明顯不同,說明初始宇宙射線有帶電粒子的特徵,並提出了支援這種觀點的三種實驗。密立根在大西洋會議上宣讀了由加州理工學院另一位物理學家內赫(H. V. Neher)跨越赤道航行的測量結果,沒有發現緯度效應。由於雙方都宣稱自己有實驗為證,無法統一思想,但大多數物理學家已經開始轉向承認康普頓的觀點。後續的研究證實內赫測量的區域的磁場變化不大,因此看不出顯著的緯度效應。

直到 1934 年6月的美國物理學會第 193 屆大會上,這個大辯論的結論由第一位發表者畫下句點。發表者就是華裔學者熊子璥(圖1),他可說是第一位華裔宇宙線物理學家。

圖1. 熊子璥於1932年攝于美國芝加哥大學。圖/作者提供

熊子璥,何許人也?

熊子璥(David S. Hsiung,1896-1979),字思鈺,生於湖南省岳陽城陵磯。1922 年獲美國海德堡大學學士學位,1924 年獲賓夕法尼亞大學碩士學位。而後返國,先任家鄉岳陽湖濱大學數理教授,1927-1932 年任金陵女子大學教授兼數理系主任。1932 年 9 月,熊子璥在洛克菲勒基金會(Rockefeller Foundation)的贊助下,赴芝加哥大學(University of Chicago)物理系攻讀博士學位。

芝加哥大學位於美國北部風景秀麗的密西根湖畔,是由石油大王約翰·洛克菲勒(John D. Rockefeller)於1890年捐資創辦,後以「美國現代大學先驅」的歷史地位而為人稱道,成為美國最富盛名的私立大學之一。

芝加哥大學的物理系在二十世紀三十年代名列全世界之首,也是其在歷史上最重要和最輝煌的時代。到了三十年代末,芝大物理系已現出八位諾貝爾物理學獎得主:阿爾伯特·邁克耳孫(Albert A. Michelson)、羅伯特·密立根(Robert A. Millikan)、詹姆斯·弗蘭克(James Franck)、亞瑟·康普頓(Arthur H. Compton)、沃納·海森堡(Werner Heisenberg)、哈樂德·尤里(Harold C. Urey)、克林頓·大衛遜(Clinton. J. Davisson)和恩里科·費米(Enrico Fermi) 。

芝加哥大學物理系與中國早年的科學界也有過密切的關係。中國現代物理學界的許多物理學家青年時代都曾在此求過學,如李耀邦(1903-1915年)、饒毓泰(1913-1917年)、葉企孫(1918-1920年)、周培源(1924-1926年)、吳有訓(1922-1926年)、謝玉銘(1924-1926年)及魏學仁(1925-1928年)。後來的五位華裔諾貝爾物理學獎得主中,有三位源出自芝加哥大學物理系:楊振寧(1945-1948年)、李政道(1946-1950年)和崔琦(1958-1967年)。

師承物理學大師.康普頓

熊子璥於 1932 年 9 月抵達芝加哥,攻讀博士學位,在這裡他非常幸運地成為當時已享有盛名的物理學大師亞瑟·康普頓教授(圖2)的學生。康普頓曾於 1922 年發現 X 射線對自由電子發生散射時,光子的能量減少,而波長變大,這一發現被稱為「康普頓效應」。1927年康普頓因發明「康普頓效應」而獲得諾貝爾物理學獎。康普頓一生的研究主要有三大方面:(一)20年代的X-射線,即「康普頓效應」。(二)30年代,康普頓的主要興趣實際是在核子物理研究,因為他預見到核能會給人類帶來巨大的利益,為了充分利用核能,康普頓決定先研究宇宙射線,同時好奇於密立根所謂的高能 γ 射線的宇宙射線是否會與和電子相互作用產生「康普頓效應」。他因此領導了從 1930 至 1940 年代長達 10 年的全球性對宇宙射線的研究。(三)40年代第二次世界大戰時,康普頓參與領導了有關原子彈的「曼哈頓工程」。

圖2. 亞瑟·康普頓(1892-1962)。圖/作者提供

芝加哥大學實行學季制(Quarter System),一學年共有 4 個學季,每個學季要求在學生在 10 週之內將每個學期制(Semester System)18 週的課程學完。在大師雲集的芝加哥大學物理系裡,躊躇滿志的熊子璥,開始了繁重的極具挑戰的求學之路。從 1932 年 9月開始的秋季和 1933 年的冬季的兩個學季內,除了選修了康普頓的「X-射線與電子學」外,還選修了山謬爾·艾立遜(Samuel K. Allison)的「原子結構」,以及理學院院長兼物理系系主任亨利·蓋爾(Henry G. Gale)的「物理光學」、「線性光譜」等課程,並積極準備德語和法語考試。到了1933年12月,熊子璥已完成博士學位前段所要求的 15 門課。根據導師康普頓的安排,熊子璥從 1933 年開始提前進入博士學位的研究項目中。至此熊子璥在芝加哥大學開始了跟隨康普頓從事宇宙射線的研究工作。

