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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

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  • 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。

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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。

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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。

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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]。

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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]。

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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]。

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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。

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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]。
  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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《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。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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進軍太空產業!SpaceX 啟航,台灣太空中心佈局低軌衛星供應鏈——當商用電子產品從地面上太空,必經哪些環境測試?
宜特科技_96
・2024/12/02 ・4777字 ・閱讀時間約 9 分鐘

低軌衛星引爆全球商機,全球太空經濟在 2040 年預計突破 1 兆美元,許多國家跟科技大廠都加速投入太空市場,台灣也成立太空國家隊。但面對火箭與太空環境嚴苛的考驗,如何在地面模擬測試,使產品能在軌道順利運行?

本文轉載自宜特小學堂〈從地面到太空 商用衛星電子零組件必經的測試〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

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自從 1957 年第一顆人造衛星發射後,現今已有近萬顆衛星在太空飛行,並且數量持續增加中。衛星已經跟我們的日常生活密不可分,例如地圖導航、實況轉播等,另外.俄烏戰爭中使用「星鏈」衛星通訊連網,台灣也在今年四月的花蓮地震首次使用低軌衛星技術,協助災區通訊。因此,發展衛星科技除了民生用途,也深具國家安全考量。

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台灣從 2019 年到 2029 年,於第 3 期「國家太空科技發展長程計畫」投入超過新台幣 400 億元,進行低軌通訊衛星的研製、規劃國家發射場與人才培育。工研院估算,至 2030 年全球每年將發射 1,700 顆衛星升空,屆時將創造至少 4,000 億美元的產值。根據美國衛星產業協(Satellite Industry Association)預計,全球太空經濟在 2040 年更有望突破 1 兆美元,其中衛星產業占比上看 88%,達 9,252 億美元。

衛星按軌道高度可分成低軌(LEO<2,000 Km)、中軌(MEO<10,000 Km)以及地球同步軌道衛星(GEO~35,800 Km),重量從幾公斤到數百公斤不等,其中 SpaceX Starlink 低軌通訊衛星近年轉商業化,開啟了新太空經濟模式。另外立方衛星(CubeSat)造價門檻相對低,成為切入衛星技術研究的熱門標的。衛星產業鏈日趨成熟,以及衛星發射和製造成本的降低,帶來龐大的太空商機,相應的電子零組件需求亦隨之增加,讓不少廠商對邁向太空市場摩拳擦掌。

衛星依據軌道高度的分類。圖/宜特科技

衛星是由幾個次系統整合而成,包含姿態控制、電力、熱控、通訊、推進和酬載(Payload)…等。例如遙測衛星(Remote Sensing Satellite),它的功能是繞地球軌道拍攝照片,其中姿態控制次系統使鏡頭能維持對著地球方向;影像感測器則是攝取影像的酬載,電力次系統負責電力儲存與電源管理,最後將照片透過通訊次系統傳回地面。

衛星內部有我們熟知的各種電子零組件,正統太空規的電子零組件要價不斐,且某些零件因各國管制政策不易取得,而商用現貨(Commercial Off-the-Shelf,簡稱 COTS),例如電腦、手機和汽車採用的電子零組件,價格親民、性能良好,供貨也較充沛,近年採用 COTS 執行太空任務是相當熱門的趨勢。

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衛星的次系統。圖/宜特科技

那麼,COTS 電子零組件要上太空,必須經過哪些驗證測試?本文將從火箭發射環境、太空環境,逐一說明 COTS 欲跨入太空應用將面臨的挑戰和驗證測試方式。

3.2.1 發射!火箭發射對電子零組件的影響

1. 振動測試

衛星在地面製造組裝,需考量溫度、濕度、粉塵汙染等影響;組裝好的衛星搭乘火箭從地面發射,首先會承受火箭的劇烈振動,振動測試機可以在地面模擬火箭發射,以垂直與水平方向進行振動測試。不同的火箭有不同的振動大小,例如美國 SpaceX 獵鷹重型火箭的振動測試參數,以每秒鐘 10~2,000 次的振動頻率,重力加速度到幾十倍,振動測試可用來確認衛星或電子零組件在經歷發射過程仍能正常運作。

