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天文學未來 10 年的 3 大目標:探索適居行星、動態宇宙與星系演化—— Astro2020 報告

EASY天文地科小站_96
・2021/11/26 ・3393字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 作者/林彥興|EASY 總編輯,現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

經過三年的漫長等待,Astro2020 終於在台灣時間 11/5 凌晨公布了結果報告。這場十年一次的大型天文會議,產出了一份 600 多頁的報告書,對美國國家天文發展策略提出建議。這份報告,將影響未來數十年美國乃至於全世界的天文物理發展。

圖/NASA/ESA; NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet; Illustris Collaboration; NASA Goddard; NASA/JPL-Caltech; NASA/Ames/JPL-Caltech

這項「十年調查」為何至關重要?

Astro2020 的全稱為「天文學和天體物理學十年調查 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics 2020」。正如其名,這是美國國家學院大約每十年會召開一次的超大型會議。會中將蒐集來自各方天文學家的觀點,回顧過去十年間天文物理的重大突破,鎖定未來十年美國最應該優先投資的研究領域,並且研擬達成這些科學目標所需要的方法與技術,最終將這一連串的構想整理後,向政府機構(如 NASA、NSF)提出建議,成為它們規劃預算的重要參考。換言之,這場會議將會左右未來十年數十億甚至上百億美金的預算分配,重要性可想而知。

Decadal Survey 的歷史相當悠久,第一屆舉辦於 1964 年,之後大約每隔十年開一次,一路進行到今天。歷史上多個重要的天文計畫,比如:

  • 甚大天線陣列 VLA(1960s / 1970s):著名的美國無線電陣列望遠鏡。
  • 哈伯太空望遠鏡 HST(1970s):NASA 的大型軌道天文台(Great Observatories)之一,無人不知的光學太空望遠鏡。
  • 錢卓 X 射線太空望遠鏡 Chandra(1980s):大型軌道天文台之一,軌道上最頂級的 X 射線天文台之一。
  • 史匹哲太空望遠鏡 Spitzer(1990s):大型軌道天文台之一,觀測中紅外線波段的太空望遠鏡。
  • ALMA(2000s):當代最頂尖的次毫米波陣列望遠鏡。
  • 韋伯太空望遠鏡 JWST(2000s):即將於今年底升空,新一代的旗艦級紅外線望遠鏡。
  • 羅曼太空望遠鏡 Roman(2010s):下一代近紅外太空望遠鏡,在不犧牲解析度的前提下,擁有比哈伯大 100 倍的視野。
  • 薇拉.魯賓天文台 Rubin(2010s):預計兩年內落成的革命性巡天望遠鏡。

它們都曾是 Decadal Survey 推薦優先執行的重要計畫。

JWST(左)與 Roman(右)太空望遠鏡分別是 2000 年與 2010 年 Decadal Survey 推薦優先執行的太空望遠鏡任務,它們預計將在 2020 年代的天文觀測中扮演重要的角色。由此也可以看到,Decadal Survey 所推薦的大型旗艦計畫,往往需要十多年甚至二十年以上的時間才能發展成熟。圖/NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez|GSFC/SVS

天文學未來 10 年的 3 大目標

Astro2020 提出,2020 年代天文物理的三個優先領域分別是:

  1. 通往適居世界之路 Pathways to Habitable Worlds
    以高對比度(high contrast)的探索系外行星與其中可能存在的生命跡象。
  2. 動態宇宙的新窗口 New Windows on the Dynamic Universe
    以重力波、微中子等多個資訊信使研究超新星爆炸、中子星合併等劇烈事件。
  3. 揭密星系演化推手 Unveiling the Drivers of Galaxy Growth
    研究宇宙一百多億年來的星系演化。

綜合上述三個領域的需求之後,Astro2020 提出未來美國應該優先投資的幾項重大計畫分別如下。

首先,Astro2020 對太空望遠鏡計畫的建議可能是最令人驚喜的。報告建議,美國應該啟動一系列「大型軌道天文台技術成熟計畫 Great Observatories Mission and Technology Maturation Program」,為 20 至 30 年後天文物理需要的天文台計畫鋪路。

