0

2
1

文字

分享

0
2
1

牛頓發現光譜前的那些故事——《全光譜》

商周出版_96
・2022/03/18 ・2487字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!
  • 作者/亞當.羅傑斯 
  • 譯者/ 王婉卉

牛頓對色彩與光的瞭解

一六五三到一六五九年間的某個時候,英國格蘭特罕鎮(Grantham)上的一名青少年買了一本小筆記本。這位年輕人(名為艾薩克.牛頓的藥劑師學徒)在筆記本上寫下自己正在學習的科學知識。

他為自己打造了一間小型工作室,放滿儀器設備,在筆記本中描述要如何運用這些儀器進行實驗,並記下自己正在讀的書的一些細節,這本書是約翰.貝特(John Bates)的《自然與藝術之謎》(Mysteries of Nature and Art),內容寫滿了如何打造像是風箏與磨坊等的指示說明。

對牛頓來說,用顏料製作墨水與塗料的配方顯然同樣很實用,因為他也辛勤地抄寫了這些內容。要製造出「海色」,就把藍色的靛藍植物浸泡在水中,再加入銅藍顏料,後者不是藍色的石青,就是綠色的孔雀石。高加索膚色:在塗上一層鉛白的雙頰上,點綴些許紅鉛,陰影處採用燈黑(lamp black)或棕土(umber),若人已經死了,那就把鉛白換成稀釋的黃莓汁液,陰影處改用靛藍。牛頓也曉得,黑與白加在一起就是灰色。

顏色的調和。圖/Pexels

牛頓在一六六一年抵達劍橋,展開大學生涯時,對色彩與光的瞭解可能就僅止於此。在歐洲某些地區,相關知識多為機密,或並未廣為散播。但牛頓開始求學後,讀了笛卡兒(Descartes)的著作,以及羅伯特.波以耳(Robert Boyle)在一六六四年出版的《關於色彩的實驗與思考》(Experiments and Considerations Touching Colors),書中強調,至少在染色與繪畫的過程,誰都可以混合來自三原色的所有色彩。

接著,在一六六五年,由於鼠疫導致每週數千人死亡,劍橋大學取消開課。牛頓於是回到母親在伍爾索普(Woolsthorpe)的娘家,占用一個小房間作為書房,做了幾個書架,就開始進行將定義色彩與光之現代概念的實驗。

最初觀察光的方式

你現在心裡在想,故事終於要談到三稜鏡的實驗了。但你錯了,還早呢。首先,牛頓會把一根粗大的針插進自己的眼睛裡。

他想知道眼睛的運作原理,而且是親身瞭解。於是,從最初使用的手指,再換成黃銅片,他都一一插進自己的眼球與環繞其周圍的眼眶骨之間——我懂你的感受!——然後按壓眼睛,記錄自己看到的結果:「幻象」,他如此寫道。

接著,牛頓更進一步改換成「大眼粗針」,也把它塞進眼球後方。他看到多個圓圈,「持續用大眼粗針的尖端摩擦我的眼睛時,看得最清楚」,不再移動粗針,圓圈就會消失。

牛頓也在自己能忍受的範圍內,盡可能直盯著太陽看,因而發覺盯著太陽後,亮色物體看起來是紅色,暗色物體則偏藍。只有在擔憂可能會對視力造成實際傷害後,他才不再對自己進行實驗,並在暗室中閉關好幾天,直到視力恢復。

六年後,在一七二六年,牛頓告訴助理,只要自己動念想到當時的太陽殘像,他依然看得見那個影像。

牛頓。圖/Pixabay

這些色彩與殘像讓牛頓想知道,腦中看到的色彩與現實世界中的色彩,兩者究竟各占多少。只靠施壓就能看到色彩,也就是當色彩實際上並不「存在」卻能看到,使牛頓得以推測出「神經錯亂與夢境的本質關鍵」,他如此寫道。

牛頓想瞭解光是如何產生色彩的同時,卻也領悟到感知這些色彩是另一項關鍵因素。若要產生色彩,不只光與化學物質得聯手合作,觀者的大腦也得加以配合。

當時牛頓也在讀虎克的作品。羅伯特.虎克(Robert Hooke)為一堆倫敦有錢人擔任「實驗管理負責人」,這些人當時早已開始聚在一起,討論彼此對「實驗哲學」的共同理念。

一六六二年,這群英國人為他們創設的團體取得授權,成立了皇家學會(Royal Society)。三年後,虎克出版了《微物圖誌》(Micrographia),(輔以插圖)詳細描述他透過新發明的精良器材所看到的一切,這個工具就是顯微鏡。

虎克繪製的蝨子與雪花等插圖讓《微物圖誌》大為暢銷,但牛頓認為,虎克針對孔雀羽毛如彩虹般的斑斕色彩以及玻璃薄片的觀察結果,甚至比那些插圖更加重要。就某種程度來說,即使不是經由大氣中水分子折射光所產生的結果,這兩者也是彩虹。這些現象的背後還有更為根本的原理。

好的,現在輪到稜鏡登場了

三稜鏡。圖/Pixabay

在只有一扇窗的書房裡,牛頓關上百葉窗,然後跟法利希一樣,在上面弄出了個小洞,使細長光束能照射進來。他將三稜鏡設置好,讓光在穿透後可以在寬達七公尺房間的另一頭散開成彩虹的各種顏色,他記下看起來是藍色的光線,偏折角度比看起來是紅色的光線要大。

