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基礎交互作用與原力(第二部曲):光子力乍現—— 阿宅物理(5)

科學大抖宅_96
・2016/02/10 ・4774字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

在沒有很久以前、也沒那麼遙遠的銀河系裡……[1]
為了深入解析原力的祕密,我們回顧了基礎作用力之一的電磁力。不過,就像星際大戰需要許多部曲才能講完整個故事,除了電磁力,宇宙中尚有其他神秘力量,等待人類的發覺……

星際大戰開頭必備的跑馬燈
星際大戰開頭必備的跑馬燈

大抖宅小的時候(其實沒有很久以前,真心不騙),要說最受歡迎的熱血動畫,無敵鐵金剛大概必定會被提到[2]。每次看鐵金剛與機械獸對決,大抖宅都忍不住硬了(當然是拳頭),巴不得馬上化身主角跟惡勢力一決高下。當時雖不覺得奇怪,但現在仔細想想,就會發現動畫設定裡的玄妙之處。主角兜甲兒(舊譯:柯國隆)所在的光子力研究所(舊譯:原子光研究所),到底是在研究什麼?無敵鐵金剛的動力又是從何而來?機體上可沒接插頭,也沒看過電池。


〈無敵鐵金剛〉動畫裡的光子力研究所和無敵鐵金剛

一切的答案就是光子力!原作動畫設定裡,無敵鐵金剛的開發者(主角的祖父)在富士火山帶的地層發現了新元素Japonium[3],所謂的光子力即為「在Japonium核分裂的過程中所抽出的光能量[4]」。

問題來了,這可能嗎?為了一探究竟,我們必須先了解什麼是核分裂……

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核分裂和核融合

顧名思義,核分裂指的是,原子核[5]藉由核反應[6]或放射性衰變[7]而分裂成其他較輕的原子核。因其過程往往伴隨能量的釋放,原子彈以及核能發電便是利用核分裂的原理,從中獲取巨大能量。

相反地,當兩個以上的原子核互相碰撞並結合成一新的原子核,我們稱為核融合;其亦連帶有能量的釋放或吸收。每天給予我們光和熱的太陽,就是利用核融合產生能量。

現代物理學已經知道,不論是核分裂、或核融合,背後都存在著共通的原則。尤其,弱作用力(又稱弱交互作用 weak interaction)和強作用力(又稱強交互作用 strong interaction)扮演著關鍵性的角色。

弱交互作用

舉例來說,太陽裡核融合反應的第一步,是利用兩個氫原子融合成氘原子[8],連帶產生正子、中微子,與少許能量。

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兩個氫原子核(質子)融合成氘原子核(由一個質子和一個中子組成),並連帶產生正子(電子的反粒子)和中微子。(圖片來源:維基百科)
兩個氫原子核(質子)融合成氘原子核(由一個質子和一個中子組成),並連帶產生正子(電子的反粒子)和中微子。(圖片來源:維基百科)

根據示意圖,很明顯地,在融合成氘的過程中,有一個質子變成了中子,加上正子與中微子。這是怎麼做到的呢?

這有如萬能的天神一般神奇的力量,得要歸功於我們所謂的弱交互作用。在阿宅物理第三話,我們說明了質子由兩個上夸克加一個下夸克構成;中子則由一個上夸克加兩個下夸克組成。弱交互作用正好有辦法把上夸克變成下夸克,使得質子能夠轉換成中子。用前一回我們學過的費曼圖來表示,如下:

上夸克和W粒子作用後轉變為下夸克;W粒子又作用產生正子與電子中微子。也因此,前圖裡氫融合成氘才成為可能。
上夸克和W粒子作用後轉變為下夸克;W粒子又作用產生正子與電子中微子。也因此,前圖裡氫融合成氘才成為可能。

就像電磁作用依靠光子來傳遞,弱交互作用則仰賴W粒子(包括W+和W,其互為彼此的反粒子)作為媒介。藉由與W粒子作用,帶正電的夸克(上、魅、頂)可以和帶負電的夸克(下、奇、底)互相轉換(上圖左半邊);同時,W粒子也可以讓帶負電的輕子(電子、渺子、濤子)和相應的中微子互相轉換——上圖右半就是電子轉變成電子中微子的變形(如同巨人裡也有奇行種[9],you know)。所以了,第三話裡我們曾提到,電子和電子中微子是一對換帖的(換的帖就是W粒子)、上夸克也和下夸克配對,就是基於這個原因。

