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《電磁通論》,古籍風格

活躍星系核_96
・2015/04/12 ・79字 ・閱讀時間少於 1 分鐘

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發想/製圖:鄭子宇(台大電機系)

延伸閱讀:
【科學史上的今天】06/13—馬克士威爾誕辰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)

文章難易度
活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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一樣都是「work」,物理的「work」定義好像比較簡單?——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/25 ・2489字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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功與工作

有些大家慣用的字彙常常會被專業學科借用,專家賦予這些字新的定義,比平常的意思更具體、也更有技術性。物理學有個例子是「功」(work)。如果向一個粒子施加定力,並推動一段距離,你所做的功就定義為施力(沿著粒子運動方向的分量)乘上粒子移動的距離。

這是個很具體的物理量,實際上也是能量的一種形式。做多少功,物體的能量就會增加多少。顯而易見的,這個定義和日常生活中我們對工作(work)的理解有點相關:世人為了完成一些目標(大多是想獲取金錢報酬),而費心費力工作。

世人為了完成一些目標(大多是想獲取金錢報酬),而費心費力工作。圖/pixabay

不過,物理所講的功有明確的意義,使用的範圍也很清楚;相較之下,平常大家說的工作的意思就有些模糊,泛指很多事情。

動力與動量

動量(momentum)這個字看來不太一樣。物理學的動量是 γmv(相對論的珈瑪符號乘上物體靜止質量、再和物體速度相乘),是一種量化方式,用來描述粒子以已知速率往某個固定方向持續前進的傾向。若粒子的速率遠比光速小,γ會非常接近一, 所以能省略掉。

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而更廣義的動力(momentum)用來指稱政治運動,或其他社會變動及政策背後的推力。同樣的,一件事的動力愈大,也暗示它愈難停下。不過,這些領域都沒有明確定義何謂「動力」。

物理學中的「場」

到目前為止,我試著不要太常用一些字,但在之後的章節這些字會很常出現。其中一個就是「場」(-eld)。通常場是一片平坦土地的代稱,上頭種了些植物,可能有農夫在照顧,也許還會有幾頭乳牛。

此外這個字也可以代表特定的研究領域或專業,往前翻你就會知道我已經用過這個意思了。這兩個意思其實也可以合併使用,像在解釋稻草人為什麼可以獲得終生教職的時候,就會用到。

物理學的「場」有個更技術性,但還是和前面意義相關的定義。物理學家說的場是個物理量,在空間中某個區域的每個點上都有特定的對應值。如果你待在一個房間內,就可以用各式各樣的場來描述這個環境。身為一位物理學家,你或許會這麼做:

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首先你要想出一個方式來明確指出房間中的每一個點。有個好辦法是先選定房間地面的某個角落為「原點」。

首先你要想出一個方式來明確指出房間中的每一個點。有個好辦法是先選定房間地面的某個角落為「原點」。圖/pixabay

然後選取交於原點的其中一個牆面,沿著地面平行於這面牆的方向走過一段距離(稱為x);接著再順著平行另一面牆的方向走一段(稱為y),你就能碰到地上所有的點。進一步的,只要往上走段距離(叫作z),就可以抵達房間內所有的點了。你需要的只有三個數字:x、y、z。

幾種有用的場

現在可以來談談幾種有用的場了。舉例來說,溫度就是一種場,房間裡的每一點都有一個溫度值。假設平均來看,我們說房內的溫度是攝氏二十一度;如果房間中每一處的溫度都和平均值一樣,那麼你得到的就是一個常量場(constant field):場的值和點的位置無關,也就是和x、y、z沒有關係。

溫度就是一種場。圖/pixabay

然而,天花板附近的溫度很有可能比地面的高出一點,因為熱空氣的密度比冷空氣小,會升向天花板。我們可以用某個場來描述溫度與高度的關係,好比T(z),換句話說,溫度T只和高度z有關。

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T是z的函數(function。另一個生活常用字「功能」,這次是被數學家借去用了),可能像T(z) =20.5 + 0.5z,這裡的z以公尺為單位、而T以攝氏溫標(℃)為單位,舉例來說。在兩公尺高的房間內,地面的溫度是 20.5 + 0.5×0 = 20.5℃,而天花板的溫度則是 20.5 + 0.5×2 =21.5℃。