投射距離也導致牛頓看到的色彩散開成橢圓形,而不是緊密相連的圓形,這些有色光束之間的空間大到足以插入另一個稜鏡。

第二個稜鏡折射藍光的角度比紅光要大,但這些光沒有再分離出其他顏色。藍光就是藍光,紅光就是紅光。如果再把另一個稜鏡放置在兩個稜鏡中間,使發散的光束再次聚合,將產生不同的效果。

「多個稜鏡產生的紅光、黃光、綠光、藍光、紫光混雜在一起,就會出現白光。」牛頓意識到,三稜鏡不是藉由改變白光來產生色彩,白光早已透過某種方式,把所有這些色彩混合起來了。

我在此應該要指出,這項實驗聽起來很困難,也確實是如此。我買了幾個品質不錯的三稜鏡(不像我,牛頓那時可沒有亞馬遜網路商店),然後把辦公室的門窗都關起來,就跟牛頓當時做的一樣。

我在百葉窗上拉開一個縫,設法在牆上投射出一道彩虹。但要對齊兩個稜鏡,讓色彩散開來,實在很難辦到。我想,這恐怕一定得有某種天分才做得到。

—摘自《全光譜》,2021 年 12 月,商業周刊

文章難易度
商周出版_96
111 篇文章 ・ 348 位粉絲
閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商周出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。

0

10
0

文字

分享

0
10
0
宇宙到底是什麼樣子?——宇宙觀的發展史(上篇)| 20 世紀前
賴昭正_96
・2023/04/19 ・6261字 ・閱讀時間約 13 分鐘

  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

根本沒有理由假設世界有一個開始。認為事物必須有開始的想法實際上是由於我們思想的貧乏。
—— Bertrand Russell(1950 年諾貝爾文學獎)

「天上的星星千萬顆,世上的妞兒比星多,啊,傻孩子,想一想,為什麼失眠只為⋯⋯」(註一)不!世上的妞兒不會比星多,為什麼失眠也不是只為「她一個」,而是遐想著天空這麼多的星星是哪裡來的?為什麼不停地對著我咪咪地微笑?⋯⋯沉靜晴朗的夜晚,仰望著天空,有多少人不會為閃耀的星空沈思著迷呢?因此相信人類很早就在思考這個問題:在中國有盤古開天闢地,其身形化為日月星辰、山川河流,逝世時將精靈魂魄變成了人類之傳說。

而古希臘人(公元前 750-650 年) 則認為起初世界處於一種虛無混沌狀態,突然從光中誕生了蓋亞(Gaia,地球母親)以及其「他」具有人性的諸神,在沒有男性幫助的情況下,蓋亞生下了烏拉諾斯(Ouranos,天空),後者使她受精,生出了第一批泰坦(Titan)。泰坦後代普羅米修斯(Prometheus) 用泥塑人,雅典娜(Athena)為泥人注入了生命,宙斯(Zeus) 創造出一個擁有驚人美貌、財富、欺騙心、和撒謊舌頭的女人潘多拉(Pandora),給了她一個盒子,令永遠不要打開,但好奇心最後戰勝了,她終於打開盒子釋放出各種邪惡、瘟疫、悲傷、不幸、和在盒子底部的希望——現今打開「潘多拉盒子」的來源。

1881年,英國畫家勞倫斯.阿爾瑪-塔德瑪爵士(Sir Lawrence Alma-Tadema)的《矛盾的潘朵拉》。圖/Wikipedia

除了神話和傳說外,宗教在宇宙觀的發展上也佔了重要的地位。西方的宗教如基督教主要認為宇宙是一個由超自然力量之神創造出來的,人死後會上永生天堂。而東方的宗教如佛教則認為宇宙是無始無終的,沒有起點或終點,因此無所謂宇宙的起源與創造,人會以不同的面貌和形式,不斷生死輪迴。歐洲宗教在十六世紀前一直認為人與地球在這宇宙中佔了一個特殊的中心地位,因此深深影響了基於證據、推理、和辯論的宇宙觀發展。

中國古代的天文學

中國古代的宇宙觀有蓋天說、宣夜說、渾天說三學派,蓋天說認為「天圓地方」,天覆蓋著地,但由於地是方的,故而有四個角是無法覆蓋的,因此這四個角上有八根柱子支撐著整個天空。宣夜說則認為「日月眾星,自然浮生於虛空之中,其行其止,皆須氣焉」,即整個天體漂浮於氣體之中。渾天說雖然也認為「天圓地方」,但天是一個圓球,而不是蓋天說中的半圓,地球在天之中,類似於雞蛋黃在雞蛋內部一樣。東漢張衡(78-139 年)將「渾天說」發展成為一套系統的理論,並透過其所製作的「渾天儀」來加以演示,使渾天說成了中國宇宙結構的權威理論。渾天說的基本觀點認為日月星辰都佈於一個「天球」之上,不停地運轉著。

清代的渾天儀。圖/Wikipedia

中國帝王自稱為「天子」,因此天文觀測的目的是為了帝王預測天下的禍福,用以指導治國理政、風水地理、農業民生、中醫人文的;天命如果有所改變,就會通過天象昭示天下。因此雖然中國是世界上最早發明曆法的國家之一,也為我們留下了許多寶貴的觀測資料,如記錄了 1054 年 7 月 4 日金牛座超新星的爆發,但古代的天文是皇權統治的一種工具而已,因此中國的天文學難以在民間發展,也不可能出現以科學為目的的天文研究。

