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顛覆認知的電子雙狹縫實驗│科學史上的今天:5/26

張瑞棋_96
・2015/05/26 ・1267字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

量子力學巨擘波耳曾說:

「如果你沒對量子力學深感震驚的話,表示你還沒瞭解它。」

其實就算你不了解量子力學,一系列雙狹縫實驗的結果,也一定會讓你瞠目結舌,感受到波耳所說的震驚。

雙狹縫實驗最早始於英國物理學家楊氏(Thomas Young)。他於 1803 年在英國皇家學會發表他的研究:把光束射向一張紙卡上劃出的兩道狹縫,穿過狹縫的光線會在屏幕上形成明暗相間的條紋圖案;就像在池塘丟下兩顆小石子,在水面激起的漣漪向外擴散,彼此交會所形成的干涉現象。

如果如牛頓所說的光是由粒子組成,那麼穿過狹縫的粒子落在屏幕上的位置應該以兩道狹縫之間最多,然後往兩旁遞減;不可能忽多忽少而形成明暗相間的條紋。因此光一定是一種波,兩道光波的波峰與波谷彼此疊加或抵消,才造成斑馬線圖案。

六十年後馬克士威提出電磁方程組,賦予光就是電磁波的理論基礎後,更令楊氏的理論無可質疑。但是二十世紀初,量子力學又證明光也是粒子!不過這「波粒二象性」還不是最奇特的。1909 年,英國物理學家泰勒爵士(Geoffrey I. Taylor)重作楊氏的雙狹縫實驗,不過這次他將光源的強度減弱到最多只能發射一個光子,結果長時間累積下來,仍然形成一模一樣的干涉圖案。干涉是兩個波的交互作用,一次只有一個光子通過狹縫,它能跟誰干涉呢?

你或許會說光又沒有質量,所謂一個光子只是個概念,它仍然是以波的形態通過雙狹縫,出現干涉圖案也不稀奇吧?好吧,稀奇的來了。本日出生的德國物理學家勇松(Claus Jönsson, 1930 – )於 1961 年用電子取代光子作雙狹縫實驗;電子具有質量,是不折不扣的粒子,結果竟然還是出現明暗相間的干涉條紋!這個電子雙狹縫實驗不但顛覆了傳統認知,還開啟了後續一連串不可思議的實驗。

1974 年,幾位義大利物理學家做到一次只發射一顆電子,還是出現干涉圖案!難不成電子還會分身,一分為二穿過雙狹縫,否則它要跟誰交互作用呢?更奇怪的是,如果我們在這過程觀測雙狹縫,看看電子到底是通過左邊或右邊的狹縫,干涉現象就不見了!

有物理學家想到一個巧妙的方法:一次產生一個光子對,根據動量守恆原則,只要觀測往反方向飛去的光子就可以推知飛向屏幕的那顆光子是穿過哪道狹縫,如此就完全沒有觀測到雙狹縫這邊,總不會有影響了吧?

沒想到還是會消弭干涉條紋!至今科學家做過各種變種的雙狹縫實驗,甚至改用更大的巴克球,結果都是一樣:

粒子會與自身產生干涉作用,但一旦你想查明它的走向,干涉現象就會消失。好像它永遠知道是否有人在窺探它,而它只在沒有人看時才願意表現出神秘的自我干涉。

電子雙狹縫實驗完全體現了量子力學的哥本哈根詮釋;愛因斯坦如果還在世,波耳或許就能據以回答他的質問:是的,月亮在你沒看它時,可能不在那兒。也難怪電子雙狹縫實驗在 2002 年被票選為最美麗的科學實驗,而費曼也說它「包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。」

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 388 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。