除此之外,還有電中性的Z粒子,也可以傳遞弱交互作用。不過,和W粒子的狀況不同:不論夸克或輕子,和Z粒子作用後都不會改變原本的特性。

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W粒子與電子交互作用產生電子中微子的過程,也可以有另一種變形:W粒子單獨產生電子的反粒子(正子)和電子中微子。同樣的交互作用可以有不同的變化形式,如同巨人也有通常種和奇行種。(圖片來源:〈進擊的巨人〉)
W粒子與電子交互作用產生電子中微子的過程,也可以有另一種變形:W粒子單獨產生電子的反粒子(正子)和電子中微子。同樣的交互作用可以有不同的變化形式,如同巨人也有通常種和奇行種。(圖片來源:〈進擊的巨人〉)

強交互作用

現在我們已經知道兩個氫原子是如何透過弱交互作用轉變成一個氘原子了。但是等等!氘原子核包含了帶正電的質子與電中性的中子,憑什麼它們可以黏在一起形成原子核?又,更重的元素帶有兩個以上的質子,彼此之間豈不是會因為電磁力而互斥嗎?這樣的話,那些元素怎麼可能生成呢?

上述問題著實困擾了二十世紀30到40年代的科學家。唯一看透了真相的,是一個外表看似小孩,智慧卻過於常人的名偵探柯南。[10]日本物理學家湯川秀樹(Hideki Yukawa)。他認為,有一種新的粒子(命名為介子meson)作為力的媒介,把質子跟中子結合在一起。1947年,英國物理學家鮑威爾(Cecil Powell)從宇宙射線中觀測到湯川秀樹所預測的介子(π介子),湯川和鮑威爾也因此分別於1949年與1950年獲頒諾貝爾物理獎。

時至今日,我們發現,把夸克結合成中子、質子,以及把中子、質子結合成原子核,基本上都是靠同一種力在作用——我們命名為強力(或稱強交互作用strong interaction)。強交互作用由膠子(gluon)負責傳遞;能夠參與強交互作用的基本粒子,只有夸克跟膠子[11]。湯川秀樹所謂的介子,則是由一個夸克和一個反夸克藉著膠子而合成的;因為介子內部包含了夸克跟膠子,所以某種程度上也稍微有傳遞強力的功用。於是,我們將輕子、以及(由夸克組成的)重子歸為不同類別,是有所意義的——它們參與的作用不盡相同。

光子力能否實現?

在掌握了核融合和核分裂的原理後,想必各位有如吃了千年靈芝,功力大進。讓我們回過頭來看看光子力的謎題:既然光子力是「在Japonium核分裂的過程中所抽出的光能量」,顯然相當類似於核能發電的定位。然而,目前核能發電技術所使用的元素是鈾,不是什麼Japonium;再者,根據設定,產生光子力的過程並不會有輻射的問題——這也有別於現今的核能發電。

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大抖宅至光子力研究所建築預定地考察。因為光子力尚未被發現,至今當地仍是一片樹海。
大抖宅至光子力研究所建築預定地考察。因為光子力尚未被發現,至今當地仍是一片樹海。

那麼,有沒有可能,有朝一日我們會發現新的元素,而且使用其做核能發電並不會產生輻射呢?

在動畫裡,Japonium是在富士火山帶所發現的新元素,說明它是相對穩定的,才能長時間存在於自然界。只不過,所有自然界中穩定存在的元素可說均已被發現,人類也不斷在實驗中製造出更重(但是更不穩定)的新元素。截至目前,並沒有符合Japonium特性的元素出現,就算以後還有新元素被合成出來,幾乎也不可能像動畫敘述的Japonium。

為什麼呢?