至於天花板和地板之間其他每一點的溫度,都可以用這個溫度場的函數計算出來。其他的場可以用來描述不同的事情,好比空氣密度,或甚至是噪音量。

以上所談的場在每個點都只由一個數字代表。這些場有大小,卻沒有方向。因此我們稱它為「純量場」(scalar -eld)。「純量」(scalar)代表只有大小、卻沒有方向的東西。

某些種類的場則擁有方向,我們叫這種場為「向量場」(vector field)。我之前有提到一些向量場的例子,像是大型強子對撞機的磁鐵製造的電場與磁場。這個房間也有重力場這個向量場。重力場在房內的每一點都有個值(力的大小大約是每公斤九.八牛頓),以及方向(指向地面)。

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實際上,電場和磁場都是量子場,重力場可能也是,但科學家還不清楚相關理論。在日常用途中這件事常被忽略掉,但如果你在極小的尺度下觀察這些場,就會發現它其實不是個數值連續體,而是底層的量子場中一連串離散(discrete,意思是不連續,如階梯般一級一級,而不是如漸層色彩一樣柔和變化)的量子、或激發(excitation)的總和(疊加)。

discrete,意思是不連續,如階梯般一級一級,而不是如漸層色彩一樣柔和變化。圖/pixabay

這些激發有點像是波又有點像粒子。電磁學的量子理論―量子電動力學擁有兩個場,分別是光子場以及電子場。我們量測到的電磁波,或是獨立的光子及電子,都是這兩個場的激發。這裡我們又看到一個科學家借用日常名詞的例子。很明顯「激發」和平常我們的用法緊密相關,因為量子場論是個扣人心弦(exciting)的理論。

無論是不是量子理論,場的概念都是一樣的。場是個物理量,在你感興趣的空間範圍內的每一點,都擁有對應的值,可能是單純的數值或是很多個量子的總和。

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

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貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。

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為了預測潮汐,將面積儀改裝成解微分方程的計算機│《電腦簡史》(二十三)
張瑞棋_96
・2020/07/27 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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統一電學、磁學、光學的理論,為相對論與通訊系統奠定基礎的馬克士威;制定絕對溫度,對熱力學與電學都做出重大貢獻的克耳文男爵。這兩位物理巨擘竟然也都和計算機有關係?事實上,正是拜他們之賜,面積儀才能演變為解微分方程的類比計算機。

本文為系列文章,上一篇請見:面積儀無法加減乘除,卻開創出「類比式計算機」新路│《電腦簡史》(二十二)

馬克士威與面積儀的改良

「把時間拉長,比如說一萬年後回頭看人類的歷史,十九世紀最重要的事件無疑是馬克士威發現了電動力學方程式。」──這是科學頑童費曼對馬克士威的讚譽。

愛因斯坦也推崇馬克士威的成就是「自牛頓以來,最深刻、最豐碩的觀念變革」。1999 年千禧年前夕,BBC 請一百位物理學家列出心目中最偉大的物理學家,結果馬克士威位居第三,僅次於愛因斯坦與牛頓。

許多人不知道,這位物理大師在理論物理之外,也曾投入機械設計,還因而影響了類比計算機的發明。

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詹姆斯·馬克士威。圖/by George J. Stodart

1855 年元月,二十三歲的馬克士威向蘇格蘭皇家藝術協會 (Royal Scottish Society of Arts) 提交一篇論文。他在這篇論文指出面積儀的缺失,並提出改良設計。原來面積儀的滾輪上下滑動時,位置不可能總是精確到位,以致數值會有誤差。馬克士威改用兩顆圓球取代滾輪與圓錐體,圓球固定在原地轉動,就不會有滑動偏差。

皇家藝術協會不但刊登這篇論文,還特地給予馬克士威 10 英鎊獎金(大約是當時工匠 45 天的工資),鼓勵他將所設計的新型面積儀製造出來。不過馬克士威什麼也沒做。

可能是他原本對製造就沒興趣,也可能是他在當年四月突然發現有個新的面積儀,構造簡單、攜帶方便,又可以適用於任何大小的圖。這當然就是阿姆斯勒於前一年發明的極座標面積儀,馬克士威的設計只改善了精確性,但在其它各方面卻都遠遠不及,或許因此他才打了退堂鼓。不過幸好如此,否則馬克士威如果真的投入面積儀的生產製造,不知道會不會影響到他後來提出改變世界的電磁理論。

