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回歸起點:物理學是什麼?──《林清凉回憶錄》

天下文化_96
・2022/06/04 ・2389字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者/林清凉、戴念祖 原載《物理學基礎教程》緒論
  • 編者/陳丕燊

什麼是物理學?

「物理學」一詞源於希臘文 φυσική,該詞本意是探討自然界和自然現象。古希臘學者 Aristóteles(亞里斯多德)創造了這一詞並用它做為他的一本著作題名,其意思為《自然哲學》或《自然論》(中譯本多為《形而上學》)。該書的中世紀拉丁文譯本題為 Physica,由此產生了 Physics(物理學)一詞。Aristóteles 本人對物理現象的研究並不足取。但他創造的這一詞卻有深遠影響,以致經典物理學最偉大的奠基人之一 Newton(牛頓)將自己劃時代的著作題為「Philosophiae Naturlis Principia Mathematica」,也即「Mathematical Principles of Natural Philosophy」。

Aristóteles(亞里斯多德)對於存在和事物本質的討論,延伸出了 Physics(物理學)一詞。
圖/wikimedia

物理學的分野:用不同角度探討世界本源

一般地說,按照所研究物件的運動形態將物理學分為許多門類。研究物體的機械運動與其相互作用為主的,稱為力學。因為它以 Newton 三大運動定律和萬有引力定律為基礎,故又稱為經典力學或 Newton 力學。其中,以流體(液體和氣體的總稱)為主要對象的,稱為流體力學;若僅以材料及其某些物理特性(如彎曲、斷裂和彈性等)為主,就稱為彈性力學;或者僅僅研究機械運動中的振動形態及其在空間中的傳播現象,它既屬於力學範疇,又是聲學的基礎。但在當代科學中,聲學已發展成一門獨立的學科。以研究熱現象為主的稱為熱學。若考慮一般熱系統而不追究微觀成分的運動細節,則稱為熱力學;深入研究熱現象本質、研究大量分子組成的宏觀物體的熱性質和行為的統計規律,就形成了統計力學。後者不涉及某個分子在某時刻的狀態,而是以統計系統的方法研究大量分子的平均行為或概率。

研究電和磁的關係和帶電粒子間的相互作用稱為電磁學。由電、磁或帶電粒子作用所及(所影響)的空間稱為電磁場,而電磁交互作用是通過場的傳遞能量方式傳播,所以又叫電磁波。光是可見的電磁輻射,是電磁波頻譜範圍內一小部分,因此,光學可以看作是電磁學的一部分。將光學分為幾何光學和物理光學只是研究範疇的區分:前者研究光的傳播,如反射、折射等,但它是一切光學儀器的設計基礎;後者研究光的本性,以及光和物質的相互作用。

以上各學科在 1900 年以前已發展到充分完備的形式,而且都適用於宏觀世界和運動速度遠小於光速的物理現象。人們統稱它們為經典物理學

關於運動速度遠小於光速的各種物理現象討論,在 1900 年已發展完備,宣告經典物理學研究已接近尾聲。
圖/envato

1900 年:經典物理學的尾聲,近代物理學的伊始

隨著物理學本身的發展,從二十世紀初開始,又誕生了許多新物理學分支學科。例如,原子物理學,研究原子結構及其運動、變化的規律。各種元素的原子輻射都具有特徵光譜,通過原子光譜研究其結構是初期原子物理學的重要手段;原子核物理學是研究核結構及其力學等問題。核分裂和聚變是物理學家曾經最感興趣的課題。粒子物理學是研究基本粒子包括壽命極短(10−25 秒級)的共振態的種類、分合變化及其性質等。經典力學和經典電磁學無法解決這些新分支學科的問題,只有通過量子力學相對論力學才能較正確理解它們的本質。

量子力學是研究微觀世界的基礎理論。微觀世界的基本特性是波粒二象性,描述這種物理狀態一般使用複函數,其動力學量由算符表示,在這裡所能得到的是統計規律。量子力學的最大特點是物理量值的不連續性和內稟(intrinsic)不確定性。這與經典力學取連續變化的實數值和因果聯繫的物理量是根本不同的。相對論力學是研究接近光速運動的高速物體的現象。它包括狹義相對論(special theory of relativity)廣義相對論(general theory of relativity)