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自主式水下載具的未來:可在海中追蹤魚類的「仿生魚」

科技大觀園_96
・2022/01/18 ・3134字 ・閱讀時間約 6 分鐘

地球地表有 70% 被水體所覆蓋,但湛藍水面下的廣袤區域卻鮮少有人類踏足,水中的壓力、密度與溫度變化更構成許多潛在危險。而水下載具便提供相對安全的方式協助人類進行水下活動,早期遙控式水下載具(Remotely operated Vehicles,ROV)主要執行「粗工」類型的工業活動,母船以纜線供電並傳輸資訊給載具,對操作靈活度、節能的要求較低。直到近年水下載具逐漸被賦予水下探勘、調研等任務,在大範圍移動前提下,開始發展無纜線的自主式水下載具(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)。但AUV在海中移動同樣會受到操作靈活性的挑戰,並且缺少纜線供電使得節能也成為一大難題。

自主式水下載具
自主式水下載具。圖/wikipedia

針對水下載具的限制,臺大工程科學及海洋工程學系郭振華教授便指出,若能研發出仿生魚,模仿在水中長期演化的魚類的力學系統—即仿生型自主式水下載具(Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle,BAUV)。將有助於克服現行水下載具在海中所遭遇的節能與操作限制。

一般水下載具面對的挑戰:靈活度與節能

一般 AUV 以剛性機體搭配螺槳作為驅動,在活動時會受到許多挑戰與限制—(1) 靈活度:螺槳驅動的載具無法做到靈巧的迴旋,而淺水層或近岸水流通常較為強勁,更不利於剛性高的 AUV 活動。(2) 螺槳潛在故障風險:海洋垃圾與水生植物可能捲入螺槳導致故障。(3) 能源使用效率:螺槳驅動載具過於耗能,使得載具活動時間受限無法長期在水下獨立作業。

郭教授也提到,BAUV 吸引人之處在於近岸作業時非常好用。一般 AUV 受限於環境與自身結構的限制,在近岸作業時常綁手綁腳。相較之下,BAUV 柔軟的身軀可以在狹小空間內迴旋自己的身體,並且透過擺動尾鰭、胸鰭或是排水等方式推進,沒有螺槳捲入水草與垃圾的問題。

不過,BAUV 在設計上也需要考慮諸多因素。例如,BAUV 通常以連桿原理驅動鰭片擺動,需要考慮零件彈力係數多少、擺動幅度才能接近魚鰭的擺動。此外,生物學家甚至嘗試發展人工肌肉,利用改變材料的溫度或壓力,達成材料的膨脹收縮,進而模仿肌肉纖維的伸長與縮短。但相較電動馬達,人工肌肉目前提供的力量輸出較小、速度不夠快,只適用於小型載具。而且軟性人工肌肉如何承受海底高壓也須進一步研究。

郭教授提到中國浙江大學發表於 Nature 期刊的研究,便參考深海獅子魚(hadal snailfish)的身體結構,捨棄堅硬的抗壓外殼,改以柔軟的矽氧樹脂等聚合物包裹電子零件,並有著一對大而薄的翅膀規律擺動提供動力,最終成功地在馬里亞納海溝 10000 公尺深的海底游動。

作業環境大不同:淺海與深海作業的挑戰

如同魚類適應其生活環境演化出不同型態,在淺海與深海作業的 BAUV 外型設計也有不同。淺海因為有較為強勁的海流波動, BAUV 通常接近流線型,能因應海流借力使力、做出高速的迴旋動作。郭教授以溪流中的魚類為例,在溪流中常可以看到魚類緊貼在石頭後方游動。原理便是利用水流經過石頭後形成的反向渦流,幫助牠們不費力地在流動的溪流中保持在固定位置。

反之,深海水流較小,主要的問題是密度躍層(Pycnocline)、通訊與環境偵測:

(1) 密度躍層:海水密度受溫度、鹽度與深度影響,通常密度會隨水深增加而變大,直到一定深度後,深度的影響降低。此時,密度主要受溫度與鹽度影響增加,有時會突然形成一道密度劇烈增加的水層,便稱為密度躍層。若 BAUV 無法改變自身密度,可能因浮力太大無法突破向下潛入。相反的,也可能無法有足夠的浮力向上浮出水面。

