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特務電影成真:建築和地球結構都能透視的「渺子成像術」——專訪中央大學物理系郭家銘教授與地科系陳建志教授

科技大觀園_96
・2021/07/06 ・3396字 ・閱讀時間約 7 分鐘

想像一下特務電影的經典橋段:主角成功潛入敵方基地,接著拿出他的神秘裝置,把它安裝在牆上,不到幾秒時間,基地內部的空間結構圖就全部呈現在螢光幕上。這種透視整座建築物的技術,讓電影展現了近未來的科幻色彩,那麼,在現實世界中,我們還有多久才能開發出這樣的技術?

「不用未來,事實上現在是可以的,但要幾秒那麼短的時間倒是不可能。」中央大學物理系的郭家銘老師說,只要利用「渺子成像術」就能做到,他和中央大學地科系的陳建志老師、電機系林祐生老師、中研院物理所林志勳老師執行中的計畫,就是在研究這項技術,不過他們透視的主要對象不是建築物,而是山體。

幫巨大物體照X光的新型成像術

說明渺子成像術之前,首先要介紹什麼是「渺子(muon)」。渺子是組成物質的基本粒子之一,最早在1936年被物理學家卡爾.安德森(Carl Anderson)發現,和電子一樣屬於輕子,兩者最大的不同之處在於,渺子的質量比電子重了約210倍,這點讓渺子具有很強的穿透能力。自然界中的渺子主要由外太空來的宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後,經由π介子衰變來到地表,在你閱讀這篇文章的同時,也有無數的渺子從四面八方飛來,以接近光速穿過你的身體。

渺子是經由宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後,由π介子衰變而來。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

渺子的另一個特性是,在密度越大的物質中,它的能量損失得越快。在福島核電站的修復工程中,渺子探測的技術被用來從安全距離之外探測密度極高的鈾、鈈等放射性物質,以免修復人員受到輻射影響,這是其他成像技術無法做到的。而對於密度沒那麼高的建築物,或是山體、岩層等地球結構,渺子有可能穿透長達數公里的距離。渺子成像術的基本原理,就是分析不同角度探測到的渺子數目,再反過來推算探測目標內部各部份的密度,只要有兩個點的數據,就能建立三維的透視結構,就像是幫建築和山體照X光。以在的中央大學的圖書館來說,雖然無法像電影一樣在幾秒內成像,但也只要一週左右就能得到不錯的成果。

郭家銘老師說,渺子成像術在臺灣是個不常聽到的詞,但相關實驗在1950年代就已經出現,其中最有名的是在1960年代,研究團隊在沒有傷害金字塔結構的情況下,用渺子成像術找出了內部隱藏的密室。郭家銘老師則是在2014年,在西班牙的高能物理研討會得知這項技術。

「我做的是高能物理,常有人覺得我們的研究成果沒什麼應用價值,那時候聽到這樣一項報告,是可以在民生經濟上提供一些幫助的,聽起來就很酷。」郭家銘老師說,一般人覺得高能物理就是研究基本粒子,是很純的物理,但這個領域也對人類生活有不少貢獻。卡爾.安德森在發現渺子的同一年因為發現正子獲得諾貝爾獎,當時沒人知道怎麼應用,但現在正子被用來治療癌症,這就是從高能物理開展出的新技術,渺子成像術也是其中之一。

西班牙的會議後過了幾年,郭家銘老師有一名助教找到新型渺子探測器的論文,幫助兩名學生試著自行製作;兩年前剛好科技部推出鼓勵跨領域研究的沙克爾頓計畫,經過一番牽線,郭家銘老師找到了以前的鄰居陳建志老師,開始執行計畫,試著將渺子成像術應用在地球科學領域的探測上。

渺子探測儀。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

「我們地球物理的研究者,一直都是用各種方法在地表測量物理場,去得知地底下的結構,各式各樣的探測技術都想要積極開發。」陳建志老師說,渺子探測出的物理量是岩體的密度,傳統的測量方式是重力測勘,但這種方式探測的對象往往是以數公里為單位,沒辦法做更細緻的探測。「以臺灣來說,我們很容易因為豪雨造成山崩,但這種事件不會無端發生,有潛在危險的坡體,在某些地方是破碎的,密度會比緻密、完整的岩層更小。像這種數十公尺級的對象,用傳統的重力法很難做得到,但渺子探測術能解析的空間非常細,就可以應用在這種地方,來找出有邊坡危害的土地。」作為一項發展中的新技術,渺子成像術可以探測的對象體積大,解析度可高達數十公尺,也不需要額外產生震波、電流等人工信號,有著各種讓陳建志老師期待的優點,但也理所當然地,有著許多要面對的挑戰。

