0

0
0

文字

分享

0
0
0

嗶——超速了!什麼?聲音竟然有「速限」

linjunJR_96
・2020/11/11 ・1866字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

光速是宇宙的終極速限,任何的物質運動和資訊傳遞都不准超速。不過最近有人做出了最新預測,除了一般物質外,聲音的傳遞速度竟然也有最大上限?

不管是光(電磁波)還是聲音,都是以波動的形式傳播。值得注意的是,波速只會跟系統本身性質(例如:介質不同)有關,一般的繩波或是水面波同樣也是如此,不論震動得多用力或多快,都不會讓波跑的更快或更慢。

我們可以把聲波的傳遞想像成下圖中的彈簧。既然彈簧波的速度可以用彈性係數和彈簧質量來表示,同樣的,聲速應該也可以用某些性質來描述。

可以把聲波的傳遞想像成圖中的彈簧。圖/Shyam Srinivasan

先從聲音的性質說起

聲音在不同材料中傳遞的差異,可以用體積模數(Bulk Modulus,簡寫 B )來表示。體積模數代表物體在面對外部壓力時,會做出多少體積上的改變。數學上可以寫成:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

等號左邊是施加的壓力,右邊是體積模數 B 乘上體積變化量占總體積的比率,負號只是習慣,這代表相同壓力下,B 值越大物體越不容易壓縮,和彈簧的 F=-kx 類似。我們知道越「硬」的彈簧反應越快,可以更快地傳遞波動;同樣地,比起在空氣中傳遞,聲速在較難壓縮的液體和固體中會比較快。因此不難看出,B 會與聲速扯上關係,而且 B 值越大聲速越快。

聲波在固體傳播的速度比在空氣中快。圖/giphy

一般來說,聲速可以寫成:

分子就是上面提到的體積模數 B,而分母的材料密度則表示介質越稀疏,聲速越快。國中學過的聲速與溫度成正比便是這個道理,當溫度變高時,空氣體積膨脹,密度變小,因此聲速傳遞更快。

為什麼聲速有上下限?

不過公式中的 B 和材料密度都是需要透過實驗獲得的材料參數,因此很難看出聲速會有什麼上下限。如果要再往前一步,就必須進入微觀的原子尺度。想像兩個同極相斥的磁鐵,彼此互相靠近時,斥力會逐漸變大;這是因為隨著兩個相斥磁鐵逐漸靠近,抵抗靠近的磁力位能會逐漸增加。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
當兩個同極磁鐵互相靠近,因抵抗靠近的磁力位能增加,斥力會逐漸變大。圖/giphy

同樣地,當原子間的鍵結能量增加,將兩顆原子拉伸或壓縮的難度會隨之上升,物體也就越不容易被壓縮。也就是說,體積模數 B 正比於單位體積內原子間的鍵結能量,巧合的是,材料密度也能寫成單位體積內的原子質量,於是我們可以將聲速寫成:

一般固態物質中,鍵結能量可由古早的波耳氫原子模型導出,大約是 α2c2me / 2(原子質量),α 是一大串常用的物理常數,c 是光速,me 是電子質量。於是我們在原子尺度的物理圖像中,得到了聲速的新公式:

公式中的英文字母都是常數,唯一重要的是原子質量,原子質量越小的聲速便越快。依照理論,聲速最快的會是原子量=1 的固態氫原子,聲速為 36100m/s 。

聽起來很厲害,實際上真的是如此嗎?

針對一系列不同原子量的固態元素,我們可以看看他們的聲速是否的確符合預期。不過因為 B 的實際值和鍵結種類,晶格結構等複雜因素有關,因此並不會完全落在理論線上,不過整體的趨勢十分吻合。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
固態元素中聲速對原子量的對數圖。斜直線為斜率 -0.5 的理論預測,虛線為擬合直線。紅點為原子量=1時的聲速上限。圖/Science advance

有趣的是,如果我們將新的聲速公式移項一下,會發現聲速上限對光速的比率,可以用簡單的物理常數來表示,這點是前人使料未及的。這結果或許不像光速這麼絕對,不過仍然是一次很漂亮的科學推理,也為固態物理的理論與實驗提供了嶄新的發展題材。

參考資料

  1. Trachenko, K., Monserrat, B., Pickard, C. J., & Brazhkin, V. V. (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. arXiv preprint arXiv:2004.04818.
文章難易度
linjunJR_96
33 篇文章 ・ 855 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

