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這個男人,用物理學挑戰山寨 seafood 的超能力--山川健次郎參上!(2)

物理雙月刊_96
・2017/11/28 ・5714字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

  • 文/高崇文|中原大學物理系教授

上一回的阿文開講,介紹了山川健次郎的前半生,但是他的人生故事還沒結束喔!讓我們來看看,在一路追求「文明開化」的時代中,他又遇到了什麼有趣的事。

追趕西洋科技的腳步

1895 年底,倫琴發現 X 光的消息轟動整個物理界,當時正在柏林的長岡半太郎很快地就將這個消息傳回日本,長岡也是第一個親眼看到第一張 X 光人體(手)照片的日本人。很快地,日本的物理界開始嘗試複製倫琴的實驗。

第一組成功的團隊正是東大的山川健次郎與他的助手鶴田賢次。當時實驗用的克魯斯管(Cathode ray tube,陰極射線管)還是鶴田自製的呢。第一高等學校的教授,也是長岡的同學水野敏之丞在 1896 年 3 月 25 日在東洋學藝雜誌登了一篇文章,除了介紹倫琴的發現,也提到山川與鶴田的 X 光實驗,而 5 月 17 日在東京數學物理學會年會中,山川還給了一場演講介紹 X 射線,展示了一些用 X 光照在小刀的照片。

在京都的村岡也不甘示弱,在島津製作所的島津源藏、源吉兄弟的幫助下,在 10 月 10 日成功照了日本第一張 X 光人體照片!當時他們所使用的克魯斯管,現在被珍藏在京都大學中。1897 年島津製作所就做出日本第一台教育用的 X 光機,1909 年更作出第一台日本製醫療用的 X 攝影機。日本的物理學者努力迎頭趕上西洋的拼勁在 X 光這件事可見一斑。

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關於鶴田賢次還有一件趣聞。看過夏目漱石的《我是貓》的讀者,一定還記得書中的理學士天天在研究室磨珠子,還被主人翁苦沙彌問到「天天磨珠子可以拿博士嗎?」之前阿文介紹過,寒月其實是寺田寅彥,但是天天在研究室的其實是寺田的同事鶴田。鶴田在 1899 年到歐洲留學,1903 年回國後成為教授,看來磨珠子不僅可以拿博士,還能當教授呢!

日本第一張X光人體照片。圖/SHIMADZU

「技術に堪能なる士君子」

山川在明治 34 年(1901 年)在菊池大麓的強力推薦下,成為東京帝國大學的總長。之前他已經是東京大學理科大學長(相當是理學院院長)。許多曾經背過「朝敵」之名的會津藩士聽到這個消息後都流下欣慰的眼淚。他在三年後成為貴族院勅選議員。貴族院勅選議員是由天皇任命的終身職,日本帝國議會在設立之時就設置了  61 個名額,資格是對國家有勳勞、或有學識的 30 歲以上的男子。

但是,健次郎的總長只做了 4 年。明治 38 年(1905 年)日俄戰爭後,由於日本沒有從戰敗的俄國身上取得賠款,東大的法科教授.戶水寬人反對樸資茅斯和約,而向宮內省提出上奏文,這惹怒了當時的文部大臣久保田讓。先前戶水曾在開戰前夥同其他六名教授在報上刊登意見書,對政府遲遲不敢對俄開戰提出質疑,之後戶水在日俄戰爭中就不斷提出煽動民眾要求俄國割土賠款,而遭到久保田讓以文官分限令而將戶水休職。這一次,久保田居然強迫山川健次郎辭職。山川無法接受這種作法,憤而提出辭呈,四個月後久保田批准山川的辭呈,任命農學部教授松井直吉擔任總長,這馬上引發了東京帝大與京都帝大的教授集體辭職,松井上任十天就受不了辭職了。久保田讓騎虎難下,只好黯然下台,而戶水寬人則在隔年一月復職,但山川堅拒重回總長的位子,而由濱尾新擔任新的總長。