狹義相對論提出了一種新的時空觀。在相對性原理(the principle of relativity)光速不變原理兩個基本假設下,得到時空是密切相關的結論。也就是說,它獲得了經典力學無法理解的諸如空間收縮、時間膨脹,同時性的相對性、質能關係,以及光速是一切粒子的速度上限等結論。廣義相對論把描述運動的參照系從慣性系推廣到加速系統中,以等效原理為基礎,將引力現象幾何化並把它納入時−空結構中。簡言之,將引力現象看作是時−空彎曲的表現,從而導出了一些重要結論。

量子力學和相對論是近代物理學的兩大理論基礎。近代物理學以研究微觀、介觀世界,運動速度接近光速的物理現象為主要內容。除上述之外,近代物理學還包括量子場論、固態物理、磁性、半導體、超導、高分子物理、凝聚態物理(condensed matter physics)、等離子體物理(plasma,又稱為「電漿物理」)、生物物理等等。

經典物理與近代物理之間並不存在一條不可逾越的鴻溝。相對論力學所以比 Newton 力學深入,是因為它不僅能解釋 Newton 力學所能解釋的現象,而且能解釋 Newton 力學所不能解釋的許多新發現和新現象;它作出了在 Newton 力學看來是根本不可能的一些科學預言,並且得到天文觀察或實驗的證實。另一方面,僅在低速運動的物理世界中,經典力學仍然是極好的描述物理現象的科學;當物體的速度遠小於光速時,狹義相對論力學定律趨近於經典力學定律。在引力較強大、空−時彎曲結構較大的情況下,經典力學失去效用,而廣義相對論發揮威力;相反,在引力不強、空−時彎曲極小的情況下,廣義相對論的預言就與 Newton 運動定律和萬有引力定律的預言趨於一致。

——本文摘自《不廢江河萬古流:林清凉回憶錄》,2022 年 4 月,天下文化

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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。

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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除了發現量子力學,普朗克還有第二個重大發現是什麼?
賴昭正_96
・2022/07/16 ・4593字 ・閱讀時間約 9 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

(瓦特斯頓)論文的歷史說明了:… 價值不確定的文章,高度投機性的研究⎯⎯尤其是不知名的作者⎯⎯最好(先)通過科學界以外的其它渠道呈現給世界。

-瑞利爵士(Lord Rayleigh)1904年諾貝爾物理獎得主

在「抱歉了愛因斯坦,但我真的沒辦法頒獎給那個酷理論—為何相對論與諾貝爾獎擦身而過?」裡,筆者提到了 19 世紀末的物理學家曾經非常自滿地認為物理學上的基本問題都已經解決了,剩下的只是細節問題。例如 1874 年,量子師祖普朗克(Max Planck)的指導教授久利(Philipp von Jolly)就告訴他說:「在這個(物理)領域,幾乎所有的東西都已經被發現了,剩下的就是填補一些不重要的漏洞。」普朗克回答說他不想發現新的東西,只想「了解」這個領域的已知基礎。

現在我們當然知道事與願違,19 世紀末的物理不但未靜如止水,反而是刮起大風大浪的預兆。例如誰想到就在那個世紀結束前的 12 月,普朗克為「了解」靠猜測所提出來的黑體輻射公式,被「迫」提出能量量化的觀念,成了發現量子力學的第一大功臣(參見「黑體輻射光譜與量子革命」),改變了整個物理學家對客觀世界的看法。

普朗克為「了解」靠猜測所提出來的黑體輻射公式,被「迫」提出能量量化的觀念。圖/Wikipedia

而後在 20 世紀才開始不久的 1905 年,瑞士專利局最低等級的審查員愛因斯坦(Albert Einstein)更不知道從何處突然冒出一篇題爲「關於運動物體的電動力學(On the Electrodynamics of Moving Bodies)」論文,吹起了 20 世紀的第一個物理革命號角,徹底改變了統領物理界 300 多年的牛頓時空觀念。可是良馬⎯愛因斯坦這一篇論文—如果沒有遇到伯樂,它會是一匹良駒嗎?如果不會,那誰是那一篇論文的伯樂呢?