在芝加哥大學期間,熊子璥是被安排住在較舒適的國際學生公寓(International House),但在那段時間為了完成實驗,他日以繼夜的工作,除了上課外,常常連續幾個月睡在芝加哥大學物理系的 Ryerson 物理實驗室裡(圖4-1),和數學系的 Eckhart 大樓地下室(圖4-2)。

圖3. 熊子璥於1933年攝於美國

 

圖4-1. 1930年代的芝加哥大學Ryerson物理實驗室

 

圖4-2. 1930年代的芝加哥大學Eckhart大樓

1933 年在高空氣球上的宇宙線實驗

1933年5月為紀念芝加哥建市一百周年,以「世紀的進步」為主題的世界博覽會(Century of Progress International Exposition)在芝加哥召開。芝加哥世博會的展品集中展示了科學在工業生產中的成果。其中瑞士出生的比利時物理學家奧古斯特·皮卡德(Auguste Piccard)教授,說服芝加哥世博會舉行了一場「世紀的進步高空氣球飛行」演示。

皮卡德同時也是一位高空氣球探險家。1932年他在歐洲創下了高空氣球升空16,201公尺,成為第一個到達這一高度的人類的記錄。這一次,他獲得美國國家廣播公司(National Broadcasting Company)和《芝加哥每日新聞》(Chicago Daily News)的贊助。固特異(Goodyear)提供氣球,陶氏化學(Dow Chemical)提供吊籃,聯合碳化物公司(Union Carbide)提供氫氣。美國海軍還將選派了其唯一一位全天侯飛行員,被稱為「比空氣還輕」的海軍少校Thomas G. W. (Tex) Settle來操作。

高空氣球升空還有進行宇宙射線研究的任務,康普頓擔任汽球飛行的科學總監(Scientific Director)。康普頓還和當時已任教於加利福尼亞理工學院的羅伯特·密立根教授為高空氣球飛行提供用於研究的設備,熊子璥也參加了此次研究任務,並被康普頓指派去負責為皮卡德準備高空氣球升空的各種實驗儀器[6]。

1933 年 8 月 4 日晚是世博會一個重大時刻,近四萬人湧入芝加哥戰士體育場,觀看芝加哥世博會「世紀的進步高空氣球飛行」(圖5)。高空氣球當時是世界上最大的,有 60 萬立方英尺。升空前的慶祝儀式進行了 7 個小時,有士兵和水手的遊行,有大型樂隊表演,體育場的大喇叭裡還有康普頓從紐約曼哈頓傳來的聲音,他祝福升空能夠打破皮卡德的記錄,並收集到宇宙射線和紫外線的資料。淩晨兩點,105 英尺直徑的高空氣球升入雲端,可惜這次升空飛行在 15 分鐘後就以失敗告終,飛行高度只有 5 千英尺。

圖5. 1933 年 8 月 4 日晚第一次「世紀的進步高空氣球飛行」[6]
一個多月後,1933 年 9 月 30 日,蘇聯的 USSR-1 高空氣球成功升到了 6 萬 2230 英尺(18.9公里)的高空。當時雖然由於蘇聯不是國際航空聯合會(FAI)的會員,那一紀錄不被正式承認,但這新的高度卻成為了皮卡德的一個挑戰。

1933 年 11 月 20 日來自芝加哥大學以康普頓領導的科學家們又將各種實驗儀器、望遠鏡、照相機等放入皮卡德的高空氣球內,進行第二次「世紀的進步氣球」飛行(圖6)。這一次,為了避免第一次飛行失敗的窘境重演,升空飛行低調地移至固特異在俄亥俄州的阿克隆市(Akron, Ohio)為建造齊柏林飛艇的基地,並由陸軍少校 Chester L. Fordney 與 Settle 少校一齊操作。

第二次的高空氣球升空成功。高空氣球升到了 18665 公尺的同溫層高空,飛行長達 8 小時,進行 10 多項有關宇宙射線的實驗,最後降落在新澤西州的布里季敦市(Bridgeton, New Jersey) [7]。

熊氏蓋革-彌勒計數器法

熊子璥不僅參與第二次飛行的各種實驗儀器準備,並由此產生了一個新的實驗計畫:在同溫層的高緯度重複「博思-考爾赫斯特實驗」(Bothe-Kohlhorster experiment) [7],來證實宇宙射線是由帶電粒子構成。