但是賦閒之後的山川很快又有新的任務。北九州以礦業起家的實業家安川敏一郎,邀請健次郎出任他出資成立的明治專門學校(今天九州工業大學的前身)的校長。安川敏一郎是福岡藩士出身,他的生平也十分傳奇,他的長兄徳永織人在明治四年因為假鈔事件切腹以示負責,他原本在東京的慶應義塾就讀,但是他的三兄幾島徳在明治七年的佐賀之亂中身為官軍小隊長戰死,他只好回鄉。他後來從事礦業發了大財、還支持孫文的革命活動,不但提供孫文藏身之處,還給他每月五百元當生活費呢。他的事業版圖擴張到港口、電機、鐵道、製鋼等等,形成安川財閥。當時日本還沒有私人興學,安川可以說是創風氣之先,成立一所以採礦、冶金、機械三學科為主的四年制專門學校。

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但是山川健次郎主張的教育理念,卻是「技術に堪能なる士君子」,就是擁有精湛技術的 gentleman。除了知識的灌輸,山川還特別地強調「德育」的重要。他對明治末期社會汲汲營利、以文明開化之名而枉顧道義,時有貪贓枉法的傳聞的不良風氣有相當嚴厲的批判。這所學校在 1909 年 4 月 1 日正式開學,大正十年(1921 年)改成國營,戰後改稱九州工業大學。山川在擔任明治專門學校校長時,數學、物理、化學等基礎科目時數是官立大學的一倍半以上呢。反觀現在一些台灣的大學的工科一直削減普通物理學的時數,甚至兩學期變成一學期,真是叫人搖頭!

物理學者 v.s. 當代超能力者

最能彰顯山川一絲不苟,事實求是的事蹟末過於喧騰一時的「千里眼」事件了。明治四十二年(1909年)8 月 14 日的東京朝日新聞以斗大的標題「不思議なる透視法」描述在熊本一位 23 歲的婦人.御船千鶴子擁有不可思議的透視神通,可以看到人體內部來醫病,甚至還能尋找礦藏!

明治四十二年(1909年)八月十四日的東京朝日新聞:不思議なる透視法。圖片來源:『新聞集成明治編年史. 第十四卷』,国立国会図書館

隔年,東京大學文科大學的心理學助教授福來友吉開始展開通信實驗。他將裝有名片的信封用漿糊黏好封口,再蓋上自己的印鑑,信封裡面的名片,部分用錫箔包覆名片的一小部份,部分用錫箔完整地包覆。這些信封也是完全不透光的,無法從外面看到名片的內容。他準備了19封這樣的信封,寄給千鶴子進行實驗。

千鶴子後來回寄了 7 封信,並且附上自己對信封裡內容的觀察,少掉的 12 封信,千鶴子宣稱 3 封是在打瞌睡時不小心掉到火盆裡燒毀了,9 封是因為透視時太過疲勞所以中止了,但這 9 封信也沒有寄回給福來。最後福來博士收到的就只有 7 封信。但是這 7 封透視的結果令人驚訝,因為幾乎大抵都答對了,有些地方有了錯字,像把「深井虎藏」看成了「深水虎藏」,福來博士似乎不在意這些瑕疵,非常滿意於這樣的結果,結果他親自前往熊本,與千鶴子進行面對面的實驗。

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兩個月後,福來友吉與在京都大學專研精神醫學的今村新吉兩個人再次來到熊本,讓千鶴子做透視封印的實驗。一開始沒有成功,後來他們改變方式後,居然成功了!興奮的福來友吉回到東大後報告結果,轟動一時,引起山川健次郎的興趣。

今村新吉、井芹経平、御船千鶴子、清原猛雄、福来友吉。圖/『日本「霊能者」列伝』(宝島社)

所以明治 43 年(1910 年)9 月 14 日,御船千鶴子在東京接受山川的測試。山川放了 20 個鉛管,裡頭有一捲紙,上頭有字。採用鉛管的原因是連 X 光都無法透過。千鶴子對著一個鉛管看了半天,最後說裏頭的字是「盜丸射」,當場將鉛管鋸斷拿出紙捲,上面果然是「盜丸射」三個字!但是山川卻百思不得其解,因為他預備的 20 個鉛管中的紙捲根本沒有這三個字!結果似乎是福來拿給千鶴子練習用的鉛管。這引起山川的懷疑。

接下來 9 月 15 日與 17 日,實驗持續進行,雖然結果好壞參半,但是比起第一天的實驗,後來實驗的嚴謹程度大大不如,舉例來說,千鶴子透視時宣稱四周不可以有人,最後一次實驗千鶴子更是以身體不適為由來解釋其失敗,所以社會的反應由熱轉冷,甚至有人認為這只是一場騙局。