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湯姆森兄弟接手

雖然馬克士威設計的面積儀沒有成形,但是他的論文還是被大他九歲、同是英國物理學家的詹姆斯.湯姆森 (James Thomson) 注意到了。湯姆森認為極座標面積儀仍然有些許滑動偏差,不夠精確。於是他參考馬克士威的圓球設計,於 1864 年發明由轉盤、圓筒與圓球三者組成的面積儀,沒有滑動問題,構造又比馬克士威的原始設計簡單許多。

不過湯姆森也是紙上談兵,並未實際著手打造,甚至沒有公開發表,就此將面積儀拋諸腦後。沒想到十二年後,他遺忘許久的這個設計竟然再度浮現腦海,而激起他記憶之人是同為物理學家的弟弟威廉.湯姆森 (William Thomson) 。

威廉與詹姆斯相差二歲,但無論在學術理論或工程技術方面的成就,都遠遠超過哥哥,後來還因貢獻卓越而受封為克耳文男爵 (Baron Kelvin) 。絕對溫度的制定便是出自他的倡議,因此就以克耳文作為絕對溫度的單位名稱,記為 K。除此之外,熱力學與電學還有許多現象或定理也以克耳文為名,以表彰他所做出的重大貢獻。在工程技術方面,克耳文參與了大西洋海底電纜的鋪設、設計經由海底電纜發送電報的系統,還發明了許多科學儀器。

威廉.湯姆森 (William Thomson) ,又稱克耳文男爵 (Baron Kelvin)。圖/wikimedia

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1867 年,克耳文開始思考預測潮汐的可能性。

克耳文的「潮汐預測機」

英國四面環海,在當時海權時代,無論是對貿易或國防而言,掌握各個港口的潮汐漲落都至關重要。影響潮汐的主要因素當然是太陽與月球的引力,但是不同經緯位置所受的引力大小與角度都不相同,海底地形也會影響潮水的運動,加上地球本身就在旋轉,種種複雜因素互相作用,根本不可能憑物理公式直接算出漲退潮的時間。

克耳文採取的作法,是將潮汐變化的波形視為許多簡單的基本波形疊加的結果;每個基本波形都可以用三角函數表示,如此便是一個預測潮汐的數學模型。

這個模型的妙處在於不需要計算;不用算出三角函數的值,也不用一一加總。因為基本波形可以用圓周運動來表示,也就可以用輪軸旋轉來模擬(波的週期取決於轉速、振幅取決於半徑大小);適當地讓幾個輪軸連動便能模擬出波形疊加的結果,也就是潮汐的變化。

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克耳文於 1873 年展示以此原理打造的潮汐預測機,用了八個連動的輪軸,轉動後會在標有時間軸的紙上,畫出潮汐的高度。

克耳文男爵發明的潮汐預測機。By William M. Connolley, CC BY-SA 3.0

潮汐預測機雖然能自動疊加三角函數,不需人工計算,但這是在機器運轉之後。在機器建造之前,還是得用傅立葉分析 (Fourier analysis),找出組成潮汐變化的基本波形,才能知道輪軸的大小與轉速要設計成怎樣。而這牽涉到微分方程式的計算,相當複雜耗時。

如果是一勞永逸也就罷了,偏偏每個港口的潮汐變化都不同,各有各的傅立葉分析要做,太耗費時間了。難道這不能也用機器代勞嗎?

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從面積儀進化成「調和分析儀」

1876 年,克耳文向哥哥詹姆斯提及這個問題,詹姆斯突然想起自己十幾年前設計的面積儀——既然將微分方程中的項目積分可以解出方程式,或許面積儀可以派上用場。克耳文一聽其中原理,馬上明瞭若將兩台詹姆斯設計的面積儀整合在一起,讓第一台的圓筒連接到第二台的轉盤,相當於將前者的計算結果做為後者的輸入值,就可以解二階線性微分方程式。只要串接更多台面積儀,就能解更高階的微分方程式,做出更吻合潮汐變化的傅立葉分析。

