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物質結構與鍊金術——阿宅物理(3)

科學大抖宅_96
・2015/10/13 ・3419字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

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先前,人稱(?)物理界蔡頭的大抖宅,向大家介紹了反物質的箇中奧妙,卻也帶出讓人困惑的問題:為何宇宙中的反物質這麼稀少?物理學家因此提出許多理論,試圖揭開這個謎底。

然而,組成物質與反物質的粒子其實相當多樣,特性亦不相同;於是,物質比反物質多的現象,也可能隨著粒子種類的區分而有不同因素,如果不追根究柢,就太辜負了阿宅的熱血!大家是否如鋼之鍊金術師愛德華‧愛力克[1]一樣,準備好探求物質的原理了呢?Go!

<鋼之鍊金術師>主角愛德華‧愛力克描述的科學家(出處:單行本第一卷)
<鋼之鍊金術師>主角愛德華‧愛力克描述的科學家(出處:單行本第一卷)

根據西方鍊金術的古老傳說,只要拔到獅子的鬃毛擁有賢者之石,就能將普通的金屬鍊成黃金;而在<鋼之鍊金術師>裡,「等價交換」是最基本的法則,主角愛德華‧愛力克是這麼說明的:「如果要得到某樣東西,就必須要付出同等的代價。」依現代化學理論而言,我們可以將等價交換法則理解為原子不滅定律與質量守恆定律,亦即:化學反應只是讓物質中的原子重新排列、組合,反應前後原子種類及數目不會改變,總質量也不會改變[2]

source:wallpapersis
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於是,說到底,要從沒有黃金成份的物質鍊出黃金是不可能的事,就算你有賢者之石也一樣(雖然它在許多電玩遊戲裡很好用)——因為金原子不會憑空出現,也無法由化學反應合成。但即使我們沒辦法真的鍊金,從碳製造鑽石倒是可能的:鑽石是由碳原子組成的特定結構,只要符合某些條件,我們就可以用碳合成出鑽石

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<鋼之鍊金術師>裡針對等價交換的說明(出處:單行本第一卷)
<鋼之鍊金術師>裡針對等價交換的說明(出處:單行本第一卷)

「可是瑞凡,[3]」各位或許要問了:「原子到底是什麼呢?」如中學理化課所教,所有物體都是由原子構成的;原子又包含了原子核,以及環繞其外的電子。若以簡單的圖像表示,近似於:

原子結構示意圖(黑:電子,紅:質子,藍:中子。出處:維基百科)
原子結構示意圖(黑:電子,紅:質子,藍:中子。出處:維基百科)

位於中心的原子核,由質子(以紅色表示)與中子(以藍色表示)組成;電子則繞著原子核運行(不過必須注意的是,圖裡的顏色僅為區分之用,不代表真實顏色;電子的軌跡也不是圖中所畫這麼簡單)。原子核實際上只佔了原子中心極極極~微小的區域。通常,我們說原子的直徑約為10-10公尺(0.1奈米),原子核的直徑則大約是原子的萬分之一強。也就是說,如果原子核跟我們人類一樣大的話,那麼整個原子的大小就是圍繞你周圍十多公里遠的範疇[4]

電子是人類最熟悉的基本粒子之一,我們日常生活用到的電,都是藉由電子來輸送。因電子帶負電,為了方便,我們將其電荷定為 -1單位。同時,電子還有個結拜夥伴,稱為電子中微子(electron neutrino),顧名思義,是電中性的微小粒子。[5]這一對換帖的,我們歸類為輕子(lepton)第一代(first generation)。再者,我們有渺子[6](muon)和渺子中微子(muon neutrino)結成的輕子第二代;與濤子[7](tau)和濤子中微子(tau neutrino)搭配的輕子第三代。

這所謂第幾代,是以電子、渺子和濤子的發現順序來分,並無輩分大小——就像火影的初代目到七代目,[8]是以擔任時間來排序,不見得都有血緣關係。渺子、濤子與電子雷同,均帶 -1 單位電荷,但是質量較大,可看做威力加強版的電子。不過,因為渺子和濤子壽命極短、稍縱即逝,所以幾乎只能在實驗裡看到。

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中微子

質子和中子也是我們很熟悉的粒子,它們組成了原子核。實際上,質子和中子都是由更基本的粒子(稱為夸克)所構成的。夸克跟輕子類似,兩兩一夥共三代,分別為第一代的上夸克(up)、下夸克(down),第二代的魅夸克(charm)、奇夸克(strange),和第三代的頂夸克(top)、底夸克(bottom)——這邊的配對順序很重要,就像<火影忍者>裡佐助X鳴人(攻受不可逆)一樣;其中,前者的上、魅、頂各帶 +2/3 單位電荷,而後者的下、奇、底各帶 -1/3 單位電荷。