0

2
0

文字

分享

0
2
0
人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
199 篇文章 ・ 304 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

1
0

文字

分享

0
1
0
Freeze & Mute!別出聲!——恐音症 TMI 我來告訴你!
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2024/04/20 ・3826字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/賴郁婷 | 雅文基金會聽語科學研究中心 助理研究員

「咔滋咔滋、咔滋咔滋」——聽到吃東西的聲音是不是讓人忍不住食指大動、唾液快速分泌呢?夜半時刻肚子感到空虛,美食又還在外送途中,一時半會兒吃不到宵夜該怎麼辦呢?先看看吃播也是能夠過過癮的,也因此一部分的影音創作者就抓住人們對於食物的關注,搭配 ASMR,強調食物在唇齒間的咀嚼聲,將大啖美食的畫面及聲音製作成影音大飽觀眾耳福。然而真的所有人都對 ASMR 放大的聲音感到愉悅或療癒嗎? 

一張含有 人員, 點心, 速食, 烘焙食品 的圖片

自動產生的描述
每個人看/聽別人吃東西都能感受到愉悅?。圖/Freepik

對聲音過敏?

您是否有這樣的經驗?在忙碌、deadline 逼近感到焦慮時,或是一個人走在暗巷中緊張、害怕時,任何風吹草動的聲音都會被放大或形成干擾。從空調的運轉聲、時鐘的滴答聲到進出門的開關聲等,都像是背後有隻怪獸正朝我們撲過來,若長期維持聽覺過度敏感化(Auditory Hypersensitivity / Oversensitivity)的狀況,則可能會導致注意力不集中、坐立不安、頭痛、噁心的感覺,甚至要到身心科尋求幫助;而原本有慢性耳鳴問題的人,也有可能會增加耳鳴發作的頻率 [1]

這類對外界聲音過度敏感的狀態,最早是由美國聽力學家 Johnson 在 1990 年代將其定義為選擇性聲音敏感綜合症(Selective Sound Sensitivity Syndrome, 4S),然而與聽覺過度敏感化不同的是,4S 患者主要是對特定的「觸發聲音」(trigger sound)出現時,才會出現明顯的不耐受性(intolerance),有些患者甚至連相關的視覺或嗅覺刺激也可能引發恐音反應 [2]。2001 年時,恐音症(misophonia)一詞被提出,其字義為:對聲音的憎恨 [3],被用來描述當面對特定、重複的觸發刺激時(例如:咀嚼聲、呼吸聲),會出現憤怒、厭惡的衝動反應。

容易對聲音感到焦慮、不舒服,就是有恐音症嗎?

人類因聲音感到困擾、對聲音耐受性較低的狀況,主要可分為以下三種類型 [4]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  1. 噪音敏感(Noise sensitivity):指無論噪音大小(響度)如何,人們對噪音的生理及心理反應都變得敏感的狀態,因此他們通常在安靜的環境中感到最舒適。此症狀在經歷過重大腦外傷的人是很普遍的,在自閉症患者中也很常見。
  2. 聽覺過敏(Hyperacusis):指當聲音大小(響度)是在大多數人可以忍受的範圍時,聽覺過敏者則會感到生理上的不適或疼痛。研究指出,一般人對聲音響度的容忍度可以達到 100 分貝,甚至更高 [5],而聽覺過敏患者只能容忍 60 至 70 分貝的聲音大小,大約是一般人說話的音量,即會造成其不適。
  3. 聲音恐懼症(Phonophobia):與上述兩者不同,聲音恐懼症所造成的不適並非由物理聲音引起,而是患者對聲音的預期恐懼,他們「害怕」可能出現的聲音,這樣的害怕情緒會導致焦慮,且可能加劇已有的聽覺問題(聽力損失、耳鳴)。

雖然這些對聲音耐受性的相關症狀各有不同,但這些病症不一定都是單獨出現的,聽覺過敏者有很高的比例會伴隨著嚴重耳鳴 [6]、聲音恐懼症的患者也可能因有聽覺過敏而更容易對聲音感到焦慮、害怕。

恐音症到底是什麼?