地球中心模型

反觀西方世界,天文學在古典希臘則早已經是數學的一個分支。柏拉圖(Plato,公元前 427-347 年)鼓勵年輕的數學家蛇床子(Eudoxus of Cnidus,公元前 410-347 年)發展天文學體系,於公元前 380 年左右提出第一個以地球為中心的宇宙模型,認為一系列包含恆星、太陽、和月亮的宇宙球體都圍繞地球旋轉。

亞里士多德(Aristotle,公元前 384-322 年)識這些宇宙球體為物理實體,裡面充滿了導致球體移動之神聖和永恆的「以太」(ether)。他將這些球體分為陸地(terrestrial) 和天界 (celestial) 兩個領域。陸地領域包括地球、月球、及它們之間的月下區域,以變化和不完美為其標誌。天界是月球上方的領域,在這裡秩序井然,完美無缺。恆星固定在一個天球上,該天球每 24 小時圍繞地球旋轉一次。

最裡面的球體是地球的「陸地」,最外面的球體是「以太」構成的,包含「天界」。圖/Wikipedia

這個模型在接下來的幾個世紀裡得到了進一步的發展:希臘裔埃及天文學家、數學家、和地理學家托勒密(Claudius Ptolemy, 85-165)仔細研究以前所有天文學家的工作,了解到用肉眼觀察夜空中物體的方法後,透過他出色的數學技能開發出自己的天體運動模型,於公元 150 年出版了一本現在稱為《Almagest》(最偉大)的書籍來闡述其論點。

他認為地球是一個靜止的球體,位於一個大得多的天球的中心;這個天球攜帶著恆星、行星、太陽、和月亮以完全均勻的速度圍繞地球旋轉,從而導致它們每天的升起和落下。完美的運動應該是圓周運動,因此托勒密認為這些表面上不規則的天體運動實際上是由規則的、均勻的圓周運動組合成的:運動的中心不但偏離了地球,而且還沿著主要圓形軌道上的點依較小的「本輪」圓圈(epicenter)移動。托勒密在該書目錄後留言謂:

我知道我天生必死,轉瞬即逝; 但當我隨心所欲地描繪天體的曲折軌跡時,我的腳不再接觸大地,而是站在宙斯面前,盡情享受神的美味。

此後的 1500 年,托勒密書中的表常被用來預測天體在夜空中的位置;而其以地球為中心的宇宙觀也幾乎統領了以後 2000 年的天文物理發展!

太陽中心模型

1543 年,波蘭哥白尼(Nicolas Copernicus,1473-1543)在德國紐倫堡出版《De revolutionibus orbium coelestium》 (論天體運轉,註二) 一書,提出日心系統,謂地球不在宇宙中心之特別位置,而是與其他行星一起在圍繞太陽的圓形軌道上運動。不幸的是它表面上不規則的天體運動之複雜並不亞於托勒密地心系統;還有,如果地球在動,為什麼星星總是在同一個地方出現——除非它們離地球很遠(註三)?因此該書出版後從未獲得廣泛支持。儘管如此,在日心系統裡,行星繞日具有地心系統所沒有的周期性

哥白尼的宇宙觀,中心為太陽。圖/Wikipedia

十七世紀初,在新發明之望遠鏡的幫助下,意大利天文、數學、哲學家伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)發現了圍繞木星運行的衛星,終於對地球位於宇宙中心的觀念造成致命的打擊:如果衛星可以繞另一顆行星運行,為什麼行星不能繞太陽運行?伽利略因之慢慢地深相地球繞日說,但被羅馬教會禁止「堅持或捍衛」哥白尼理論。晚年於 1630 年出版《Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, tolemaico e copernicano》(關於兩大世界體系——托勒密和哥白尼——的對話), 在最後一章裡用潮汐現象來證明地球是在動,不是靜止地在宇宙中心(註四)。

大約就在那個時候,德國數學、天文學家開普勒(Johannes Kepler 1571-1630)「盜取」導師丹麥天文學家布拉赫(Tycho Brahe,1546-1601)的豐富實驗資料構建了日心的定量模型,在 1618 年至 1621 年期間出版(立刻成為天主教會禁書的)《Epitome Astronomiae Copernicanae》(哥白尼天文學概要),提出描述行星體如何繞太陽運行的(開普勒)三定律:(1)行星以太陽為焦點在橢圓軌道上運動,(2)無論它在其軌道上的哪個位置,行星在相同的時間內覆蓋相同的空間區域,及(3)行星的軌道周期與其軌道的大小(半長軸)成正比。

開普勒終於解開行星之謎:行星以橢圓形——不是完美的圓形——圍繞太陽運轉。開普勒第三定律謂:行星與太陽的距離與其繞太陽公轉所需的時間存在精確的數學關係。這條定律激發了牛頓(Isaac Newton,1643-1727)的靈感,證明橢圓運動可以用引力與距離的平方反比定律來解釋。

平方反比定律

人類事實上好像很早就注意到了所有物質都互相作用,例如亞里士多德認為物體由於其內在的引力(沉重)而趨向一個點,伽利略則注意到物體被「拉」向地球中心。英國博學士胡克(Robert Hooke,1635-1703)在 1670 年的格雷沙姆演講 (Gresham lecture) 中謂萬有引力適用於「所有天體」,並添加了萬有引力隨距離減小的原理,及在沒有任何這種動力的情況下,物體會直線運動。到 1679 年,胡克認為萬有引力具有「距離平方反比」依賴性(註五),並在給牛頓的一封信中傳達了這一點:「我(胡克)的假設是引力總是與距中心距離成雙倍比例。」