初次應用實驗,為隧道工程探勘前路

由郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫,研究團隊含括了物理系、地科系、電機系等不同系所的成員,目前已經執行到第二年。在最初的一年半,團隊專注於兩個目標:新型探測器的研發,和反演算法的的發展。

郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫研究團隊。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

郭家銘老師說,在高能物理這個領域,為了實驗寫程式、設計電路板是稀鬆平常的事。目前他們正在建造的探測器和傳統用於渺子成像術的探測器不同,體積更小,需要的電壓也從1000伏特減少到30伏特,用在戶外實驗的機動性更高。得到測量的數據後,還需要有個反演算法去回推觀測對象內部各部份的密度,這部份的技術則是由地科系的成員來持續完善。陳建志老師說,反演算法本來就是地球物理領域的重要技術,就像是把觀測對象拆解成一個個小方塊,根據不同位置、角度測量到得渺子數量,來推測每個方塊的密度。郭家銘老師在一旁開玩笑,說一般人對物理學家常有埋首計算的印象,沒想到這次合作下來,才知道地科系要懂的數學比物理系深不少。

經過了充分的測試後,團隊在2020年底開始現場探測的實驗。當時石門水庫的阿姆坪防淤隧道正在開挖,陳建志老師在現場做物理探查,剛好介紹團隊來施工現場探測。「這個隧道的鑽挖過程可能會遇到一段,地質上我們叫新店斷層的東西。新店斷層在阿姆坪這個位置的上方,有一層非常多的煤炭層,開挖過程會經常聚集沼氣,在工程上有高度危險。」陳建志老師說,隧道工程中有項作業叫前進探查,隨著隧道往前鑽挖,會持續探測前方岩體的材質。傳統的探查方式用的是力學波,但陳建志老師認為,渺子成像術有取代傳統方式的潛力,讓未來的隧道工程更加安全,便介紹團隊來到阿姆坪的施工現場,把探測器架設在開挖中的隧道前,持續測量渺子通過的數量。 

探測器架設在阿姆坪開挖中的隧道前,測量渺子通過的數量。圖/郭家銘教授、陳建志教授提供

由於垂直方向的渺子穿過的只有大氣層,當探測器對準正上方,測量到的渺子數量最多,而隨著探測器仰角越來越低,渺子要通過的障礙就越多,測量到的渺子會越來越少,而水平方向通過的渺子則是最少的。阿姆坪的地勢比預期中更平,雖然不至於無法探測,但就得增加探測器的數量,否則就得把實驗天數拉長,才能取得足夠的數據。

除了實驗時間必需拉長外,實驗本身進行得相當順利,至今已不中斷進行三個月的實驗。高能物理的實驗通常在室內進行,溫度和濕度都被嚴格控制,郭家銘老師原本對戶外實驗帶有不安,也確實遇到了電力系統不足等問題,但團隊很快地一一解決,新型的探測器也成功挺過溫濕度的劇烈變化,在日夜溫差動輒二三十度變化、晴天午後突然雷雨的環境中持續運作,確實達到了實際應用的標準,為完善反演算法提供了充分的數據。

經過了阿姆坪的實地測試,整個研究的研發階段已經可以宣告結束,正式進入量產階段。目前團隊搭建的探測器面積是20cmx20cm,未來除了增加數量,也準備建造更大的探測器,到沙克爾頓計畫結束時預計可以做成目前四到六倍大,目標則是目前的一百倍大,讓團隊能更快地測量山體、變更地點,增加掃描山體的效率。也許再過幾年,替山和建築物照X光的技術將不再科幻,深藏在地表之下的岩層和礦脈,都將透過渺子成像術輕易地呈現在我們的眼前。

參考資料


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科技大觀園_96
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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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