其中最高優先度的計畫,是建造一座六米級的光學(從紫外線到近紅外線)望遠鏡,預計成本 110 億美元。從觀測的波段來看,它可以看成是現役哈伯太空望遠鏡的超級強化版;又或者,從 NASA 在 2019 年提供的四座「The New Great Observatories」概念研究來看,可以看成是縮小版的 LUVOIR-B,或是增強版的 HabEx。

Astro2020 認為,這樣的規格才有機會同時讓望遠鏡有辦法達成前述三大優先領域的需求(尤其是直接拍攝類似太陽-地球系統的系外行星大氣光譜),且有希望在 2040 年代前期升空。另外兩個應當在 2020 年代後半開始發展的計畫,分別是下一代 X 射線與遠紅外線的任務(分別可以看成 Lynx 和 Origin 的縮小版)。

LUVOIR-B 概念圖。Astro2020 推薦優先發展的下一代旗艦太空望遠鏡可能與此相似。圖/NASA GSFC

在地面望遠鏡方面,當務之急是繼續興建美國的兩座下一代巨型望遠鏡:三十米望遠鏡(TMT)與巨型麥哲倫望遠鏡(GMT)。在使用自適應光學的情況下,這個等級的望遠鏡將能達到 0.01 – 0.02 角秒等級的超高解析度,龐大的集光面積也將使它們能夠擁有非常高的靈敏度(sensitivity)。這樣的能力幾乎對天文物理的所有領域都能有革命性的幫助,比如它將能夠偵測、拍攝、甚至取得類地行星的大氣光譜。

但是,相比起另一個類似定位的歐洲計畫「歐洲極大望遠鏡 EELT」,GMT 與 TMT 的進度目前都嚴重落後。尤其原定要建造在夏威夷的 TMT,因為與當地原住民的衝突,自 2015 年開始就難以施工。Astro2020 建議,政府應該提供更多援助,幫忙解決兩個計畫預算不足的情況。但如果兩個計畫進度持續落後,Astro2020 也提供一套標準讓政府決定是否要放棄其中之一。

TMT 與 GMT。圖/USELTP/NOIRLab/TMT/GMT/NSF/AURA

除了光學之外,報告也建議在智利與南極建立下一代的微波望遠鏡,在宇宙微波背景(CMB)中尋找暴漲等宇宙學事件的證據,並且能夠提供前所未有的大面積、高靈敏度次毫米波天圖。下一代的甚大陣列望遠鏡(ngVLA)的先期研究也是重點之一,為其在 2030 年代的建造鋪路。此外下一代微中子探測器(IceCube-2)、重力波探測器(LIGO)等中等大小的計畫也要持續推進。

位於南極的 IceCube 微中子偵測器,是了解宇宙中高能事件的重要窗口之一。圖/Felipe Pedreros, IceCube/NSF

讓天文研究者更平等,也是重要議題

除了上述科學/科技相關的主題之外,Astro2020 也是 Decadal Survey 首次提到天文物理領域中存在的性別/種族等社會與倫理問題,以及許多對於「人」相關的建議。

報告中強調了美國天文學界的性別/種族倫理問題依舊嚴重,並且建議應將多元性納入獎項的評審機制,增加對學生、新進研究人員的資源投注,以及強化對各種不平等現象的資料收集,以更準確的將資源提供給需要的人。最後,報告也指出 Starlink、5G 等人類活動對天文研究產生的干擾。

Starlink 衛星群通過望遠鏡的視野中。這對天文觀測,尤其是對大面積的光譜巡天(Spectral Survey)會產生巨大的干擾。圖/ CTIO, NOIRLab, NSF, AURA and DECam DELVE Survey

結語

Decadal Survey 是美國天文物理界十年一遇的盛事。它回顧過去十年的天文物理成果,並為未來十年的發展劃下藍圖。Astro2020 建議,美國應該繼續建造兩座三十米級的地面光學望遠鏡(TMT、GMT),讓它們能在 2030 年代投入觀測。並且為 2040 年代的六米級大型光學太空望遠鏡的開發鋪路。除了科學與科技上的規劃,報告也指出天文物理界仍存在許多性別、種族等與「人」相關的問題有待改善。

整體來說,Astro2020 為 2020 年代的天文物理描述了令人興奮的未來。接下來,就讓我們一同期待,這些斑斕的夢是否能夠成為現實吧!