誰會是愛因斯坦的伯樂?

這篇題為「關於運動物體的電動力學」的論文事實上是很奇怪。這標題通常應是討論磁性或介電物質在電磁場中的運動特性,但愛因斯坦根本沒有分析這個主題,而是花了很多篇幅在前半部分討論:許多物理學家都認為理所當然之某些基本物理概念的性質。而論文中唯一明確討論之法拉第的電磁感應實驗,則是用當時的理論就可以充分解釋、大多數物理學家認為已不甚重要性的題目;最後建議丟棄一些廣泛使用的概念(例如「同時」及以太等)。更不尋常的是:作者是一位名不見經傳、任職於專利局的小職員,其撰寫的風格和格式都非正統,沒有引用任何當時的文獻!

愛因斯坦曾希望他當年在《物理年鑑》這傑出期刊上的大量論文能夠讓他擺脫默默無聞的三流專利審查員,獲得一些學術認可,甚至找到一份學術工作;因此在論文出版後,他妹妹後來回憶說:

「(愛因斯坦)曾努力翻閱《物理年鑑》,希望能找到對他理論的回應。……但他非常失望,出版之後(的反應)是冰冷的沉默。」

愛因斯坦寫出「關於運動物體的電動力學」受到普朗克的讚賞,圖為 1929 年愛因斯坦獲得普郎克獎(Planck medal)時,與普朗克的合影。圖/AIP

在無奈的失望中,愛因斯坦突然於 1906 年 3 月收到了第一個物理學家的反應;令他驚奇的是:這位物理學家竟然不是別人,而是當時歐洲受人尊敬的理論物理學大師普朗克!普朗克給愛因斯坦寫了一封充滿熱情洋溢的信,謂其相對論論文「立即引起了我的熱烈關注」,並將到專利局所在地伯爾尼(Bern)拜訪他!愛因斯坦當然很興奮,立即寫信告訴他以前的家教學生、合創「奧林匹亞學院(Olympia Academy)」、剛剛搬離伯爾尼的好友索洛文(Maurice Solovine):

「我的論文倍受讚賞,並引起了進一步的研究。普朗克教授最近寫信告知我此事。」

普朗克是如何成為愛因斯坦的伯樂

普朗克當時擔任《物理年鑑》編輯,在接觸到愛因斯坦那篇關於空間、時間、和光速的想法前,他事實上已經相當明白:當涉及到由不同觀察者測量的光速時,古典物理學存在一個令人討厭的問題,即測不出地球在絕對靜止之以太中的速度,迫使當時一些名物理學家到處貼補漏洞。因此當愛因斯坦大喊(開玩笑的,當時他還是一位無名小卒,怎麼敢大喊):不要再費心了,讓我們假設(在任何慣性參考系中測量的)光速為一定值,來取代「標尺和時鐘不會永遠誤導我們」之錯誤概念時,普朗克立舉雙手贊成。在其 1949 年的自傳裡,普朗克謂:

「光速之於相對論就像基本的作用量子之於量子論:光速是相對論的絕對核心。」

在該論文出版後,普朗克立即在柏林大學講授相對論!由於他的影響,這個理論很快在德國被廣泛接受,因此德國在許多方面對愛因斯坦之相對論的反應是獨一無二的;例如 1905-1911 年期間有關相對論的論文,沒有其它國家在數量上能夠與德國相媲美。在法國、英國和美國的回應中,雖然也有熱情的支持,但只有在德國才有人說「我理解愛因斯坦的研究」。但當時的「不敢苟同」聲事實上也不少;例如德國物理學家索末菲 (Arnold Sommerfeld)一大早就認為愛因斯坦的理論方法有某種猶太色彩(後來被利用成為反猶太主義者的工具),對秩序和絕對的概念缺乏應有的尊重,而且似乎沒有堅實的基礎。1902 年諾貝爾物理獎得主、荷蘭理論物理大師洛倫茲(Hendrik Lorentz)在 1907 年更寫道:

「愛因斯坦的論文雖然出色,但在我看來,這種難以理解和無法形象化的教條裡仍然存在一些幾乎不健康的東西。一位英國人幾乎不會給我們這種理論。」

普朗克顯然是第一位認識到愛因斯坦在相對論方面開創性工作的主要人物,也是愛因斯坦在科學界最忠誠的擁護者。兩人在個性上雖然非常不相似(前者非常保守,後者不理傳統),但也成為最親密的朋友。普朗克於 1906 年公開為愛因斯坦理論辯護,反對一波又一波的懷疑論者,寫信給愛因斯坦說「(我們)必須團結一致」。他將愛因斯坦的理論描述為洛倫茲理論的「延伸」(generalization),並將「洛倫茲-愛因斯坦理論」命名為現在大家所接受的「相對論」。儘管如此,普朗克還是不接受狹義相對論之無可避免的「不需要以太」結論。

普朗克不接受狹義相對論之無可避免的「不需要以太」結論。圖/wikipedia

普朗克是第一位以愛因斯坦理論為基礎來發展的物理學家。他在 1906 年春天發表的一篇文章中,證明愛因斯坦的相對論符合物理學基礎之「最小作用原理」(least action principle):任何物體(包括光)在兩點之間的移動都應該遵循最簡單的路徑,開展了如何在這個新的彈性時空中正確處理物體的動力學。

 普朗克並未履約到伯爾尼拜訪愛因斯坦,只派比他更先獲得諾貝爾獎(1914 年)的助手勞鴻(Max von Laue)於 1906 年夏天去拜訪本以為應在伯爾尼大學任教的愛因斯坦。勞鴻與愛因斯坦兩人相談甚歡,不但成為終生好友,前者在此後四年內還寫了八篇相對論論文,包括嚴格地證明了 E=mc2。愛因斯坦謂勞鴻 1911 年所寫的第一本相對論教科書「是一個小傑作,其中的一些內容是他的知識產權」,並從中學習到了一些他後來創建廣義相對論所需的張量(tensor)數學。

瓦特斯頓發展的氣體動力學

瓦特斯頓(John Waterston,1811-1883)是蘇格蘭物理學家,在印度工作期間發展了氣體動力學理論,謂氣體分子與容器表面的碰撞導致我們感受到氣體壓力,正確地推導出理想氣體定律。他於 1845 年投稿到英國皇家學會,但審稿人認為那論文「不過是胡說八道」而被拒絕出版;現在的物理學家都認為馬克斯威(James Maxwell)為氣體動力學(kinetic theory of gases)的創始者。

John James Waterston。圖/Wikipedia

瓦特斯頓去世幾年後,瑞利爵士(Lord Rayleigh,1904 年諾貝爾獎得主,當時的皇家學會秘書)從皇家學會的檔案中挖掘出那篇論文,將它重新發表於1892年的《皇家學會哲學彙刊》上。瑞利爵士警告說:。

(瓦特斯頓)論文的歷史說明了:因為科學界不願在其印刷品中記錄價值不確定的文章,高度投機性的研究⎯⎯尤其是不知名的作者⎯⎯最好(先)通過科學界以外的其它渠道呈現給世界。也許有人可能會更進一步(建議)說,一位相信自己有能力做大事的年輕作家,應該在開始更高的飛行之前,先通過範圍有限、且價值容易判斷的工作來獲得科學界的良好認可。

相信這類事件在物理學上是時常發生的。在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文裡,筆者就提到了 1924 年 6 月 4 日,一位任教於東巴基斯坦的講師波思(Satyendra Bose)將一篇被英國名《哲學雜誌》(The Philosophical Magazine)退稿的論文,轉寄給愛因斯坦,並附函謂「……如果你認為它值得發表,可否請您將它譯出(成德文),投稿到《物理學雜誌》(Zeitschrift für Physik)… 」。波思毫無疑問地是一位「不知名的作者」,那篇文章也毫無疑問地是「價值不確定,高度的投機性」!還好愛因斯坦眼光獨特,否則不但波思可能淪為另一個瓦特斯頓,量子統計力學是否會那麼早就出現就不得而知了。

