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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

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寵物過敏原有很多種,避免飲食過敏困擾,可選擇單一/特殊肉種寵物飼料
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/06/06 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 新萃 Nutri Source 委託,泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢,或是身上出現不明紅疹?當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣,也會有過敏反應,過敏可依照「來源」分為三種:吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

寵物的過敏源有哪些?

不管是哪一種過敏反應,在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理,如果是接觸性或吸入性過敏,即使你把家裡打掃得很乾淨,還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此,對飼主來說,最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢?其實,「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」(Adverse Food Reaction, 簡稱AFR)(Jackson, H. , 2009),指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏(Food Allergy)和食物不耐受(Food Intolerances)兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》,你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應,因此全名為「過分敏感」;而食物不耐受則並非免疫性反應,而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒,例如狗不能吃洋蔥或巧克力,否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權,只能吃飼主提供的食物,如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分,就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外,最明顯的外在症狀就是皮膚問題,包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病,讓許多飼主狂跑獸醫院的同時,獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏(Ermel, R et al.,1997),但最新的研究卻發現,無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源(Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019),甚至會造成偽陽性誤判。因此,目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」(Food Elimination Method)。

以食物排除法,找出毛孩的食物過敏原!

食物排除法的原理相當簡單粗暴,類似我們過去在學校做的實驗一樣,抓出「控制組與對照組」。首先,將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質;同時嚴格限制牠對其他食物接觸,包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意,此為「對照組」,如此持續 8~12 週,觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善,那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」,在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原(例如常見的牛肉、雞蛋等),有如「控制組」,等到症狀又出現,就可以確認哪種食物成分是過敏原,未來就可以在飼料中排除,讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄,不僅要在漫長的試驗期,更需要在控制期一一排除所有不可能之後,才能找到答案。而其中最困難的部分,也是實驗的基礎可能是第一步:「提供狗狗牠從未吃過,且肉品單一的蛋白質」,這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務,因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了,搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

飼料成分多而雜,可選單一肉種飼料降低過敏。

那該怎麼進行食物排除法呢?別擔心,沒有找不到的肉品,只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料,新萃推出了一系列低敏肉,包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類,是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外,新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素,能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃,有消化不良症的狗狗也適用。

新萃商品選擇的是單一/特殊肉種的成分,低敏感肉品讓寵物吃了更安心。

參考資料

  1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
  2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
  3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
  4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
  5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
  6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
  7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
  8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服,為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用?
  9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善?小心食物過敏! – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
  10. 寵物知識+/毛孩對什麼食物過敏?獸醫:驗血完全不準!診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
  11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News
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從粒子變成波動?物理學界最偉大的統一理論!——《大話題:量子理論》
大家出版_96
・2023/04/16 ・1537字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

提出物質波的法國王族

1923 年,巴黎索邦大學的研究生路易・德布羅意親王(1892 – 1987)提出一個驚人的觀點,即粒子可能具有波的性質。愛因斯坦認為必須以二象性來理解光,這個觀點深深影響了德布羅意。

德布羅意在 1924 年的博士論文中寫道……

德布羅意親王的博士論文深受愛因斯坦的影響。圖/《大話題:量子理論》

愛因斯坦的光粒子能引起光電效應(將電子從金屬中撞擊出來),同時能攜帶「週期性」的訊息,在不同的環境(例如雙狹縫實驗)下產生干涉效應。這令德布羅意印象深刻。

接下來就是鉅作了。德布羅意在論文的第一部分,提出了物理學中最偉大的統一原理之一……

德布羅意認為波的傳遞一定與粒子運動有關。圖/《大話題:量子理論》

引導粒子運動的波

德布羅意所做的事情是給定一個頻率,但不是針對粒子(例如他想像中的愛因斯坦光子)內部的週期性行為,而是一種伴隨粒子穿越時間和空間的波,讓這種波可以與「內部」的過程保持同方向。

這樣的波可以偵測得到嗎?也就是說,這些神祕的波可能和粒子實際的運動有關,並且可以測量嗎?

