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奇異性和「八重道」-《上帝的粒子》

貓頭鷹出版社_96
・2013/09/06 ・1883字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

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列印在三○年代,如果你想要研究高能粒子碰撞,那你得爬到山上去才行。宇宙射線(來自外太空的高能粒子束)不停沖刷著高層大氣,組成這些射線的各種粒子裡面,有些具有相當高的能量,能夠穿透到較底層的大氣,抵達山頂的高度,所以物理學家可以在山頂研究這些高能粒子的碰撞現象。像這種研究得靠機運才能探測到粒子,而且由於機運難以捉摸,任兩次事件發生的情況都不會是完全相同的。

美國物理學家卡爾.安德森於一九三二年發現了狄拉克預測的正子,四年後,他和他的夥伴美國人內德梅耶將粒子探測裝置堆到平板卡車上,把卡車開上洛磯山脈的派克峰峰頂,那裡大約位於科羅拉多泉以西十六公里。 在穿透而過的宇宙射線留下的蹤跡裡,這兩位物理學家辨識出了另一種新粒子,行為和電子非常相似,但是受磁場作用而偏向的角度要小得多。

這種粒子受磁場影響而轉向的速度比電子來得慢,但又比相同速度的質子(在反方向上)轉得更猛。結論只有一個:這是一種新的「重」電子,質量大約是普通電子的兩百倍;它不可能是質子,因為質子的質量大約是電子的兩千倍。

這個新粒子被稱作介子(meson),是個不受歡迎的發現。重量級的電子?這不符合任何對於自然界基礎組成的理論或預測。

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加里西亞出生的美國物理學家拉比很不高興,他質問道:「誰要來負責解釋這個發現呢?」一九五五年,蘭姆在他的諾貝爾得獎演說裡呼應了這種挫敗感,他說:「……在過去,發現新基本粒子的人會受到諾貝爾獎的表彰,但是現在,像這樣的發現應該要罰款一萬美元。」

一九四七年,在法國庇里牛斯山的南日峰頂,布里斯托大學的物理學家鮑威爾和他的團隊在宇宙射線裡發現了另一種新粒子。這種新粒子的質量比介子稍微大一些,是電子質量的兩百七十三倍,有的帶正電,有的帶負電,後來還發現了不帶電的種類。

這下物理學家為了取名字一個頭兩個大,介子被重新命名為緲介子,後來簡稱為緲子(muon), 新的粒子則被稱作π介子。隨著宇宙射線產出粒子的探測技術愈來愈進步,事情一發不可收拾,在π介子之後,很快又發現了帶正電和帶負電的K介子,還有電中性的Λ粒子,新名字激增。費米有次在回應一名年輕物理學家的問題時說道:「年輕人,如果我有辦法記住這些粒子的名字,那我應該去當植物學家。」

K介子和Λ粒子的行為相當奇特。這些粒子大量生成,這是強交互作用的明確特徵,它們通常成對出現,形成獨特的「V」字形軌跡,然後繼續前進,可能會在衰變前通過探測器。這些粒子衰變所需要的時間比生成所需的時間要長得多,暗示它們雖然透過強核力而生成,但它們的衰變模式是由另一種微弱的力所主宰的。事實上,這種力與主宰貝他放射性衰變的力是同一種。

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同位旋對解釋K介子和Λ粒子的奇異行為幫不上忙,這些新粒子似乎具有某種迄今未知的額外特性。

美國物理學家蓋爾曼大惑不解,他發現了以同位旋來解釋這些新粒子的方法,不過必須要建立在同位旋出於某種未知理由被「平移」了一個單位的假設上。這一點在物理上毫無道理可言,所以他提出一種新的特性,後來他稱之為奇異性(strangeness),用來說明這個平移量。 他之後引用英國畫家培根的名言:「凡絕美之物,必定帶著幾許奇異。」

蓋爾曼主張,姑且不論奇異性到底是什麼東西,它就跟同位旋一樣,在強交互作用過程中會保持恆定。在牽涉到「正常」(亦即不具奇異性)粒子的強交互作用裡,每產生一個奇異性為+1的奇異粒子,都會同時伴隨另一個奇異性為–1的奇異粒子,所以整體的奇異性守恆,這就是這些粒子傾向於成對出現的原因。

