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迴旋加速器的發明 │ 科學史上的今天:08/03

張瑞棋_96
・2015/08/03 ・1032字 ・閱讀時間約 2 分鐘

尋找組成宇宙萬物的最基本粒子一直是科學家孜孜不怠的目標──而這完全取決於有什麼工具可用。一開始只能依賴具有放射性的天然礦物;拉塞福就是用精煉後的鐳所發射出來的 α 粒子轟炸金箔,才發現原子核。再來是靠宇宙射線;安德森就是從中發現正子。然而這兩種方式都是靠天吃飯,不但粒子來源不穩定,更重要的,因為先天的能量侷限,無法再深入探究;於是拉塞福在 1927 年大聲疾呼物理學家要找出天然放射性以外的高能粒子來源。

最直接的方當然是用高壓電加速帶電粒子。第二年,留學德國的挪威籍物理學家威德羅(Rolf Widerøe)就率先設計出直線加速器。但是要建造百萬伏特以上的高壓電所費不貲,運作成本也相當高昂,還有漏電的危險;若要再往上提高電壓,這些不利因素形成的障礙將更難克服。難道別無他法嗎?不到三十歲的美國物理學家勞倫斯(Ernest Lawrence, 1901-1958)想出了一個方法。

勞倫斯 24 歲就取得博士學位,29 歲成為加州理工學院有史以來最年輕的正教授,一直是備受矚目的年輕學者。1929 年春天,他在圖書館翻閱期刊時,看到威德羅的一篇論文;雖然勞倫斯只懂一點德文,但他從插圖看得出來是在直線加速器上用許多電場多次加速粒子。勞倫斯計算了加速到一百萬電子伏特所需的距離,發現遠超過實驗室的大小;他想著怎樣才能讓粒子加速器擺得進實驗室,忽然靈機一動:把直線改成螺旋狀,用磁場引導帶電粒子的行進方向,如此就能縮小加速器的尺寸,而且僅需一對電極就能在粒子每次經過時予以加速,而逐步推昇至極高的能量。

1931 年元月,勞倫斯的研究生李文斯頓(Stanley Livingston)打造出直徑僅 4.5 吋的迴旋加速器,只用一千八百伏特的電壓就把氫離子加速到八萬電子伏特。他們接著打造 11 吋的迴旋加速器;1931 年 8 月 3 日這一天,李文斯頓成功加速到一百一十萬電子伏特的里程碑,證明了迴旋加速器的潛力。

科學家終於有了前所未有的利器,得以進行過去難以想像的粒子物理實驗;勞倫斯因此獲得 1939 年的諾貝爾物理獎。1945 年,勞倫斯實驗室裡的麥克米蘭(Edwin McMillan)針對粒子質量會隨著速度提高而增加的相對論效應,打造出同步加速器,再次突破迴旋加速器的能量瓶頸。如今,大強子對撞機(LHC)的能量高達萬億電子伏特以上,周長 27 公里,已非勞倫斯當初在圖書館畫下迴旋加速器的草圖時,所能想像的了。

 

 

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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曾與乾旱共存 200 年——印度古城 Dholavira 的衰亡給當代社會的啟示

科技大觀園_96
・2021/09/27 ・3515字 ・閱讀時間約 7 分鐘

雖然人類已經演化了將近 200 萬年,但是人類行為的現代性(behavioural modernity),例如抽象思考、深度規劃、語言、音樂和舞蹈等,很可能是在距今 2 萬年前(20,000 B.P.)[1]冰河時期的嚴峻氣候中發展出來,當時的人類正面臨族群瓶頸(population bottleneck),幾乎快要滅絕。

與尼安德塔人和丹尼索瓦人相比,現代人(智人)克服了族群瓶頸,活過了冰河時期,持續演化和蓬勃發展,形成今日的科技與工業世界。到了西元 2020 年,隨著 COVID-19 疫情肆虐和氣候變化日益嚴重,我們開始擔心人類會面臨另一個「瓶頸」:我們能否一直生存下去?

