0

1
0

文字

分享

0
1
0

德布羅意誕辰 │ 科學史上的今天:8/15

張瑞棋_96
・2015/08/15 ・1000字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

「這根本完全違背我的本意!」出身貴族,言行優雅的德布羅意也不禁有點激動起來。

1927 年的索爾維會議(Solvay Conference)上,他與哥本哈根學派等人為了「波粒二象性」的波究竟是什麼爭執不下;而這源頭正是始於德布羅意在 1924 年提出的物質波。

那是德布羅意的博士論文。他原本就一直留意當時正萌芽的量子說;愛因斯坦於 1905 年漂亮地用光量子解釋光電效應,並於 1916 年獲得密立根的實驗證實;1923 年,康普頓的 X 光散射實驗更是毫無疑義地證明了光的波粒二象性。於是,德布羅意大膽主張物質與光一樣,具有波粒二象性,並在博士論文中提出物質波的公式。

他的論文雖然看起來無懈可擊,但物質波的概念實在太匪夷所思了!物質有確切的質量,又不像光純粹是能量,怎能相提並論?何況這根本與經驗法則不符,物體幾時有過波的樣子!因此幾位教授都持保留意見。德布羅意的指導教授朗之萬(Paul Langevin)只好將論文寄給愛因斯坦,請教他的意見。還好愛因斯坦予以肯定,德布羅意才於 1924 年順利取得博士學位。

如果電子之類的粒子有波的性質,那就應該遵循某種波動方程式吧?1926 年,薛丁格方程式問世;薛丁格本人與德布羅意都認為方程式中的波函數代表的就是真實的波,沒想到玻恩竟然主張那代表的是機率波。原本一起擁抱新物理的量子陣營自此分成兩派,一邊是以玻恩、波耳、海森堡等人為首的哥本哈根學派,主張粒子沒有確切狀態,一邊是愛因斯坦、薛丁格與德布羅意等古典陣營,仍然相信決定論與客觀存在。

1927 年 4 月,戴維森與革末的實驗證明電子果然像波一樣出現繞射圖案,證明了德布羅意的物質波理論。於是十月的索爾維會議已無須再爭論物質波是否存在,重點在於物質波是什麼了。

德布羅意有備而來,提出「前導波」(pilot wave)理論。他認為粒子是隨著空間中的前導波運動,就像是衝浪者乘著波浪前進一樣,如此就能解釋粒子的波粒二象性,而無需近乎玄學的哥本哈根詮釋。但是德布羅意無法回答他們提出的許多質疑,只能黯然不再提起。

德布羅意於 1929 年獲頒諾貝爾物理獎,但他終其一生仍努力試圖賦予物質波真實的物理意義,卻始終無法如願。他與同樣堅守立場的愛因斯坦一樣,看著自己參與創立的量子理論漸行漸遠,卻無能為力,只能無奈地喃喃道:「可是,它並不完備。」

 

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 ・ 541 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》。

0

0
1

文字

分享

0
0
1
康普頓誕辰 │ 科學史上的今天:09/10
張瑞棋_96
・2015/09/10 ・975字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 598 ・九年級

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。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 541 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》。

0

1
1

文字

分享

0
1
1
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
  • 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。

文章難易度
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。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
證實物質波的凸槌實驗 │ 科學史上的今天:08/04
張瑞棋_96
・2015/08/04 ・947字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

 

Clinton Davisson
戴維森。圖片來源:Pantagraph

1927 年 8 月 4 日,貝爾實驗室的戴維森(Clinton Davisson)與助手革末(L. H. Germer)發現真空裝置的玻璃又破裂時,兩人先是一愣,接著互看一眼,露出會心一笑。一切的起點就是兩年半前的真空裝置玻璃破裂,如今以同樣的方式結束實驗,似乎也是天意。他們決定就此打住,整理數據,撰寫論文。

他們原本的實驗是要用電子束轟炸鎳,然後從電子的散射角度研判鎳的原子結構。1925 年 2 月 5 日這一天,他們才要開始實驗,不料玻璃竟因不耐高熱而破裂,空氣跑進真空設備中,導致高溫鎳靶嚴重氧化。戴維森不想就這樣丟棄鎳靶,決定透過加熱還原反應予以修復。沒想到重作實驗後,電子散射的分佈曲線竟變複雜了。他們檢查鎳靶,發現應該是鎳的部分表面形成排列整齊的晶體所致。

戴維森完全沒有聯想到電子繞射,因為繞射是波才有的特性,德布羅意才剛於 1924 年底提出物質波的假說,薛丁格也還沒提出波動方程式,除了少數幾位量子力學的先驅,根本沒有人認為電子具有波的性質。

1926 年,戴維森到英國參加一個研討會,才得知德布羅意與薛丁格的理論。他向玻恩等人提到自己的實驗,玻恩他們猜測,或許這就是電子繞射的結果,鼓勵他往這方向研究。返回美國後,戴維森與革末製備了單晶體的鎳,用低速電子束從各種不同角度打向鎳晶體,記錄反射結果,最後果然發現某個角度產生了明顯的繞射現象。

1927 年 4 月,他們在《自然》期刊發表實驗結果,比獨立發現電子繞射的 G. P. 湯姆森早了兩個月。但戴維森認為實驗數據與德布羅意的理論仍有些差距,因此又從 4 月開始重做實驗,直到 8 月 4 日這一天,因為真空裝置玻璃再度破裂才結束實驗。這一次的實驗數據與德布洛伊的「物質波」公式完全吻合,證實了物質就是波,也為剛萌芽的量子力學注入強心針。

德布羅意隨即於 1929 年獲頒諾貝爾物理獎,四年後,薛丁格也獲獎;而戴維森也與 G. P. 湯姆森共同獲得 1937 年的諾貝爾物理獎。

一個搞砸的實驗,最後竟然換到一座諾貝爾獎,所謂「塞翁失馬,焉知非福」大概就是這麼回事吧!

 

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 ・ 541 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》。