博思-考爾赫斯特實驗是德國核子物理學和宇宙射線物理學研究的先驅沃爾瑟·博思(Walther Bothe)和另一位德國物理學家沃納·考爾赫斯特(Werner Kolhorster)用一種研究宇宙射線的方法--符合計數法(coincident counting),來顯示宇宙射線的軌跡。符合計數法在宇宙線的研究中得到了廣泛應用。1930年前後,宇宙射線領域裡的一些重要發現幾乎都和符合計數法分不開。符合計數法的發明也為核子物理、α射線和超聲波等方面的研究提供了有效工具。博思因提出符合計數法以及由此取得的發現,而獲得 1954 年度諾貝爾物理學獎。

然而在最後一刻,熊子璥所計畫的實驗卻無法在高空氣球上進行[7]。由於無法在同溫層高空做博思-考爾赫斯特實驗,熊子璥只能另劈蹊徑,重新構思;經過摸索,他又發明了新的實驗方法。這就是後人以熊子璥之姓氏命名的「熊氏蓋革-彌勒計數器法」。

有別於用兩個蓋革-彌勒計數器(Geiger-Muller Counter)重疊放置的博思-考爾赫斯特實驗,熊子璥的實驗是用了三個蓋革-彌勒計數器,如圖7所示[9]。圖中1、2、3標依次垂直地放著,最下面一個 3 是用 2.5 cm 鉛板圍護,三個計數器的垂直距離雖然固定,但在不附加 20 cm 厚鉛板[ 圖7 (a) ] 和放置鉛板於上面與中間計數器之間[ 圖7 (b) ] 及放置鉛板於上面計數器之上[ 圖7 (c) ] 的情況下進行測量,他巧妙地測量了不同安置狀況下的計數,記錄了上面二計數器雙符合計數和三個計數器的三重符合計數 [9]。

熊子璥的多次實驗結果說明,符合計數是由於有穿透力的帶電粒子而非由滲透過鉛的光子而產生的次級粒子所形成,其計算的吸收係數符合並驗證了以前用電離室得到的資料。

圖7. 熊氏蓋革-彌勒計數器安置簡圖(側視圖),圓圈為蓋革-彌勒計數器,斜線區為阻隔用的鉛板 [9]。

終結宇宙線大辯論的「熊氏宣講」

1934 年 6 月 28 日至 30 日美國物理學會第193屆大會在密西根大學召開,熊子璥被康普頓派往大會宣讀他的研究成果。大會在密西根大學法學院剛落成不久的 Hutchins 大樓召開(圖8),那是一次物理界群英相聚的大會。與會學者有250人之多,由當年擔任美國物理學會會長的康普頓,芝加哥大學化學家和物理學家、後因研究化學鍵和分子中的電子軌道方面的貢獻而獲得1966年諾貝爾化學獎的羅伯特·馬利肯(Robert S. Mulliken),以及密西根大學物理系教授、微波光譜學創始人內爾·威廉姆(Neal H. Williams)三人共同主持。

大會共有 45 篇論文交流宣讀,宣讀者中包括後來參與原子彈研製的核子物理學家羅伯特·巴查(Robert Bacher);世界著名物理學家和天文學家,科普界一代宗師喬治·伽莫夫(George Gamow);脈衝雷達理論的建立者喬治·布賴特(Gregory Breit);因發現測定原子核磁性的共振方法而獲得了 1944 年度諾貝爾物理學獎的伊西多·以撒·拉比(Isidor Isaac Rabi)等。

圖8. 密西根大學Hutchins大樓,1934年6月28日至30日美國物理學會第193屆大會在此召開

熊子璥在 1933 年的實驗為康普頓的宇宙射線是由帶電粒子構成的假說提供了又一充分論證,他大膽創新的設想和勤奮嚴謹的工作換來豐碩的成果。他的論文被排在第一位宣讀,報告的題目為「宇宙射線為粒子假說的符合計數的測試」。6月30日當地報紙密西根日報(The Michigan Daily)以「熊氏宣講」(Hsiung Speaks)為題報導大會情況。

熊子璥的論文發表後,立刻引起關注。華盛頓卡耐基研究所在1934年6月期出版的年鑒(Carnegie Institute of Washington Yearbook) 立即就專門有介紹說:「熊子璥應用蓋革-彌勒計數器發明了一種新的實驗方法,用於測試粒子性質的符合計數[10]。他的實驗證實了博思,考爾赫斯特和羅西以前的實驗,從而證實了宇宙射線由帶電粒子組成」--證實了義大利物理學家羅西在1931年提出從海平面觀察到的宇宙線,本質上是由能量非常高的帶電粒子組成的學說。密立根在1932年進行了多次實驗,後來的論文也證實原始宇宙線是帶電粒子。從此終結了宇宙線是粒子(羅西、康普頓等人所主張)或是電磁波(密立根)之大辯論。