參考資料

  1. Interactive Overview: Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s
  2. Astro2020 Science White Papers · Bulletin of the AAS
  3. The New Great Observatories
  4. US astronomy’s 10-year plan is super-ambitious
  5. Influential U.S. astronomy wish list calls for giant space telescope to spot an Earth analog

延伸閱讀

  1. 出事了哈伯!細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史- PanSci 泛科學
  2. 百倍於哈伯觀測能力,大小尺度通通包辦!——NASA 的下一個旗艦級「羅曼太空望遠鏡」 – PanSci 泛科學
  3. 為何NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空?——認識韋伯太空望遠鏡(一) – PanSci 泛科學
  4. 史上最大口徑的JWST 要如何塞進火箭?——認識韋伯太空望遠鏡(二) – PanSci 泛科學
  5. 太空巨獸JWST 升空後的150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡(三) – PanSci 泛科學
  6. 淺談JWST 的科學意義:探索宇宙深處與塵埃後的外星世界!——認識韋伯太空望遠鏡(四) – PanSci 泛科學
  7. 放眼系外行星的新一代望遠鏡:HabEx太空望遠鏡
  8. 天文學家的野望LYNX X射線太空望遠鏡
  9. 一閃一閃亮晶晶,滿天都是人造衛星- PanSci 泛科學
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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

快搜尋美光官方網站,了解業界最先進的技術,並追蹤美光Facebook粉絲專頁獲取最新消息吧!

參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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薛丁格的貓是死是活?再不懂點量子就落伍了!——《我們的生活比你想的還物理》
商周出版_96
・2022/12/06 ・2327字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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奧地利的物理學家薛丁格最初閱讀愛因斯坦和德布羅意的論文後,也注意到物質波的概念,並進而闡釋發展成波動力學,促成量子力學誕生。薛丁格的波動力學是後來量子力學的具體論述之一, 薛丁格波動方程式更是量子力學最重要的方程式之一,也是現代人研究發展量子電腦的重要思維。

繼續討論薛丁格的想法前,容我「插播」兩種說法,一種是「哥本哈根詮釋」,一種是「愛因斯坦悖論」。

萬物受機率支配?愛因斯坦可不這麼認為

前面提到電子的雙狹縫干涉實驗,說明在微觀世界的電子具有波動性。在電子的雙狹縫干涉實驗中,為何被觀測到的電子只有在屏幕的一點留下痕跡呢?照理說,在屏幕的任意地方都能發現電子的蹤跡。然而,當我們「觀測」到屏幕的一「質點」的電子的瞬間,電子的波函數立即「塌縮」。

物理學家解釋這是因為電子的波函數與發現機率有關,亦即觀測電子時,電子波會縮小分布範圍, 呈現電子的粒子形式。活躍於哥本哈根的波耳等人認同這種融合「波函數塌縮」和「機率詮釋」的想法,因此成為「哥本哈根詮釋」。至於「電子波為何會塌縮?」是一個未解之謎。

自然界真的受到機率的支配嗎?真的大哉問啊!

愛因斯坦儘管預言光子存在,提出光量子論,但他強烈反駁「機率論」的觀點。對於哥本哈根學派的「機率詮釋」和「波的塌縮」,愛因斯坦以「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋, 完全不能接受哥本哈根學派主張「決定一切事物的上帝竟然會依照擲出骰子出現的點數決定電子的位置」。

「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋。圖/GIPHY

愛因斯坦也指摘「幽靈般的超距作用」。他認為未來已經確定,反駁「自然界曖昧不明」的不確定性,進一步指出「自然界並非曖昧不明,而是量子論還不完備,無法正確闡述自然界的緣故」。以上所提,是量子力學發展歷程的觀點論戰的故事,包含 1935 年,愛因斯坦和共同研究者波多斯基(Boris Podolsky)、羅森(Nathan Rosen)聯合發表觸及量子論矛盾的「EPR 悖論」(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)。

迄今,我們已經知道微觀世界,電子等粒子會自己旋轉,具有「自旋」的物理量,或直接用專業術語「自旋角動量」,自旋的方向依據量子論會以多個狀態同時存在,並存或疊合。

愛因斯坦等人認為,對於相距非常遙遠的電子,不可能無時間限制,瞬時互相影響;根據狹義相對論的說法,沒有任何物體的飛行速度比光速還快。觀測相距遙遠的兩粒子之一,竟然會在瞬間同時決定兩者的狀態,這樣特殊奇妙的現象,愛因斯坦稱之為「幽靈鬼魅般的超距作用」。