美國 SpaceX 獵鷹重型火箭發射。圖/p.7, SPACE X FALCON USER’s GUIDE, August 2021

立方衛星振動測試。圖/Sat Search

2. 音震測試

火箭發射過程會產生音震(Acoustic Noise),尤其是面積大且薄的零件,特別容易受音震影響,例如太陽能電池板,天線面板等。音震可能會使這些零件破裂、機構損壞、功能異常。音震艙就是用來模擬火箭所產生的音震,測試時將液態氮汽化,此時液態氮體積會瞬間膨脹數百倍產生巨大壓力,再經由喇叭將氣流動能轉為聲波導入音震艙,測試音震艙內的衛星或零件。

音震艙測試。圖/European Space Agency

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3. 衝擊測試

當火箭離開地面抵達一定的高度時,各節火箭引擎開始陸續分離,接著整流罩展開釋放衛星入軌,這些過程都會產生衝擊(Shock),對衛星內部零件的焊接點、晶片,或其他脆性材料都是嚴苛的考驗。因此需要在地面先進行衝擊測試,了解衛星與其電子零組件對巨大衝擊的耐受程度。

火箭整流罩打開釋放衛星。圖/German Aerospace Center 

衝擊測試。圖/金頓

4. 電磁相容性測試

此外,因為各種電子零組件集中在火箭狹小空間內,衛星跟火箭之間的電磁干擾可能會影響任務,因此衛星在發射前也需經過電磁相容性測試(EMC),確保衛星所使用的電子零組件不會與火箭之間互相干擾。

電磁相容性測試。圖/ European Space Agency

  1. 熱真空循環測試

低軌衛星以每秒七公里的時速飛行,大約九十分鐘繞行地球一圈,衛星繞軌飛行處於真空環境,同時也會面臨溫差挑戰,當衛星被太陽正面照射時,其溫度高達攝氏 120 度,遠離太陽時,溫度可能低到零下 120 度。另外,真空環境可能使電子零組件因散熱不良燒毀,真空低壓也會造成零組件材料分解、腔體洩漏(Leak),或是零組件釋氣(Outgassing)產生汙染。

熱真空循環測試(Thermal Vacuum Cycling Test)可模擬太空環境真空狀態與溫度變化,測試時會將衛星或電子零組件架設於極低壓力的真空艙內,再經設備以輻射、傳導方式對衛星或電子零組件升降溫以模擬太陽照射,此時衛星或電子零組件處於通電運作狀態,須即時監控觀察其功能是否正常。熱真空循環通常測試為期一週甚至更長,也是衛星或電子零組件常見的失效項目。

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熱真空艙測試。圖/TriasRnD

  1. 輻射測試

少了大氣層的保護,電子零組件在太空環境會直接面對輻射的衝擊。以地球軌道而言,輻射環境包含輻射帶(Van Allen Belts)、銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Rays,簡稱GCR)以及太陽高能粒子(Solar Energetic Particles,簡稱SEP),這些輻射環境充斥大量的電子、質子,以及少數的重離子(Heavy Ion)等,若擊中衛星的電子零組件可能造成資料錯亂(Upset)、當機,甚至永久性故障。衛星在軌道運行壽命短則幾個月,長則數十年,衛星在軌道運行時間越長,受輻射衝擊影響就越大。

地球軌道輻射環境。圖/宜特科技

輻射對電子零組件的影響有以下三大類:

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太空輻射對電子零組件的三大效應。圖/ESA

  1. 總電離劑量效應(Total Ionizing Dose Effect,簡稱TID)