能引領粒子運動的「領波」。圖/《大話題:量子理論》

可以,德布羅意這樣說。這些波不僅僅是抽象的。這個新的顛覆性想法在物理上的重要結果是,與領波相關的速度有兩種。

德布羅意確認了群速度就如同一個粒子的速度,並證明增強區域展現了粒子所有的力學性質,例如能量和動量。(這類似疊加許多不同頻率的波會產生一道脈衝。)

與領波相關的兩種速度。圖/《大話題:量子理論》

將物質波公式帶入各類公式中!

當他寫下簡單的數學關係式來描述這些由光子類推而得的想法時,更戲劇性的結論出現了。

他從愛因斯坦著名的方程式 E=mc2 開始,著手計算所有東西的總能量。在這種情況下,光子……

現在看看德布羅意一連串的代換……

由於mc就是質量乘以速度,也就是光子的動量 p……

運用波的關係式 c(速度)= f(頻率)乘以 λ(波長)

將普朗克/愛因斯坦的方程式 E = hf 與上述式子畫上等號,我們可以得到:並透過簡單的代數可以得到……

德布羅意將物質波的公式代入愛因斯坦的公式中。圖/《大話題:量子理論》

德布羅意用直接類比的方式,主張他的關係式不僅適用於光子,也適用於電和所有粒子。

λ = h/p ……

也就是(波長)=(普朗克常數除以動量)

對電子來說,下式

動量 p = (m)(v) =(質量)(速度)

可以很輕易地以實驗驗證,因此可以從德布羅意的方程式來預測波長。

對大多數物理學家來說,這個概念看似荒謬。電子是一種粒子,自從湯姆森 1897 年發現電子以來,古典物理學家一直都這樣認為!

德布羅意的公式可適用於所有粒子中。圖/《大話題:量子理論》

——本文摘自《大話題:量子理論》,2023 年 3 月,大家出版出版,未經同意請勿轉載。

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名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。

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身在臺灣也不能阻止他進行核分裂實驗,日本高能物理學奠基者——荒勝文策
PanSci_96
・2023/03/10 ・4147字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 文/陳立欣

你知道亞洲第一次成功的核分裂實驗是在臺灣完成的嗎 ?

1934 年 7 月 25 日晚間,就在今天的臺灣大學二號館 101 室,舉行了一項令人興奮的偉大實驗。科學家用高壓直線型加速器使質子加速前進,撞擊鋰原子而得到了兩個 α 粒子!這是亞洲第一次,也是世界第二次成功分裂原子核的實驗。而進行這項實驗的科學家,就是時任臺北帝大物理學講座首任教授——荒勝文策(Bunsaku Arakatsu)

醉心物理學研究,歐洲行開啟高能物理之路

荒勝文策出生於 1890 年 3 月 25 日,日本兵庫縣印南郡的一個小漁村。他從御影師範學校與東京高等師範學校畢業後,一度曾在佐賀縣擔任教職。後來在興趣的推動下,1915 年進入京都帝國大學物理學系就讀。1918 年他從京都帝國大學物理學系畢業,並旋即擔任該校講師。其後陸續擔任京都帝國大學物理學系助理教授、甲南高等學校教授、臺灣總督府高等農林學校教授。

從事教職之後,他還是對研究比較感興趣,後來因緣際會之下,他以臺灣總督府在外研究員的身分前往歐洲留學,正式開啟了他與高能物理學的淵源。

荒勝到了歐洲之後,曾經短暫留學於德國的柏林大學(今柏林洪堡大學),跟隨物理學巨擘阿爾伯特・愛因斯坦(Albert Einstein)作研究,當時也正是哥本哈根詮釋風靡全世界的時候。荒勝在自傳中表示,無論在物理或是思考面,都受到愛因斯坦相當大的影響,使得原本矢志攻讀理論物理學的他,轉而對原子核實驗產生了相當大的興趣。

1900 年的德國柏林大學(今洪堡大學)。圖/wiki

因此,一年後他到瑞士蘇黎世聯邦理工學院師從保羅・謝樂(Paul Hermann Scherrer),並進行有關鋰原子中自由電子分布的研究。緊接著他到英國劍橋大學卡文迪西實驗室,師從約瑟夫.湯姆森(Sir Joseph John Thomson)歐尼斯特・拉塞福(Ernest Rutherford)詹姆士.查兌克(Sir James Chadwick)等人共二年半的時間。(編按:此三人正是中學物理課本中介紹近代物理中,對原子核構造發現有重大貢獻的三位物理學家。湯姆森以陰極射線實驗發現了電子、拉塞福以金箔實驗確立了原子核的存在、查兌克則發現了中子。)

