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木工之子自學成師——現代分子科學之父:凡得瓦的逆境人生

ntucase_96
・2021/12/17 ・2006字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文轉載自 CASE 報科學 《【物理史中的十一月】1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生

  • 文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2021 年 11 月)

1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——自學成功的科學家凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生。

凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals)。圖/維基百科

在《費曼物理學講義》中,廣為人知的是,費曼一開始便問,人類最應該為子孫保存的是哪一則科學知識,而他的答案是:所有物質皆由原子所組成。雖然這看起來顯而易見——事實上,原子的概念可追朔到古希臘時代——然而原子的存在直到 20 世紀一直都是科學家激烈爭辯的問題。提供世界由分子組成的觀點強而有力、令人信服證據的是凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals),他原是一位荷蘭的小學老師,物理知識大都自學而得,然而他努力不懈,終成了現代分子科學之父。

這位後來的諾貝爾獎得主於 1837 年 11 月 23 日出生在荷蘭萊登市(Leiden, the Netherlands)一個困苦的木工家庭,是家中 10 個小孩中的老大。在當時,女孩和工人階級的男孩都無機會接受嚴謹的中等教育,因此,凡得瓦早期的教育只有閱讀、寫作和基本的算術,幾乎沒有接觸自然科學的機會。

凡得瓦 14 歲離開學校去當小學老師, 24 歲時當上小學校長。他渴望更多知識,所以利用閒暇時到當地萊登大學(Leiden University)上數學、物理和天文課程,卻因為入學許可規定要考拉丁文,數度被拒絕註冊為全職學生。後來荷蘭實施全面的教育改革,推廣中學教育制度,凡得瓦致力於要成為中學教師,終於當了 10 多年的物理老師。

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隨著荷蘭教育政策進一步改革,取消大學入學考拉丁文的規定,開展了凡得瓦的世界,他很快地在萊登大學通過物理和數學的資格考試,開始他的博士學業。1873 年,他終於在 36 歲時獲得博士學位。

凡得瓦的博士論文《關於氣體和液體狀態的連續性》奠定了現代熱力學的基礎,終於讓他於 1910 年獲得諾貝爾物理獎。在論文中,他主張用一個統一的模型來說明氣體和液體的性質,後來成了知名的凡得瓦方程式:

(P + a/V2 )(V – b)= RT

在此,P, V, 和 T 代表物質的壓力、體積和溫度,a 和 b 是常數。

凡得瓦研究的重要性在於他調整理想氣體狀態方程式(PV = nRT),以涵蓋分子和分子間力,這種洞察力在當時分子的存在仍是激烈爭辯的議題來說,是很有遠見的,更不用說論及原子交互作用和彼此的施力了。為了表達對他的敬意,從那時開始,已被證明存在於分子之間的弱作用力都稱為凡得瓦力。

熱力學領域的巨人馬克士威(James Clerk Maxwell)在評論凡得瓦發表於《自然》(Nature)雜誌的論文時,很有先見地指出:「毫無疑問地,凡得瓦的名字很快地會被列在分子科學最前沿中。」雖然有這早來的讚譽,但凡得瓦成就所得到的認同卻來得緩慢,主要因為他的研究起初只以荷蘭文發表。直到 1877 年,凡得瓦的發現在廣泛流傳的德語雜誌《物理學年鑑》(Annalen der Physik)中被做了概述介紹後,物理界才完全明白此研究的創新本質,而激起一陣液體和氣體分子物理的研究熱潮。

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因為此廣泛的讚譽,凡得瓦離開他中學物理老師的職位,接受了新成立的阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)的物理教授職。在被學術界拒於門外這麼久後,凡得瓦和他交往密切的同事凡特何夫(Henry van’t Hoff,第一屆諾貝爾化學獎得主)以及德富力(Hugo de Vries,開創性的遺傳學者)最終引領了新大學在荷蘭科學嶄新的黃金年代中脫穎而出。

凡得瓦隨後的成就包括對應狀態定律,此理論被視為氫和氦液化,以及接著於 1911 年發現超導性的基礎,還有早期的毛細管理論,以及二元混合物理論,其對於化學工程以及地球化學有著持續性的影響。凡得瓦也預見團簇化學和物理學的重要性,此領域的研究在最近數十年才漸熱門起來。

