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康普頓誕辰 │ 科學史上的今天:09/10

張瑞棋_96
・2015/09/10 ・974字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 598 ・九年級

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光究竟是粒子還是波?這個問題自古即爭論不休,沒有定論。直到 1704 年牛頓出版《光學》一書,微粒說才因牛頓的崇高地位而壓過波動說,成為主流。不過,百年以後楊氏(Thomas Young)以雙狹縫實驗證實光具備波才有的干涉現象,後來法國物理學家菲涅耳(Augustin Fresnel)又提出更明確的實驗與理論,波動說自 1820 年代起又取代了微粒說。

沒想到 1900 年,普朗克提出量子的概念作為光的能量單位後,愛因斯坦竟又在 1905 年的論文中直接把光當成粒子,成功解釋了光電效應。然而已經普遍接受波動說的科學界大多無法認同,例如密立根就企圖以實驗駁斥光子說,只是沒想到他 1916 年得出的實驗數據反而吻合愛因斯坦的理論。即使如此,許多人仍對光子說持保留態度,最終能一錘定音,讓大家接受光也是粒子的,正是美國的物理學家康普頓(Arthur H. Compton, 1892-1962)。

康普頓於 1916 年取得博士學位後,當了一年講師,然後到西屋公司研發利用氣體放電的鈉燈。兩年後他前往劍橋大學的卡文迪許實驗室,跟 G. P. 湯姆森一起研究 γ 射線的散射。他對於散射後的 γ 射線變得比較容易被晶體吸收感到奇怪,因此 1920 年返國後,即開始用 X 光作散射實驗。

透過光譜儀,康普頓發現部分散射後的 X 光波長變長了,但正常而言,波反彈後不應該改變波長啊?另一方面,波長變長意味著能量變小,那麼短少的能量顯然是被晶體的電子吸收了。康普頓再從各種不同角度測量散射後的 X 光,發現損失的能量與散射的角度有絕對的關係。

1923 年,康普頓發表論文提出解釋:如果將 X 光散射視為光子與晶體中的電子像撞球那樣彼此相撞,那麼根據動量守恆所計算出來的結果,完全符合各種散射角度所測得的實驗數據;他並給出了「康普頓頻移公式」描述波長變化與散射角度的關係。也就是說在 X 光散射中,X 光表現得就像是粒子。

康普頓的實驗數據極為精確,難以挑剔,這多少歸功於他之前當研發工程師時的經驗,而能將測量儀器改造得更為靈敏。此一「康普頓效應」終於說服了原來存疑的物理學家接受愛因斯坦的光子說,光的波粒二象性從此成為共識,量子力學也因此有了牢固的基石。1927 年的諾貝爾物理獎因此頒獎給康普頓,以表揚他的重要發現。

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
423 篇文章 ・ 629 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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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科學家眼中的科幻──2019泛知識節
泛知識節
・2019/06/16 ・2518字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

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  • 活動記錄/簡克志

科幻電影裡的現象,常和我們日常生活所見有巨大差異,這也是科幻電影吸引人的很大一個主因。如果我們擁有高超的科技,這些情景是有可能真實發生的嗎?或它們已經違反物理定律,是無法實現的呢?

科幻電影提供大家想像的空間。圖/pxhere

2019泛知識節邀請到香港天文物理學家余海峯,余海峯是《物理雙月刊》副總編輯及《泛科學》專欄作者,他也和朋友合著了天文學科普書籍《星海璇璣》,是難得的香港科研與科普專家。在泛知識節的演講中,他透過物理的角度,探討電影劇情真實發生的可能性,與大家分享他對科幻的看法。

主題一:「瞬間轉移」——蟲洞、量子穿隧效應與量子糾纏效應

在演講中,第一個討論的科幻主題是「瞬間轉移」。余海峯認為可以將之分為三類。

第一類是哆啦A夢的任意門類型,就是對應科學概念中的蟲洞。雖然愛因斯坦的相對論不允許超光速移動,如果能把時空中的兩點直接接通,就可以瞬時穿越非常遠的距離。

蟲洞是廣義相對論方程組的解,所以理論上宇宙中是可以存在蟲洞的。不過,物理學家還不知道在什麼情況下,蟲洞才會形成。而且,在瞬間轉移的時候,要如何保持打開的蟲洞,也是未知之數。

余海峯在說明多拉a夢任意門存在的可能性。圖/活動紀錄照片

第二類是《星艦迷航記》(Star Trek) 裡面的傳送裝置。科幻影集裡面,傳送裝置會把人分解成基本粒子,然後傳送到目的地再設法重組。余海峯認為傳送過程中對應科學概念中的「量子穿隧效應」,把分解出的基本粒子發射出去,可以穿越非常遙遠的距離。

但是近期一份投稿《Nature》期刊的科學研究顯示,量子穿隧效應的速率依然是光速,故無法達到瞬間轉移的效果。另外,余海峯提到,就算全宇宙的原子都變成電腦,也不足以記憶人體身上所有資訊,所以再重組為人是不太可能的。

