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發現宇宙射線 │ 科學史上的今天:06/24

張瑞棋_96
・2015/06/24 ・928字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

美國物理學家安德森(Carl D. Anderson)於 1932 年發現電子的反物質──正子,成為首位證實反物質存在的人,因而獲得 1936 年的諾貝爾物理獎,可謂實至名歸。不過,當年還有一位物理學家與他共同獲獎,那就是今天生日的赫斯(Victor F. Hess, 1883–1964),因為他,安德森才能發現反物質,令物理學家困惑一百多年的現象也才獲得解答。

十八世紀末,庫倫利用靜電研究電力與距離的關係時,就發現帶電物體放置一陣子後會逐漸失去電荷。但帶電物體除了空氣並未接觸到其它物品,而空氣是良好的絕緣體,實在難以理解為什麼電荷會消失不見。後來的物理學家也都在實驗中發現此一現象,但百年來無人能提出合理的解釋。

1896 年,貝克勒(Henri Becquerel)無意間發現鈾礦的放射性,於是科學家猜測或許是岩石發出的放射線使空氣游離,因而中和了帶電物體的電荷。然而,發明光電管的德國物理學家艾斯特(Johann Elster)和蓋特爾(Hans Geitel)於 1900 年做實驗發現,帶電物體離地面高時反而比靠近地面更容易失去電荷,晴天又比大霧時容易失去電荷,可見使空氣游離的輻射應該不是來自地面。不過 1910 年又有科學家在巴黎鐵塔上實驗發現電荷流失得比較慢。究竟輻射來自何處?

出生於奧地利的物理學家赫斯決定親自找出答案。他在 1911 與 1912 年間冒著命危險,多次乘坐熱氣球到高空進行測量。他用更精確的電離室取代靜電計,發現在一公里處測得的結果與海平面相同,因此可以排除輻射來自地面的可能性。之後隨著高度越高,電離程度越大,到了 5.3 公里處,竟然是地面的九倍。赫斯在夜晚升空也測到同樣的結果,因此他可以肯定地向世人宣告:輻射自宇宙的四面八方向地球襲來。

赫斯發現宇宙射線後,物理學家才得知這項比天然放射性粒子以及陰極射線更強大的工具就在週遭,才用它來研究次原子的基本粒子。自安德森發現正子後,二十多年間又有渺子、π介子、K介子等基本粒子陸續被發現。另一方面,宇宙射線源自於天體的誕生與死亡,因此也透露了恆星、星系,乃至宇宙的演化歷史。感謝赫斯,我們才能透過宇宙射線這扇窗,一窺從基本粒子到壯闊宇宙的其中奧秘。

 

 

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。

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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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布拉格父子與 X光繞射 │ 科學史上的今天:07/02
張瑞棋_96
・2015/07/02 ・1124字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

科學的進展就如牛頓所說的「站在巨人的肩膀上」,少不了前人的經驗累積。布拉格父子在 X光繞射的發現與應用上扮演的傳承角色就是典型的代表,而且他們人生道路上的許多交會也頗耐人尋味。

起點當然是今天生日的老布拉格(William Henry Bragg, 1862-1942)。他於 1885 年自英國三一學院以優異的成績畢業後即獲聘至澳洲阿德雷得大學(University of Adelaide),講授數學與實驗物理。數學是他的專長,而他雖然上過 J. J. 湯姆森一年的物理課,卻未深入研究,另一方面,學校的實驗器材也不足,在這遠離歐洲的邊陲地帶,他只能硬著頭皮一邊自學物理,一邊到廠商那兒當學做儀器。因此可以想見,當拉塞福於 1895 年從紐西蘭要前往英國跟 J. J. 湯姆森做研究,途經澳洲來拜訪老布拉格後,兩人就此成為世交。