結論

有歷史學家說普朗克在近代物理上有兩大貢獻,其一是發現量子力學,另外一個則是發現愛因斯坦!愛因斯坦發表那篇「價值不確定」之狹義相對論論文時也是一位「不知名的作者」,因此如果沒有普朗克慧眼識英雄,幫他推銷與辯護,愛因斯坦或許也可能淪為另一個瓦特斯頓,那篇論文可能於 1908 年在閔可夫斯基(Hermann Minkowski)的時空(spacetime)中消失[註]

有了理論物理界權威普朗克教授做後盾,愛因斯坦平步青雲、離開專利局、進入學府、及成名應只是遲早的事情。說來有趣,在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文裡,筆者談到了如果沒有愛因斯坦興風作浪,普朗克是否會成為創建近代物理的第一革命先鋒(量子力學);而在這裡我們卻在懷疑如果沒有普朗克拔刀相助,愛因斯坦是否會成為創建近代物理的第二革命先鋒(相對論)。

至於愛因斯坦是否真是首位發現狹義相對論的物理學家,則請待下回分解。

註解

事實上普朗克及愛因斯坦本人完全低估了該篇論文的創見性,認為它只是洛倫茲理論的「延伸」而已。愛因斯坦的數學老師閔可夫斯基於1908年將時間和空間組合成一個現在稱為「閔可夫斯基時空(Minkowski space或spacetime)」的嶄新觀念,奠定了相對論的數學基礎,成為現在物理學家學習、了解、與討論愛因斯坦相對論主要(唯一)工具。

延伸閱讀

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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《沙丘》的沙子是流體還是固體?——「顆粒體」的運動原理
研之有物│中央研究院_96
・2022/06/18 ・6628字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/黃品維、簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

顆粒體如何流動?

流沙、土石流、穀倉的米……這些顆粒體,究竟是如何流動的?過去,科學界對於「顆粒流」的研究起步非常晚,也一直缺乏統整型的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所蔡日強副研究員,他長年研究顆粒體的運動行為,實驗室透過自創的顆粒軟球實驗,試圖找到全新的方法來描述顆粒流,並為固體與流體兩個歷史悠久的學術領域,搭建出一個溝通的橋梁!

從流沙到洗米:隨處可見的「顆粒體」

「顆粒體的流動」(Granular flows)聽起來或許有點生硬,但它其實是我們生活中常見的現象,像是在廚房裡洗米、攪拌咖啡豆、或是在工地攪動砂石,都是顆粒流的一種。而如果以人類文明的發展來說,從古時候建造金字塔、到現在火星探測器的著陸,也都有顆粒流的現象參與其中。

然而,即使顆粒流與我們息息相關,科學家對它的了解卻少之有少。究竟,顆粒體是怎麼流動的?有沒有一個方程式,可以描述顆粒流的行為?中研院物理所的蔡日強副研究員,長年進行顆粒體相關研究,這一次,他希望透過全新的實驗,解開顆粒體的流動之謎!

要如何描述顆粒體的流動呢?是固體?還是流體?圖/iStock

萌芽階段的顆粒流研究

不管是固態力學或是流體力學領域,都是「百年老店」,已經累積了上百年的歷史。相較之下,顆粒流的研究非常年輕,僅僅是最近幾十年的事情而已。造成這樣的原因,除了顆粒流本身的複雜性之外,也是因為它的定位,一直處於「三不管地帶」。

顆粒流很特別,它像固體一樣,能夠堆疊、擠壓,可是又會有流動的行為,若只用固體或流體的角度切入,都很難完整描述這樣的現象。然而在學術圈,固體和流體兩大流派,經過上百年的發展,都有各自根深柢固的作法、解讀現象的方式,彼此之間存在著很大的鴻溝。

「在學術界,Solid(固體)的人講 Solid 的語言,Fluid(流體)的人講 Fluid 的語言,兩邊的溝通其實非常少!」蔡日強笑著說「我以前參加過一個應用力學大會,大會裡的會議名稱,直接分成兩種開頭,一種是 S、另一種是 F,擺明了他們討論事情的角度,不是固體就是流體。」

對顆粒流來說,這樣的二分法顯得非常尷尬。蔡日強認為,如果可以從固體與流體領域,各自吸取一些精髓,或許能夠連接兩個學派,用不一樣的角度研究顆粒流!

