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卡西米爾誕辰 │ 科學史上的今天:07/15

張瑞棋_96
・2015/07/15 ・1023字 ・閱讀時間約 2 分鐘

真空,意味著在這封閉空間中啥都沒有,沒有物質,也沒有能量,一片虛無。然而,這只是古典物理的觀點,在量子物理的顯微鏡下,真空並不空,虛擬粒子對不時憑空而生,卻又隨即湮滅,釋放出電磁波。就像從外太空遠觀地球,會以為大海平靜如鏡,但當靠近海面,就會發現波濤洶湧,起伏不定。

是的,根據量子場論,即使是空無一物的真空中,仍蘊含著一定的能量,這樣的真空能量又被稱為「零點能」。虛擬粒子對正是從這真空能量中提借能量而幻化成形,一正一反,剎那間又相互交會而雙雙消逝,在那湮滅的瞬間釋出能量還給真空能量,怎麼來怎麼去,不生不滅,不增不減。

不過,理論如此,焉知其真偽?虛擬粒子對稍縱即逝,釋出的能量又微弱難察,而在巨觀狀態下,真空就是真空,並無異狀,如何驗證真有所謂的量子真空?結果提出方法的竟非象牙塔裡的理論大師,而是任職於飛利浦的荷蘭物理學家──卡西米爾(Hendrik Casimir, 1909-2000)。

其實卡西米爾曾師承多位量子力學巨擘,包括波耳、包立、埃倫費斯特等人,但他在 1938 年返國於萊頓大學任教四年後,決定到飛利浦公司的實驗室任職;當他升任實驗室主任後,包立還故意用「主任先生」的稱呼取笑這位「誤入歧途」的學生(奧地利一般會對博士冠以 ”Herr Doktor” 的尊稱,因此包立用諧音 ”Herr Direktor” 來開玩笑)。但卡西米爾堅信科技與科學是相輔相成的,關於真空能量的問題就是他在 1948 年研究懸浮在空中的石英粉時得到的靈感。

理論上,虛擬電子對湮滅時釋出的電磁波有各種大小不等的波長。卡西米爾預測,如果在真空環境中放置兩片極為靠近的金屬片,那麼金屬片之間只能允許波長小於其間隔距離的電磁波存在,金屬片內的真空能量漲落就遠小於金屬片外,這樣的壓力差異就會使兩片金屬片彼此接近,彷彿互相吸引一樣。這個現象就稱為「卡西米爾效應」。

然而卡西米爾效應極小,又必須在極近的距離才會出現,因此直到 1996 年才由美國的洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室首度觀察到,之後隨著奈米技術的進步,也在微機電裝置上發現卡西米爾效應。諷刺的是,真空能量被證實後,反而被部分人士拿來大作文章,完全忽視卡西米爾效應與距離四次方成反比的事實,侈言可以從真空中汲取免費能源,「零點能」變成他們的美麗標語,為量子力學被不當引用又增添一例。

 

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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張瑞棋_96
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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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關鍵時刻能救命,與時間賽跑的地震預警系統發展史

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/23 ・2852字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

位處在歐亞板塊和菲律賓海板塊交界 ,臺灣每天都有許多地震發生,可以說是生活的日常。每隔數月或數年就會發生的中大型地震,更是災防安全的一大威脅。

最近幾年,在有感地震發生後、地震波來襲之前,你的手機很有可能會收到下面的訊息:

國家級警報

[地震速報 Quake Alert] MM/DD HH:MM 左右 ○○ 地區發生 ○ 型有感地震,慎防強烈搖晃,氣象局。Beware of probable shaking. CWB

資料來源/地震測報中心

這個能夠在地震波來襲前出現的「災防告警訊息」,全稱為「災防告警細胞廣播訊息」,是利用「災防告警系統(Public Warning System,PWS)」及「細胞廣播服務(Cell Broadcast Service,CBS)」發布地震速報。

災防告警訊息提供的地震速報,雖然在盲區外的多數時候,能比地震的搖晃感來臨前再快一點點讓我們收到,但它並不是地震預測,而是「地震預警」。中央氣象局利用遍布全臺的高密度地震測站收集地動資料,在地震發生時,藉由震央附近地震站的訊號,即時解算地震資訊並迅速發出預警。

地震預警的主要功能,是在地震發生後數秒內,演算出預估地震的基本參數,包括預估震源位置深度、強度,並推估受影響地區將遭遇的震度與震波抵達時間,爭取在破壞性震波抵達之前,對可能發生災損的區域提出警示。