沒錯!又要提那隻貓了

薛丁格曾以「量子糾纏」解釋愛因斯坦論文中的悖論現象,指出互相遠離的粒子的性質,並非各自獨立,而是成組決定,無法個別決定,這個現象是 2022 年諾貝爾物理學獎得獎主題的「量子糾纏」。如果能這樣思考,那麼就不會認為粒子是瞬間傳送並影響到遠方粒子,有如「幽靈般的超距作用」。

貓同時是活和死的「疊加」。圖/維基百科

談到量子力學,「薛丁格的貓」此知名想像實驗必定會浮現在讀者的腦海中吧?此實驗探討一隻貓的狀態究竟是活或死的,而實驗結果是:貓同時是活和死的「疊加」。如果以古典物理學來思考,會顯得極其荒謬;但若以微觀世界視之,這項理論其實符合電子波粒二象性的機率概念。

根據 1927 年量子力學學派的詮釋,觀察一個量子物體時,會干擾其狀態,造成其立即從量子本質轉變成傳統物理現實。原子及次原子粒子的性質,在量測之前並非固定不變,而是許多互斥性質的「疊加」。此觀念的知名例子就是「薛丁格的貓」實驗。

在這個想像的實驗中,一隻貓被鎖在一個箱子中,並有一個毒氣瓶,在量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂,但若該粒子處於另一狀態,則毒氣瓶會完好無損。如果將箱子封閉,此粒子的量子狀態是兩種狀態「共存」的情況,也就是說,毒氣既是已從瓶中放出,又被封存在瓶中,也因此,箱中的貓同時既是活的也是死的。當箱子打開時,由於此量子疊加狀態瓦解了,因此在那瞬間,這隻貓或許被毒死,或許得以保命。

當箱子打開的瞬間,這隻貓或許被毒死,或許得以保命。圖/《我們的生活比你想的還物理

物理小教室

  • 索爾維會議

量子力學是近代物理學的重要基石,與相對論被認為是近代物理學的兩大基本支柱,許多物理學理論和科學,如原子物理學、固態物理學、核物理學和粒子物理學,都以其為基礎。物理學界往往會在物理重要會議激盪出重要的論述,例如 1927 年第 5 次索爾維會議,此次會議主題為「電子和光子」,當時世上最重要的物理學家,都聚集在一起討論新的量子理論。

1927 年第 5 次索爾維會議,此次會議主題為「電子和光子」。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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一卡在手便利無窮,悠遊卡的設計原理——《我們的生活比你想的還物理》
商周出版_96
・2022/12/05 ・2482字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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時事話題

NEWS|在課堂介紹電磁波概念時,有位同學佳琦舉手提問筆者:「老師,用悠遊卡刷進捷運站非常方便,那個背後的原理和電磁波有關嗎?」另一位同學婕妤回答:「應該是悠遊卡會發出電磁波,傳遞訊息到門閘的感應器吧?」

悠遊卡如今早已融入臺灣大都會的生活中,不論是捷運、超商、購物或搭乘公車,悠遊卡在手,便利許多。然而,悠遊卡內並無電池,也不需要插入讀卡機,為何能夠溝通而傳遞資訊呢?

刷悠遊卡進出捷運站,其背後原理和電磁波有關嗎?圖/Pixabay

為何沒裝電池的悠遊卡可以產生電流?

悠遊卡系統主要是應用法拉第電磁感應定律來辨識與傳遞資訊,此與無接觸感應技術有關,該技術稱為「無線射頻辨識系統」(radio frequency identification,RFID)。完整的一套無線射頻辨識系統,是由讀卡機(reader)、電子標籤(tag)和應用程式資料庫電腦系統部分所組成。

運作過程先由讀卡機發射一特定頻率的無線電波能量給電子標籤,藉此驅動標籤內建電路,輸送內部的身分代碼,以開啟溝通之路。

若以法拉第電磁感應的物理概念解釋,讀卡機產生變動磁場, 同步提供電子標籤變動磁場,驅動電子標籤產生感應電流,也就是讓悠遊卡內部迴路產生感應電流,並讓電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機,也即驅動內部晶片能夠發送訊號,讀卡機依序接收資訊、解讀此身分代碼,再透過應用程式資料庫系統讀取悠遊卡內的晶片資料,完整達成溝通與解讀任務。