牛頓因為害怕其他科學家和數學家竊取了他的想法,喜歡把他的工作隱藏起來、不發表;因此直到 44 歲才在英國天文學家哈雷(Edmond Halley)說服下,寫了一篇關於他的新物理學及應用在天文學的完整論述;一年多後(1687 年),發表了後來成為物理經典的《Philosophiae Naturalis Principia Mathematica》(自然哲學數學原理)或簡稱為《Principia》(原理)。

儘管牛頓在《原理》中承認胡克曾經提出太陽系中的平方反比定律,但胡克仍然對牛頓聲稱「發明」了這一定律感到不滿。胡克是一位才華橫溢、但是又駝背又矮的科學家:發現彈性定律(胡克定律)、發現有機體基本單位的「細胞」、發明顯微鏡(使他成為細胞理論的早期支持者)。 當胡克要求牛頓承認他已經預料到後者在陽光中顏色的一些研究結果時,牛頓寫了一封諷刺的拒絕信,影射了胡克的小身材謂:「如果我看得更遠,那是因為站在巨人的肩膀上」(事實上,牛頓的許多創見都不是站在巨人之肩膀上的——被譽為是有史以來最偉大的物理學家,不是沒有道理的)。

胡克透過顯微鏡觀察、繪製的細胞壁。圖/Wikipedia

自然哲學數學原理

牛頓在《自然哲學數學原理》裡用同一個定律解釋了一系列以前不相關的現象:太陽-行星運動、行星-衛星運動、軌道物體、拋射體、鐘擺、地球附近的自由落體、彗星的偏心軌道、潮汐變化、以及地球軸的進動等等,具體地證明了「萬有引力」定律:「⋯⋯所有物質吸引所有其它物質的力與它們質量的乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比」。這項工作使牛頓成為科學研究的國際領導者,「自然哲學數學原理」被公認為有史以來最偉大的科學著作。

但除了受過幾何學訓練的數學家外,《原理》事實上是一本非常難以理解的書,更糟的是:裡面充滿了矛盾和不一致,而且還點綴著一些令人毛骨悚然的錯誤(一些錯誤是計算和演示中的徹底錯誤,其它則是邏輯上的空白:沒有證明、只是猜測)。在牛頓時代,很少有人能讀懂它,而今天幾乎沒有人嘗試過。牛頓任教之劍橋大學的學生曾這樣諷刺:「有一個人寫了一本他和任何人都無法理解的書」。

《原理》在那個時代還有一個很大的邏輯問題:那時的物理學家認為世界是一部大機械,作用是必須透過物質撞擊或擠壓物質的接觸來達成的;從遠處發出穿過虛空的無形作用力量是魔法、神秘的、非科學的!為了阻止不可避免的批評和挑釁,牛頓先下手為強,在《原理》一書謂:

「我已經用重力解釋了天空和海洋的現象,但我還沒有為重力提出一個原因。 ⋯⋯我還不能推斷⋯⋯這些重力特性的原因。我不需要假設,因為任何不是從現像中推導出來的東西都必須被稱為假設;而假設——無論是形而上學的、還是物理的、基於神秘特性的、或機械的⎯在實驗哲學中都沒有地位⋯⋯。在本哲學中,特定的命題是從現像中推斷出來的,然後通過歸納來概括。」

所以重力不是機械的、不是神秘的、不是假設;牛頓用數學及結果證明了這一點:「重力確實存在,並根據我們制定的定律起了作用,足以解釋天體和海洋的所有運動」,因此即使它的本質不能被理解,但我們不能否認它。牛頓認為這就「夠了」。

牛頓的著作《原理》被其任教之劍橋大學的學生諷刺為一本「任何人都無法理解的書」。圖/Wikipedia

靜態的宇宙

當牛頓抬頭仰望月亮、太陽、和行星以外的天空時,他沒有發現任何物體的運動,因此宇宙應該是靜止的。而如果萬有引力可以用在所有的天體上,科學家再沒有任何理由認為人類很特別,我們所處在的地方在宇宙中佔了一個很獨特的地位。這在現代物理宇宙學中被稱為「宇宙學原理(Cosmology principle)」的概念,認為這些力會在整個宇宙中均勻地作用,因此從足夠大的尺度上觀察時,宇宙中物質的空間分佈應該是均勻的、沒有方向性的。同樣地,我們現在所處在的時刻也沒理由是個很特殊的時刻。顯然地,宇宙永遠就是那樣地存在,它沒有開始,也不會有終結—因為如果有開始,那顯然就應有創造者,這不是太宗教了嗎?

牛頓的引力理論實際上需要一個持續的奇蹟來防止太陽和恆星被拉到一起。在 1666 年至 1668 年之間之手稿《De Gravitatione》 (引力)中,牛頓闡述對空間和宇宙的看法:一種「無限而永恆」的神力與空間共存,它「向各個方向無限延伸」。牛頓設想了一個無限大的宇宙,上帝在其中將星星放置在正確的距離上,因此它們的吸引力抵消了,就像平衡針在它們的點上一樣精確。所以宇宙可以保持靜態,不會崩潰到無任何一點(無限大的宇宙沒有中心點)。

有限的宇宙

但是此一充滿著星球的無限宇宙在羅輯上是有幾個很嚴重的問題。例如雖然兩物體間的作用力與距離的平方成反比(收斂系列),但作用的星球數卻是與距離的平方成正比,正好抵消了前者的效應;因此,

(1)宇宙中的任何一點均應感受到無限大、往四面八方外拉的重力,所以物體不可能存在的!