如何研究「顆粒體的流動」?

為了瞭解顆粒體如何流動,蔡日強設計了一套獨特的實驗方法,可以分為「顆粒體」與「容器」兩個部分。

在「顆粒體」方面,蔡日強採用醫用材料(PDMS),製作出許多顆粒軟球,硬度接近橡皮擦、大小約一公分。為什麼會採用「軟」球來代表顆粒體呢?

過去,在物理學家的理論中,常常會把顆粒體視為「剛體」。然而,剛體的假設在理論上不僅無法呈現顆粒體被壓縮的情況;而且實驗上,也很容易遇到麻煩!

如果採用剛硬的顆粒體做實驗,在緊密排列時,很容易「卡死」,不只完全動不了,也很可能讓珍貴儀器損壞。為了讓顆粒體可以緊密排列,又不會完全卡死讓儀器動不了,可以擠壓、變形的顆粒軟球,就成為了最好的實驗材質。

影片為實驗室展示用,實際操作時液體會淹沒顆粒軟球,保持液體折射率和軟球一致,以便用光學攝影機記錄內部軟球的運動情況[註1]
資料來源/研之有物
上圖為蔡日強展示顆粒軟球與填充液體折射率一致的情況。圖/研之有物

至於在「容器」方面,蔡日強在裡面設計了齒輪狀的錐形圓盤:上方的錐形圓盤連接馬達,可以不斷旋轉;齒輪狀可以咬住顆粒軟球,帶動容器內的顆粒軟球一起轉動。

設計成錐形的用意,則是可以讓容器內的顆粒體,不論在什麼位置,切變率(shear rate)都可以維持一致。簡單來說,錐形圓盤試圖讓讓整體流動盡可能「均勻」,讓相鄰顆粒之間的速度不至於落差太大[註2]

齒輪狀的錐形圓盤,為了讓軟球盡量保持一致的切變率。圖/研之有物

每一次的實驗,錐形圓盤都會進行定速轉動(固定角速度,Ω),施以所有顆粒軟球固定的切變率。同時,研究團隊也會記錄,在馬達固定轉速時,系統需要多大的轉矩來對抗馬達。但初步實驗即出現了非常匪夷所思的現象!

匪夷所思的實驗結果

顆粒軟球實驗的示意圖與記錄,不同顏色的曲線記錄了顆粒軟球在不同轉速下的轉矩變化。圖/研之有物(資料來源|蔡日強)

從上圖的實驗數據顯示,在低轉速時(Ω = 0.0001 rps),系統產生的轉矩最高;在高轉速時(Ω = 0.05 rps),產生的轉矩反而偏低。

這是什麼意思呢?你可以想像你在攪拌一碗綠豆,當你攪得越慢,遇到的抵抗卻越大;攪得越快,遇到的抵抗反而越小,聽起來是不是有點不合常理?

更奇怪的是,在兩種轉速之間,也就是中等轉速(Ω = 0.005 rps)的時候,轉矩出現了不規則劇烈起伏。從圖中的藍線可以看到,轉矩一次又一次的爬升、跌落、再爬升、再跌落,就像小型地震一樣,出現了大規模的「集體崩落」!

從鏡頭中看崩落現象

團隊在實驗時同步攝影,儀器每轉一定的角度(比如:每萬分之一圈),就將顆粒流的剖面擷取成影像。

實驗時容器內部剖面的圓球運動情況,顆粒軟球有加螢光染料顯影。資料來源/蔡日強

接著,將相片中每一格像素轉為對應數值,分別與上一時刻的照片相減,來得出顆粒體與上一時刻間的「差分影像」。

差分影像(State α):高轉速,承受轉矩小。其中:紅色表示顆粒由此側離開,藍色表示顆粒向此側接近。資料來源/蔡日強
差分影像(State T):中轉速,轉矩劇烈起伏,有集體崩落現象。其中:紅色表示顆粒由此側離開,藍色表示顆粒向此側接近。資料來源/蔡日強
差分影像(State β):低轉速,承受轉矩大。其中:紅色表示顆粒由此側離開,藍色表示顆粒向此側接近。資料來源/蔡日強