雖然有這許多成就,但凡得瓦是出了名的謙虛,這在他得諾貝爾獎演講的開幕詞時也許最為明顯:「現在我有此殊榮,在傑出貴賓雲集的場合討論我有關於氣體和液體本質的理論研究,我一定要克服我談論我自己以及我的研究時缺乏自信的狀況。」

凡得瓦很重視他的個人隱私。悲劇於 1881 年降臨他家,那年他太太安娜突然因肺結核病死,時年僅 34 歲,讓他極度心碎,爾後有十幾年沒有發表論文。他從未再婚,和 4 個小孩過著安靜的生活,女兒安妮持家,賈克琳是有名的詩人,約翰娜是老師,兒子約翰跟隨父親的腳步是當上物理教授。他有一位學生說:「名譽既未改變他的行為,也沒有改變他的習慣。」。

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凡得瓦於 1923 年 3 月 8 日過世,享壽 85 歲,他的一生是面對逆境時堅毅的最佳榜樣。

「完全確定的是,在我所有的研究中,我深信分子確實存在,從未將它們視為是我想像的虛構之物,」凡得瓦曾如此說,「但是當我開始研究時,我感覺只有我有這樣的看法。」。

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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綠能當道,敢不談發展電動車嗎?
賴昭正_96
・2024/02/09 ・7388字 ・閱讀時間約 15 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

在我看來,一位只讀報紙和當代作家書籍的人就像一個蔑視眼鏡的極度近視眼人:他完全依賴他那個時代的偏見和時尚,因為他永遠看不到或聽到任何其它東西。

——愛因斯坦(1879-1955)1921 年諾貝爾物理獎

2013 年 7 月,筆者在《科學月刊》之「大家談科學」專欄裡指出:電動車還是需要能量的,因此在考慮發展電動車時,必須同時考慮其能量來源的效率。如果發電廠的發電效率與直接燃燒汽油的汽車效率一樣(見「附錄-熱力學」),那麼發展電動車實質上的優勢只是將環境污染移到鄉下而已。該短文一出現後,立即有讀者分別在《科學月刊》及網際網路上反應,提出電動車的好處,應該發展;為此筆者又寫了兩篇有關發展電動車可能碰到的問題(詳情請參閱《我愛科學》)。

兩年半後(2016 年 2 月 21 日),筆者又在第 1666 期《世界週刊》提出;中國為燃煤發電的大國,要產生同樣的能量,燃煤所排放的二氧化硫、重金屬(水銀、鉛、鎘、及砷等)及懸浮顆粒(現代汽油車的廢氣中已幾乎不再出現)對人體的健康有巨大的負面影響,因此在未改變整個發電結構之前,在中國大量使用電動車不僅不能「減少空氣污染」,反而會對整個環境造成更大的災害。加上可設置私人充電樁的私宅少,電動車不可能普及化,因此「中國不適合發展電動汽車」。同樣地,此短文一出,立即有讀者反駁,謂中國不能落後,必須跟其它國家一樣,積極發展電動車。

中國現在已成為全球最大的電動車製造商及市場;截至今年(2023年)9 月,純電動車佔中國汽車銷量 25%。在全世界到處均在高喊發展電動汽車的此時,顯然筆者是錯了!真的嗎?在回答這問題之前,因為可以幫助我們了解電動車的銷售,讓我們在這裡先來複習一下電動車發展的簡史吧。因本文涉及不少時間點(如今年、現在),請讀者注意本文完稿於 2023 年 12 月 19 日。

電動車的發展

1895年的電動汽車。圖/wikimedia

電動車當然不是一個新概念;事實上早在 1830 年代,第一輛電動車就已經被開發出來。而在台灣,筆者 1975 年暑「放棄高薪」從義大利回到清華化學系時,當時的工學院院長毛高文就已經積極在推動電動車的研發:1974 年首度發表自製電動車「清華一號」,從新竹走省道一路開到台北,開啟了國內電動車研發的先河。然而,由於各種原因,包括豐富的汽油和缺乏可靠的電池,電動車一直沒有商業化。電動車的真正復興發生於 21 世紀初鋰離子電池的發現與成熟 1。下面可以說是全世界電動車普化的兩個轉捩點:

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第一個轉捩點是日本豐田普銳斯(Priuse)的推出。普銳斯於 1997 年在日本發布,成為世界上第一款量產的混合動力電動車(同時使用電池與汽油,完全不用插電,內燃機提供電源;詳情請參考《我愛科學》之「混動車值得發展嗎」);2000 年,普銳斯在全球發布,一推出就獲得了名人的青睞,從而提高了該車的知名度。從那時起,不斷上漲的汽油價格和對碳污染的日益關注,使普銳斯成為全球最暢銷的混合動力車。

另一個幫助重矗電動車的事件是 2006 年矽谷一家小型新創公司。特斯拉(Tesla)汽車公司從美國能源部貸款計畫辦公室獲得了 4.65 億美元的貸款,在加州建立製造工廠;於 2010 年宣布將開始生產一款一次充電可行駛超過 200 英里的豪華電動跑車。此後不久,特斯拉就因其汽車贏得了廣泛讚譽,成為加州最大的汽車行業雇主。特斯拉的成功、日益受到關注的全球氣候溫度上升、加上政府政策的推動與大量金錢補助(特斯拉幾十億及購車者),電動車開始變得更主流,迫使許多大型汽車製造商加速開發自己的電動車,甚至決定放棄傳統汽車的製造!

特斯拉汽車公司的創立

現在一談到電動車,似乎不能不談特斯拉。而一談到特斯拉,似乎便不能不談充滿爭議性、全世界最富有的馬斯克(Elon Musk):相信很多讀者都以為他是特斯拉的創辦人,但事實上他只是提供創辦資金,不是創辦人!

馬斯克(Elon Musk)。圖/wikimedia

現在廣為人知的故事是 2003 年時,艾伯哈德(Martin Eberhard)和塔彭寧(Marc Tarpenning)為了要為他們剛剛成立的新公司收集消費者數據,開車在美國最富有之一郊區、史丹佛大學所在地的帕洛阿爾託(Palo Alto)街道上來回走動,觀察其居民擁有哪些類型的汽車。他們發現在價值 200 萬美元的房屋前,總是停著一輛豪華轎車和一輛當時環保寵兒的普銳斯。因此他們認為環保主義已經來到了富人家門口,可以開始向少數的富人出售電動車,希望最終會滲透到中產階級。他們以塞爾維亞裔美國發明家特斯拉(Nikola Tesla)命名,成立了特斯拉汽車公司。該公司的資金來源中最著名的就是貝寶(PayPal)控股公司聯合創始人馬斯克。馬斯克為這家新企業提供了超過 3000 萬美元的資金,從 2004 年開始擔任該公司董事長;2008 年艾伯哈德和塔彭寧兩人離職後,馬斯克接任執行長。

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特斯拉公司於 2010 年上市;2020 年開始賺錢 2 時,其股票市值首次超過了通用汽車公司和福特汽車的總市值。

炫耀性保護

艾伯哈德和塔彭寧相信因為環保主義的抬頭, 富人會買電動車來展示其綠色美德的現象,經濟學家稱為「炫耀性保護」(conspicuous conservation);他們也相信這最終還是會滲透到中產階級的。果然不錯,富有的愛好者競相排隊購買特斯拉,使得其市值在 2021 年曾經一度超過 1.2 兆美元 3,成為世界上最有價值的公司之一。歲月匆匆,艾伯哈德和塔彭寧所盼望之慢慢普及的時候似乎應該到了,但卻沒有發生!顯然中產階級消費者就是不合作:他們似乎像筆者一樣,對於如何處理收入有自己的想法,他們需要汽車來上班、購物、帶小孩上學、度假、⋯⋯,他們沒有必要、也負擔不起購買一輛昂貴且不實用的電動車來炫耀。