(2)宇宙中的任何一點均應看到無限多的星光,所以夜晚的天空不應是黑暗的(註六)。

在你心中宇宙長什麼樣子呢? 圖/Pixabay

事實上亞里士多德早就回答了這個問題:物質宇宙在空間上一定是有限的,因為如果恆星延伸到無限遠,它們就無法在 24 小時內繞地球旋轉一圈。1610 年,開普勒也提出既然夜晚的天空是黑暗的,所以宇宙中的恆星數量必須是有限的!這有限宇宙的觀點一直到二十世紀初期還是被歐洲宗教及大部分科學家所接受(註三),造成了愛因斯坦犯下他一生最大的錯誤(詳見愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數)。

如何解決牛頓之無限宇宙論與宗教之有限宇宙論間的衝突呢?請待下回分解吧。

註解

  • 註一:高山(作曲沈炳光之夫人黄任芳?):《牧童情歌》。
  • 註二:該書非常複雜難懂,科學歷史學家稱它為一本沒有人讀的書。
  • 註三:Giodano Bruno(1548-1600),意大利哲學家、天文學家、數學家、和神秘學家;因為堅持非正統的想法——包括宇宙是無邊緣的,恆星是離地球很遠的太陽、有它們自己在上面可能存在生命的行星,而付出被羅馬天主教酷刑,在火刑柱上燒死的代價——為一有名的宗教迫害案件例。
  • 註四:晚年被羅馬天主教強迫收回(在審判庭上寫了悔過書),因此不像註三的 Bruno,只被軟禁在家到逝世。說來有點可笑,伽利略之「證明」地球在動的理論完全是錯誤的:例如潮汐每天應該出現兩次,但他的證明只出現一次而已。但伽利略發現相對論原理,正確地解釋了為什麼我們沒感覺地球在動。
  • 註五:引力與距離的平方反比定律最早由布利亞爾杜斯(Ismael Bullialdus)於 1645 年提出;但他不但不接受開普勒的第二和第三定律,也認為太陽的力量在近日點是排斥的。
  • 註六:為紀念十九世紀的德國天文學家歐博耳(Heinrich Olbers, 1758-1840) 在這方面的深入研究,現在被稱為「歐博耳悖論(Olbers paradox)」 。
賴昭正_96
37 篇文章 ・ 39 位粉絲
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。

0

2
0

文字

分享

0
2
0
中央研究院化學研究所陳玉如博士,榮獲「2023 年第16屆台灣傑出女科學家獎
PanSci_96
・2023/03/06 ・5586字 ・閱讀時間約 11 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

全台第一、更是唯一專為表揚女科學家卓越貢獻的「台灣傑出女科學家獎」已邁入第 16 年。2007 年台灣萊雅聯合吳健雄學術基金會共同發起設置「台灣傑出女科學家獎」,以樹立典範,啟發並推動更多女性投入科學領域,促使科學界多元參與及發展,此獎項多年來的方向與成果更接軌國際聯合國永續發展目標(SDGs)之性別平等目標。

有台灣「女性諾貝爾獎」之美名的台灣傑出女科學家獎,截至 2023 年,本獎項共表揚傑出獎及新秀獎共計 49 位優秀台灣女性科學家。參照全球傑出女科學家獎模式的主辦單位,台灣萊雅總裁師逸樺表示,希望透過表彰台灣傑出女科學家,社會大眾看見多位女性科學家不但在科學界擔任團隊領導者,對科學研究領域有傑出成就,更在推動友善人才制度進步和培育科研領域人才發展均深具貢獻。

2023 年第 16 屆「台灣傑出女科學家獎」由中央研究院化學研究所特聘研究員陳玉如博士獲得最高榮譽「傑出獎」[1]之殊榮。為支持優秀年輕女科學家而設立的「新秀獎」,則頒發給中央研究院天文及天文物理研究所研究員林俐暉博士臺灣大學電機工程學系電子工程學研究所副教授胡璧合博士。鼓勵具科學潛力之年輕博士班學生的「孟粹珠獎學金」,則由中央大學物理研究所博士班謝妮恩同學(目前任職於日本北海道大學低溫科學研究所博士後研究員)獲得。

第十六屆「台灣傑出女科學家獎」得主與主辦單位合影(由左至右):台灣萊雅陳家祥永續長、新秀獎得主林俐暉博士、傑出獎得主陳玉如博士、新秀獎得主胡璧合博士、孟粹珠獎學金得主謝妮恩博士、吳健雄學術基金會林明瑞執行長

「傑出獎」得主 中央研究院化學研究所陳玉如特聘研究員

  • 由美國與全球 13 個國家合作的「癌症登月計畫」,台灣隊由她領軍

在中研院化學所任職,專長儀器設計、質譜分析的陳玉如博士,因深受蛋白質體學的奧秘所吸引,跨領域由生物分子的分析,轉換跑道長期投入蛋白質體的探索,她的研究成果不僅創造領先國際之分析技術,在台灣建立世界級的蛋白質體研究技術,也提供生醫研究全新的研究路徑及轉譯經驗,進而獲得重大疾病關鍵突破。

陳玉如團隊開發了以質譜儀全面性定量細胞膜蛋白體的方法,可幫助科學家了解膜蛋白質如何造成疾病的機制,更進一步建立第一個癌症病人個人化的分析,開發疾病檢測或是藥物標靶蛋白質。以癌症為例,現在使用的癌症標識分子(biomarker)大多數是膜蛋白質。