不久又出現了一位自稱能以念力在照相板上感光的四十歲婦人長尾郁子,甚至還對千鶴子冷嘲熱諷。福來與今村在 11 月到香川測試長尾郁子的「超能力」,明治 44 年 1 月 4 日,山川再次出馬,親自來到香川丸龜市檢驗長尾是否真的能「念寫」。同行的還有東京帝国大学物理学教室講師藤教篤。結果發現長尾的超能力疑點重重,長尾郁子堅持測試必須測試者必須先將題目放到她安排的「預備室」,還不准修改,放問題的信封也不許封起來,念寫的字還必須由長尾郁子指定。山川還發現透視用的封筒居然還可以開啟的!而念寫的實驗山川則是搞了個烏龍,助手忘了裝照相版! 不過長尾的超能力是假的傳聞卻已喧囂塵上。更慘的是,八天後爆發長尾郁子與投宿她家的催眠師有婚外情的八卦,結果大眾的眼光全轉移到了八卦,而超能力是真是假已經被拋諸腦後了。

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明治 44 年(1911年)1 月 19 日,不堪大眾異樣眼光的御船千鶴子服下重鉻酸鉀自殺,而長尾郁子也在 2 月 26 日因為急性肺炎而一命嗚呼。福來友吉依然醉心於超能力的研究,還寫了本《透視と念写》,被當時的東京文科大學長上田萬年給「休職」了。而藤教篤則出了一本《千里眼實驗錄》,山川還為這本書寫了序文。台灣的看官們應該還記得「隔空抓藥」被抓包的往事吧。阿文我就不多說了。

山川所使用的20個鉛管其中之一。圖/『日本「霊能者」列伝』(宝島社)

據理力爭的國家主義者

古河財閥在 1906 年提出「福岡工科大學、仙台理工大學、札幌農科大學」建築建設的捐贈金,因為資金籌措的困難,一直遲遲無法設立的九州帝國大學的設置有了轉機。明治 44 年九州帝國大學成立後,找來山川成為第一任總長。山川原本一直婉拒,但是最後還是勉為其難地上任了。

但就在他即將回任東大總長之前,發生了「不敬事件」。這件事是起因於明治四十四年 11 月 10 日,明治天皇的火車在門司驛發生列車出軌的意外,隔天負責的鐵路員工清水正二郎留下遺書臥軌自殺以示負責。當時社會一片讚美之聲,福岡的玄洋社甚至主張蓋一個彰顯碑。但是 12 月 2 日福岡日日新聞刊登了山川的文章,引起一陣撻伐--山川反對建碑,對鐵路職員的自殺表示同情但並不贊同,更談不上讚美。他還在文中抨擊學校火災時老師搶救學生前,居然先去搶救天皇照片(御聖影)的做法,玄洋社的《九州日報》因此不斷攻擊山川,連文部大臣在帝國議會都遭到眾議員荒川五郎的責難。所幸當時的首相西園寺公望支持山川的說法才大事化小,但山川從未收回他的意見。雖然這件事差點造成他無法回任東大總長,但是最後他還是成功地回到東大擔任總長。那年 12 月他被封為男爵,不過他的哥哥山川浩早在明治 31 年(1898 年)就以軍功被授以男爵了。

雖然山川是一個強烈的國家主義者(他在明治專門學校以及九州帝大都要求學生上軍訓呢),但是與後來昭和時期的國家主義者不同的是:山川也是學術獨立、大學自治最堅定的支持者。當京都大學總長澤柳政太郎以刷新教學為由一口氣免了七位教授的職務,其中包含了村岡範為馳!這件事引發京都法科大學對澤柳的抗爭,爭執的關鍵是教授的任免權是由教授會決定,而非官派的總長。

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最後澤柳總長於 4 月 28 日引咎辭職,而由山川健次郎兼任京都帝大的總長一直到隔年的 6 月。而這件事也成了日後校長直選的契機。大正七年他還曾到荻市,還特地去參拜恩人奧平謙輔的墓。在他心目中,奧平是真心愛國的志士,不是反賊。在他留下來的遺稿中,還有《奥平謙輔先生》一文。