注意電動車發展的讀者應該都已注意到:最近(2023 年 11 月)報章雜誌都開始報導電動車銷量在一年前就已經開始放緩,促使許多電動車製造商大幅降價,並在第一季引發價格戰。電動車的需求雖然還在擴張,但成長速度已大幅放緩。根據《華爾街日報》報道,繼去年上半年全球成長 63% 後,今年同期僅成長了 49%;而與此同时,2023 年混合動力車銷量卻大幅成長(前三季年增 48%)。

圖/envato

汽車製造商終於開始有點頭痛了:第一波富有的環保主義者買家已經購買了他們的電動車後,現在該如何推動到中產階級的手中呢?通用汽車、福特、賓士、日產,甚至特斯拉,都因最近需求放緩發出了危險信號:通用汽車縮減了 2024 年的計劃,並表示將推遲新電動卡車工廠的開幕;福特正在考慮削減其去年非常暢銷的電動卡車工廠的班次;日產正在將更多資源轉移到混合動力汽車而不是電動車;馬賽地-賓士將現在的電動車市場描述為「殘酷」;⋯⋯⋯。曾經自稱將是「特斯拉殺手」的美國豪華跑車和旅行車製造商 Lucid 現在看起來也只是「普通而已」,宣布將生產速度放緩 30%,許多人甚至擔心該公司能否在當前電動汽車行業的低迷中生存下來。

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電動車車主的自述

2023 年 4 月 26 日《洛杉磯時報》社論版的副主編加爾薩(Mariel Garza)在「我已準備好更換我的(純)電動車」一文寫道:

我喜歡我的電動車,我真的喜歡。我喜歡我永遠不需要加汽油;我喜歡它在街上安靜滑行的樣子;我喜歡它有那麼多馬力——如果我願意的話,我真的可以超越汽油動力的跑車;我喜歡貼上可以讓我在高載客量車道上單獨駕駛的貼紙;我喜歡日常維護只不過是旋轉輪胎而已 4。但三年後,我正在認真考慮將其換成插電式混動汽車(見後)。⋯⋯為什麼? 因為儘管我很喜歡我的車,但我討厭我不能在這個引領電動車革命、確信我可以(隨時)在需要時充電的加州旅行。

筆者不相信加爾薩的後悔僅是少數人的意見,例如 2022 年 8 月 19 日《世界日報》就報導:

川渝地區因高溫限電造成大量充電樁暫停營運,使電動車車主感受到前所未有的「充電」壓力 5。有網約車師傅連跑八台充電樁才找到電,也有女性車主半夜 12 時還在外排隊 2 小時以上。充電焦慮讓車主們怕「掛在路上」,大嘆「不是在充電,就是在找充電樁的路上」。⋯⋯公共安全部數據顯示,今年上半年全國新能源汽車保有量已突破 1000 萬大關。高溫限電也引發了新能源汽車充電焦慮,多位網友網上抱怨「還是油車香」、「未來買新能源車要三思了」。

但是在政府及時髦的推動下,有多少人能獨立地三思、不人云亦云呢?

綠色能源

贊成發展電動車的還有一個建立在沙灘上的願景,那就是將來的能源將是綠色的,而不是從發電廠燃燒煤(氣)出來的。為什麼這是建立在沙灘上的希望呢?因為根據台電公司的相關資料,我國在 2021 年的再生能源佔比只有 6% 左右,距離原本政府時程內設下的 20% 目標非常遠。又經濟部今年 6 月 21 日公布最新全國電力資源供需報告,揭露 2023 年至 2029 年用電及供電預估,顯示再生能源建置進度較預期延後:原先預估 2025 年綠電占比要達 20%,重新調整為 15.5%,並謂至少必須等到 2026 年 10 月再生能源才會達到 20% 的目標。讀者相信嗎?

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而上面所提之「川渝地區因高溫限電」正是發生在中國水電第一大城的四川:其水利發電量佔全省發電量的 81.6%!能將日常生活用的電動車能源建立在難以預測與控制的綠能上嗎?由於此一罕見的大旱,北京當局為確保電力供應,宣告擱置優先發展清潔能源計畫,全力擴大煤礦的開採以及增加外國煤炭進口——中國應該發展電動車嗎?美國有線電視(CNN)指出,中國目前對煤炭發電的依賴已超過去年(因為大量使用電動車?),今年 7 月中國煤炭發電環比增加 22%。同樣地,去年歐洲大旱也造成其水利發電量產減少 20%(義大利 40%,西班牙 44%);筆者好像還在報上看到過:為了達成綠色發電量比的目標,有些歐洲國家因之想將天然氣發電改歸屬於綠色發電!這不是「自欺欺人」嗎?