前面我們提到,強力可以讓中子跟質子結合形成原子核;它也可以克服質子之間的電磁斥力,讓原子核擁有兩個以上的質子——但這並不是沒有上限的。隨著質子數目的增加,原子核體內的怪物電磁斥力將愈變愈大、大到強力難以壓制,就像〈火影忍者〉裡漩渦鳴人控制不住九尾查克拉而暴走一般[12]。也因此,愈重(原子序愈大)的原子核傾向愈不穩定、生命週期愈短[13]。所以,我們只能在實驗室中製造出更重的新元素,而無法在自然界發現它們——要在富士火山帶、或者自然環境找到未知元素的機率可說微乎其微。

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〈火影忍者〉主角漩渦鳴人身上九尾的封印式。(圖片來源:〈火影忍者〉漫畫)
〈火影忍者〉主角漩渦鳴人身上九尾的封印式。(圖片來源:〈火影忍者〉漫畫)

又,未來人類合成的新元素,是否可能拿來發電呢?恐怕也是行不通。既然愈重的元素傾向愈不穩定,那就表示它們不但難以製造,合成出來之後也會馬上衰變成較輕的元素,難以具備發電價值[14]。而且,因為這些重量級元素的結構使然,一般而言其核分裂產物都擁有放射性。未來發現的新元素,如果要像動畫中的Japonium:既可在自然界找到、又能拿來核能發電、且無輻射污染,除非其擁有某些驚異的特性,否則基本上是不可能的事情[15]。(果然大機器人還是遙不可及的夢想嗎?只能學EVA接插頭惹~[16]

跨步吧!勇敢的少女/少年們!

到此,我們已經了解電磁力、弱力和強力的基本特性,離駕馭原力又更往前邁進了一大步。然而,力的世界如此深邃、不容被輕易摸透。我們即將面對最大的挑戰,力的最後一塊拼圖就要被拼上。套用電玩的概念,就是要挑戰最終魔王了(請別問本抖宅有沒有隱藏Boss)。就讓我們休息片刻、存個紀錄,下一話齊全裝備後再做挑戰!

continue

參考資料:

  • 1. David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, 2nd edition

註釋:

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  • [1] 請參考電影<星際大戰(Star Wars)>。該系列電影開頭總會有“A long time ago in a galaxy far, far away….”的跑馬燈字幕。
  • [2] 對〈無敵鐵金剛〉不熟悉的讀者,或許不妨找找比較近期的作品如〈無敵鐵金剛凱撒〉觀看。只要稍微看個十幾、二十分鐘,就能掌握到整部作品的主軸。
  • [3] 2004年,日本成功合成原子序為113的新元素,當時曾暫稱Japonium(後又稱Ununtrium),不過顯然性質和動畫設定裡的大不相同。
  • [4] 光子力研究所的弓教授(舊譯:余教授)在動畫第一話的解釋。
  • [5] 關於原子核,以及本篇諸多粒子名詞的基礎知識,請參照阿宅物理第三話。
  • [6] 核反應,乃是原子核與其他原子核或次原子粒子碰撞(交互作用),而產生不同(有別於原先)原子核的過程。
  • [7] 放射性衰變意指不穩定的原子核因放出輻射(包含次原子粒子或光子等等)而喪失能量的過程。
  • [8] 讀音ㄉㄠ。氫的同位素。
  • [9] 請參見漫畫〈進擊的巨人〉。
  • [10] 請參見漫畫〈名偵探柯南〉。
  • [11] 此單就現今已發現的粒子而言。又,因為強交互作用的一些特殊性質,物理學家借用了日常生活中三原色的概念,賦予夸克可以有紅、綠、藍三種不同的顏色;膠子則可以有八種不同的顏色組合——但這跟它們的實際顏色無關。有機會我們再另行深入介紹。
  • [12] 請參見漫畫〈火影忍者〉。
  • [13] 理論上,我們仍可能製造出相對穩定的超重元素,但因目前尚未成功,所以其穩定性也未知。有興趣的朋友可參考這裡
  • [14] 以註釋3提到的新元素來說,就算是最穩定的同位素,其半衰期也不過20秒。若要運用在發電上,不但必須製造出足夠的量,還得在其衰變前使用,相當地不容易。
  • [15] 不過,想要擁有比較安全、污染較低的核能發電,理論上並非不可能——相對於目前飽受爭議的核分裂發電技術,許多科學家正致力於發展核融合發電,其比核分裂發電要多上許多優點,但也更不容易實用化。詳細可參考〈給未來總統的能源課〉。
  • [16] 請參考動畫〈新世紀福音戰士〉。
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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/