奇異性守恆也解釋了為什麼奇異粒子要花這麼長的時間衰變。奇異粒子一旦形成,就不可能透過強交互作用再轉變回普通粒子了,因為這個過程需要改變奇異性(從+1或–1變成零),而強交互作用在預期中是很快就會發生的事。所以奇異粒子可以撐很久,直到屈服於弱核力之下,而弱核力才不在乎奇異性是否守恆。

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沒有人知道為什麼。

 

本文摘自PanSci 2013九月選書《上帝的粒子》第三章:看不出價值,由貓頭鷹出版

註:

  1. 其實他們的卡車沒能夠一路開到收費口,所以剩下的路程他們得把東西拖上去。這兩位科學家的實驗預算相當有限,但他們很幸運地遇到通用汽車的副總裁,他正在山上測試一款新型雪佛蘭卡車。他很好心地替兩位科學家的卡車安排拖吊,還出錢幫他們換了新引擎。事實上,質子和電子的靜止質量(粒子速度為零時的質量)之比值為1836:1。這個名字會讓人混淆,因為物理學家很快就發現到,緲介子事實上並不屬於我們現在歸類為「介子」的粒子種類。
  2. 差不多在同一時間,日本物理學家西島和彥與中野董夫也提出了幾乎一樣的想法,他們將奇異性稱之為「η電荷」。
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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。)

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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!」

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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八爪博士 4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(上)
科學大抖宅_96
・2022/04/14 ・4737字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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說明:此篇文章原本乃為泛科學 Youtube 影片所寫,經簡化之後,拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎?「核融合發電」有可能嗎?〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡?能源數據誰在膨風?〉兩部作品。又,本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋,而是想用最少的字數,讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時,此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關;這是三個完全不同的問題,核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同,無法一概而論。


在漫威電影裡,許多情節設定都跟真實世界的科學有所關連。就前陣子上映的《蜘蛛人:無家日》來說,在公開預告片中可見到知名反派八爪博士的回歸;他不但是研究核能的科學家,在《蜘蛛人2》還打造出了核反應爐。

《蜘蛛人2》公開預告片中的核反應爐。截圖自 YouTube

八爪博士的核反應爐,跟太陽可說有 87 分像;姑且不論畫面呈現得正不正確,這部機器特別的地方就在於,它是核融合反應爐,而非目前核能發電所用的核分裂反應爐。然而,這兩者差在哪裡?都已經有核能發電技術了,為什麼還要研發核融合發電?不僅如此,核融合研究甚至一度引發學術界的爭議醜聞,甚至被拿來拍成 IMDb 超低分的電影。

傳統核能發電的發展趨勢

不久前(2021 年底),臺灣舉辦了是否重啟核四的公投。在選舉期間,我們或許聽過不少關於核能發電的利弊分析與討論。在溫室效應越來越受到關注、以及強調 2050 年要淨零碳排放的現代,核能發電極低的碳排放,是不容忽視的優點;但另一方面,核廢料問題,和核子事故風險,也是反核人士眼中無法接受的缺點。

不管如何,近數十年來,全球核能發電量雖然在日本福島核災後一度減少,但整體而言,仍大致呈現緩慢增長的趨勢。不過,核能在全球的發電佔比,則是於 1996 年達到 17.5% 的高峰後,開始緩慢下降。

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全球核能發電佔比於 1996 年達到最高峰。圖/《2021 世界核能產業現況報告》(The World Nuclear Industry Status Report 2021, WNISR 2021)

另一方面,若比較從 1954 年到 2020 年,「開始運轉的核電廠」和「停止運作的核電廠」兩者的數目。可以發現,在 1990 年之前,開始運轉的核電廠,遠比停止運作的核電廠要多得多。但從 1990 年開始,兩者就呈現差不多的趨勢。

從 1954 年到 2020 年,開始運轉的核電廠數目(靛青色)和核電廠停止運作的數目(紫紅色)的比較。圖/World Nuclear Performance Report 2021 COP26 Edition

基於上述統計資料,大抵可以說,因為總總複雜的原因,不管是對是錯,在上世紀 90 年代以後,核電廠慢慢地不像以前那麼受到歡迎。而近年來對溫室效應的關注,以及仍是現在進行式的俄烏戰爭,會對核能發展帶來什麼影響,有待我們持續關注。

為什麼要研究核融合發電?