兩個上夸克加一個下夸克構成了質子,帶 +1 單位電荷;一個上夸克加兩個下夸克構成中子,並且不帶電。像質子與中子這般由三個夸克組成的粒子,我們都歸類為重子(baryon)。同時,雖然有許多其他重子,但它們跟渺子、濤子一樣,無法穩定存在於自然界中。

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到此,我們似乎開始看出端倪了:所有物體都是由原子構成,而其中原子核裡的質子和中子屬於(夸克組成的)重子;外圍的電子則屬於輕子——所謂的原子其實包含了兩種不同類別的粒子。這也是為什麼上篇文章提及,科學家要把宇宙的發展中,產生物質多於反物質的過程,分別稱為重子始源(baryogenesis)與輕子始源(leptogenesis)。另外,剛剛提到的所有粒子,都有相對應的反粒子。[9]

在了解原子的結構之後,讓我們回到開頭的話題:要像愛德華‧愛力克那般鍊成黃金是否終究沒指望,只能洗洗睡了呢?等一下!既然化學反應無法製造金原子,那麼物理反應呢?所有原子核都是由質子和中子組成的,相異元素的原子核之間,區別在於質子數目的多寡不同。[10]

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自由操縱質子、中子,以重組金原子核,是否可行?原則上,這件事大概或許也許不是不可能,但當下現實世界的地球人卻並不擁有這樣的技術,<空想科學讀本>已有詳細的分析,於此就不再贅述。總而言之,要無中生有鍊出黃金在目前仍然是超越人類能力的事情,雖然很遺憾,但也無可奈何就像大抖宅買了票要聽 Bon Jovi 邦喬飛在台灣睽違二十年的開唱,演出卻因杜鵑颱風取消一樣幹

<鋼之鍊金術師>裡將石頭鍊成黃金的一幕(出處:單行本第一卷)
<鋼之鍊金術師>裡將石頭鍊成黃金的一幕(出處:單行本第一卷)

然而,前一回留下的(重子始源與輕子始源)分類問題,現在只回答了一半。我們知道原子核裡的中子和質子,與環繞其外的電子分屬不同類別了(重子與輕子兩類),但它們除了名稱不同外又有什麼本質上的差異呢?分成同一類難道就不行?你有想過這個嗎?沒有。因為你只會想到你自己。電子又為什麼要跟中微子配對?莫非有什麼不可告人的特殊關係嗎?緊張緊張緊張!危險危險危險!刺激刺激刺激!欲知如何,下回請繼續收看阿宅物理第四話!

註解:

  • [1] 請參照漫畫<鋼之鍊金術師>。愛德華‧愛力克為該作主角。
  • [2] 此處所述僅就化學領域而言。
  • [3] 電視劇<犀利人妻>的經典台詞。
  • [4] 原子其實沒有固定的邊界,所以也並沒有確定的大小。這邊說的原子直徑是以測量相鄰原子之間的距離來定的。又,關於原子核只佔原子中心很小部份體積一事,可延伸參考中學時所教的拉塞福(Ernest Rutherford)散射實驗。
  • [5] 中微子又翻譯做微中子,然而為了避免與中子產生混淆,這邊均使用中微子的名稱。今年(2015)的諾貝爾物理獎便與中微子相關,之後會另有專文介紹其性質。
  • [6] 有時亦翻譯成緲子。
  • [7] 有時亦做陶子(不是跟李李仁結婚那位)。
  • [8] 請參照漫畫<火影忍者>。
  • [9] 所有粒子都有對應的(質量相等但電荷相反的)反粒子;然而有些粒子會是自己的反粒子。反粒子組成的物質就稱為反物質。詳情請參閱系列前兩篇文章。
  • [10] 換句話說,當兩個不同原子核裡質子數目相同,我們就稱此二者是同一元素。至於中子的數量呢?請查詢同位素(isotope)一詞。

參考資料:

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  1. David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, 2nd edition
文章難易度
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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/

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探索自然知識的先行者:古希臘哲學家如何看待萬物的基本組成?——《世界史是由化學寫成的》
圓神出版‧書是活的_96
・2023/05/15 ・1970字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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古希臘哲學家中,不乏能精準測量天體位置的人,還有能運用幾何學知識來丈量土地的人。儘管他們尚未發展出「實驗」這項科學方法,但相對的,他們非常仔細觀察自然界發生的變化,並思考形形色色的問題,成為自然界和社會的知識探索者。

萬物皆由水組成

古希臘最早深入探索「萬物根源」的人是泰利斯(Thales)。他是個生意做很大的貿易商,曾搭船經由地中海,到埃及推銷橄欖油,是個見多識廣的人。

某天,泰利斯開始萌生疑惑:

世界上有數之不盡的萬象事物,都是由物質所構成的,而且物質的變化方式多得令人驚奇。雖說物質會不斷變化,卻並非無中生有,存在的東西也不可能完全消失;由此可知,物質是不生不滅的。無數物質不斷變化,但為什麼大家都是不生不滅的?