山川人物史番外篇:鹿鳴館之花

比起健次郎,他的妹妹山川捨松(原名咲子)恐怕更為傳奇。她比健次郎小六歲,是家中的么女。當黑田清隆派出留學生時特地選了一些女留學生,這在當時是破天荒之事。山川捨松就是第一批五個女留學生之一。到了美國之後,她在 Leonard Bacon 牧師家中寄宿四年,學習英語以及美國社會習俗。之後她進入Vassar College 就讀,三年後以magna cum laude 的榮譽畢業,還擔畢業典禮的畢業生代表。

可是,當她意氣風發地回到日本就處處碰壁。就在一起留學的同學永井繁子的婚宴上,她遇到了新近喪妻的陸軍卿大山巖,大山巖是維新功臣西鄉隆盛的表弟。他見到捨松後驚為天人,探聽之後知道是山川家的女兒後,馬上央請表弟西鄉從道向山川家提親。大哥山川浩當場以「山川家乃賊軍的家臣」為由婉拒,不料西鄉從道卻表示:「大山與我都是逆賊的家人」。話都說到這份上,山川浩也只好點頭了。(西鄉隆盛是在六年後才被特赦,當時還是被視為逆賊)。明治16年(1883年)11月8日,兩人結為連理。

山川捨松(圖片來源:Wikimedia Commons)

據說大山巖的薩摩腔太重,所以兩人是以英語溝通,因為大山巖也曾經在歐洲留學過。當時日本為了將幕府時期簽訂的不平等條約積極發展外交,甚至蓋了鹿鳴館當做宴席外交的場所,向西洋諸國展示為新後的日本是文明的近代國家,所以在鹿鳴館舉辦西洋式舞會是國家外交的一環。無奈當時日本的官員不黯西洋禮節,穿上西洋服裝卻顯得格格不入,被戲稱為在跳「滑稽な踊り」。但是面容姣好身材高佻的大山捨松在其中卻顯得悠游自在,再加上她受過西洋高等教育,還能講英語、法語與德語,讓各國使節驚嘆不已,所以捨松被稱為「鹿鳴館之花」。而大山巖在日清、日俄兩場戰爭後戰功彪炳,位極人臣。

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兩人之間生有兩男一女。長男大山高不幸在海軍兵学校畢業後,在松島艦服役時在台灣馬公附近因意外沉沒而殉職。次男大山柏則是在軍旅生涯不得意後,成為日本史前史考古學的權威。女兒久子則是嫁給男爵井田磐楠。與捨松一起到美國留學的津田梅子,後來開設了津田塾大学的前身津田英学塾。

山川捨松於大正8年(1919年)因染上當時大流行的流感而過世,隔年健次郎自東大退任。昭和6年(1931年)因胃潰瘍過世。

他晚年專心著作的《会津戊辰戦史》在死後昭和七年才出版。在山川的心目中,自己應該一直都是會津藩士。據說他的女兒小時候如果成績不好、達不到父親的要求,健次郎就會對她大吼:「你是武士家的女兒嗎!」如果女兒沒有回應,健次郎就會繼續用同樣的話吼她,直到女兒大聲回答:「是!我是武士的女兒。」的確,山川健次郎一生沒有亮眼的學術成就,然而他就像一個盡責的武士默默地將物理這個學科種在日本的土壤上。世人多稱譽明治維新是弱勢文明中現代化最成功的典範,然而要深入了解明治維新成功的秘訣,是不是該先瞭解熱情、負責、篤實、甘於平淡、不畏艱難的傳統武士魂呢?

參考資料

  1. 中文 日文 英文 維基相關條目
  2. 日本近代政治史 第二卷,信夫清三郎著,周啟乾譯
  3. 山川健次郎とSheffield Scientific School–初期日米科学交渉史の一面,渡辺正雄著
  4. 山川健次郎初代総長パンフ – 九州大学
  5. 門司駅員の引責自殺と山川健次郎言責事件 : 二つの忠君愛国をめぐって.  小股憲明著

延伸閱讀

  1. 山川健次郎(上): 開創明治物理的白虎隊士
  2. 1901年諾貝爾物理獎:威廉・倫琴
  3. 在一戰中動員的美國物理學(Mobilizing US physics in World War I)
  4. 理研的故事之明治的物理學家

本文摘自《物理雙月刊》 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5966字 ・閱讀時間約 12 分鐘

林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

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圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

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圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

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可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

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1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

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但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

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阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

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舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

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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

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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……。

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……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

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#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

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#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。

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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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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。