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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為什麼會被陽光曬傷?光有能量的話,為什麼照日光燈沒事?
PanSci_96
・2024/05/05 ・3185字 ・閱讀時間約 6 分鐘

唉!好曬呀!前兩集,一些觀眾發現我曬黑了。

在臺灣,一向不缺陽光。市面上,美白、防曬廣告亦隨處可見,不過,為什麼我們會被陽光曬傷呢?卻又好像沒聽過被日光燈曬傷的事情?

事實上,這也跟量子力學有關,而且和我們今天的主題密切連結。

之前我們討論到量子概念在歷史上的起點,接下來,我們會進一步說明,量子概念是如何被發揚光大,以及那個男人的故事。

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光電效應

在量子力學發展過程中,光電效應的研究是非常重要的轉捩點。

光電效應指的是,當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上,會使得材料發射出電子的現象。

在 19 世紀後期,科學家就已經發現某個奇特的現象:使用光(尤其是紫外線)照射帶負電的金屬板,會使金屬板的負電消失。但當時他們並不清楚背後原理,只猜測周遭氣體可能在紫外線的照射下,輔助帶負電的粒子從金屬板離開。

光電效應示意圖。圖/wikimedia

於是 1899 年,知名的英國物理學家 J. J. 湯姆森將鋅板放置在低壓汞氣之中,並照射紫外線,來研究汞氣如何幫助鋅板釋放負電荷,卻察覺這些電荷的性質,跟他在兩年前(1897 年)從放射線研究中發現的粒子很像。

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它們是比氫原子要輕約一千倍、帶負電的微小粒子,也就是我們現在稱呼的電子。

1902 年,德國物理學家萊納德發現,即使是在抽真空的玻璃管內,只要照射一定頻率以上的光,兩極之間便會有電流通過,電流大小跟光的強度成正比,而將光線移除之後,電流也瞬間消失。

到此,我們所熟知的光電效應概念才算完整成型。

這邊聽起來好像沒什麼問題?然而,若不用現在的量子理論,只依靠當時的物理知識,很難完美解釋光電效應。因為根據傳統理論,光的能量多寡應該和光的強度有關,而不是光的頻率。

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如果是光線把能量傳給電子,讓電子脫離金屬板,那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢?比如我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射,會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流。而且,當紫外線的頻率越高,電子的能量就越大。

另一方面,若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板,會發現無論如何都不會產生電流。但如果是紫外線的話,就算強度很低,還是會瞬間就產生電流。

這樣難以理解的光電效應,使得愛因斯坦於 1905 年一舉顛覆了整個物理學界,並建立了量子力學的基礎。

光電效應的解釋

為了解釋光電效應,愛因斯坦假設,電磁波攜帶的能量是以一個個帶有能量的「光量子」的形式輻射出去。並參考先前普朗克的研究成果,認為光量子的能量 E 和該電磁波的頻率 ν 成正比,寫成 E=hν,h 是比例常數,也是我們介紹過的普朗克常數。

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在愛因斯坦的詮釋下,電磁波的頻率越高,光子能量就越大,所以只要頻率高到一定程度,就能讓電子獲得足以逃脫金屬板的能量,形成電流;反過來說,如果電磁波的頻率不夠高,電子無法獲得足夠能量,就無法離開金屬板。

這就像是巨石強森一拳 punch 能把我打昏,但如果有個弱雞用巨石強森百分之一的力道打我一百拳,就算加起來總力道一樣,我是不會被打昏,大概也綿綿癢癢的,不覺得受到什麼傷害一樣。

而當電磁波的強度越強,代表光子的數目越多,於是脫離金屬板的電子自然變多,電流就越大。就如同我們挨了巨石強森很多拳,受傷自然比只挨一拳要來得重。

雖然愛因斯坦對光電效應的解釋看似完美,但是光量子的觀點實在太過激進,難以被當時的科學家接受,就連普朗克本人對此都不太高興。

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對普朗克來說,基本單位能量 hν,是由虛擬的「振子」發出的;但就愛因斯坦而言,電磁波本身的能量就是一個個光量子,或現在所謂的「光子」。

然而,電磁波屬於波動,直觀來說,波是綿延不絕地擴散到空間中,怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢?