古希臘哲學家泰利斯(Thales of Miletus)。圖/wikipedia

泰利斯認為,所有物質必然是由唯一的「本原」所組成的,而他得到的答案就是水:

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水遇冷後凝結成冰,加溫之後就會恢復原狀;溫度繼續升高的水會成為水蒸氣,再冷卻後又會形成水滴。河川、海洋和地表的水,都會變成水蒸氣上升到空中、形成雲朵,雲又會降水成為雨和雪。水能如此千變萬化,不論怎麼變也不會消失殆盡。話說回來,金屬的變化、生物形體的變化,不也都和水一樣嗎?

泰利斯推論,這些物質的型態和外形不論再怎麼變化,也不會完全消失,應該是因為所有物質都是由某個「本原」所組成的——不論構成的是金屬或生物。

後來泰利斯便把構成所有物質的「本原」命名為「水」。

值得注意的是,泰利斯所說的「水」,並不是指現代科學做為研究對象、做為物質的水,而是將變化不歇、變換型態後生成其他物質,並能再度回歸原初型態的萬物本原稱為「水」而已。這種思考的背景,可能來自於他曾到東方旅行,聽聞流傳在美索不達米亞的世界起源傳說、得知其故事中心就是「水」,才深受影響。

泰利斯的「水」,促使眾多學者開始思考萬物的「本原」(元素)為何。有人認為本原是「空氣」,經過壓縮和稀釋,分別形成水、土和火,進一步創造了自然界;也有人認為本原就是「火」,並將自然界比喻為「燃起、消失,無時無刻都在活動的火」。

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微粒組成萬物

對於「萬物根源」是什麼的問題,德謨克利特(Democritus)提出了名為「原子論」的主張。

和泰利斯一樣,德謨克利特曾周遊地中海沿岸,徒步觀察風土、歷史和文化迥異的各個國家裡,有什麼樣的自然環境與人民,並學習各國的學問和技術。他認為,創造萬物的「本原」存在於無數微粒中,而且這一顆顆粒子永遠不會毀滅。他將這些無法再分解得更小的微粒,以希臘語中意指「不可分割之物」「atomos」(原子)來命名。

德謨克利特還思考了另一項觀點,也就是「虛空」(什麼都沒有的空間),若改用現代科學的用語來說,就是「真空」。因為原子會占據空間、四處活動,所以必須要有提供給原子活動的「虛空」。

簡單來說,德謨克利特的原子論就是「萬物是由原子和真空所構成的,除此之外別無其他」。

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古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)。圖/wikipedia

德謨克利特認為,無數原子在除了原子以外什麼都沒有的空間裡,激烈且毫不停歇地四處活動,互相撞擊、形成漩渦。有的原子雖然會和其他原子相連成一團,但這團東西總有一天會分解,恢復成原本四散的原子。只要改變原子的排列方式和組合,就能製造出不同種類的物質。萬物是藉由原子的組合而形成,就連火、氣、水、土也不例外。

據說德謨克利特寫了一系列共七十多部鉅著,但沒有一本流傳下來。由於他大膽主張,人類的靈魂也是由輕盈、活潑好動的原子組成,不會遵從神的指示,而是跟隨控制原子運動的自然定律;只要構成人類肉體的原子瓦解分散,人類的靈魂就會消失。也就是說,神並不存在。他因此遭到統治階層指控「試圖抹滅神的存在」,並飽受攻擊,與他有關的書籍全數遭到銷毀。我們之所以能認識德謨克利特的事蹟,主要是由於反對原子論的哲學家們,將他的思想記錄在自己的著作之故。

——本文摘自《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》,2022 年 2 月,究竟出版,未經同意請勿轉載。

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書是活的,他走來溫柔地貼近你,他不在意你在背後談論他,也不在意你劈腿好幾本。 這是一種愛吧。 圓神書活網 www.booklife.com.tw

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七十多年前轟炸日本的原子彈,直到現在都還影響著臺灣的我們
科學大抖宅_96
・2022/12/15 ・6053字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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1945年,美國分別在日本的廣島和長崎投下原子彈,造成約二十萬人死亡,也終結了第二次世界大戰。當時的臺灣,尚在日本統治之下,自然地,原子彈爆炸(原爆)的犧牲者中,也有在日本本土生活的臺灣人。然而,原子彈對臺灣的影響,並不僅止於此,也不只是促成臺灣統治權的更替而已。在那之後,原子彈的巨大威力,和對人類文明的衝擊,以多樣的形式留存於臺灣社會;直到現在,我們還是可以看見其痕跡。