第三類是運用量子糾纏效應的傳送裝置。這種科幻裝置不需要傳送基本粒子本身,只需要傳送粒子的資訊即可,把人分解之後存取資訊,告訴目的地如何重組,直接在目的地製造新的人。因為要瞬間轉移,就必須要超越光速,所以傳送資訊的方式對應「量子糾纏效應」,兩個量子態互相糾纏的粒子,他們會互相記得對方的狀態。無論距離多遠,只要確定某一方的狀態,即可瞬間對應地確立另一方的狀態。

將這種對應關係予以精細編碼,就可以拿來傳送科幻裝置的人體資訊,然而不僅要告訴目的地如何重組,還需要告訴目的地人體有哪些基本粒子,目前在科技上仍難以實現。

期待能利用量子糾纏效應,將量子態互相糾纏的粒子關係精細編碼,用以傳送人體資訊,達成瞬間轉移。圖/pxhere

第二類和第三類這兩種瞬間移動的傳送裝置,還會引發一個哲學問題:因為原本的人已經被分解了,傳送過去的人還是原來的那個人嗎?可以在科幻作品發掘科學與哲學的反思,是科幻有趣的地方。

「巨大化」與「縮小化」的可能性

接下來談論的第二個科幻主題是「巨大化」。余海峯認為可以分成兩類,其一是把身體按比例放大,原子總數量不變,原子總體積增加,身體重量增加,無視物理定律。另一類是在變大的時候,原子大小不變,透過瞬間傳送很多原子,把空缺填滿,余海峯認為此類在未來較為可能實現。

然而,巨大化之後呢?余海峯重述之前發表在的文章〈《進擊的巨人》物理學(上):變身巨人的那一刻就註定了人類的勝利?〉的概念  :陸上生存的動物不可以太高太重,否則就算沒被自身體重壓碎內臟,肌肉也不夠力量移動身體。這是因為站立行走受的壓力是以長度平方遞增,但體重則是以長度立方遞增,所以越巨型的動物就越需要粗壯的腳部支撐身體,體型亦越笨重。

如果像《進擊的巨人》那樣把人按比例放大,理論上是站不起來的,身體肌肉無法支撐身體的重量。所以目前全世界體型最大的動物-藍鯨,因為生活在有浮力的環境,才能稍稍解放重力帶來的限制。

藍鯨。浮力可以減緩重力對體重的限制。圖/flickr

第三個科幻主題的「縮小化」,例如科幻電影「蟻人」。余海峯認為一樣可以分為兩類,其一是等比例縮小構成物體的原子總體積,但是這改變了基本力的作用方式,違反物理定律。其二是保持原子原本的物理特性,透過拿走原子來達到縮小化的效果,但是生物身體一旦缺少資訊,例如大腦少了很多神經元,生物也難以維持縮小前的認知能力。

有可能有超光速飛行嗎?

第四個科幻主題是「光速或超光速飛行」,例如Star Trek裡面的Warp Drive(曲速引擎)。光速飛行本身就已經不可能,質量非零的物體不可能到達光速,因為要加速到光速需要的能量為無限大。如果要達到超光速,通常是以空間翹曲或空間折疊來達成,類似任意門的概念。

那麼,如果真的到達超光速,會發生什麼事?時間會倒流。但是,余海峯說他學生問了一個問題:到達超音速時,聲音會延遲,好像時間倒流,事實上並沒有。那麼,到達超光速時,時間會倒流會不會只是一種錯覺?目前並沒有答案。

太空中的失重並不等於無重力

第五個科幻主題是「無重力狀態」,例如《2001太空漫遊》裡面的太空殖民地,很常看到太空沒有重力的描述。余海峯認為是極大的錯誤,因為重力場是沒有邊界的,太空依然有重力,地球才能環繞太陽旋轉。

「無重力狀態」這個詞不夠精準,太空人離開地球在太空飄浮,其實是自由落體的「失重」,只是因為太空船有推進速度,才不至於掉落地表,形成圍繞地球的圓周運動。

在地球上模擬失重狀態的中性浮力實驗室。圖/pxhere

科幻電影裡的戰爭武器

第六個科幻主題是「雷射劍和雷射槍」。但是根據波粒二象性,光具有波動特性,光劍是不可能格檔其他光劍的,劍與劍會互相穿越。雷射槍按理說是敵人見光即死,但是《星際大戰》角色卻可以用光劍格檔雷射槍攻擊,頗不合理。

第七個科幻主題是「太空戰爭」。太空戰爭其實不會像電影那樣呈現史詩級場面,因為太空是真空狀態,碎片會到處亂飛,只要有一方攻擊,大家都會被碎片砸死。最後,余海峯認為科幻帶來的科學與哲學上的思考,仍然相當有趣。

泛知識節
24 篇文章 ・ 4 位粉絲
從「科學太重要了,所以不能只交給科學家」,到「科學家太重要了,所以不能只懂科學」,再到「知識太重要了,所以不能讓它關在牆裡」,「泛知識節」為泛科知識召集之年度大型活動,承繼 PanSci 泛科學年會的精神與架構,邀請「科學」「科技」「娛樂」「旅行」四個領域的專家與耕耘者,一同談說、分享、攻錯。 這是一個大型的舞台,我們在此治茶拂席,虛位以待,請你上座。