他於 1928 年 8 月獲得京都帝國大學理學博士學位,而畢業論文的主題,就是運用愛因斯坦狹義相對理論裡的「質能互換公式」理論,撰寫出以原子釋出巨能的理論公式。他從事高能物理學研究之路,自此開啟。

臺灣首任物理學教授,完成亞洲首次核分裂實驗

1928 年 12 月,荒勝來到了臺灣總督府轄下的臺北帝國大學,擔任物理學講座的首任教授,並開設普通物理與原子論等相關課程,也是臺北帝國大學首次開設物理學相關課程。荒勝趁著在歐洲進修的機會,大肆採購了許多教學研究相關的圖書與器具,為臺北帝國大學的物理學發展帶來很大的幫助。

1932 年 4 月《自然》雜誌裏有一篇論文,描述英國劍橋大學卡文迪西實驗室怎樣用 Cockcroft-Walton 的加速器,製造快速質子,打入鋰(Lithium)原子核後引發核反應,產生一對 α 粒子來促成鋰蛻變。

經典的核反應之一——鋰同位素的 α 衰變示意圖。此一核反應示意圖中,Li-6()與氘()反應,形成高度激發狀態的中間產物 原子核,並立即再衰變為兩個 α 粒子()。圖中的紅色球體代表質子,藍色球體則代表中子。圖/wiki

在瞭解了這個過程內容後,荒勝就對助手木村毅一說:「這是個大變動之事,我們也來試看看吧!」

荒勝決定在臺北帝大二號館 101 室建造 Cockcroft-Walton 型加速器。當時臺灣設備簡陋資源不足,有許多問題需要克服。除了器材需要打造,實驗室裡面也沒有天然的放射線源,荒勝借鑑臺北帝國大學理農學部無機化學講座的研究,嘗試從北投石中提煉釙充當 α 線源。此外實驗中需要的重水,也自行設計器材提煉取得。

最後就是電力的問題,Cockcroft-Walton 型加速器需要穩定而充沛的直流電力,進行實驗電壓不足將無法擊碎原子核。幸虧當時臺北工業職業學校提供器材奧援,才解決了直流電的問題。在萬事皆須重頭準備的臺北帝大也能完成此一實驗,由此可見荒勝文策不屈的意志。

1934 年 7 月 25 日夜裡,荒勝成功完成人工撞擊原子核(Li(p, α)He)的實驗。該次實驗重現並證實了 的反應,並發現用高速「氘離子」撞擊「鋰」,也能使鋰同位素產生 的反應。

這次實驗在當時轟動整個日本的物理學界。這是日本史上第一個加速器(全世界第二座這一型的加速器),而這一次追試成功,距離《自然》雜誌刊登論文也只不過經過 2 年。

與原子彈無法迴避的淵源 二戰未能成功的 F 計畫

1941 年,荒勝成功使鈾原子與釷原子產生核分裂反應,這使得荒勝註定要在原子彈計畫的篇章中留下身影。二戰後期,大日本帝國海軍招集荒勝進行研究,成立了一個研發小組,成員也包含了湯川秀樹

荒勝一開始就決定採用離心機來提煉鈾 235,而不是世界上普及的熱擴散法。他的研究成果,也曾被美國研究原子彈的曼哈頓計劃作為數據計算參考。

鈾-235()的核分裂反應示意圖。鈾-235 受到中子(n)撞擊後,形成極度不穩定的鈾-236,此不穩定的鈾隨後分裂為兩個較輕的原子(Ba-144 與 Kr-89)、產生三個新的中子,並伴隨能量釋放。這些新的中子會再去撞擊周圍其他的鈾-235,如此不斷重複進行,產生連鎖反應,引發巨大的能量。圖/wiki

荒勝文策曾自言:

我自小喜歡旋轉的東西,也許這是我選擇離心機的真正原因。我一輩子喜歡的研究,就是轉動體。

然而,由於當時日本政府內部的混亂以及資源的相對缺乏,致使日本核計畫未能如美國、英國與納粹德國一樣發展迅速。以至於在荒勝的 F 計畫先從日本遷到朝鮮,後因大戰結束也被迫中止了 F 計畫。