熊子璥的殊榮

1934 年 8 月熊子璥獲得物理學哲學博士學位,成為芝加哥大學物理系自 1897 年授于哲學博士學位以來,繼李耀邦 (1915年) 、吳有訓 (1925年) 、謝玉銘 (1926年) 及魏學仁 (1928年) 以來第五個獲得此殊榮的中國人。

1934年10月被全球物理學界公認為最具權威的美國物理學期刊《物理評論》(Physical Review) 刊登了熊子璥的這一論文(圖9)[9]。因此熊子璥成為1920~30年代不僅能夠僅用兩年時間取得博士學位,也能夠在《物理評論》上發表論文的少數中國科學家。

在自此後的十二年間,在美國,德國和法國就有近三十篇有關宇宙射線的文章引用了熊子璥當年的實驗結果,僅在《物理評論》上就有十四篇。甚至由近代中國歷史上第一個民間綜合性科學團體--中國科學社所創辦的《科學》雜誌,在1939年第23期,也報導了熊子璥的論文[11]。他的實驗方法後被稱為「熊氏方法」(Hsiung’s Type),而這種裝置稱為「熊氏裝置」(Hsiung Apparatus)。

熊子璥是康普頓繼吳有訓之後所收的第二位中國博士生。一開始康普頓對這位中國學生還不瞭解。然而不久熊子璥所顯示的能力卻超出康普頓的預期。使康普頓感到印象深刻的是熊子璥對工作巨大熱情以及對無線電設備的熟悉[6]。鑒於熊子璥對芝加哥世博會高空氣球的飛行實驗中傑出表現,儘管實驗沒有成功,康普頓在1934年《美國科學院院刊》第一期上介紹第二次「世紀的進步高空氣球飛行」的文章中[7],還是提及了熊子璥所計畫的實驗專案。甚至到了1939年,當康普頓在向美國哲學會報告高空氣球飛行進展時,雖然熊子璥早在1934年已回到中國,他仍將熊子璥列為自己的團隊名單。

圖9. 1934年10月期美國《物理評論》(Physical Review) 上熊子璥論文的第一頁[9]。

在熊子璥的論文發表後,康普頓本人在1936年就有兩篇文章評及熊子璥的實驗。在由美國物理學會1936年2月出版的《科學儀器評論》(Review of Scientific Instruments)上一篇題為「宇宙射線最新發展」的文章中[12],康普頓指出:「熊子璥的實驗得出在海平面穿透射線是由高速帶電粒子組成的必然結論。」在《物理評論》1936年12月期上一篇題為「作為帶電粒子的宇宙射線」文章中[13],康普頓說:「熊子璥用不同的實驗方法顯示這些穿透粒子不是在海平面上產生的次級粒子,必定是來自遠於實驗裝置的(粒子) 。」

由於熊子璥的重大貢獻,他被美國 Sigma Xi 科學榮譽學會第176次會議選為會員(圖10),並獲得金鑰匙獎。Sigma Xi 是美國大學給予研究生的最高榮譽。當年與熊子璥一同被選入 Sigma Xi 的還有同樣來自芝加哥大學物理系,當時也在康普頓指導下攻讀碩士學位的路易士·阿爾瓦雷斯(L. W. Alvarez)。阿爾瓦雷斯因對基本粒子物理學的決定性的貢獻而獲1968年度諾貝爾物理學獎。二十世紀是現代物理學發展的繁榮時期,熊子璥能與那麼多的大師們同台共舞實屬有幸。

圖10. Sigma Xi科學榮譽學會第176次會議選出包括熊子璥在內的新會員名單

在熊子璥發表論文的 60 年後的 1994 年,芝加哥大學物理系的康普頓傳記撰寫人辛普森(J. A. Simpson)教授在代表芝加哥大學物理系對熊子璥的研究成果有這樣一番評價:

「熊子璥在1932-34年間進行了一項第一流水準的實驗。這個實驗令人信服地確證了在大氣深處存在著具有極強穿透力的帶電粒子,其結果對大氣中次級宇宙線性質的確立,以及以後介子成分的發現極具重要性。」(圖11)

1947年,英國物理學家塞西爾·弗蘭克·鮑威爾(Powell)等人從宇宙射線中發現了日本物理學家湯川秀樹1930年所預言的 π 介子。湯川秀樹與鮑威爾因此分別於1949年和1950年而獲得諾貝爾物理學獎。

熊子璥在回到中國後,並沒有忘記自己的恩師。在吳有訓、熊子璥等推動下,中國物理學會在1944年6月9日授與康普頓中國物理學會名譽會員。10月31日,康普頓在回函中除了致以高度謝意外,並說「美國科學家們看到中國的同行們在困難情況下還能堅持科學工作,感到非常鼓舞。」[14]