其一:跨越七十多年的遺物

國立臺灣歷史博物館的收藏品,就記述著因原爆喪生的臺灣人歷史。

1921年生的新竹人蘇百齡,從新竹州立新竹中學校(今國立新竹高級中學)畢業後,前往日本就讀長崎醫科大學附屬藥學專門部,並於1942年繼續就讀長崎醫科大學。

蘇百齡就讀長崎醫科大學附屬藥學專門部時照片(照片來源:國家文化記憶庫
蘇百齡長崎醫科大學入學許可通知(照片來源:國家文化記憶庫

1945年,原本打算隔年學成回臺的蘇百齡,卻在即將畢業前夕,因為長崎原爆而身亡;一位原本大有可為的醫生,生命就這麼永遠停留於24歲。

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當然,蘇百齡不是唯一因原爆犧牲的臺灣人,但要感謝其家族後人細心保存遺物,並將之捐贈,我們才得以一窺當時罹難者的部分生活面貌。

長崎警察署發放之蘇百齡死亡證明書(照片來源:國家文化記憶庫

而在喪失性命的人之外,也有一些臺灣人不但親身經歷原爆,還能對後世講述親眼所見,如出生於高雄美濃的陳新賜醫師(1914~2016),和出身嘉義的王文其醫師(1918~2015)。當時二人均在距離原爆中心僅700公尺的長崎醫科大學附屬醫院服務,雖然也在爆炸中受傷,但奇蹟似地存活下來。這段故事,由李展平撰寫成《長崎原爆:台灣醫生陳新賜.王文其歷險記》,於2012年出版。

原爆後的長崎醫科大學附屬醫院(相片來源:長崎原爆資料館

曾經參選1996年中華民國總統選舉的彭明敏(1923~2022),在長崎原爆當下也正於長崎的長兄家療養:其不久前才因為搭乘的船隻受美軍轟炸,被送往長崎醫科大學附屬醫院治療,並接受截肢手術;陳新賜醫師即為手術醫師之一。

在彭明敏所著《自由的滋味》裡,是這麼描述長崎原爆:

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我在室內看報紙,聽到頭頂飛機嗡嗡之聲。突然間,有炫目的亮光,好像房裡按下巨大的鎂光燈。差不多同時,有金屬性的巨響,彷彿整個地球被一把巨大的鎚子擊中了。房子劇烈地搖動。……有些水泥建築物仍屹立著,但是,裡面所有木料和其他易燃物都在頃刻間化為烏有。

據說在學校教室內,從整齊排列的白灰燼所在可以看出在死亡瞬間正坐在書桌旁的每一個學生。熱度竟有那樣強烈。大部分的醫科學生都罹難,其中包括四位曾經慷慨輸血給我的台灣留學生。他們有用的生命被消滅,我卻仍活著,這真是悲劇的命運。

……不久這座死亡的城市散發出令人不能忍受的臭氣。善後工作,對於當事人是一種異常的考驗。……幾天之內,又有新的恐怖發生。許多生存者忽然開始由口鼻出血,毛髮脫落,不久便死亡了。

無論如何,雖然原爆說不上是臺灣人的集體經歷,但確實為日治時期的部分臺灣家族或個人,帶來難以抹滅的深刻記憶。

臺灣客籍女詩人杜潘芳格(1927~2016)為長崎原爆犧牲者著作哀悼之詩(圖片來源:文化部典藏網

其二:臺灣的原子彈部署

臺灣這塊土地跟原子彈的連結並未因第二次世界大戰的結束而終止。戰後,臺灣統治權被移交給中華民國政府,其於1949年又因為內戰失利撤退到臺灣。自此,中華民國政權和中華人民共和國政權分別位於臺灣海峽兩岸,處於敵對緊張關係。

1958年8月23日,中國人民解放軍開始隔海砲擊金門,引發第二次臺灣海峽危機,史稱八二三砲戰。在短短約一個半月的時間內,金門遭受了數十萬發的砲彈打擊。而中華人民共和國對金門的砲擊行動,斷斷續續了21年,直到1979年中華人民共和國和美國建交為止。

在這樣嚴峻的大環境下,當時仍協防臺灣的美國軍方,從1958年到1962年,於臺南機場部署了配備核彈頭的屠牛士(Matador)地對地巡弋飛彈。此外,從1960年1月到1974年7月,亦於臺南機場布置了可搭載在戰鬥機上的戰術型核彈。

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根據美國於2008年解密的文件,當金門砲戰最慘烈的時候,美國軍方曾考慮在廈門投擲原子彈,以阻止中國人民解放軍的攻勢。雖然這件事沒有成真,但無論如何,在臺灣的核彈部署,讓臺灣和關島、南韓、日本沖繩並列,成為當時西太平洋的核武基地。

1959年,美國空軍第868戰術導彈中隊於臺南空軍基地試射可搭載核彈頭的屠牛士TM-61C飛彈(相片來源:wiki

其三:中華民國的原子彈研發計畫

鑑於原子彈的超凡威力,不少國家均力圖發展相關技術。暨美國之後,蘇聯於1949年首度成功試爆原子彈,英國和法國也相繼研發成功。中華人民共和國同樣是野心勃勃,並於1964年在新疆測試了第一顆原子彈。毛澤東曾表示:「不但要有更多的飛機和大炮,而且還要有原子彈。在今天的世界上,我們要不受人家欺負,就不能沒有這個東西。」