陳玉如博士首創全世界第一個「奈米探針質譜檢測技術」,發現癌症中血清蛋白多重結構變異作為新型癌症標誌物的實用性,成為首例以單一蛋白質多重異構物結合演算法作為新型癌症檢測技術,應用於早期癌症檢測,該技術於 2022 年獲得國家新創獎。

「我不抽菸,為什麼也會得肺癌?」這是許多亞洲國家肺癌患者共同的疑問。肺癌是全球癌症死亡的主因,即使藥物治療近年有長足的進展,存活率仍低,長期為我國癌症死亡的頭號殺手。肺癌傳統上被認為與吸菸畫上等號,但在東亞地區,不吸菸者患病的比率卻遠高於吸菸者。

為釐清不吸菸肺癌患者可能的致病機轉,2017 年,陳玉如博士主持推動與美國臨床蛋白基因體學腫瘤分析聯盟(CPTAC)合作的「台灣癌症登月計畫」,讓我國成為該計畫首度國際合作國家之一。

陳玉如認為,癌症研究的跨國分享非常重要,因為即使是同一種癌症,也會因為地域、人種及生活型態而有所差異,因此預防、檢測、治癌和預後方式可能不同。

陳博士發揮善於溝通、整合資源的人格特質,整合學術、政府資源及與醫院臨床合作,建立東亞第一個肺癌之蛋白基因體大數據,解析亞洲不吸菸肺癌患者的致病機制,開發新穎癌症精準醫療策略。該計畫利用深度蛋白質基因體技術和多體學數據整合分析,解析台灣不吸菸病人與西方不同的基因突變特徵、尋找內生性與外在環境致病機轉,並發現癌症早期出現的類晚期蛋白質分子特徵,為全世界第一個完整剖析東亞肺癌的研究。研究論文已發表於頂尖期刊《細胞》(Cell),並榮登當期封面,享譽國際。

陳玉如博士曾任中研院化學所所長,也是有史以來第一位女所長;於 2019 年獲選全世界最大的國際性蛋白質體學術組織(HUPO)理事長,為該組織 20 年來最年輕,更是亞洲第一位女性理事長,為台灣爭取第 15 屆世界蛋白體組織會議及亞太蛋白體組織會議;2020 年受邀為分析化學領域排名第一國際期刊 Analytical Chemistry 的副主編至今,是台灣有史以來唯一獲此榮譽職位者。她也見證了各國代表在台灣宣示啟動癌症登月計畫之歷史時刻,協助台灣成為質譜學及蛋白質體學社群交流重鎮。

陳玉如博士的學術歷程及成就凸顯了唯有基礎數理研究的突破,方能以創新的分子視野揭露人類複雜疾病的成因與進展,開啟生醫學界及產業發展新穎癌症檢測的新策略。

  • 不設限、敢冒險,學習與溝通打通一關又一關

年少時喜愛作家三毛的陳玉如博士,從國中開始即養成寫日記的習慣,大學時期曾一度憧憬寫作的美好世界,成為科學家後,「寫作基因」帶給陳玉如博士敢於想像與冒險的念頭,讓她從設計質譜儀到分析 DNA,進而再挑戰以質譜儀開發更好的蛋白質體分析法,從摯愛的化學與跨領域到應用面、執行癌症醫學相關研究。

陳博士笑著說:「科學研究也是一種寫作,陳述一個完整的故事,讓人願意讀下去。」

除了如寫作敘事般建構規劃與想像,陳博士在研究上也發揮她善於溝通的特質,陳玉如博士表示,癌症研究是整合型的分析,需要蛋白體和基因分析技術、資訊分析、臨床醫學等各領域的專家跨領域合作,但要整合這麼多領域的領袖談何容易?陳玉如努力學習基因,並理解臨床醫師想問的問題及研究基因體學的科學家在做什麼,然後一起把基因和蛋白質的數據、以及臨床症狀整合、連貫起來,並不斷與不同領域的專家溝通,讓彼此互相了解,才打通一關又一關,取得研究成果。在學生眼中,積極熱情、樂於學習且執行力高的陳博士,是他們的精神領導,也是像媽媽和朋友的溫暖存在,永遠抱持正向開放的態度,鼓勵並協助他們堅持直至成功。

「新秀獎」得主 中央研究院天文及天文物理研究所林俐暉研究員

  • 用光學及電波望遠鏡觀測宇宙奧秘,她是入選台灣女科學家新秀獎的首位天文學者

林俐暉博士於中央研究院天文及天文物理研究所擔任研究員,研究著重在大尺度環境對於星系演化的影響,包括星系之間的交互作用以及星系團中星系的性質。利用多波段的天文觀測,有系統地探討星系與星系碰撞的頻率、星系交互作用期間對於恆星形成之效應,以及星系碰撞與大尺度環境的相關性。

而近年來,林俐暉博士結合地面最大電波望遠鏡 ALMA 以及光學史隆巡天計畫第四代的「艋舺」(MaNGA)觀測計畫,領導近三十位國際天文學家,進行 ALMaQUEST(ALMA-MaNGA QUEnching and STar formation)的國際合作計畫。林俐暉博士是第一位入選台灣女科學家新秀獎的天文學者。