不再需基礎設施配合的混動汽車

現在智慧型手機找充電站已經非常容易,但是想一想:好不容易改道開到充電站,卻發現唯一的充電樁壞了 6,不知道讀者將有何反應,但筆者雖然早已過了兩次四十而不惑,一定還三字經罵個不停!再不然就是所有的充電樁全被佔用了、或有一佔著茅坑不拉屎(已經充電完畢)的車主不知道跑到哪裡去了、……只好五十而知天命了:等吧。

充電停車場。圖/wikimedia

相信有些人會辯稱那是因為充電站不夠多的關係,如果充電站像現在加油站一樣,這問題就不會出現。但簡單的計算告訴我們:這問題還是存在的,因為最快的充電大概也需要 30 分鐘 7,而一般加油的時間只要 5 分鐘左右!事實上這正是筆者在 2013 年 8 月之「混動汽車值得發展值嗎」所指出的:「即使充電站能像加油站一樣普及,除非你多的是時間,否則等充電大概會讓你急得像熱鍋中的螞蟻。因此筆者認為電動車不可能大量取代汽油車,它只能用於日常上、下班或購物用。」

反之,在「混動汽車值得發展嗎」裡,筆者也辯謂:完全不用插電之電池與汽油兩用的混動汽車不但無純電動的缺陷,它的(汽油)能量使用效率已高達汽油汽車的兩倍以上,也不需要大量建造充電站來配合,因此應是將來汽車發展方向的主流。

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在這段期間裡,市面上已經出現了一種可以完全使用汽油(不需要充電)、但是也可以充電的「插電式混動汽車(plug-in hybrid)」:以電池為主、汽油引擎為輔的混動汽車;前者可以在家中車房充電,用於日常上、下班或購物用,後者用於長途旅行(不需要找充電站)。事實上中國的插電式汽車市佔率已經突破 37%,高過純電動車的 25%,估計到今年底,將可能接近 40%。在美國,今年第二季混動汽車的 7.2% 輕型車輛市佔率也超過純電動車的 6.7%,插電式混動汽車則從 2021 年初的不到 1% 上升到 1.7%。

高處不勝寒

豐田汽車雖然在電動發展史上佔了一席非常重要的地位,但其第一款純電動的汽車卻遲滯到 2022 年 5 月才出現 8。在全世界一片發展電動車的時髦下,讀者應該不難想像到其執行長所受的壓力。今年元月,豐田汽車創始人的孫子豐田章男終因緩慢採用電動車,導致其領導能力受到質疑,而決定於 4 月 1 日辭去當了將近 14 年的執行長及總監職。 

在特斯拉 10 月中公佈了災難性的第三季收益,投資者意識到電動車並不是獲利的靈丹妙藥後,當時已改任豐田汽車公司董事長的豐田章男終於喘一口氣,表示銷售放緩事實上證明了他對電動車的抵制是正確的,並補充說:「人們終於看到了(電動車的)現實」。豐田北美業務銷售主管克里斯特(David Christ)11 月 26 日向《華爾街日報》表示:「這是一個異常火爆的市場」,豐田正在盡可能大量生產混合動力車。

豐田 bZ4X。圖/wikimedia

同樣地,平時很少得到讀者的直接反應,但筆者在 2013 年及 2016 發表不贊同發展純電動車的看法時(因為有更好的方案),立即受到一些批評;使得筆者在 2017 年出版之《我愛科學》的自序裡覺得「高處不勝寒」。10 年後的今天,看來或許已經不再那麼冷了?!