圖11 芝加哥大學物理系辛普森(J. A. Simpson) 教授在1994年的康普頓傳記中提到對熊子璥的評價[14]。

參考資料

  1. 黃明輝,(2011/8),宇宙線的世紀探索,臺北星空(天文館期刊),53: 16-22
  2. 蕭先雄,20世紀初的極限運動:發現宇宙線,物理雙月刊33:266-270
  3. 楊建鄴(1998) 。驕傲帶來的苦果:密立根與康普頓關於宇宙射線本質的爭論,自然辯證法通訊。199804:47-57。
  4. Millikan said “The Creator is still on the job.” Reported by Time Magazine, “Science: Creation & Destruction “, Oct. 15, 1934
  5. Bruno Rossi, “On the Magnetic Deflection of Cosmic Rays”, Phys. Rev. 36: 606, 1930
  6. Arthur H. Compton康普頓1933年給洛克菲勒基金會的報告
  7.  Arthur H. Compton, “Scientific Work in the “Century of Progress” Stratosphere Balloon”,Proceedings of the National Academy of Sciences,78~81,Jan. 1934
  8. 魏榮爵(1995/11) 。追憶物理學家熊子璥教授.。物理24:700-702
  9. David S. Hsiung, (1934) A coincidence test of the corpuscular hypothesis of cosmic rays, Phys. Review, 46: 653; DOI: 10.1103/PhysRev.46.653
  10. Carnegie Institute of Washington 1934, “Year Book”,V.33:320~321,1934
  11. 科學新聞(1939) Science New, Science, No.8/9《科學》雜誌V23: P457
  12. Arthur H. Compton (1936/02) “Recent Development in Cosmic Rays”,Review of Scientific Instruments”,February,7:71-81; DOI:10.1063/1.1752085
  13. Arthur H. Compton (1936) “Cosmic Rays as Electrical Particles”,Physical Review,50:1119-1130; DOI:10.1103/PhysRev.50.1119
  14. 康普頓1944年10月31日給中國駐美使館一等秘書T.L. Tsui的回函

作者簡介

  • 熊克儉(Steve Hsiung)
    熊子璥博士嫡孫。現任職於美國矽谷一家高科技公司擔任主管工程師,曾發表過10餘篇論文並持有4項美國專利。聯繫方法:stevehsi@yahoo.com。
  • 黃明輝副教授
    任職於聯合大學能源工程學系,專長領域是粒子天文物理與太陽能系統。E-mail: mahuang@nuu.edu.tw

後記與致謝

為紀念維克爾·海斯(Victor Hess)發現宇宙線100週年,2011年八月號的物理雙月刊便以宇宙線為主題,由筆者(黃明輝)主編,另外邀請三位學者撰文,說明宇宙線研究的歷史、研究現況與衍生的科學。其中由蕭先雄教授撰寫的文章中[2],由筆者建議加入一段有關熊子璥教授的貢獻。多年之後,熊子璥教授的嫡孫熊克儉先生閱讀到此文,才跟蕭先雄教授聯繫上。筆者感謝蕭教授轉告。熊克儉先生主動提出本文,更詳細地說明熊子璥教授的一些歷史軼事。經過筆者潤飾後,兩人共同發表本文。

 

本文轉載自《物理雙月刊》39 卷 6 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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如果子彈飛到最高點時,伸手抓住會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/05/10 ・1577字 ・閱讀時間約 3 分鐘

有什麼方法可以開槍讓子彈在空中飛,然後安全的用手接住?比方說,開槍射擊的人在平地,而接住子彈的人在山上,位於射程的最遠處。
——艾德蒙.許(Edmond Hui),倫敦

接住!

「接住子彈」是舞台上的特技,表演者看似接住射擊出來飛到一半的子彈——通常是用牙齒接住的。當然啦,這是錯覺,像那樣接住子彈是不可能的。

但在適當的條件下,你可能接得住子彈,只是要有很多的耐心和運氣。

直直向上射擊的子彈最終會達到最大高度。子彈可能不會完全停止;比較可能的是,它會以每秒若干公尺的速率往旁邊偏移。

如果有人舉槍向上射擊子彈……。

……而你乘著熱氣球在射程範圍的正上方閒晃……

……當子彈飛到最高點時,你伸手出去抓住子彈,這是有可能的。

你不應該做的事情

(清單已更新)