在恐音症還未被正式定義前,經常被歸類為聽覺過敏或是強迫症,對其應該被歸類為精神疾病或是聽覺的相關障礙,各界學者們也都有不同看法,究竟恐音症有什麼特殊之處,讓我們來揭露它的廬山真面目。

對恐音症的診斷標準最早由荷蘭的阿姆斯特丹大學醫學中心在 2013 年首先提出。而後,Jager 等人 [7] 歷時五年對近 600 位恐音症患者進行研究,並於 2020 年提出修訂版的恐音症診斷標準。對於恐音症的診斷標準建立及更新,都可以看出學者們對於恐音症的重視與關注,然而恐音症至今仍未被列入在《精神疾病診斷與統計手冊》(DSM)及《國際疾病分類》(ICD)當中。

由於,恐音症在研究的早期階段定義及描述並不統一,診斷的方法和評估的標準也不相同,在如何定義和評估恐音症上尚無一致性,而這也促成了 Swedo 等人 [8] 透過與各界學者的討論與對話,逐漸對恐音症的概念達成共識,其項目包含:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  1. 症狀描述:對特定聲音刺激(觸發因素)的耐受性降低,且觸發因素通常是重複的、由人的身體產生的,會造成患者過度的情緒、生理和行為反應。
  2. 觸發因素:最常見的觸發因素是聽覺上的,包含口腔的聲音(咀嚼、進食、咂嘴、吸食、咳嗽、清喉嚨和吞嚥等)、鼻音(呼吸和嗅聞等)、人為製造出的聲音(按原子筆、敲鍵盤、輕敲手腳和拖長腳步),以及物體發出的聲音(例如:時鐘滴答聲)或動物發出的聲音。同時也有機率對視覺上的觸發因素(折手指、抖腳、晃腿或看他人進食)有強烈反應。
  3. 觸發反應:在情緒方面,憤怒、惱怒、厭惡和焦慮是最常見的;生理上則會引起自主神經興奮,使肌肉緊繃、心率加快和出汗;行為反應上可能會對觸發因素進行攻擊,或以迴避、阻止、模仿的方式減低觸發因素所帶來的不適反應。
  4. 與其他疾病的關係:恐音症的症狀無法用同時發生的其他疾病做更好的解釋。恐音症可能出現在聽力正常或聽力損失的人身上,單獨或和耳鳴、聽覺過敏等病症一起發生都是可能的。同時,精神疾病也可能與恐音症共病,包含焦慮症、情緒障礙、人格障礙、自閉症、注意力不足過動症等。
  5. 對生活的影響:患者在職場及求學階段都可能因注意力無法集中,而無法執行工作任務、達到目標。在社會上,也會因無法如常與人互動、建立關係,最終與人群疏離。於家庭關係上,患者可能因家庭成員的行為或聲音觸發患者的不適反應,導致關係緊張和衝突。
一張含有 視窗, 建築, 採光, 服裝 的圖片

自動產生的描述
恐音症患者在日常生活中面臨許多挑戰。圖/Freepik

神燈精靈請幫幫他們吧!

雖然目前恐音症的盛行率、發生率、好發年齡及患病原因尚無定論,但患者們無法與其他人正常社交、共餐甚至可能連大眾交通工具都無法搭乘,真的很辛苦!所幸,應對恐音症,專家們還是有點辦法的。目前主要治療、減緩恐音症症狀的方法主要有三項:

  1. 物理隔絕:使用能降低因觸發因素引起心理或生理反應的用品,如:耳罩、耳塞、降噪/隔音耳機、白噪音機等用具,阻擋聲音或降低對觸發因素的反應。
  2. 治療法:主要為耳鳴再訓練療法(Tinnitus retraining therapy, TRT)與認知行為療法(Cognitive behavioral therapy, CBT)。兩項療法皆協助患者在遇到觸發因素時,對產生的情緒及行為進行控制,需透過專業人員制定計畫與課程,搭配患者逐步練習、適應觸發因素,最終回歸日常生活中。
  3. 藥物:用於恐音症的藥物尚在研究當中,目前有研究顯示使用抗憂鬱藥物(如:舍曲林、氟西汀),能使患者獲得不錯的治療效果 [9, 10],近期也發現類固醇可以減緩恐音症者的不適症狀 [11]

另外,因應科技化的時代,恐音症治療協會也提供 app 及操作說明影片 [12],透過應用程式錄下觸發聲音,並設定觸發因素的音量、持續時間、播放頻率,這些設定會在使用者聽音樂、看影片等放鬆時段運作;使用者可以透過慢慢增加觸發因素的持續時間,逐漸適應觸發因素的出現、降低對觸發因素的敏感反應。