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結論

美國環保署今年發布了令人非常沮喪的《2022 年汽車趨勢報告》,謂 2021 年的最終數據顯示,美國在汽車減少二氧化碳排放方面仍然進展甚微,他們說是因為消費者(富人)雖買了電動車,但車房裡停的卻是更浪費汽油、更豪華的大車子。但更可能的解釋不正是筆者所說的「發展電動車未必能減少空氣污染」嗎?

即使在汽車大國的美國,私人汽車所造成的空氣污染佔不到 20%,因此筆者認為發展什麼樣的車子都只是表面的裝飾而已,因為全球加速暖化與空氣污染背後的主要原因是:人類永無止境的慾望。只要人的慾望不降、鼓勵消費的經濟理論不改,世界能量的使用將只會有增無減,否則將被識為「經濟衰退」或「落後國家」!而如「附錄-熱力學」所言,能量大部分都是透過效率最差的熱來產生的,在產生的同時,一定要製造出大量的廢熱,這些廢熱通常消散到大氣、河流、湖泊、甚至海洋等大型水體中,導致水的內部熱量增加。根據 2022 年年底美國太空總署的估計,自 1955 年有記錄以來,百分之九十的全球暖化都發生在海洋中。筆者不知道為什麼我們不談這一更嚴重的問題:掩耳盜鈴?眼不見為淨?不願意面對必須節慾的事實?⋯⋯或正是愛因斯坦所說的「時代的偏見和時尚」?

麥肯錫(McKinsey)2022 年 4 月報告謂;「如果到 2030 年,所有銷售車輛中有一半是零排放車輛(符合美國聯邦目標),我們估計美國到那一年將需要 120 萬個公共電動車充電樁和 2,800 萬個私人電動車充電樁。⋯⋯消耗資本超過 350 億美元。」這巨額開支(台灣 2023 年總生產額的 3% 左右)用來改進現有的基礎設施(如發電效率、增加其二氧化碳的排放回收等)不是更實際有用嗎?

附錄-熱力學

熱也是一種能量,但熱力學告訴我們它是品質最差的一種,我們一旦將其它能量變成熱,就再也不能 100% 地將它改回或改為其它能量形式,所以透過熱來發電是一種非常沒有效率的方法。例如高山上的水,對地面而言具有位能,我們原則上可以將它 100% 的改成電能,這正是水利發電的原理(其效率可以高達 90%);但如果我們讓它掉到地面變成熱,再用這些熱來發電或做功,那麼其效率就受到熱力學的限制,原則上再也不可能 100% 了(實用上均難以達到 50%):在改回其它能量形式的同時,一定要製造出一些廢熱(見圖)。不幸地,這正是內燃機(包括汽車引擎)和發電廠(包括核電廠)的操作方式,因此它們的效率都不高:燃煤電廠與核電廠的平均效率約為 33%,天然氣發電廠大約在 33% 至 43% 之間,內燃機的效率因類型和引擎的不同而變化很大(15%-45%),汽油引擎的效率只有 30% 到 35% 左右。

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圖/作者提供

註解

  1. 吉野彰(Akira Yoshino)、惠廷漢姆(Stanley Whittingham)、和古迪納夫(John Goodenough) 因發展鋰離子電池獲得 2019 年諾貝爾化學獎
  2. 特斯拉在 2020 年公佈了首個全年淨利潤,但這並不是因為向客戶銷售電動車的結果,而是美國有 11 個州要求汽車製造商在 2025 年之前銷售一定比例的零排放汽車,如果達不到,汽車製造商就必須從另一家滿足這些要求的汽車製造商購買「碳信用額(carbon credit)」——只銷售電動車的特斯拉成了這項政府規定的最大贏家。
  3. 現在約為 0.8 兆美元,市盈率高達 80 以上,通用汽車、福特則在 10 以下。
  4. 美國權威《消費者報告》的最新調查顯示,電動車的平均可靠性遠低於汽油動力車、卡車、和運動型多用途車。該調查發現 2021 年至 2023 年車型中的電動車遇到的問題比普通汽車多近 80%。
  5. 在政府大力支持下,中國已擁有地球上最廣泛的電動車充電基礎設施。
  6. 加油站因為有大量的易燃及爆炸的汽油,不能像充電站一樣沒有人守著,因此壞了不知道或不修理的機會應該不多。美國權威數據分析、軟體和消費者情報公司 J.D. Power 今年 5 月的一份報告謂:「截至 2023 年第一季末,使用公共充電樁的電動車駕駛員中有 20.8% 遇到過充電故障或設備故障,導致他們無法為車輛充電。」今年 12 月 3 日《華爾街日報》報導謂:「根據美國處理汽車維修保險索賠的 CCC 智慧解決方案公司的數據,去年發生事故後維修電動車的平均費用為 6,587 美元,而所有車輛的維修費用為 4,215 美元。」
  7. 但大多數需要 1 到 2 小時。充電速度快,將會縮短電池的壽命。
  8. 2023 年豐田 bZ4X 是該汽車製造商的首款量產電動車,也是目前該品牌提供的唯一的一款電動車。