美國物理學家密立根就堅信愛因斯坦的理論是錯的,並花費多年時間進行光電效應的實驗研究。

到了 1914 年,密立根發表了世界首次的普朗克常數實驗值,跟現在公認的標準數值 h=6.626×10-34 Js(焦耳乘秒)相距不遠。

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在論文中,密立根更捶心肝(tuî-sim-kuann)表示,實驗結果令人驚訝地與愛因斯坦那九年前早就被人拋棄的量子理論吻合得相當好。

這下子,就算學界不願相信愛因斯坦也不行了。愛因斯坦也因為在光電效應的貢獻,獲得 1921 年的諾貝爾物理獎。

1921 年,愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎之後的官方肖像。圖/wikimedia

光電效應的應用

在現代,光電效應的用途廣泛。我們日常生活中常見的太陽能發電板,利用的就是光電效應的一種,稱為光生伏打效應,材料內部的電子在吸收了光子的能量後,不是放射到周遭空間,而是在材料內部移動,形成正負兩極,產生電流。

而會不會曬傷也跟光子的能量有關。

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曬傷是皮膚受到頻率夠高的太陽光,也就是紫外線裡的 UVB 輻射造成的損傷。這些光子打到皮膚,會讓 DNA 分子裡構成鍵結的電子逃逸,引起皮膚細胞中 DNA 的異常變化,導致細胞損傷和免疫反應,這就是為什麼曬傷後皮膚會出現紅腫、疼痛和發炎的原因。

而頻率較低的光線,因為光子能量偏低,所以就不太會造成傷害,這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事。

結語

從 17 世紀後半,惠更斯和牛頓各自提出光的波動說和微粒說開始,人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大哉問;19 世紀初,湯瑪士.楊用雙狹縫干涉實驗顯示了光的波動性,而到 19 世紀中後期,光屬於電磁波的結論終於被馬克士威和赫茲分別從理論和實驗兩方面確立。

經過約莫兩百年的研究發展,世人才明白,光是一種波動。

怎知,沒過幾年,愛因斯坦就跳出來主張光的能量由一個個的光量子攜帶,還通過實驗的檢驗——光又成為粒子了。

物理學家不得不承認,光具有波動和粒子兩種性質,而會呈現哪一種特性則依情況而定,稱為光的波粒二象性。

愛因斯坦於 1905 年提出的光量子概念,顛覆了傳統認為波動和粒子截然二分的觀點,將光能量量子化的詮釋也被實驗印證,在那之後,除了光的能量之外,還有其他物理量被發現是「量子化」的,像是電荷。

我們現在知道,電荷也有個基本單位,就是單一電子攜帶的電荷大小。

儘管之後又發現組成原子核的夸克,具有 -1/3 和 +2/3 單位的基本電荷,但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事,並不是要多少的電量都可以。

如果你覺得很奇怪,不妨想想,我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的,但其實在微觀尺度,身體也是由一個個很小的原子和分子組成,只是我們根本看不出來,才覺得是連續的。

光子的能量和電荷的大小,其實也是像這樣子,細分下去就會發現具有最基本的單位,不是連續的。

事實上,量子力學在誕生之後,一直不斷地為人們帶來驚喜,簡直就是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓。我們下一個故事,就要來聊量子力學發展過程中,打破世間常識的某個破天荒假說,而假說的提出者,是大學原本主修歷史和法律,擁有歷史學士學位,但後來改念物理,並憑藉博士論文用 5 年時間就拿到諾貝爾物理學獎的德布羅意。

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你聽過「量子意識」嗎?電子雙狹縫實驗讓人猜測意識會影響物質世界,真的假的?
PanSci_96
・2024/03/06 ・3805字 ・閱讀時間約 7 分鐘