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張瑞棋:我想呈現科學家榮耀的背後,和常人無異的一面
梁晏慈
・2016/03/31 ・2235字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

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「以古為鏡,可以知興替。」如果能在過去、現在兩點拉出一條直線的話,未來的趨勢也有機會在我們掌握之中;當我們遇到困難時可以透過過往的經驗,幫助我們下判斷。這就是歷史的重要性!同樣的,歷史的脈絡可以幫助我們學習科學,而且還有機會發現科學家並不是我們想像中的神聖不可侵。2015 年 12 月 22 日在胖地台北,泛科學的專欄作者張瑞棋帶著《科學史上的今天》,和我們分享科學家背後鮮為人知的小故事。

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「從小到大,科學家在我們心中非常偉大,無論是哥白尼的日心說,或者證明地心引力作用一樣的伽利略。這些科學家閃耀著光芒,直到越讀越多書後才發現,光芒的背後其實存在著陰影。這些科學家們的陰影來自信仰權威以及性別。」

信仰

普遍認為哥白尼的日心說之所以不被認可,是因為宗教的打壓。然而另一種觀點是由於哥白尼認為上帝創造的宇宙應該存在著完美對稱的幾何關係,也就是軌道應該是圓形的!但這會和他觀察到的天文現象不吻合,因此與其說日心說的發表示因為教會的壓力,其實哥白尼本身的執迷才是造成學說延宕的原因。又比如提出滅絕說的居唯葉,他認為物種會因為某些災難而滅絕,另一方面在創世後仍物種繼續被創造。由於他深信聖經的創世論,甚至抨擊達爾文的演化論,導致演化論的發展備受阻礙。

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讓我們一起來聽聽科學家背後鮮為人知的故事吧!

權威

除了信仰外,有時候科學家利用自身權威、堅持己見,抑制別派學說,亦會影響科學的發展。你能想像西元十六世紀,醫生們拿著的解剖經典是出自於西元二世紀的蓋倫,且內容漏洞百出嗎?蓋倫是根據其動物解剖的經驗來推斷人體的內部構造,當然和人體的構造有很大的出入。但許多人不改抵抗權威,使得錯誤流傳千年。直到維薩留斯的出現,人體的結構才終於被了解。維薩留斯憑藉著大量的人體解剖經驗,推翻了多年來的理論,加上他有美術的長才,得以將知識快速的更新、傳播。

另一個為人所知的例子是牛頓萊布尼茲。在微積分發展上,英國推崇地位較高的牛頓提出的流數,而非萊布尼茲的微積分,這導致英國的數學研究落後其他歐陸國家。最後一個權威造成的悲劇,讓許多產婦賠上了性命。十九世紀,醫生塞默維斯發現由醫院接生的產婦死亡率遠遠高出了由助產士接生的。他推測原因是醫學系的學生在解剖完大體後沒有清潔,而將細菌帶給產婦。然而其他高傲的醫生們認為:醫生怎麼可能害人呢?而摒棄了塞默維斯的想法。

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性別

女性在科學界受到的打壓也不少:在代數領域有傑出成就的埃米諾特,竟因其性別而無法擔任大學教授;華生看了羅莎琳.佛蘭克林的 DNA  X 光繞射圖片,終於發現了 DNA 的雙螺旋結構,並以此得到了諾貝爾獎。雖然華生得獎的時候佛蘭克林已過世,然而我們可以想像,在當時的社會氛圍下,即便她在世,女性科學家的得獎機率仍然很低;發現脈衝星的喬瑟琳貝爾其成就在天文界有目共睹,然而諾貝爾物理獎的獎座是被指導教授赫維許拿走;吳健雄透過實驗證實宇稱不守恆,但最後是理論學家楊振寧及李政道是拿到了諾貝爾物理獎。

有些時候科學家對抗的不是來自外界的輿論、權威,反對的力量反而是來自科學界:牛頓打壓虎克及萊布尼茲;愛迪生堅持使用直流電系統,並利用交流電椅製造世人對交流電的恐懼,藉此反對特斯拉的交流電系統;發明氫彈的泰勒對前主管歐本海默落井下石,聲稱歐本海默對美國不忠……

我想呈現的不只是科學家的榮耀,還有其與常人無異的一面

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跟著《科學史上的今天》的腳步,我們可以發現科學家或許只在智力上比一般人高超,但其品性仍和常人一樣:他們也會忌妒、也會排擠別人、也會為了得到權力耍手段。如果大家能用平等的角度認識科學家,去了解理論後的時代背景,那學科學就不再只是背公式和定理,而是和一段段生命故事相遇的奇幻旅程。

 

梁晏慈
8 篇文章 ・ 1 位粉絲
梁晏慈,台灣大學化學系研究所。 喜歡聽故事、說故事,還有貓。