延伸閱讀

我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):收集筆者自 1970 年元月至 2017 年 8 月在《科學月刊》及少數其它雜誌所發表之文章。內含熱力學與能源利用、電動車值得發展嗎、混動汽車值得發展嗎、再談電動車值得發展嗎、如何有效地儲存電力、台灣應該發展電動車嗎、中國不適合發展電動車等等與本文有關的文章。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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【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

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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。

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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。」

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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。

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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。

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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。

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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?

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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。

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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?

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如果子彈飛到最高點時,伸手抓住會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/05/10 ・1577字 ・閱讀時間約 3 分鐘

有什麼方法可以開槍讓子彈在空中飛,然後安全的用手接住?比方說,開槍射擊的人在平地,而接住子彈的人在山上,位於射程的最遠處。
——艾德蒙.許(Edmond Hui),倫敦

接住!

「接住子彈」是舞台上的特技,表演者看似接住射擊出來飛到一半的子彈——通常是用牙齒接住的。當然啦,這是錯覺,像那樣接住子彈是不可能的。

但在適當的條件下,你可能接得住子彈,只是要有很多的耐心和運氣。

直直向上射擊的子彈最終會達到最大高度。子彈可能不會完全停止;比較可能的是,它會以每秒若干公尺的速率往旁邊偏移。

如果有人舉槍向上射擊子彈……。

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……而你乘著熱氣球在射程範圍的正上方閒晃……

……當子彈飛到最高點時,你伸手出去抓住子彈,這是有可能的。

你不應該做的事情

(清單已更新)

#156,812 吃洗衣膠囊球

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#156,813 在雷雨中踩高蹺

#156,814 在加油站放煙火

#156,815 餵你的貓吃「與人類手部形狀質地」一模一樣的零食

#156,816 在間歇泉噴口上方彎腰低頭想要一窺究竟

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#156,817(新增!)搭乘熱氣球飛越射程範圍

如果你在子彈弧線的最高點成功抓住子彈,或許你會注意到奇怪的事情:子彈除了很燙之外,還會自旋。

它會失去向上的動量,但不會失去自旋角動量;子彈仍然具有槍管造成的自旋。

當子彈射擊在冰面時,可以很明顯的看到這種效應。正如數十部 YouTube 影片所證實的那樣,我們常發現射進冰中的子彈仍在快速自旋。你必須緊緊抓住子彈,不然它可能會跳出你的手掌心。

如果你沒有熱氣球,在山頂很有機會行得通。加拿大索爾山(Mount ­Thor)的垂直落差有 1,250 公尺。根據「近距離對焦研究」(Close Focus Research)彈道學實驗室的數據,這幾乎剛好是 0.22 長步槍子彈直直向上射擊會飛的高度。

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如果你想要用更大的子彈,就需要更大的落差;AK-47 子彈向上射擊可能超過 2 公里。地球上沒有那麼高的垂直懸崖,因此你需要以某個角度發射子彈,結果子彈在弧線頂點會具有顯著的橫向速度。不過,夠硬的棒球手套也許有辦法接住子彈。

其中任何一種情境下,你都必須非常走運。由於子彈的弧線有不確定性,你恐怕必須射擊數千發子彈才能碰巧接個正著。

等到那個時候,你可能會發現自己招來了某些人的關注。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。