  • 「當你覺得別人都很厲害的時候更應該欣喜,表示自己還有進步的空間,這個世界可以更好!」正向態度讓她隨心選擇不設限

受雙親為物理學者的家庭環境薰陶,林俐暉博士雖自小接觸物理領域,但林博士的志向卻未因此設限。學生時期的她,除了是數理資優生,也喜歡古典文學,兼具理性與感性的她,一路從探索物理科學、宇宙星系到中國文學,累積了廣泛的興趣,豐富她的人生,也讓她對下一代的教育,延續原生家庭保持自由且開放的態度。此外,林博士分享印象很深刻的一句話:「當你覺得別人都很厲害的時候更應該欣喜,表示自己還有進步的空間,這個世界可以更好。」對林博士來說,有學習典範是科研路上一件很棒的事情。

近年來,林俐暉博士擔任台灣物理學會女性委員會的成員之一,為培育下一代女性科學家盡一份心力。她鼓勵有志從事科學的女性學子,除了培養足夠的熱情和興趣,更重要的是,永遠保持正向的態度。她特別感謝同事的支持,讓她投入家庭的同時,仍然可以從事研究工作。

林博士談到,期望將台灣萊雅致力推動多元共融、堅信多元化與包容性的企業精神也帶入學術界,有朝一日讓所有的女性研究員,都能無後顧之憂地投入科研工作。

「新秀獎」得主 臺灣大學電機工程學系電子工程學研究所胡璧合副教授

  • 讓人類的世界更加安全便利,她獲台積電張忠謀親自頒獎

「你在英雄電影裡看見的未來高科技,就是我們想做的事情!」胡璧合博士的研究領域為前瞻奈米電子元件及記憶體電路設計,透過元件及電路的共同最佳化,使下世代電子元件及記憶體電路表現高密度、低功耗及高能效等特性。

談到最難忘的學術成就,胡博士於交通大學智慧型記憶體及晶片系統實驗室擔任助理研究員期間,擔任國科會計畫主持人,研究鍺通道鰭式場效電晶體靜態隨機存取記憶體之讀取寫入輔助電路設計,於 2014 年獲得台灣半導體產業協會頒發博士後研究員半導體獎,並由台積電董事長張忠謀博士頒發,該獎項給予胡博士在學術研究旅程中莫大的鼓勵。

半導體產業是台灣的支柱與優勢產業,為國家經濟與安全的基石。胡博士於頂尖國際會議及重要國際期刊的發表,展現其團隊豐沛的研究能量,研究成果具學理創新及前瞻性。在產業發展部份,胡博士持續與台灣半導體科技公司執行產學合作計畫,透過加強學界與業界的接軌,在電子元件及記憶體領域持續研發創新,共同培育未來半導體產業高階人才。

  • 她是科學家,也可以是三寶媽!

胡璧合博士出生於台灣彰化,父母皆從事傳統產業。她感謝母親與婆婆的大力支持,讓她可以在孩子幼年時當假日母親,平日則全心投入研究工作。胡博士分享:「我們一直在做調整,在孩子2歲後接回身邊,由先生負責孩子上學,再由我接送放學,在實驗室,把兩張椅子併在一起,小孩也可以睡午覺。」這是身為女科學家,努力在工作與家庭之間取得平衡的生活面貌。

累積在中央大學與台灣大學任教的經驗,胡博士發現,碩士畢業後,許多學生會選擇投入產業端工作,繼續攻讀博士的人則越來越少。即使支持學生未來發展的選擇,但多數碩士人才都投入業界的情況也形成隱憂:「台灣的半導體產業有良好的發展環境,但需要有人不斷做研究找出方向,才能往前帶動整個市場持續蓬勃發展。」

另一方面,胡博士觀察到女性在成績和研究表現上都非常好,鼓勵女學生應保持自信和平靜的心態,關注自身的狀態和成長。同時也鼓勵女性加入實驗室,相信女性細心的特質,可以帶動實驗室的工作氛圍越來越好。

孟粹珠獎學金:中央大學物理研究所博士班謝妮恩同學

  • 研究一氧化碳冰晶光脫附作用,她為天文學界提供嶄新視角

謝妮恩同學於大學三年級即進行星際冰晶在真空紫外光與 X 射線照射下的光脫附作用與光化學反應之專題研究,並在天文學相關議題研究上的表現卓越,於 2019 年獲得科技部博士生千里馬計畫與台西計畫的補助,前往西班牙馬德里皇家天文生物研究中心進行訪問研究。

期間,她師承 Dr. Muñoz Caro 進行二氧化碳紅外光譜之詳細探討,提供完整光譜數據庫與星際冰晶生成溫度歷史之參考,對於天文觀測中的分子結構標定是不可或缺的。2022 年,以第一作者身分發表論文,建立一個描述生長溫度對於一氧化碳冰晶光脫附作用影響的模型。此模型指出分子的真空紫外光吸收截面、能量傳遞深度、單層冰晶的光脫附貢獻量與有效表面積等參數須同時考慮,方能提供冰晶分子光脫附一個嶄新的視角。

謝妮恩博士展現優秀的團隊管理能力,協助指導多名碩士生和專題生,帶領團隊解決研究上的難題,並逐一完成論文。謝博士參與研討會的經驗豐富,除了台灣物理年會之外,也在國際研討會上多次獲選為口頭報告講者,曾於 2020 年第五屆亞洲分子光譜年會榮獲 LiHong Xu Award 之殊榮。優異的研究成果榮獲 2019 年吳健雄獎學金及 2021 年中技社科技獎學金(研究組),在學生眾多的理工領域獲得這份殊榮實屬不易,更是對於謝博士的一大肯定與鼓勵。