至於臺灣的中華民國政府, 自然也明白核武的重要性。1963年,當時的蔣介石總統,和以色列核武計畫之父伯格曼(Ernst David Bergmann)私下會面,表達研發核武的決心。在伯格曼的支持與建議下,1968年「新竹計畫」啟動,以清華大學為中心,重點工作項目在培養人才,並建立研發原子彈所需的相關硬體設施。只不過,包括當時國家科學委員會主委吳大猷,以及曾參與美國曼哈頓計畫的女性核物理學家吳健雄,都對臺灣發展核武表達反對意見。在各方壓力之下,蔣介石最後不得不將新竹計畫束之高閣。

1950年代末期至1960年代初期,蔣介石以茶會款待海外回國學人,右四即為吳健雄(照片來源:國家文化記憶庫

然而,臺灣的核武研發並未因此中止。蔣介石政府在吸取新竹計畫的教訓之後,規劃了以和平研究用途做包裝的「桃園計畫」。1969年,中山科學研究院正式成立,原子能委員會則與加拿大簽約,在桃園龍潭的中科院核能研究所興建重水式核子反應爐,稱為台灣研究用反應器(Taiwan Research Reactor,簡稱TRR)。

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在鈾元素中,約有99.264%都是屬於鈾-238,而核能發電常用到的鈾-235只佔了0.72%。提煉出來的鈾元素,必須先經過處理,將鈾-235的濃度提升到3%~5%,才能在商業核能發電使用。如果要製造原子彈,則必須將鈾-235的濃度提高到90%以上。因為事涉敏感,鈾濃縮相關技術與活動都受到監管,非核武國家若要靠自行研發,獲得武器級的高濃縮鈾相當不容易。

基於上述原因,製造核武的替代方案,是利用以低濃縮鈾當燃料的重水反應爐;在其中,鈾-238會吸收鈾-235分裂後產出的中子,成為鈾-239,然後再衰變成鈽-239,而鈽-239也能拿來製作原子彈。這樣的方式,在技術門檻和成本上,比製造高濃縮鈾要低得多。

原子彈「胖子」在長崎市上空503公尺爆炸後所造成的蘑菇雲。該原子彈即為使用鈽-239製作。(照片來源:wiki

在1975年蔣介石去世後,桃園計畫雖仍持續進行,但此時美國抱持聯中制俄戰略,已與中華人民共和國洽談建交多年,以中華民國制衡中華人民共和國的想法也慢慢轉變,反對臺灣發展核武的態度益發明顯。在美國壓力下,臺灣的原子彈研發計畫在繼任的蔣經國總統支持下,轉以更機密的方式運作。

1973年中央社報導。已經可見美國和中華人民共和國的關係正常化正進行中。(圖片來源:國史館檔案史料文物查詢系統

到了1988年,臺灣的核武計畫已經接近成功邊緣,預估再要不了多久即可製造出原子彈。只不過,時任中科院核能研究所副所長的張憲義早已被中情局吸收,臺灣的核武發展進度一切都在美國掌握之中。1月9日,張憲義使用假護照投奔美國,對整個計畫帶來毀滅性打擊,而生命已到末期的蔣經國,也在數天後去世。沒過幾天,美國和國際原子能總署的官員,直接帶領水泥攪拌車進入中科院,將重水式核子反應爐封存,再用水泥灌入重要設施和實驗室,以確保臺灣再也無法重啟爐灶。另一方面,新上任的李登輝總統也不支持相關研究。臺灣的核武研發,戛然而止。

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至於張憲義,儘管一度被通緝,但至2000年已期滿撤銷。他的行為,究竟是讓臺灣少了重要的戰略武器,還是避免了潛在的核戰呢?是功是過,只能留給後人評價。

其四:桃園的輻射外洩事件

在台灣的核武研究中斷後,核能研究所內放置的核燃料棒也被要求運回美國。然而,燃料棒護套因年久劣化,導致水氣進入並與燃料棒作用,產生氫氣。於是,從 1988 年到 1991 年間,當所內人員嘗試把燃料棒從乾式貯存槽取出時,曾多次引起氫氣爆炸,最後一次更發生火災。

遺憾的是,事件發生當下,並沒有什麼人多加留意輻射外洩的可能。要等到 1992 年,核研所從事例行偵測時,才發現事態嚴重,不但核研所排水口附近的泥土,放射性強度大幅超標,下游的土地也受到污染。這起事件是在 6 月 25 日提報原能會,所以被定名為「核研所六二五輻射汙染事件」。

因為氫氣爆炸而污染了乾式貯存場的放射性物質,據推測,很可能就是在工作人員沖水清理以及滅火的過程中,隨著水流進入集水池,再經由排水口被釋放到環境之中,也就是鄰近的大漢溪和下游的國有地。