#156,812 吃洗衣膠囊球

#156,813 在雷雨中踩高蹺

#156,814 在加油站放煙火

#156,815 餵你的貓吃「與人類手部形狀質地」一模一樣的零食

#156,816 在間歇泉噴口上方彎腰低頭想要一窺究竟

#156,817(新增!)搭乘熱氣球飛越射程範圍

如果你在子彈弧線的最高點成功抓住子彈,或許你會注意到奇怪的事情:子彈除了很燙之外,還會自旋。

它會失去向上的動量,但不會失去自旋角動量;子彈仍然具有槍管造成的自旋。

當子彈射擊在冰面時,可以很明顯的看到這種效應。正如數十部 YouTube 影片所證實的那樣,我們常發現射進冰中的子彈仍在快速自旋。你必須緊緊抓住子彈,不然它可能會跳出你的手掌心。

如果你沒有熱氣球,在山頂很有機會行得通。加拿大索爾山(Mount ­Thor)的垂直落差有 1,250 公尺。根據「近距離對焦研究」(Close Focus Research)彈道學實驗室的數據,這幾乎剛好是 0.22 長步槍子彈直直向上射擊會飛的高度。

如果你想要用更大的子彈,就需要更大的落差;AK-47 子彈向上射擊可能超過 2 公里。地球上沒有那麼高的垂直懸崖,因此你需要以某個角度發射子彈,結果子彈在弧線頂點會具有顯著的橫向速度。不過,夠硬的棒球手套也許有辦法接住子彈。

其中任何一種情境下,你都必須非常走運。由於子彈的弧線有不確定性,你恐怕必須射擊數千發子彈才能碰巧接個正著。

等到那個時候,你可能會發現自己招來了某些人的關注。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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強核力與弱核力理論核心:非阿貝爾理論——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/28 ・1733字 ・閱讀時間約 3 分鐘

非阿貝爾理論

量子色動力學與弱核力理論有個更為奇特的性質,兩者都是「非阿貝爾理論」 (non-Abeliantheories)。非阿貝爾的意思是強核力與弱核力理論核心(參見【科學解釋 6】)的對稱群代數是不可交換的。簡單來說就是「A 乘 B」不等於「B 乘 A」。

一般人的常識會告訴你,如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣,你用計算機怎麼試答案都不變。一個袋子裝三塊錢、兩個袋子總共是六塊錢;一個袋子裝兩塊錢,三個袋子總共還是六塊錢。

如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣。圖/pixabay

這件事對數字永遠都成立,是千真萬確的事實。然而,我們有個很好的方法能定義出一套數學架構,其中的 AB 不等於 BA。實際上,數學家已經鑽研這個領域很多年了。

條條大路通數學

或許更驚人的是,物理學家竟然也在許多地方應用這套數學,因為某些和物理學相關的事物也是 AB 不等於 BA。矩陣就是我們表示這些東西的一種方式。現在我在倫敦大學學院為新生上的數學方法課就有介紹矩陣力學。以前我的學校制定了一套「新數學」的課綱,所以我在年僅十五歲的時候就多少認識一點矩陣了。

數學的一個矩陣是一群按照行列排列整齊的數字。把兩個矩陣 A 和 B 相乘,會得到另一個矩陣 C,方法是把對應的列和行上面的數字依序相乘。

這種矩陣聽起來可能不像某部電影裡面那掌控一切、創造虛擬實境的超級電腦一樣迷人,卻有用的多。這部電影的角色身穿黑色皮衣,還有出現著名的慢動作躲子彈鏡頭

慢動作躲子彈鏡頭。圖/giphy

我來舉個例子。

你可以用一個矩陣來描述你移動某個物體的結果。相乘的順序(AB 或 BA)在這個例子有明顯的區別。物體先在原地轉九十度再向前直直走十公尺,和先走十公尺再轉九十度,兩種移動方式最後的終點顯然不會相同。假設矩陣B代表旋轉,矩陣 A 代表直行,那麼合在一起的「旋轉後直行」就是矩陣(C = AB);這和「直行後旋轉」的矩陣(D = BA)必定不會相同。C 不等於 D,所以 AB 不等於 BA。要是 AB 和 BA 永遠相同,我們就沒辦法用矩陣來描述這類的移動過程了。正是因為矩陣的乘法不可交換―非阿貝爾,這個工具才會如此有用。

數學和真實世界密不可分

在狄拉克試圖要找出能描述高速電子的量子力學方程式時,矩陣被證實是他所需要的工具。實際上,電子有某項特性讓狄拉克不得不使用矩陣來表示它,這項特性與他描述電子自旋的語言同出一轍;所有原子的行為和元素周期表的規律,都與自旋有深刻的關聯。除此之外,這個性質也啟發狄拉克去預測有反物質的存在。

數學和真實世界之間似乎有緊密的關係,這讓我讚嘆不已。優秀的研究要能解決問題、也要能提出好的問題。而問題永遠比解答還要多,為了研究我們要付出許多的時間和金錢,因此大家得做出抉擇。數學是威力極大的工具,能幫助科學家檢查實驗數據、並從結果當中尋找最有趣的新實驗方向。就算有些方法和結論,好比矩陣及反物質,看起來可是相當古怪的。