科技與工業世界僅僅 200 年歷史,人類已經讓自己的藍色星球—地球變得無法持續生存。當人類燃燒愈來愈多化石燃料、砍伐森林、破壞野生動物棲息地,造成地球溫度上升了 1.5℃。氣候科學家發出警告,如果再升高 0.5℃,我們將在短短 12 年內看到災難性的後果:極端氣候如氣旋、颱風或乾旱會愈來愈多,洪水泛濫將更頻繁,絕大多數冰蓋將會融化,導致海平面上升,淹沒沿海都市。知名物理學家史蒂芬.霍金就認為:「人類必須在 100 年內殖民另一顆星球,否則將面臨滅絕。」

然而,我們必須認知到,過去人類在這顆星球上克服重重困難生存了數千年,而且還是在科學與技術不先進的時候。如果可以進行一些案例研究,探討過去的時代和地理環境之下,人類如何採用更加持續性的生存方式,將會相當有意義。 

面對氣候危機,印度古文明大城 Dholavira 是如何應對的?(圖/何庭劭繪)

轉向史前時代和考古學

以臺灣為例,過去臺灣有一個歷史悠久、古老(6,000-5,000 B.P.)又先進的人類聚落,就是「大坌坑文化」,當時的原住民祖先已經學會如何製作陶器、種植稻米和小米。

新石器時代的大坌坑文化、河姆渡文化或馬家浜文化,與新石器時代的其他長江三角洲文化幾乎同時間開始各自獨自發展,這些文化持續了數千年。在新石器時代之後,世界各地的人們開始學習冶金技術,首先是製造銅器,再來是鐵器。

在新石器時代之後興起的古文明之一,為青銅器時代的印度河流域文明(Indus valley civilization, IVC, 5200-3300 B.P.),沿著巴基斯坦的印度河流域,穿過印度西北部的平原傳播。

不僅印度與巴基斯坦,在全球不同地區也有一些舊世界文明幾乎同時間繁榮起來,持續了很長一段時間,最後一起衰亡,例如位於美索不達米亞的「阿卡德文明」,還有位於希臘克里特島的「米諾斯文明」,以及位於中國的良渚文化和馬橋文化,再來就是廣泛的長江三角洲文明與黃河流域文明。

印度和巴基斯坦境內青銅器時代印度河流域文明遺址的位置(圖上的點都是),其中 Dholavira 是由考古學家挖掘出來,為印度最大的印度河流域文明城市遺跡之一。

印度河流域文明:延續了2000年的舊世界文明

這些古文明是如何維持了數千年之後走向衰亡,至今仍是考古學調查的謎題。在印度次大陸(Indian subcontinent),印度河流域文明的主要中心包括巴基斯坦的 Harappa 和 Mohenjo-Daro,以及印度的 Dholavira、Lothal 與 Kalibangan。大多數印度河流域文明定居點位於河流系統的氾濫平原,包括印度河區域以及如今不復存在的 Ghaggar-Hakra 河。

在氣候上,雖然印度河流域文明存在的地區受到印度夏季季風影響,但為半乾旱地區,降雨量比印度大陸少得多。最近的研究顯示,4200 B.P. 一場持續了幾世紀的全球乾旱可能導致這些文明的衰亡。因此,這場乾旱事件被科學家標記為「梅加拉亞期」(Meghalayan stage),一個新地質年代的開始。 

印度西北部 Dholavira 遺跡與文物,上方是青銅時代印度河流域文明遺址與石頭建造的城牆,左下是考古文物陶器與印章,右下是軟體動物泥海蜷與印度鉛螺的螺旋外殼,這些動物曾被過去居民食用,留下的外殼是科學家的研究材料。

為了調查印度河流域文明延續了多久,科學家透過碳 14 定年法,分別檢測在印度河流域文明遺址 Dholavira 發現的人類手鐲、魚耳石和食用螺類外殼的年齡。結果發現,Dholavira 遺跡最早開始於 B.P.5500 年,一直持續到 B.P.3800 年,也就是在同一個地點連續居住了約 1,700 年!


Dholavira 遺跡從 B.P.5500 年到 B.P.4400 年,城市擴張非常迅速,當時的人建造了壯觀的核心區域 Bailey,還有中城區和下城區,同期的城市例如 Harappa 或 Mohenjo-Daro 也有類似發現。

大約在 B.P.4300 之後,Dholavira 城市的擴張速度開始放緩甚至停止擴張,在 B.P.4300 到 B.P.4000 之間擴張驟降,建築、工藝和物質文化都顯示出退化,人們無法維持住這個城市,資源短缺。Dholavira 遺址荒廢了幾個世紀,最後在 B.P.3800 年城市終於消逝。

印度古城 Dholavira 為何消失了?