兩台面積儀連接在一起,成為可做傅立葉分析的「調和分析儀」。圖/By Andy Dingley, CC BY 3.0

他們兄弟倆很快完成論文,詹姆斯先發表他之前發明的面積儀,並提及克耳文發現的潛在應用。克耳文隨後再發表論文,詳述利用詹姆斯的面積儀解微分方程式的原理,並附上自己設計的「調和分析儀」 (Harmonic Analyser),專門用來做潮汐的傅立葉分析。兩年後,調和分析儀原型機問世,雖然只能做到波形的二次分析,但已經向世人證明機器可以解微分方程。以調和分析儀為基礎,後來又延伸出各種不同用途的類比計算機,分別用於熱力學、氣象學的分析,乃至火炮射擊的調控,都取得相當不錯的成效。

不過克耳文理想中,將很多台面積儀串接起來,組合成一部可解更高階微分方程式的分析儀,其實不可能做得到。因為第一台面積儀轉動所產生的扭力,不足以傳遞到後面的面積儀。這個問題是機械零件無法克服的,必須等到電子零件出現,才能解決扭力不足的問題,也才能打造出真正可解各種微分方程式的計算機。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 953 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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1902 年諾貝爾物理獎:你是電、你是光,你們解開電磁的神話—《物理雙月刊》
物理雙月刊_96
・2017/02/02 ・1226字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

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文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

第二屆諾貝爾物理獎於 1902 年頒發。這一年共有兩位得主平均分享物理獎,他們是勞倫茲(Hendrik Lorentz)和塞曼(Pieter Zeeman)。

在 19 世紀之前,電現象和磁現象被認為是兩種不同的現象。在 19 世紀,法拉第(Michael Faraday)和馬克士威 (James Maxwell)成功把電、磁與光三種現象一同解釋。法拉第定律是描述電磁感應的經驗定律、馬克士威方程可以推導出所有電磁現象。實驗物理學家與理論物理學家聯手破解大自然的奧秘。

馬克士威方程不單止包含了所有電磁現象,更導出了一個結論:有一種能夠在真空中傳播的振動,其傳播速度恰好等於光速。然後,赫茲更用實驗證明了電磁波的確存在,電磁與光效應從此結合。

勞倫茲:提出解釋電磁現象的電子論

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洛倫茲。圖/nobelprize.org

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然而,究竟電磁波是由什麼產生的?勞倫茲提出,有一種細小的帶電粒子在物質裡面。當這些帶電粒子流動時就會產生電流;當它們來回振動時就會產生一個隨時間改變的電場,根據法拉第定律這就會感應產生相應的磁場。而改變的電場和磁場,正正就是馬克士威方程所預言的電磁波,也解釋了觀察到的光的偏振現象。勞倫茲認為這些細小帶電粒子就是電子。

法拉第當年一直研究磁場對光的影響,他發現了磁場能夠改變光的偏振平面,稱為法拉第效應。可是法拉第生前的最後實驗──研究磁場如何影響發光源──以失敗告終。

塞曼:發現磁場會分裂光譜線

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塞曼是個實驗物理學家。塞曼發現了在磁場的影響之下,原子光譜發射線會分裂成更多更細緻的光譜線。這個實驗顯示原子之中的確有細緻的結構,驗證了洛倫茲的電子理論。圖/nobelprize.org

這個任務最後被塞曼完成了。相對於勞倫茲這個理論物理學家塞曼是個實驗物理學家。塞曼發現了在磁場的影響之下,原子光譜發射線會分裂成更多更細緻的光譜線。這個實驗顯示原子之中的確有細緻的結構,驗證了勞倫茲的電子理論。他們二人對於電磁與光現象的貢獻為他們帶來了 1902 年的諾貝爾物理獎。

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現在這個磁場分裂光譜線的現象被稱為塞曼效應。塞曼效應被廣泛應用在天文學,天文學家能藉觀察來自遙遠天體的光譜線的塞曼效應,計算出天體的磁場強度。而勞倫茲電子理論,也與我們在之後介紹到愛因斯坦時將會討論的光電效應有密切關係。

在科學裡,當理論和觀察結合時,往往能夠帶來豐碩的成果。在電、磁、光三個現象的統一裡,透過法拉第、馬克士威、洛倫茲與塞曼這些科學巨人,人類得以解開大自然奧秘的一小部分。


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 12 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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