1945 年 8 月 6 日,美軍在廣島投下原子彈,驚人的爆炸力與毀滅性的災難,引起了日本學界的重視。日本陸軍動員了東京理化研究所的仁科芳雄前往觀察研究,而日本海軍則是委任京都帝國大學的荒勝文策,並組織「京都帝國大學原爆災害調查班」進行調查。

荒勝與仁科皆震驚於爆炸威力之強悍,且不斷進行爆炸的計算分析,兩人共同的結論就是「這應該就是原子彈」,經過計算荒勝精確指出爆炸時的高度與位置,並得出閃光時間約在五分之一秒和二分之一秒之間,其調查報告數據計算之精確,震驚世界。

可惜的是,雖然有著最頂尖的相關學識,卻因戰爭的局勢而不得不被迫放棄研究。

戰後,聯合國軍最高司令官總司令部(GHQ)於 1945 年 9 月 28 日下令禁止日本進行有關原子物理與航空學的研究,並拆除京都大學荒勝研究室的迴旋加速器,將之傾倒入琵琶湖。荒勝文策的大量報告與研究筆記也遭到沒收,該次拆除行動也引來了國際間的一陣撻伐。甚至引發了包含美國麻省理工學院在內的科學家們對美國陸軍的抗議,美國陸軍長官並因此引咎道歉,承認拆除行動的錯誤。

雖然在戰後無法持續相關的研究,荒勝文策仍影響了日本高能物理學的發展。無論是在京都大學發展的 Cockcroft-Walton 型加速器,或是發表在《自然》雜誌與木村和植村一同利用宇宙射線進行的研究。甚至是湯川秀樹,也在畢業後特地回母校旁聽其課程,並深受其影響。荒勝的努力為日本高能物理學在荒野中展開了道路,也讓原子能科學在日本持續發展。

荒勝文策與他在京都大學研究室的迴旋加速器。圖/wiki

在 1949 年湯川秀樹獲得諾貝爾物理學獎後,荒勝感嘆到道:

晚輩得了諾貝爾獎一切都值得了(後輩がノーベル賞を受賞したことで全てが埋め合わされた)。

雖然是欣慰之語,或許也透露出這位奠基者心中仍有所遺憾。

角落也無法掩蓋裡的光芒,開創日本高能物理的荒野道路

鑽石即使擺放在角落,也會發出迷人的光芒。我想,用這句話來形容荒勝文策再適合也不過了。身處日本學術邊陲的臺北帝國大學開設理科講座,在講座成員只有 4 個人的情況下,在不到兩年的時間內就完成了 Cockcroft-Walton 型加速器的設置;甚至完成了全球第二次、亞洲第一次的核分裂實驗,真的非常的不容易。在人手不足、資源不足、連放射線源都沒有的狀態下,還能使用北投石完成實驗,荒勝的堅持態度也為科學研究鍥而不捨的精神立下標竿。

荒勝文策在臺北帝國大學物理科講座的原子核加速實驗,在物理史上的意義是多重的。對臺灣而言,這是臺灣的名字第一次在物理學學術論文期刊。而遺留在臺灣的加速器殘骸與相關器材,成為戰後臺灣成立物理系、發展核子物理實驗的契機。雖然荒勝藉著這次的實驗重返日本,就未再返回臺灣,但他對於臺灣高能物理學發展,仍舊猶如荒野中的第一道腳印,留下了不可磨滅的痕跡。

參考文獻

  1. 鄭伯昆,〈台大核子物理實驗室 (四)有關的日本科學家〉,《物理雙月刊》,卅卷五期,2008 年 1 月,頁 574-580。
  2. 松本巍著,蒯通林譯《臺北帝國大學沿革史》,頁 7-11。
  3. 張幸真,〈臺灣知識社群的轉變——以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉,2003 年 7 月 31 日,頁 101。
  4. 轉引木村毅一,〈廣島原爆後日譚〉,《神陵文庫》第五卷,1988 年 2 月 29 日,京都三高自昭會,頁 14。
  5. 張幸真,〈臺灣知識社群的轉變-以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉,2003 年 7 月 31 日,頁 106。
  6. Info,(阿文開講——F計畫〉,《臺灣物理學會雙月刊》,2016 年 9 月 7 號。
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