可別小看這短短幾秒鐘的警示,足以左右生死、讓人員離開危險的位置尋求掩護,停下精密的作業(如工業廠房或醫院),也能讓高速運行的交通運輸系統自動減速或停駛,大幅減少中大型地震可能造成的災害,保障人民生命與財產的安全。

地震預警系統的原理

這幾秒鐘珍貴的預警時間,是多年來地震預警技術及通訊設備精進的心血結晶,以電波與地震波「賽跑」搶出來的。

每次地震發生後,能量會以「地震波」的形式從震源開始往外傳播。科學家大致將地震波分成分別為 P 波S 波P 波傳播的速度較快,也是地震測站最早收到的訊號;S 波速度較慢,但為地震破壞力的主要來源,而地震預警系統便是根據這兩者計算出地震的各種參數。

在得到最初預估的地震參數之後,地震預警系統會推估各地的震度,如果達到預設門檻,就會自動發布,利用電波將地震預警訊息傳送到可能致災的區域,以利當地防災應變。舉例來說,模擬顯示 1999 年發生的 921 集集大地震,以現今的地震預警科技,北可有 31-35 秒的預警時間,可大幅減少人員傷亡。

不過,地震預警系統畢竟得在收到地震波資料後才能進行運算,過往的預警系統對於鄰近震央 40 公里內的區域幾乎趕不及預警,這個區域就被稱為「盲區」。盲區是強震即時警報無法避免的科學限制,但靠近震央的區域又是震度最強、災害最嚴重的區域,如何將地震速報的盲區最小化,也將是未來相關技術發展的目標。

地震預警發布的管道與門檻

除了藉由手機發送災防告警訊息,地震速報還有好幾個重要的通訊管道。自 2014 年起,中央氣象局即開發傳訊軟體,在預估地震規模達到 4.5 以上、預估震度達 3 級以上時,直接透過既有網路及通訊系統,將強震即時警報傳送至公務部門、公共設施、醫院、學校單位。舉例來說,學校單位如收到警報,將自動串連廣播或跑馬燈,第一時間向師生宣布警訊。

除了公部門,中央氣象局還積極推動「地震資訊傳遞服務契約」,將社會服務量能發揮最大化,透過專線 IP-VPN 與警報傳遞單位(電信公司及大眾媒體)進行連線,在各個媒體渠道轉發地震速報,而這個部分還可以由合作單位依需求自行設定「需要通知的震度門檻」。

自 2016 年 8 月起,中央氣象局即與電視台合作,當預估地震規模達 5.0 以上,且預估震度達 3 級以上時發布蓋台訊息。這些不同的訊息傳遞機制,希望達成的目的是相同的:將地震預警的資訊,在最短的時間內,傳達到會受影響的人手上。[註1]

而近年來,能夠在地震發生的 10 秒內就發出地震預警,完全是地震觀測網加上資訊、通訊技術,多年來持續累積發展的成果。

臺灣的地震預警系統

1999 年 的 921 大地震,當時中央氣象局在 102 秒內發出地震速報,速度已經令當時全球地震觀測相關單位感到驚訝,但仍緩不濟急,預警效果十分有限。

事實上,中央氣象局在 90 年代初期已開始發展「強地動觀測網」,自 1992 到 2021 年,每期五年、共五期的長期前瞻計畫,從第一期建置「都會區強地動觀測網」,主要廣泛收集台灣各地的強震資料,並提供給工程與防災研究團隊研擬修正建築物耐震設計規範。後續的延續性計畫中,逐步建置地震速報系統、發展強震即時警報系統,其後並持續建置海底地震儀與深井地震監測站,優化地震海嘯監測。

近期重點放在提升觀測的資料品質、增進系統功能、基礎資料的累積,並且拓展地震預警系統在防災的運用。中央氣象局自 2012 年起啟用 24 位元地震觀測系統,整合過往各個獨立的觀測網,包括短週期、地震速報、寬頻、井下地震觀測網及全球即時地震觀測資料,使地震測報進入聯合觀測的時代。

自 2020 年 4 月 6 日起,地震預警的發佈時間已經縮短至 10 秒內,地震盲區也縮小至震央 30 公里以內,中央氣象局地震測報中心更宣告推動「都會區強震預警精進計畫」,要在四年內將都會區的地震預警發佈縮短到  7  秒以內,長期規劃更是希望藉由大數據統計,將時間再縮短到 5 秒內。

事實上,臺灣自行開發的地震預警系統已是全球前段班,未來也將持續運轉,日夜守望每次臺灣的地牛翻身!

參考文獻

註解

  1. 地震預警發布的門檻會依需求與情況做調整,此處以撰文時間為主。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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