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事後,國有財產局將2.3公頃的污染區用圍籬圍住,依原能會規定將土地挖除2公尺,再覆蓋新土。在1997年清理完畢後,當地輻射已恢復到正常範圍。而挖除的一萬四千立方公尺污染土壤,則跟一萬多桶低階核廢料,和破損的數十支高階核廢料等等,一同放置於核研所。

這起臺灣有史以來最嚴重的輻射外洩事件,至今已30年,造成了多大影響難以切實評估,卻是臺灣與原子彈的連結中,無法迴避的一段過往,也是對妥善管理核廢料的安全性提醒。

其五:原子與我們同在

原子彈不只威力驚人,其對社會文化的衝擊亦不在話下。因為原子彈在第二次世界大戰中的運用,許多人才首度聽到「原子」這個詞彙。一時之間,原子一詞蔚為風尚,成了時髦的代表、新科技的代稱;許多新發明、新事物,便這麼被冠上「原子」二字,類似現代一堆有著「量子」稱號,但其實跟量子力學沾不上邊的商品。

出生於台北艋舺的著名女畫家謝招治(1929~2014),創作過一幅名為《原子燙》的畫作。她曾表示:

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「以前婦女燙頭髮是用電來燙,後來臺灣光復後才用化學藥劑來燙頭髮,大家也不知道該叫什麼燙,就叫它原子燙吧!『原子』這兩個字是由日本廣島遭美國的原子彈轟炸後第一次聽到的新名詞,在當時是很時髦的形容詞,還有現在的絲襪以前也叫原子襪呢。」

謝招治《原子燙》,直幅、水彩畫,繪於1997年10月29日。(圖片來源:國家文化記憶庫

而謝招治對自己的另一幅作品《補襪》,是這麼解說的:

「玻璃絲襪在光復後才出現,是大家之前都沒見過的新玩意兒,當時常常把沒看過的東西全都加一個「原子」來叫它,所以就叫它『原子絲襪』了。這一種襪子是由船員走私進口,或有親友從國外偷偷帶回來才有的。

我的姑姑出國二十幾年,第一次由日本回臺探親的時候,雙腳套了十幾雙玻璃絲襪,回來送給親友的,我看她一雙雙的脫下來送給我們的時候,覺得很感動,又好笑。在市面上原子襪有人賣,但是價錢很貴,它是新的產品,品質很差,大家穿破了捨不得丟,就拿去給補絲襪的補一補再拿來穿的。」

謝招治《補襪》,直幅、水彩畫,繪於2005年7月(圖片來源:國家文化記憶庫

除了原子燙、原子襪這兩個現在已不怎麼使用的名詞之外,我們常會用到的「原子筆」,其名稱來由的說法之一,就是廠商把原子筆引進香港時,因為尚無中文名稱,故使用「原子」這樣有高科技意象的名詞稱之。雖然原子筆跟原子彈並沒有任何關係,但無論如何,「原子筆」從此成為臺灣人廣泛運用的詞彙,流傳至今。

總結

自1945年原子彈出現在戰場之後,其巨大的威力撼動了全世界,也震懾了人心。從此,原子彈就跟全球政經局勢和個別國家的發展野心脫離不了關係。儘管當年轟炸日本的原子彈和台灣這塊土地並沒有直接關連,但其影響力仍以各樣的方式,留存在臺灣、或臺灣人的歷史和文化裡。不論我們如何看待它,正面或負面,這些連結與時代的記憶都將不會消逝。

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為什麼量子電腦這麼難懂?大概就跟 60 年前要聽懂原子筆一樣難!——專訪旺宏電子盧志遠總經理
科技大觀園_96
・2021/07/21 ・4276字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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近代知名的理論物理學家理查.費曼 (Richard P. Feynman)曾經說過一句名言:
「我認為,沒有人能真正了解量子力學!」
(I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.)

量子力學到底是什麼?為什麼量子力學可以這麼難懂?最近夯翻天的量子電腦,又是怎麼一回事呢?

中央研究院盧志遠院士不僅曾擔任交通大學教授、 AT&T Bell Lab 計畫主持人,回國後至工研院電子所、經濟部次微米計畫專案總主持人,也投身產業界,先後擔任世界先進積體電路公司、欣銓科技公司、旺宏電子公司等高階決策及董事會團隊,榮獲工研院院士、世界科學院院士、美國國家發明家學院院士、總統科學獎等榮譽,在產、官、學、研四方均有崇高的成就與地位。

因此,科技大觀園特別邀請盧志遠院士,透過訪談,為我們解開量子科技的神秘面紗。

盧志遠院士。圖/盧志遠 院士提供

我談的是足球場,你卻在講足球

盧志遠表示,量子力學會這麼難懂,跟我們看世界的「尺度」有關,當我們看世界的尺度不一樣了,很多看起來應該要很怪的現象,都會變得不奇怪了。

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以人類的視角為例,雖然人類在地球上生活了這麼久,但我們的視野實在是太小了,小到仍有許多人認為地球是平的,對許多人來說,要想像自己住在一顆大圓球上,這真的是太怪了!