電子零組件在太空環境長期累積大量質子與電子輻射是 TID 效應的主因, TID 會造成 MOS 電晶體 Threshold Voltage 緩慢飄移,零件漏電因此逐漸增加,漏電嚴重時則會導致零件燒毀。衛星可視為大型的無線行動裝置,依賴太陽能蓄電,電力相當珍貴,若衛星內諸多的電子零件都在漏電,將造成衛星電力不足而失聯或失控。

  1. 位移損傷效應(Displacement Damage,簡稱DD)

質子對電子零組件會產生另一種非輻射效應,稱為位移損傷效應(DD),屬長期累積大量質子的物理性損傷,質子會將半導體零件內的矽原子打出晶格外,形成半導體的缺陷,零件漏電也會逐漸增加,其中光電零件對 DD 效應較敏感,例如影像感測元件,DD 會造成影像品質降低,另外也會使衛星使用的太陽能電池(Solar Cell)轉換效率下降。

  1. 單一事件效應(Single Event Effect,簡稱SEE) 

TID 與 DD 可以看成慢性病,是電子零組件長期在軌累積大量質子與電子作用所造成的漏電效應,SEE 就是屬於急性症狀,隨機發生又難以預測。質子與重離子都會造成電子零組件的 SEE 效應,而重離子比質子更容易引發 SEE,太空環境的重離子數量雖然相對少,但殺傷力強,一顆重離子就可能使電子零組件當機或損壞。

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SEE 造成的故障可分成 Soft ERROR 與 Hard Error 兩大類。 Soft Error 的徵狀為資料錯亂、當機、功能異常等,重啟電路可恢復其運作,但若電子零組件對輻射很敏感,當機頻率過高則會影響任務執行,因此需以輻射測試評估其事件率(Event Rate)。Hard Error 則是永久性故障,例如重離子容易引發半導體零件栓鎖(Latch-Up)現象,若沒有對應機制,零件可能因大電流燒毀,因此 SEL (Single Event Latch-Up)是太空電子零件輻射耐受度最重要的指標之一。

單一事件效應的各種現象。圖/宜特科技

太空環境有各種能量的粒子,包含:質子、電子、重離子…,能量越高的粒子可穿透越厚的物質或外殼。低能量的粒子可被衛星外殼(鋁)阻擋,但衛星發射成本主要以重量計價,外殼厚度相當有限(通常為幾毫米厚的鋁材);而高能量的粒子則會穿透衛星外殼,影響電子零組件運作,因故使用於太空環境的電子零組件必定會被輻射影響,在上太空前必須經過輻射測試評估其特性。COTS 電子零組件,都有一定的抗輻射能力,但是必須經測試了解輻射耐受度是否適用於太空任務需求。

美國 NASA 的太空輻射實驗室。圖/NASA

COTS 電子零組件上太空前必須經過「發射環境測試」,包括模擬火箭發射時所產生的振動、音震、衝擊、電磁相容性測試,以及太空環境熱真空循環和輻射測試等,更多的測試項目就不一一細數,通過這些測試後,更重要的是取得「飛行履歷」(Flight Heritage),將產品發射上太空,若能成功執行各種任務,取得越多飛行履歷,產品的身價就越高,太空產業非常重視飛行履歷,飛行履歷也是產品的最佳保證書!

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宜特是亞洲最完整的太空環境測試第三方實驗室, 2019 年與國研院太空中心合作推動台灣太空產業發展。自 2021 年加入台灣太空輻射環境驗測聯盟以來,我們已完成多種電子零組件的輻射測試,涵蓋了類比、數位、記憶體、射頻等。我們將持續建構更完整的太空環境驗證測試能量,提供一站式服務。協助廠商可專注於產品的設計與製造。

本文出自 www.istgroup.com

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宜特科技_96
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我們了解你想要的不只是服務,而是一個更好的自己:) iST宜特自1994年起,以專業獨家技術,為電子產業的上中下游客戶, 提供故障分析、可靠度實驗、材料分析和訊號測試之第三方公正實驗室

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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