藉由這些時變圖,我們得以更明確地判讀顆粒體的運動方式,了解顆粒軟球位移的方向、快慢、範圍。從影像中可以看到,相較於高轉速與低轉速,在中等轉速時,確實出現了大規模顆粒球同時位移的現象,綜合以上的實驗數據和影像,團隊總結了幾個問題:

  1. 一般而言,流體在速度越快的時候,阻力會越大。然而在這次的實驗中,轉速越快、轉矩反而變小,跟過往認知不一樣。
  2. 中等轉速時,為何會出現集體崩落的現象?
  3. 有沒有什麼指標,可以預判集體崩落的出現?

這些問題,讓團隊當時感到十分頭痛,蔡日強回憶「剛開始我也覺得怪怪的,不過我們常說,如果你發現一件比較奇怪的事情,那只有兩種可能:一種是你弄錯了,另一種是真的有個新發現了!」

摩擦係數不是常數?

那麼,在顆粒流切變率加快的同時,究竟有什麼物理性質跟著改變了?

為了解決這些疑惑,團隊進行了許多獨立實驗。其中一個關鍵的實驗,就是量測顆粒軟球材質的「摩擦力」。他們採用同樣是 PDMS 材質的半圓柱棒,兩兩接觸並以不同切面速度(U)拖行,觀察過程中摩擦力的變化。

橫軸是拖行速度,縱軸是磨擦係數(摩擦力/正向力)。圖/研之有物(資料來源|蔡日強)

結果發現,當拖行速度較慢的時候,摩擦係數大約保持在定值,基本上就跟大家過往的認知一樣。但有趣的是,當速度超過一個臨界速度(VC)之後,摩擦係數卻像是坐溜滑梯一樣開始下降,換言之,顆粒軟球的表面突然「變滑了」。

從這個實驗可以確定,摩擦係數並非定值,而是會隨著速度增加而改變的數值。其實,「摩擦係數不是常數」的概念,並非什麼驚天動地的新發現,但過去許多顆粒流的研究,卻忽略了這個基本現象,只把摩擦力當成一般常數看待。

「摩擦係數不是常數」並非新觀念,但大家似乎都忘記這件事了。

而當我們把這個概念,重新應用在顆粒流實驗時,那些匪夷所思的現象,突然都有了合理的解釋!根據團隊的推測,當錐形圓盤轉速加快,快到一定程度的時候,有些顆粒軟球之間的速度,可能已經超過了 VC,導致顆粒軟球摩擦係數下降,才會讓量到的轉矩降低。而「集體崩落」的發生也可能是如此。

崩落現象的風向球:「slipperiness」

有沒有可能推估,顆粒流系統在受力之後,到底會偏向固體?流體?或是發生崩落現象呢?

為此,團隊創造了一個無因次量(不帶物理單位的參數),姑且稱為「slipperiness」,希望可以做為顆粒流行為的「預測指標」。

S 代表 slipperiness,定義為顆粒直徑(d)乘上切變率,再除以臨界速度(VC)。圖/研之有物

slipperiness 可以大略解讀成系統「平均而言有多滑」,代表了顆粒之間相對速度與臨界速度 VC 的大小關係,以及摩擦係數減損的程度。

換言之,如果 slipperiness 遠大於 1 ,代表大部分顆粒體之間的速度大於 VC,摩擦係數近乎消失,難以構成橫向的受力,呈現幾乎「自由」的滑動,在這種情況下,顆粒體之間的液體成為阻力的主角,顆粒體的行為會比較偏向「流體」。

反之,如果 slipperiness 遠小於 1,顆粒體之間相對滑動即使有,速度也都不高,這種情況下摩擦係數接近定值,顆粒體之間可以很容易「消化」所有方向的力,扮演好整個系統承力的主角,顆粒體的行為會比較偏向「固體」。

然而,如果 slipperiness 剛好「不大不小」,代表這兩種極端情形有可能混搭,以局部或整體的方式交錯產生。最戲劇化的事件就會是前述的「集體崩落」,更正式的名稱可叫做「間歇流」。這危險區間的確切範圍,則有待更多細節來決定。