電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機,即驅動內部晶片發送訊號。圖/維基百科

每一張悠遊卡都有獨立的電子標籤,當卡片靠近悠遊卡標誌的磁場感應範圍內,即可透過電磁感應的原理,驅使電子標籤內的線圈產生感應電流,此電流供應電子標籤傳送資訊至讀卡機,以解讀晶片資料。

或許讀者會好奇,沒有電池的悠遊卡怎麼產生電流呢?這個問題也需要以法拉第電磁感應定律說明。

依法拉第電磁感應定律,悠遊卡的線圈迴路會因為磁場強弱的變化,以及通過的面積區域角度變化而產生類似電池驅動電流功能的「感應電動勢」,或稱為感應電壓。此感應電壓大小與線圈匝數及每匝線圈中磁場隨時間的變化率有關。匝數愈多,磁場變化率愈大,悠遊卡迴路中的感應電壓愈大,產生的感應電流就愈大。

當卡片靠近標誌的磁場感應範圍內,即透過電磁感應產生感應電流。圖/《我們的生活比你想的還物理

因此,悠遊卡雖然沒有內建電池,但可以透過電磁波的應用,採用無線射頻辨識系統,在運作時,讀卡機持續發出電磁波,當卡片接近時,其內部線圈產生感應電動勢,再進一步驅動感應電流。此感應電流讓卡片內的晶片發出電磁波,回傳必要的資訊給讀卡機,完成感應過閘的流程。

以臺北、臺中和高雄的悠遊卡來說,採用的是無線射頻辨識系統模式,屬於比較低頻率的電磁波,卡片必須距離讀卡機約 14 公分內,才能讀取卡片的晶片資料。因此若將悠遊卡裝在比較厚的皮夾或兩張磁卡疊在一起,可能無法第一時間完成讀卡,而形成「卡片無法讀取」的「卡卡」現象,建議單純使用悠遊卡過閘,較能順暢通過閘門。

其他如進出家門的感應磁扣、停車場的票卡、信用卡感應支付、國道收費系統 ETC 等,皆是應用無線射頻辨識系統 RFID 的技術,只不過國道收費系統 ETC 的感應器的感應距離約需 60 公尺內,才能順利讀取通過車輛的相關資訊。

台灣高速公路的電子道路收費系統(electronic toll collection, ETC)。圖/維基百科

物理小教室

  • 手機行動支付的物理學原理

手機支付的運作原理也是基於 RFID 發展而出的近場通訊(near-field communication,NFC) 技術。目前近場通訊技術採用頻率為 13.56 MHz 的電磁波,以 106 kbit/s、212 kbit/s 或 424 kbit/s 這 3 種速率傳輸資料,bit 翻譯為位元,是電腦資料的最小單位。

利用手機支付時,須靠近刷卡機約 4 公分距離內,此時可藉由電磁波傳遞相關資訊,完成付款手續。近場通訊技術不只有用在手機支付, 也可運用傳輸文字、照片、音樂檔案,是目前手機常見的內建功能。

  • 電磁感應的進階說明

電動勢(electromotive force, emf)可以驅動導體內的電荷移動, 產生電流。電池因為內部材料的屬性,會在正負極產生固定的電位差或電壓。電動勢是電池正負極間的電位差,也常稱為電壓,其國際單位制(SI)單位為伏特(V)。

導體內的電流與電壓成正比,假設導線的電阻及電池的內電阻都可略去不計,電路中流動的電流是電壓與電阻相除後的數值。可知電池的電動勢,可以驅動迴路上的電流,讓燈泡發光發熱。

然而,一個未接電源的迴路導線圈,可不可能產生電流?可以。若是通過迴路導線圈的磁場變化或磁通量改變,也會產生感應電流,這是發電機的原理,也是物理學家法拉第和冷次的電磁感應概念。

電磁爐和捷運列車的磁煞車也是運用電磁感應的概念。電磁爐內部的主要構造是由絕緣體包覆的導線環繞的線圈,當交流電通過線圈時, 電磁爐表面就會產生隨時間改變的磁場,這個磁場的變化會同時在鍋子底面產生應電流,再透過電流熱效應加熱鍋子,也加熱食物。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。