秉持著這份精神,我要在繼續討論希格斯粒子搜索實驗之前,先繞個路來講微中子,最後這回要介紹的是一個很重要的真實結果。2012 年 3 月 7 日,中國的大亞灣核反應爐微中子實驗(DayaBay Reactor Neutrino Experiment)發表了最新的研究成果。

One of the Daya Bay detectors.圖/wikipedia

他們的實驗結果不但對標準模型影響重大,也會決定粒子物理學未來的研究走向。如果你只想要繼續讀希格斯粒子的故事,大可跳過這一段沒關係,下一節再見。但是微中子的粉絲可千萬別錯過精彩好戲了!

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。

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【科學寶可夢】朱/紫中的骨紋巨聲鱷 & 狂歡浪舞鴨:一個締造火焰新紀錄、一個用腳踢破音速
Rock Sun
・2022/12/23 ・3135字 ・閱讀時間約 6 分鐘

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!跟著泛科空想寫手 Rock 一起來上一門訓練師的科學課吧!來跟大家分析這些寶可夢的戰鬥是多麼的「科學」。

骨紋巨聲鱷:火焰溫度新紀錄

Skeledirge - WikiDex, la enciclopedia Pokémon
圖/Bulbapedia

啊~火焰!

幻想世界中骨灰級的攻擊武器,也是空想科學寫作時常遇到的對手。

在過去的【科學寶可夢】中,火焰已經不是第一次出現了。第二篇關於噴火龍的科學中就有稍微提到,後來因為鴨嘴火龍和火伊布的圖鑑敘述都有提到他們火焰的溫度,所以在同一篇一起分析過,但那已經是第一世代寶可夢的事了~ 現在圖鑑都來到 900 號了,事情果然很不一樣。

溫柔的歌聲能治癒聽者的靈魂,會使用攝氏 3000 度的火焰把敵人燒成灰燼。」——骨紋巨聲鱷紫版敘述註1

骨紋巨聲鱷的敘述很直接,就是直接說出了牠噴出的火焰溫度,這簡直是一個福音,這樣我們就不需要到處拼湊,可以直接地將這個數字與過去的幾個得到的火焰溫度做比較。

噴火龍:至少 1400 ℃

鴨嘴火龍:1200 ℃

火伊布:1650 ℃

火爆獸:800℃

骨紋巨聲鱷:3000℃

這也太高了吧!?先別說生物怎麼有辦法產生這種高溫註2,真的要把人燒成灰燼哪裡需要 3000℃ 啦!

就算燒成這樣只要幾百度應該就夠了。圖/維基百科

一般把屍體燒成骨灰的火葬場,溫度只需要 1000℃ 就夠了,3000℃ 根本是大材小用,而你知道這個溫度能夠辦到什麼事嗎?

絕大部分我們知道的物質在這種溫度下都會熔化或者汽化,能夠倖存的元素大概只有鎢、錸、鋨這幾個金屬還有一些特殊的聚合物了;如果燒的是人的話,別說是燒成灰,整個身體一定在一陣白光下消失的無影無蹤……因為在這種溫度下,火焰不會是正常的橘紅色,而是白色的。

這時如果骨紋巨聲鱷的訓練師就直接站在它旁邊,就算不是被直接擊中,他那超過岩漿溫度兩倍的 3000℃ 火焰所散發出的熱氣和輻射熱註3,應該足以讓訓練師瞬間嚴重灼傷,再加上強光,這絕對是不支倒地然後變成逐漸變成焦屍,然後跟四周的花草樹木付之一炬。

所以如果要叫你的骨紋巨聲鱷使出噴射火焰的話,記得先閃的非常非常遠,放招後遠距離收回寶可夢,然後趕快離開被焚化、整個燒得亂七八糟的現場。

「我只是叫我的骨紋巨聲鱷用一下火花」。圖/envato.elements

狂歡浪舞鴨:這到底是哪一國的超強踢腿舞啊?

圖/Bulbapedia

如果要說格鬥系的寶可夢要怎麼在圖鑑中誇耀他們的力量,最常用的方式就是:把東西丟出去或弄壞。

在以前的的腕力+豪力+怪力的文章中,我們可以看到各種誇耀寶可夢力氣的方式,例如、「能夠跟 100 個成年人角力把他們摔出去」、「可以用一隻指頭舉起相撲選手」、「有辦法舉起一台垃圾車」、「把人打飛到地平線彼端」……等。

而這次,我們的狂歡浪舞鴨的特技是能夠踢翻一台卡車。

只要一腳就能踢翻卡車的強韌腳力,展現充滿異國風情的舞蹈。」——狂歡浪舞鴨朱版敘述註4

要計算這有多誇張,我們需要知道一個非常重要的資訊……究竟是哪一種卡車呢?