但有了 slipperiness ,蔡日強團隊至少搭出了第一座「橋梁」,連結過去難以相容的兩種觀點來看待顆粒流:一端是摩擦力完全沒打折,可視為「固體」(solid);另外一端,則是顆粒間摩擦力喪失殆盡,已經「完全液化」,可視為「流體」(fluid)。

然而,顆粒流的兩個極端之間其實有相當的過渡地帶,並不在原來習以為常的學術傳統裡。

雖然已發表的實驗還是非常簡化的版本,但蔡日強表示希望能透過論文提醒大家「摩擦力會改變」這件事,也希望拋磚引玉,「讓固體跟流體兩個學術社群,能夠有更多的對話」。

研究的下一步

現階段,團隊正著手改良實驗儀器並設計更多延伸實驗。舉例來說,如果顆粒軟球不一樣大,會發生什麼事?如果顆粒軟球不是圓球,行為會如何改變?如果軟球之間開始壓得不夠緊密的時候,「間歇流」的現象是否消失?這些問題,都是研究團隊接下來想了解的。

藥丸形狀的顆粒也許是團隊下一階段的研究對象之一。圖/研之有物

團隊也正積極透過電腦模擬,研究顆粒體在「無重力、無液體,僅考慮接觸力」的理想環境下,會有什麼樣的流動行為。

蔡日強說道「在實體實驗中,我們只有六個感測器可以推算顆粒流系統的受力反應,但在電腦模擬實驗中,等於有上千個感測器可以蒐集數據,真的是太棒了!」每一顆小球的受力、接觸、旋轉、位移等,在模擬中都看得一清二楚,讓團隊有機會作進一步的推論。

此為電腦模擬在中等轉速下的顆粒流變化。顆粒球之間的彈性能以顏色長棒標示,愈偏紅色那端、彈性能愈大、球和球之間愈緊;愈偏藍色那端、彈性能愈小、球和球之間愈鬆,顏色間的能量級距高達 10 的數次方 。影片中可以看到顆粒球發生集體崩落現象的「瞬間」,原本有很多紅橘色長棒,崩落之後幾乎都變成藍或綠,但長棒的數量只有些微增加,顯示彈性能隨著崩落事件大量釋放。資料來源/蔡日強

下圖是團隊正在統整的「三態圖」,顆粒流有三大區塊,分別是「固態」、「液態」,以及下方的「氣態(懸浮態)」。在緊壓(高密度、高壓力)的狀況下,固態和液態兩極端之間呈現一條「危險走廊」,可看到此案例在 slipperiness 介於 0.001 到 1 之間,發生集體崩落的現象。

「顆粒體三態」的示意圖,縱軸為每顆球「接觸多少鄰居」的平均值,橫軸為 slipperiness。接觸鄰居愈多,表示顆粒之間愈密合。反之,若接觸鄰居低於 2,就很難維持力學結構了。介於固態(紅)和液態(綠)兩個極端之間的過渡帶(橘),正是前述「集體崩落」現象發生的地方,也就是「間歇流」!圖/研之有物(資料來源/蔡日強)

不久之前,蔡日強也開始翻閱地震相關的書籍,想要了解顆粒流「集體崩落」的現象,與真正的地震和土石流,是否有可以互相參照的可能性?蔡日強的期待是讓「顆粒流研究」成為物理學家走入現實世界領域的另一個起點。

「我們離真正的戰場還很遠」,蔡日強笑著說:「但這一切,才正要開始!」

蔡日強(左1)與研究團隊嘗試用新的方式描述顆粒流行為,並為固體與流體兩個歷史悠久的學術領域,搭建出溝通的橋樑。圖/研之有物

註解

  1. 液體折射率和軟球一致是為了讓光線走直線,而不被球的表面偏折。這些膠球還會加上螢光染料,以便在光學攝影機下觀察。
  2. 切變率:在此指的是顆粒水平速度隨高度的變化率,更廣泛的定義參見延伸閱讀〈流沙、地震、土石,與沙漏裡的物理:「動靜之間」〉。

延伸閱讀

研之有物│中央研究院_96
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