在當今科學界由人類發展出來的理論中,古典物理適合解釋人們生活的範圍,相對論擅長處理大世界的、天文物理的現象,而量子力學則專門處理「小世界」的問題。

以我們最熟悉的古典物理為例,在地球人生活的範圍和尺度中,以牛頓力學為基石的古典物理都是沒有問題的、具有解釋力的,然而,當我們的眼光放大到整個銀河系時,古典物理就不行了。

同樣的,當我們把視野縮得非常小,小到原子以下時,即使牛頓復活,他與他的運動定律對微觀尺度的現象也將無可奈何。

這些尺度的差異,就像是足球場與足球,甚至是足球場與一滴汗水的大小差異一樣,當尺度不同時,我們看到的現象與解釋方法也會不盡相同,這也就是人們「難以搞懂量子力學」的真正原因,畢竟,量子力學談的東西真的太、小、了!

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那些年,讓科學家黑人問號的商品

面對近期出現的「量子」商品,盧志遠笑著問道:「你們有沒有想過,為什麼原子筆要叫做『原子』筆?」

原子筆跟原子有什麼關係呢?圖/pixabay

1960 年代左右,當原子筆準備從歐美進入中文市場時,原子筆尚未擁有自己的中文名稱。

然而,在原子彈、原子能源崛起的年代,「原子」在當時是非常高科技、前端的科學名詞,這種新產品又是當時最新潮、最高級的文具, 因此廠商將其命名為「原子筆」,象徵它是一種尖端科技下的高檔文具

也就是說,原子筆會叫做原子筆,單純只是因為「原子」聽起來很潮。

看到這裡,你是否感到無言以對?隨著科學進展、科學教育普及,接受過十二年國教的我們都知道,「原子」不過就是組成物質的基本結構之一。

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原子鍵盤、原子衛生紙、原子杯?天哪!根本一點邏輯都沒有啊!

從原子筆的故事中,我們不難發現,面對「新穎、陌生的科學名詞」時,一般大眾時常抱持著憧憬嚮往、高科技的想像,為了吸引消費者的目光,各大廠商也會為自家產品,冠上這些根本毫無邏輯可言的名詞,濫用新穎的科學概念,像是太空被、磁場面膜、量子假睫毛、AI 牙刷等等。

一顆量子?「量子」根本不是一個東西!

盧志遠感慨道,大約每過十年,就會有產品都會被冠上類似的新名詞,而廠商會透過這些科學名詞,讓大家覺得它們的商品很新鮮、有力量又性感。

近年來,量子力學逐漸走入大眾視野,由於量子力學艱深又新穎,就如同原子筆一樣,許多錯誤的理解和誤用逐漸浮現在世人眼前,例如,市面上已經有許多民生用品、心理諮商的服務被廠商冠上「量子」的名義,甚至以為量子就像是一顆一顆原子一樣,誤將量子當作實體的名詞。

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事實上,量子(Quantum)並不是一個「子」,而是一種物理學概念,可以描述物質也可以描述能量。

如果一個物理量存在最小的不可分割的單位,那麼這個最小單位就稱為量子。例如在微觀的世界中,能量的狀態是不連續的,是由一小塊、一小塊能量所組成的能量,而這個最小且不能分割的能量狀態,就是量子。

因為人的世界是巨觀、是連續的,所以不能體會微觀的世界,在巨觀解析度不夠的情況下,才會誤認能量是連續的。就是因為量子是如此的微小,這麼巨大的人類,又怎麼能輕鬆弄懂「量子疊加態、量子糾纏」呢?在我們人類自身尺度、溫度等各種環境中,如此的觀念或現象是極少能夠被體驗的!

既然搞不懂,量子電腦又是怎麼來的?

想必大家都有聽過「量子電腦」的鼎鼎大名,甚至耳聞「量子霸權」這等氣勢恢弘的名詞,可是,之前費曼不是說過沒有人可以搞懂量子力學嗎?既然如此,量子電腦又是怎麼做出來的呢?