所以,真的所有人都對 ASMR 放大的聲音感到療癒與愉悅嗎?相信大家心中已經有了答案。也因為恐音症的發展歷史相對較短,大眾對於恐音症的了解尚未普及,因此對聲音耐受性低的相關疾病已有所熟悉的你,若是發現身邊親朋好友對於聲音感到敏感或是對重複動作所造成的聲音感到嚴重不適,請協助就醫尋求幫助、釐清病因。最後,若真的遇見「專屬」的觸發因素,當下除了要求對方 Freeze & mute 之外,相信我們已經知道還有哪些方法及資源可以應對這樣的狀況了!

參考文獻

  1. 簡婉曦(2021 年 1 月 27 日)。【焦慮腦學】有一種恐懼,害怕聲音可能存在。醫療心空間。https://vocus.cc/article/6011126efd89780001410d53
  2. Ferrer-Torres, A., & Giménez-Llort, L. (2022). Misophonia: A Systematic Review of Current and Future Trends in This Emerging Clinical Field. International journal of environmental research and public health19(11), 6790. https://doi.org/10.3390/ijerph19116790
  3. Jastrebo, M. M., and Jastrebo, P. J. (2001). Components of decreased sound tolerance: hyperacusis, misophonia, phonophobia. ITHS News Lett 2, 1–5.
  4. Henry, J. A., Theodoroff, S. M., Edmonds, C., Martinez, I., Myers, P. J., Zaugg, T. L., & Goodworth, M. C. (2022). Sound Tolerance Conditions (Hyperacusis, Misophonia, Noise Sensitivity, and Phonophobia): Definitions and Clinical Management. American journal of audiology31(3), 513–527. https://doi.org/10.1044/2022_AJA-22-00035
  5. Jastreboff, M. M., & jastreboff, P. J. (2001, June 18). Hyperacusis. Audiologyonline. https://www.audiologyonline.com/articles/hyperacusis-1223
  6. Cederroth, C. R., Lugo, A., Edvall, N. K., Lazar, A., Lopez-Escamez, J. A., Bulla, J., Uhlen, I., Hoare, D. J., Baguley, D. M., Canlon, B., & Gallus, S. (2020). Association between hyperacusis and tinnitus. Journal of Clinical Medicine, 9(8), 2412. https://doi.org/10.3390/jcm9082412
  7. Jager, I., de Koning, P., Bost, T., Denys, D., & Vulink, N. (2020). Misophonia: Phenomenology, comorbidity and demographics in a large sample. PloS one15(4), e0231390. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231390
  8. Swedo, S. E., Baguley, D. M., Denys, D., Dixon, L. J., Erfanian, M., Fioretti, A., Jastreboff, P. J., Kumar, S., Rosenthal, M. Z., Rouw, R., Schiller, D., Simner, J., Storch, E. A., Taylor, S., Werff, K. R. V., Altimus, C. M., & Raver, S. M. (2022). Consensus Definition of Misophonia: A Delphi Study. Frontiers in neuroscience16, 841816. https://doi.org/10.3389/fnins.2022.841816
  9. Zuschlag, Z. D., & Leventhal, K. C. (2021). Rapid and Sustained Resolution of Misophonia-Type Hyperacusis With the Selective Serotonin Reuptake Inhibitor Sertraline. The primary care companion for CNS disorders23(3), 20l02731. https://doi.org/10.4088/PCC.20l02731
  10. Sarigedik, E., & Yurteri, N. (2021). Misophonia Successfully Treated of With Fluoxetine: A Case Report. Clinical neuropharmacology44(5), 191–192. https://doi.org/10.1097/WNF.0000000000000465
  11. Webb, J., & Williamson, A. (2024). Steroids for the Treatment of Misophonia and Misokinesia. Case reports in psychiatry2024, 3976837. https://doi.org/10.1155/2024/3976837
  12. Dozier, T. (2016). Misophonia Trigger Apps. Misophonia Treatment Institute. https://misophoniatreatment.com/misophonia-apps/

討論功能關閉中。

雅文兒童聽語文教基金會_96
55 篇文章 ・ 222 位粉絲
雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

1

3
2

文字

分享

1
3
2
【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5966字 ・閱讀時間約 12 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

參考資料

所有討論 1
PanSci_96
1220 篇文章 ・ 2245 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。