卡車這種交通工具有非常非常多的規格,最輕的例如小皮卡只有 2~2.5 公噸,最重的可以達到 15 公噸,甚至在某些重工業地區可以找到更重的運貨卡車。

寶可夢朱/紫據稱是參考西班牙為藍本設計的,經過一番搜尋之後,筆者得知西班牙地區是全歐洲輕型卡車比例最高的地方註5,這類卡車本身重大概介於 3~4 公噸之間,如果滿載貨物的話,重量可以達到 10 公噸以上,我們這邊就大概取個平均值 7 公噸好了。

像這類的卡車就是輕型卡車~ 圖/ISUZU

然後我們還得先定義踢翻卡車這件事情:我們就假設狂歡浪舞鴨用腳朝卡車的側面一半高的地方踢下去,然後車子會以一邊的車輪為支點翻過去,側面著地。

經過一些力矩的計算,我們可以知道要把一台 7 公噸重的卡車踢翻,需要從從中間給予大約 68600 牛頓的力……這可比一台小汽車引擎全力輸出時的力道還要強啊~

筆者自製大略圖解

但是最誇張的還在後面!

最後一步,我們想要知道狂歡浪舞鴨的這一腿到底有多快!要得到這個結果,筆者需要知道此鴨的整隻腳重量為何,因為畢竟是腳在對卡車施力的。

圖鑑上寫說狂歡浪舞鴨體重為 62 公斤,而牠的外貌滿接近人形生物的,所以我們先參考人體結構來預估。人類的一整支腳平均占全身體重的 16~18% 左右,我們的狂歡浪舞鴨看起來腿略長,而且既然是格鬥系的,那牠的腿應該很壯,我們就假設牠的整隻腿重量占比更多,大概是全身的 25%,重量的話就是差不多 15.5 公斤。

要計算牠這腿速度多少,我們最後剩下需要的假設的就是假設腿和卡車的接觸時間,依照之前的經驗,就姑且設定為 0.1 秒接觸,然後腿踢中之後立刻停下,再加上很不合理的力道 100% 轉換假設,但是相信我~不這麼做的話答案只會更扯。

套入牛頓第二運動定律的公式,我們可以知道這腿在停下來之前,速度高達秒速 443 公尺也就是音速的 1.3 倍,這也太快了吧!你的腳怎麼沒有被音爆撕裂啊?相較之下,泰拳高手秒速 17 公尺的踢擊根本是個笑話,如果被狂歡浪舞鴨的這一腳踢到,我看大部分的寶可夢應該是內臟破裂死亡了。

如果是普通人的話,被踢一腳一定直接全身骨折,內臟破裂,任督二脈也不用通了。圖/GIPHY

這真是太恐怖了,但狂歡浪舞鴨你為什麼無聊要去踢卡車啊?這種腳力你應該要去踢足球啊!還有這到底是哪一國的舞蹈會有如此的訓練呢?真想知道~

註解:

  1. 骨紋巨聲鱷的另一版敘述是「可以透過歌聲改變外形的火鳥,據說是靈魂寄宿在頭上的火球所形成的。」,從這個敘述我們知道牠的火焰跟某種靈魂力量有關,這大概就是為什麼火焰溫度能達到 3000 度的秘訣吧?話說筆者很確定是這裡的溫度是說攝氏,因為英文版的敘述中有寫是 5400 華氏。
  2. 也有可能……骨紋巨聲鱷根本不是生物!畢竟牠有幽靈屬性,但這表示牠的出現根本不是進化,而是死亡呢?
  3. 這裡我們因為 3000℃ 的火焰而傷透腦筋,但你知道嗎?這還不是寶可夢圖鑑裡最扯的,有兩隻寶可夢:熔岩蝸牛 和 噴火駝,他們的圖鑑敘述都寫到牠們能夠產生 1 萬度 ℃ 的高溫,前者是體溫,後者是噴出的岩漿,這確定不是多寫一個0嗎? 目前科學家有辦法產出最高的溫度只有 4990℃ 而已啊~
  4. 狂歡浪舞鴨另一版的敘述是「會用充滿異國情調的舞蹈迷倒看到的對手,然後揮舞以水構成的羽飾將其劈裂。」為什麼羽飾是用水構成的啊?這是怎麼辦到的?這跟強力水刀差在哪裡?
  5. 幸好這代寶可夢不是參考德國,因為這是歐洲重型卡車比例最高的地方,如果狂歡浪舞鴨源自這裡,他這一腳一定超出天際。

Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者