密度躍層
海水密度到一定深度後,受到溫度及鹽度的影響形成密度躍層。資料來源/Physical Oceanography 1:The physics of seawater

(2) 與水面的通訊:深海作業的 BAUV 與母船間可能相隔有數公里厚的水層阻斷電磁波傳遞,使得資訊聯繫變得更加不易。儘管仍可利用通訊聲納與水面聯繫,但同樣面臨電力的限制。郭教授也提到或許載具不需要頻繁地與水面聯繫,以比目魚為例,比目魚身形扁平且長期在海底,幾乎與海底融為一體。教授指出若能設計一種 BAUV 模仿比目魚,不主動探測水面有甚麼,而是被動的接收資料與訊號,節省探測消耗的能量。直到接收到特定訊息,才啟動運動機制做出回應。另外,也可以在 BAUV 活動的範圍設置具有電磁感應接頭的海底電纜,BAUV 只要貼在電纜上便可以直接傳輸訊息與充電,更為方便與節能。

(3) 辨識周遭環境與導航:在深海無光環境中,BAUV 需要依靠聲納或是磁力感測周圍環境,但如何自主導航與定位仍是一大挑戰。因此,郭教授提到魚類在水中成群活動時,並不是依靠視覺追蹤前方的領游者,而是利用身上的體側線感測周圍流場的壓力變化,進而達成追蹤。教授近期的研究便模仿參考魚類體側線的原理使 BAUV 能夠追蹤前方的領游者。

神奇的設計讓仿生魚能自主追蹤其他魚類:模仿魚類的體側線

深海大部分魚類雖然視覺已經退化,但在掠食者靠近時仍然能快速地閃避。而淺海常可見到魚群快速地變換,形成螺旋等幾何圖案。這些行為部分仰賴的便是魚身上的體側線細胞,以纖毛感測水流加速度與壓力梯度變化,進而辨別周遭環境的變化。

近年,研究者們也嘗試模仿魚類體側線原理讓 BAUV 得以感知並與周遭環境互動。體側線的模仿可利用微晶片技術,搭配類似纖毛的感測元件達成。另一種則是現成的壓力感測器,以壓電材料將壓力變化轉為電壓。以此原理透過排列於 BAUV 體表的壓力計陣列感測,並反推出壓力源頭加以分析是否遭遇地形障礙,或有其他移動的物體正在靠近。

近期研究中,郭教授的團隊也以模仿魚類體側線的方式,透過側線的排列與偵測方程式的推算可以得出前方壓力源位置的方式,協助 BAUV 追蹤前方的領游者。結果發現當領游者位於 BAUV 前方一定角度扇形區域內時,對於領游者(壓力源)的跟隨與定位最為準確,這項發現也與現實中魚類追蹤行為的統計數據一致。

金魚的體側線
金魚的體側線。圖/wikipedia

不過,郭教授也提到體側線感測原理的限制,一般魚群群游時個體如此緊密相鄰,部分可能肇因於體側線有效感測的距離限制,其感測的水壓變化頻率較低、無法遠距離傳遞。因此若要使用水壓做導航,必須與相鄰的魚群靠得非常近。

未來展望

提到 BAUV 未來的發展目標,郭教授說,BAUV 在近海、淺水等水流強勁的區域能達成傳統 AUV 所做不到的操作,並能克服螺槳驅動載具的風險。甚至能利用海流或旋渦的水流「借力使力」,以較少的能量運作。除了近海作業,BAUV 也被看好能應用於海底探勘,節能的優點使 BAUV 能大範圍的蒐集資料,高度的靈活性也能幫助其閃避障礙物,研究結果可以應用於民生與國防用途。

例如,郭教授本次受訪前便剛結束黑潮發電的海上調研工作,未來若能以 BAUV 調查海洋渦流與季節、地域等變因間的關聯,更能有利於研究者以及政府做出有效率的決策。

參考資料

科技大觀園_96
84 篇文章 ・ 331 位粉絲
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