就在核能前景尚未完全明朗的同時,我們卻也能在許多新聞媒體上看到,除了新式核分裂發電技術的研發之外,還有「Google 和比爾蓋茲投資核融合反應爐」、「世界最大核融合反應爐進入組裝階段」、「中國核融合再創新世界紀錄」、「核融合新創 Helion 獲 22 億美元資金」、「貝佐斯投資核融合新創」等,關於核融合發電的消息;美國政府和其他許多國家也都投入資源在核融合研究。

同樣是核能發電,核融合發電和傳統的核分裂發電,有什麼不一樣?為什麼許多國家與知名人士都對核融合發電寄予厚望?八爪博士又為什麼打擊蜘蛛人的正事不幹,要去研究核融合?(搞錯重點了好ㄇ)

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核反應的類型

簡單來說,核反應可分成兩大類,一是原子核分裂成其他較輕原子核,稱為核分裂(nuclear fission);另一則是,兩個以上的原子核結合成新的原子核,稱為核融合(nuclear fusion)。因為核反應往往伴隨能量的吸收或釋放,核能電廠於是利用這一點,擷取核分裂過程中釋出的能量,作為發電之用。

核分裂(左)和核融合(右)的對比。圖/美國核能辦公室

至於太陽,主要由氫構成。龐大的重力將氫向內擠壓,於太陽核心產生極端的高溫和高壓,並促使氫進行核融合反應成為氦,連帶產生能量。目前的核融合研究,目的就是在地球上複製這個過程,以獲取釋出的能量。只不過,地球上並不存在如太陽核心般的高溫和高壓,所以必須人為地製造出適合的環境,核融合發電才有可能實現。也因此,有人會把核融合技術形容成人造太陽,而《蜘蛛人 2》電影裡,八爪博士製造出的核融合裝置,就長得一副太陽的樣子。

核融合發電的優點與困難

相較於傳統的核能電廠,核融合發電擁有許多優點。首先,在許多人擔心的安全性問題上,核融合發電不可能出現像是爐心熔毀或熱失控等狀況。因為核融合發電所需的「燃料」(雖然核反應不算是燃燒)需要人為持續提供,而且核融合反應的環境也需要精密控制,所以一旦系統出現狀況,就會使得整個發電程序停止運作——換言之,不可能「爆走」。

核融合發電在安全性上的優點,也是它最大的缺點——因為核融合反應實在太容易動不動就停止了,科學家們想方設法,目前也沒辦法做到讓反應爐持續不間斷地運作;換言之,它不具有商業發電的價值。也是因為這樣,我們在新聞裡常會看到,某國科學家成功突破紀錄,讓核融合反應持續了幾秒鐘或幾分鐘。而如何讓核融合反應爐能夠持續運作,就成為相關研究最重要的課題之一。

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除了安全性問題之外,核能發電產生的核廢料也常為人所詬病。不可否認,目前的核能發電方式,會產生具輻射性的核廢料,半衰期從數百年到百萬年不等,而台灣一直未能設立核廢料的最終處置場,全世界至今也沒有任何一座高階核廢料處置設施正式運轉。預計最快要到 2024 年,在芬蘭才會有全球第一座的高階核廢料永久處置場正式啟用。然而,臺灣的地質條件跟芬蘭完全不同,能否找到適合的最終處置場,仍是個問號。

圖/wikipedia

那麼在核融合發電,也會面臨核廢料的難題嗎?答案既是,也不是。核融合發電也會產生核廢料,但其屬於低階核廢料,基本上就是工作人員使用過後的防護衣和清潔用品,以及反應爐的腔壁等。這些核廢料的半衰期大體而言都不長;因情況而異,約數十年到數百年,其輻射水平即可回覆到接近一般環境的背景值。所以,做為結論,核融合發電還是會產生核廢料,但相較於現有的核能發電,其危險程度以及對環境的影響要小上很多。