IBM的量子電腦。圖/flickr

簡單來說,就是「縱使相當多科學家不完全懂,但是每一個人都會用」。

大家一定都有過「我不懂這個公式從哪來,但是我知道怎麼用」的經驗,就算我們已經忘了如何推導橢圓公式,也搞不懂橢圓公式的原理,但高中生都可以靠著公式,有效解決數學考卷上的各種題目。

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又好像每個人都在滑手機,但對於手機裡的中央處理器及高階 3D 記憶體是甚麼東西?相互作用的原理又是甚麼?不要說一般人,可能連非本科的專家都參透不多。

雖然不懂原理,我們一樣可以把手機功能用的淋漓盡致,讓每個人都可以是傳說中具有神力的千里眼順風耳。

而量子電腦也是類似的概念,雖然我們距離完全了解量子力學還有很長遠的距離,還好的是,只需要少數專家皓首窮經了解深層原理與細部操作後,其他領域的專家或工程師就只需要知道在哪些特殊條件下,物質會呈現出量子力學的某些明顯特徵,並且運用這些特徵來進行計算,這樣就足夠推使人類科技應用及生活便利性往前進一大步。

現行量子電腦大多使用低溫環境滿足量子運算的條件,當量子電腦在接近絕對零度的極端低溫環境下時,每個原子的平均動能都非常低,不會破壞別人的量子態,如此一來,科學家就可以操縱在量子現象出現的環境中,藉由量子的疊加態、糾纏、測量等現象來完成特殊的量子運算。

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量子電腦有什麼特別的?

比起傳統數位電腦,量子電腦處理資訊的方式完全不一樣,在處理特定問題時,不僅運算力更強,計算速度也會更快。

那是因為量子電腦可以多個量子位元平行處理,不像數位電腦只能序列性、一條一條路徑依序運算。

數位電腦透過0、1的二進位來進行運算,若我們想要讓數位電腦變得更快,就必須勤能補拙,使每單位運算的速度倍增,如果今天的數位電腦一秒鐘可以算一百萬次,未來,我們就要努力讓它在一秒鐘內算上一億萬次。

然而,數位電腦其實並不「聰明」,舉例而言,當我們向電腦要求「從臺灣大學找出一條最快抵達哈佛大學的路線」時,數位電腦會列出所有的路線,再找出旅行時間最短的路線,縱使數位電腦每秒鐘速度已達億萬次以上,要尋找這麼多的途徑,還是得花上很長的時間,有時需要萬年甚至比所謂宇宙生命更長的時間,也就是說,沒辦法解答!

但若以量子電腦來解決相同的問題,則量子位元可以將所有路徑一次性平行處理、同時計算,因此速度將變成指數式(量子位元數)的倍增。

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而量子電腦則因為量子位元的特性,當位元數為 n 個時,比起傳統電腦的 n 或是 2n, 量子電腦的訊息空間為 2 的 n 次方,具有指數性成長的優勢,面對越困難複雜的問題,越能顯現量子電腦驚人的威力。

換句話說,量子電腦真正的威力並非計算速度較快,而是能夠平行處理問題。

量子科技興起,我們該如何應對?

2019年,Google與合作團隊提出了量子霸權(Quantum supremacy)的概念,並聲稱自己 53 量子位元(Qubit)的量子電腦達到了量子霸權的境界,可以處理傳統電腦無法處理的難題。由此可知,量子科技是將來的重要發展趨勢之一,我們可預期量子科技一定會對臺灣科技業造成很大的影響。

針對臺灣的未來,盧志遠保守的說,雖然臺灣擁有優秀的高科技人才、半導體產業,但我們只能說在量子科技領域中臺灣沒有處於劣勢,但也無法預期具備什麼明顯的優勢。因為一個從原理、技術、機器設備或使用材料都可能不同的新科技,過去的成功經驗不一定能完美複製,屆時產業及政經環境可能都有不同,既有的優點,有時反而造成拖累,此種現象,在科技破壞性替代時,曾經屢屢出現。

但也因為量子科技是無法迴避的趨勢,我們該如何應對?

以半導體產業做比喻,半導體產業粗分 IC 設計、晶圓製造、封裝、測試,同時需要許多高科技設備和原物料相配合,從結果來看,並沒有單一個企業能夠在不同領域都獲得成功、稱霸一方。

因為每個領域所需的專業技術或營運能力不同、投資也不同,如果同樣概念也適用量子科技產業,企業或國家都應該檢視自己的特長,隨時保持警覺,在最適當時機將有限資源投入最好的運用。

但即使量子科技浪潮來襲,盧志遠認為年輕人並不需要著急、也不需要跟風。可以選擇站在浪尖,也未嘗不可只在岸邊觀潮。

投入量子科技的科學研究,或是關注量子科技趨勢、使用量子科技帶來的成果與便利,創造因量子科技帶來的新應用領域,以破壞性創新發明新商業模式,可能反而是最大的機會。

就個人前途而言,應分析並認識自己的特質與人格找到屬於自己的方向,好好鑽研、好好做事。「成功」的最終門檻,仍然是內心的狂熱和喜歡。

參考文獻

  • Arute, F., Arya, K., Babbush, R., Bacon, D., Bardin, J. C., Barends, R., … & Martinis, J. M. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574(7779), 505-510.
  • 張元翔(2020)。量子電腦與量子計算|IBM Q Experience實作。碁峰。
  • Even Physicists Don’t Understand Quantum Mechanics
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