1896 年,5 歲的小布拉格(William Lawrence Bragg, 1890-1971)跌傷骨折,老布拉格想起不久前侖琴發現的 X射線,於是動手打造 X射線管,幫兒子照 X光。這是他們兩人與 X光的初次相遇。後來小布拉格進入阿德雷得大學就讀,自然也成了老爸的學生。他畢業後,老布拉格獲聘至英國里茲大學任教,於是舉家於 1909 年遷回英國,小布拉格進入老爸的母校三一學院,而且指導教授又是 J. J. 湯姆森。

當時仍不清楚 X射線的本質是什麼,直到 1912 年夏天,德國物理學家勞厄(Max von Laue)發現 X光穿過晶體會產生繞射現象(就像水波或光波因干涉作用而產生明暗相間的條紋),才確定 X射線其實就是一種電磁波。原本就一直在研究 X射線的老布拉格得知後,趕忙把兒子找來一起做實驗,小布拉格很快在當年十一月就發表「布拉格定律」,不但給出解釋 X光繞射現象的模型,還可以根據 X射線的波長、角度,推算出晶體的晶格間距,因而得知晶體的結構。老布拉格也沒閒著,他在第二年發明了 X射線光譜儀,提供實際可行的測量工具。

1914 年,勞厄先獲得諾貝爾物理獎,接著第二年,由布拉格父子共同獲頒諾貝爾物理獎,創下史上唯一親子檔一起獲獎的紀錄;而小布拉格年僅 25 歲就獲獎,至今仍是諾貝爾科學獎項中最年輕的紀錄保持人。

拉塞福於 1937 年過世後,小布拉格接替他擔任卡文迪許實驗室主任直到 1953 年。華生與克里克正是在他任內來卡文迪許實驗室進行研究,而於 1953 年解開 DNA 的雙螺旋結構;成為破解關鍵的「51 號相片」也是羅莎琳 · 弗蘭克林(Rosalind Franklin)以 X光繞射原理攝得的。

布拉格父子兩人的一生就像雙螺旋,以當代重要的科學家為鏈結,彼此互繞;也像 DNA般傳遞了 X光繞射的技術,為科學的進展提供了重要的助力。回顧當時科學家們的交會,饒富趣味;喔,後來小布拉格的女兒還與 J. J. 湯姆森的孫子結為連理呢。

 

 

 

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。

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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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發現反物質 │ 科學史上的今天:08/02
張瑞棋_96
・2015/08/02 ・940字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

1932 年的今天,在加州理工學院做博士後研究的卡爾 · 安德森(Carl D. Anderson, 1905-1991)再次開著小卡車上到威爾遜山。他將車停在一個開闊的地點後,熟練地調整放在車後的雲霧室,準備拍下宇宙射線穿越雲霧室後所留下的蹤跡。

他跟著密立根研究宇宙射線已經兩年了,也對著雲霧室拍了無數的相片,試圖從中發現甚麼端倪。如今他已頗能體會天文學家的孤寂,他們日復一日地在望遠鏡旁守候、觀測、拍照,期待運氣夠好,能從一模一樣的天體照片中發現差異。而自己現在做的不也是類似的事情嗎?

不過他還是試著提高自己的中獎機率──改良雲霧室。他加上了活塞可以藉由氣體體積膨脹而急速降壓冷卻,並且在水蒸氣中混合酒精,因此可以得到比同儕更好的攝影效果。再來就只能靠耐心與運氣了。沒想到這一天,幸運真的降臨了!

洗出來的相片(上圖)上有個粒子的行進方向與電子相反,顯然是帶正電。但從其軌跡的曲率推算,又絕不可能是質子,事實上,它的質量大小幾乎與電子一樣,可以說就是帶正電的電子;於是安德森將這個前所未見的粒子命名為正子(Positron),對外發表。這個正子就是狄拉克前一年所預言的「反電子」,代表電子的反物質;當時受到物理界的普遍懷疑。如今安德森證實了它的存在,讓狄拉克立即在第二年就獲頒諾貝爾物理獎;安德森自己也因此於 1936 年得到諾貝爾物理獎。

就在 1936 這一年,安德森又與學生共同從宇宙射線中發現另一個基本粒子──渺子(muon)。他們原本以為這是湯川秀樹所預測的 π 介子,結果竟是完全不在物理學家的理論之中的奇特粒子。諾貝爾物理獎得主拉比(Isidor Rabi)還調侃道:「這是誰點的啊?」(Who ordered that?)