最後,核融合發電還有另一個優勢:燃料。現在的核能發電,主要使用鈾 -235 做為燃料;雖然全球的鈾礦礦藏相對豐富,根據世界核能協會(World Nuclear Association)的估計,足夠人類再使用 90 年,但並非取之不竭。相對地,核融合發電常用的燃料是氫的同位素——氘和氚;而氫在地球上極為豐富,要製備氘和氚也並不困難。換句話說,人類完全不需要擔心核融合的燃料不夠這種事情。除此之外,在核融合過程中,還會運用到鋰,它可幫助生成反應所需的氚,而幸好鋰的存量在地球上也是非常豐富,若把陸地上和海洋中的鋰都考慮進來,同樣不需要擔心鋰會用光。[1]

核融合發電的分類

在核融合發電中,為了讓相異原子核能夠進行融合,一般會將其加熱到一億度上下的高溫。一種作法是,利用雷射直接或間接加熱裝了燃料的膠囊,以誘發膠囊內部燃料的核融合反應,稱為慣性局限融合(Inertial confinement fusion)。

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美國國家點火設施(National Ignition Facility)的核融合研究,就屬於慣性局限融合。圖/Wikipedia

另一種常見的作法則是,將燃料加熱,使其成為電漿狀態。很顯然地,一億度的電漿,是沒有任何容器可以盛裝的;所以科學家會利用強大的磁場,拘束住電漿,讓核融合反應能夠穩定持續地發生,稱為磁局限融合(magnetic confinement fusion)。八爪博士製造的機器,就比較接近這樣的作法。但跟電影不同的是,現實裡的研究人員是不可能直接站在高溫電漿旁邊的。八爪博士的設計,跟現實不但有差距,而且也顯然更危險。

英國的磁局限融合裝置Mega Ampere Spherical Tokamak。圖片中的發光物質即為高溫電漿。圖/wikipedia

上述核融合發電方式,全部都需要人為地產生高溫,讓核融合得以發生——但這並不表示核融合只能在高溫環境中產生。實際上,早在 1950 年代,科學家就發現,確實有核融合反應在低溫環境即可發生,現在稱為緲子催化融合(muon-catalyzed fusion)。緲子是一種性質跟電子非常類似,但質量比電子大得多、且非常容易衰變的基本粒子。若在氘和氚組成的氫分子中,用緲子取代電子,那麼該氫分子內部的氘和氚,甚至在室溫就可能產生核融合反應。

緲子催化反應示意圖。圖/Stanford

只不過,緲子的備製不僅需要花費大量能量,其迅速衰變的性質,也讓我們很難拿來作為核融合發電之用,再考慮到其他的技術性問題,使得目前的核融合研究,都是朝著高溫的方向進行。

然而,1989 年,有兩位科學家聲稱,成功在室溫環境下,以他們發現的新方法實現了核融合反應。這樣的消息迅速獲得媒體注意,並被大肆報導,人們對實現低溫核融合又開始寄予期望。很可惜地,其他科學家嘗試複製兩人的實驗成果,卻都無法成功;另一方面,科學社群也發現了兩人實驗上的瑕疵。於是,沸騰一時的「冷融合」話題就這麼煙消雲散。現在,雖然仍有少部分人從事相關研究,但都未能成氣候。

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1989年5月,冷融合議題登上時代雜誌封面。圖/TIME

儘管如此,或許因為冷融合很有話題性,這個議題並未在媒體上消失;2011 年美國好萊塢甚至以冷融合為主題,拍了一部 IMDb 超低分的電影,英文片名就是冷融合(cold fusion),臺灣翻譯成《關鍵核爆》,劇情甚至把幽浮(UFO)都扯進來了。

延伸閱讀:八爪博士4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(下)

參考資料


[1] 其實,鈾也存在海洋中。若考慮到海水中的鈾,那麼基本上人類也不用擔心鈾礦不足。只不過,鈾在海水中濃度極低,約 10 億分之 3,不論在運用的技術還是成本上,挑戰都很高。

科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/