科學家為了找出 Dholavira 古城文明崩解的原因,分析了從 Dholavira 遺址發現的泥海蜷外殼(上圖),從泥海蜷外殼中的氧同位素,來推測當時這些生物的生活環境。

泥海蜷通常生長在紅樹林中,這說明了當時的人類是從附近的紅樹林中採集這些螺類以便食用。而氧同位素的分析,可以揭露這些螺類生長的水域,顯示附近曾經有一條大河,水源則來自季風還有喜馬拉雅山的冰川融化。 然而在B.P.4300到 B.P.4100 之間,季風變得很弱,河流也相當「瘦弱」,在這200年間的全球乾旱中終於枯竭。由於過去的文明是沿著河流發展農業,肥沃的河岸相當重要,因此大乾旱以及河流乾枯相當致命,造成文明隨之崩解。


在印度過去所有的氣候紀錄都顯示,B.P.9000 到 B.P.7000 之間季風相當強勁。在 B.P.7000 之後,季風開始變弱,科學家認為這和太陽輻射的變化有關,這時期的太陽輻射不斷減弱。

有趣的是,雖然季風減弱,但是 Dholavira 城市的人們很自然而然地採取節水措施,他們修建了水庫,懂得集水和省水,與缺水的自然災害抗爭了 1,700 年。不僅如此,Dholavira 的居民還改變了農作物的種植模式,從水稻等高耗水的作物,改種不需要太多水的小米。

當時的人就已經具有如此先進的觀念了,即使在今天,我們擁有強大的科技、衛星測量和通訊,也無法改變某些經常乾旱地區的農作模式。

然而,大自然還是給了古文明重重一擊,面對持續 200 年的全球大乾旱時期,Dholavira 的人們終於無法應付了。

印度河流域文明的 Dholavira 遺跡,當時的人們修建了水庫(左)和輸送水管(右),因為降雨量少,居住區缺水,需要節約用水。

從過去文明的衰亡得到教訓

實際上,印度的 Dholavira 以及其他舊世界文明都是了解氣候變遷如何增加未來乾旱風險的經典案例,這些風險也正是今日聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)所預測的結果。

IPCC 所有報告都顯示,隨著化石燃料用量增加,全球暖化將會加劇,乾旱與洪水氾濫的極端事件會愈來愈頻繁。IPCC 的資料顯示,特別是亞熱帶和中緯度地區的乾旱將會增加,我們已經開始在印度和其他國家看到這種情況。

季風中斷的天數正在增加,而季風低壓(monsoon depression)的數量正在減少,氣旋、颱風和颶風的威力變得更加強大。2020 年的超級氣旋風暴「安攀」(Amfan)摧毀了印度東海岸,造成價值數百萬美元的財產損失和人員傷亡。

全球氣候暖化和都市化,也帶來了像 COVID-19 這樣的未知疾病,蝗蟲等害蟲的攻擊也在增加,從非洲到亞洲,成千上萬的農田遭受摧毀。在舊世界文明中,人類長期持續的定居,並克服一切自然的困難,這些歷史帶給我們兩個重要的教訓:

第一,我們必須儘快學會如何應對氣候變遷導致的季風減少和水資源短缺,尤其是在農業方面。我們必須學會如何成為一個參與式的社會,而非獲利至上的社會。

其次,如果不趕快準備的話,那麼等著我們的就是一場大災難,氣候變遷愈來愈猛烈,乾旱、洪水和海平面上升,都是人類無法控制的。

像臺灣、荷蘭、孟加拉和印度孟買等地,可能就會陷入危險之中。舊世界的文明維持了約 2,000 年,而工業革命後的現代文明只維持了 200 年。1,500 年以後,很難說會發生什麼事,人類是生存還是滅亡?

現在,印度理工學院和臺灣中央研究院地球科學研究所正在利用最新的物理學、質譜分析和年代判定,共同研究臺灣和印度的古文明。目的是為了更詳細了解這些壯觀的遺跡,從經驗中學習,幫助我們在未來建設一個可持續發展的地球。


註解

  1. B.P.(距今),Before Present,考古學的年代標記法,以西元 1950 年為基準,距今 2 萬年(20,000 B.P.)的意思就是比西元 1950 年早了 2 萬年。

科技大觀園_96
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