關於台灣傑出女科學家獎

16 年來,本獎項共表揚傑出獎及新秀獎共計 49 位優秀台灣女性科學家,包括 2 位前、現任中研院副院長、多位中研院院士及大專院校教授及研究中心研究員等。

根據教育部的數據顯示,女性投考科學類組的比例持續成長,從 2007 年到 2021 年,大專院校科技類女學生占比上升了 5.5%。然而在男女受教權均等的台灣,女性投入科研領域成為科學家的比例,與全球女性科學家占比同樣只有不到三分之一,性別比例尚有很大的差距,因而仍需要持續推動鼓勵女性參與科學,盼透過「台灣傑出女科學家獎」鼓舞更多有志科學的女性投入科研,促進科學界多元發展,加速台灣科技精進。

了解更多台灣傑出女科學家獎

2023 年第十六屆台灣傑出女科學家獎得主簡介


[1] 依據遴選辦法規定,按公元單雙數年,交替輪選物質科學、數學、與資訊科學領域(公元單數年)或生命科學(公元雙數年)領域的傑出研究者。今年為公元單數年,本屆各類獎項得主皆從「物質科學、數學、與資訊科學」領域的女科學家中選出。

PanSci_96
1164 篇文章 ・ 1501 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
將陽光轉變成電能的太陽能電池:太陽能電池不是電池——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/23 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

備受關注的再生能源

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。圖/pexels

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置,這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱,但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當,應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1-2 節提到的半導體光電效應(將光轉變成電能的現象)。不過,僅僅只透過照光,並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能,必須使用 pn 接面二極體(參考第 1 章 1-8 節)才行。

pn 接面二極體。圖/東販

圖 5-1(a) 為 pn 接面二極體,p 型半導體有許多電洞做為載子,n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後,接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散,電子則會往 p 型移動擴散,如圖 5-1(b) 所示。

移動擴散之後,接面附近的電子與電洞會彼此結合,使載子消滅,這個過程稱為複合。結果會得到圖 5-1(c) 般,沒有任何載子存在的區域,這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中,n 型半導體的帶負電電子不足,故會帶正電;另一方面,p 型半導體的帶正電電洞不足,故會帶負電(圖 5-1(d))。

因此,n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差,在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子,與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡,故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態,放著不管也不會發生任何事。也就是說,接面上有內建電位差之壁,不管是電子還是電洞,都無法穿過這道牆壁。

用光發電的機制。圖/東販

在這種狀態下,如果陽光照入空乏層,半導體就會在光能下產生新的電子與電洞,如圖 5-2 所示。此時,新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動,新的電洞則往 p 型半導體移動(圖 5-2(a))。於是,電子便會在外部電路產生推動電流的力,稱為電動勢。

在光照射半導體的同時,電動勢會一直持續發生,愈來愈多電子被擠入外部電路,於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體,與電洞結合(圖 5-2(b))。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

太陽能電池的結構。圖/東販

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5-3 所示。

為方便理解,前面的示意圖中,都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上,太陽能電池所產生的電流大小,與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好,就像圖 5-3 那樣呈薄型平板狀。

前面的說明提到,陽光可產生新的載子,這裡讓我們再進一步說明其原理。

pn 接面二極體的電子狀態。圖/東販

圖 5-4 為 Si 原子之電子組態的示意圖(亦可參考第 38 頁圖 1-11)。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合,故 Si 結晶的軌道填滿了電子,沒有空位(圖 5-4(a))。

若摻雜雜質磷(P)或砷(As)等 15 族(Ⅴ族)元素,形成 n 型半導體,便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道(圖 5-4(b)),與共價鍵無關,故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠,電子的能量愈高,所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量(參考第 57 頁,第 1 章的專欄)。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差,稱為能隙。

另一方面,如果是摻雜鎵(Ga)或銦(In)等 13 族(Ⅲ族)元素的 p 型半導體,會少 1 個電子,形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層,能量比自由電子還要低(圖 5-4(c))。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子,此處原子的電子組態皆如圖 5-4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時,原子的電子會獲得光能飛出,轉移到能量較高的外側軌道(圖 5-4(d))。此時的重點在於,電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話,電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定,波長愈短,光的能量愈高(參考第 217 頁,第 5 章專欄)。光能 E(單位為電子伏特eV)與波長 λ(單位為 nm)有以下關係。

E[eV]=1240/λ[nm]

抵達地表的陽光光譜。圖/東販

另一方面,抵達地表的陽光由許多種波長的光組成,各個波長的光強度如圖 5-5 所示。

由圖可以看出,可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52%的能量由可見光貢獻,紅外線約佔 42%,剩下的 5~6% 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光,將它們全部轉換成電能的話,轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的,無法吸收所有波長的光。

Si結晶的能隙為 1.12eV,對應光波長約為 1100nm,位於紅外線區域。也就是說,用 Si 結晶製造的太陽能電池,只能吸收波長小於 1100nm 的光,並將其轉換成電能。

不過,就像我們在圖 5-5 中看到的,就算只吸收波長比 1100nm 還短的光,也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明,可能會讓人覺得,如果半導體的能隙較小,應該有利於吸收波長較長的光才對。不過,並不只有能隙會影響到發電效率,圖 5-6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光,可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高,譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵(GaAs)。GaAs 的能隙為 1.42eV,轉換成光波長後為 870nm,可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高,所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

總之,GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點,只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此,研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好,以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

台灣東販
5 篇文章 ・ 1 位粉絲
台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。