大多數科學家一生都無法發現新粒子,安德森竟然短短幾年內(尤其是在粒子加速器發明之前)就發現了兩個,難道幸運女神特別眷顧他?其實不然,後來我們知道他並不是捕捉到正子身影的第一人,約里奧─居禮夫婦在他之前就拍攝到正子的軌跡,只是他們理所當然以為是質子,未加以深究,才讓機會就這麼溜走,拱手將諾貝爾獎的桂冠讓予耐心守候的安德森。

 

 

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史上第一道雷射光:梅曼誕辰 │ 科學史上的今天:07/11
張瑞棋_96
・2015/07/11 ・1092字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

就是那道光!一九五○年代,包括貝爾實驗室等各路人馬競相研發雷射,卻始終難以突破;沒想到最後殺出重圍的,竟是製造飛機的休斯公司旗下實驗室的一名工程師。1960 年 5 月 16 日,物理博士梅曼率(Theodore H. Maiman, 1927-2007)先射出人類史上第一道雷射光。

雷射的原理最早是由愛因斯坦在 1917 年的論文中所提出,基本上就是利用光子激發原子或分子輻射出波長、相位都一模一樣(同調)的光子,然後這兩個光子又激發出更多光子,如此持續倍增而產生能量極強又集中的光束。此所以雷射原來的全名叫做「受激輻射造成的光增強(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 簡稱 LASER)」。

但這畢竟只是理論,實務上如何做出來又是另一回事。經過許多物理學家提供實驗與理論上的貢獻,直到 1953 年,美國物理學家湯斯(Charles H. Townes)才成功做出邁射(MASER),可以發射放大集中的微波束。五年後,他再偕同蕭洛(Arthur L. Schawlow)發表論文,根據邁射的工作原理提出打造雷射的建議方案,這也成為大家研發的指導方針。但梅曼採取的是完全不同的進路。

不同於大家選擇氣體做為激發介質,梅曼採用的是紅寶石(當然不是昂貴的天然紅寶石,而是用人工合成的);而且另闢蹊徑使用閃光燈以脈衝的方式照射,而非大家一貫地持續不斷輸入能量。他在紅寶石表面鍍上一層銀作為反射鏡,紅寶石晶體內的鉻原子受到強光激發後輻射出光子,這些光子在紅寶石兩端的反射鏡來回反射,又激發出更多同調光子,如此不斷倍增;其中部分光子從半反射鏡那一端穿透而出,就是雷射光。

梅曼於當年八月在《自然》(Nature)科學期刊發表論文,只用了 240 個字,就跟他的方法一樣簡明。在此鑽研已久的科學家們都難以置信,如法炮製後才恍然大悟,深受啟發,很快地開發出不同材料的固態雷射,以及半導體雷射、染料雷射、……等等不同的雷射方式。而今雷射已經普遍應用於各個領域:科學研究(1969 年就用來測量月亮的距離)、醫療(如眼睛手術、皮膚美容)、工業(如切割、焊接)、軍事、建築等等,日常生活中更是到處有它的蹤跡,例如超市掃描條碼、雷射印表機、DVD/藍光播放器、光纖網路、……等等。

1964 年,湯斯與同樣在雷射做出先驅性研究的蘇聯物理學家巴索夫(Nikolay Basov)、普羅霍羅夫(Alexander Prokhorov, 他的生日也是這一天)三人共同獲頒諾貝爾物理獎,而率先發明雷射的梅曼卻始終未獲青睞。但這無礙於他受到各界的肯定;在他的追悼會上,湯斯如此推崇他那篇猶如暮鼓晨鐘的論文:「以平均每個字而言,應該是《自然》過去百年以來最具份量的論文。」

 

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