在市面上,我們常會看到號稱運用量子力學原理的商品或課程,像是量子內褲、量子能量貼片、量子首飾、量子寵物溝通、量子速讀、量子算命、量子身心靈成長課程等等。有人說,量子力學代表了意識具有能量,藉由調整心靈的共振頻率,就能保持身心健康,只要你利用量子力學原理進行療癒或冥想,就能提昇自己的能量,人能長高、身體變壯、每次考試都考一百分;又像是,量子力學就代表一種信息場,讓你跟別人有心電感應,只要轉念,讓宇宙能量幫助你,你就能發大財還能避免塞車。也有人說,別人吃一個下午茶,你也馬上吃一個下午茶,別人喝一杯咖啡,你也馬上喝一杯咖啡,別人跟家人吵架,你也馬上找一件事跟家人吵架,這就是量子糾纏。

然而,量子到底是什麼?跟身心靈、宗教和玄學真的扯得上關係嗎?是否真能幫助你維持健康又賺大錢呢?

在這一系列影片裡,我們就要來討論,量子力學的原理為何?背後又是基於哪些科學的研究成果。等你看完之後,相信對於量子力學跟上述五花八門商品究竟有沒有關係,心裡自然會有所答案。

量子力學和意識有關?

坊間常會聽到量子力學跟意識有關的說法;或許也是因為這樣,量子力學被許多身心靈成長課程甚至玄學拿來作為背書。但,量子力學真的是這樣子嗎?

說到量子力學跟意識的關係,我們就必須來看看,量子力學最著名的實驗之一,20 世紀的物理學大師費曼(Feynman)甚至曾經說過,這個實驗「包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。」它,就是雙狹縫干涉實驗。

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雙狹縫干涉實驗

現在我拿的器材,上面有兩道狹縫,中間間隔了非常短的距離。等一下,我們會讓雷射光通過這兩道狹縫,看看會發生什麼事。

我們看到,雷射光在打向雙狹縫之後,於後面的牆上呈現有亮有暗的條紋分布,這跟我們在國、高中學過的波的性質有關。

在兩道光波的波峰相會之處,會產生建設性干涉,即亮紋的位置;而暗紋的部分,則是來自破壞性干涉,是兩道光的波峰和波谷交會之處,亦即,光的效應被抵銷了。

在歷史上,雙狹縫干涉實驗占有非常重要的地位。19 世紀初,英國科學家、也是被譽為「世界上最後一個什麼都知道的人」的湯瑪士.楊(Thomas Young),利用雙狹縫實驗,證明了光是一種波。

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那麼,如果我們拿不是波的東西,來進行雙狹縫實驗,會看到什麼結果呢?讓我們試驗一下。

現在我手邊有一堆的彈珠,前面是用紙板做成的兩道狹縫,後面則是統計彈珠落點的紙板。我們讓這些彈珠朝狹縫的地方滾過去,並在彈珠最後的落點劃下記號;若在同樣位置的記號越多,就代表有越多彈珠打中該位置。

在丟了一百顆彈珠之後,我們可以看到,扣除掉一部份因為路徑被擋住、通不過狹縫的彈珠之外,彈珠最終抵達的位置,大致分別以兩道狹縫的正後方為最多,呈現兩個區塊的分布,不像先前光的雙狹縫干涉實驗中,出現明暗相間的變化。

所以,我們得到結論:若是拿具有物理實體的東西進行雙狹縫實驗,因為其一次只能選一邊通過,所以落點最終只會聚集在兩個狹縫後方的位置;而且要是行進的路徑不對,還可能會被擋住。

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至於波的情形,那就不同了,只要狹縫的大小適當,波可以同時通過兩個狹縫,並互相干涉,產生明暗相間的條紋。

換言之,是波,還是物質,兩者在雙狹縫實驗的表現是截然不同的。

只不過,以上的實驗似乎並沒有什麼太令人感到意外的地方,我們也看不出來,它跟量子,還有意識,到底有什麼關係?事實上,若要真正顯示出它的獨特之處,就要來看電子的雙狹縫干涉實驗。

電子的雙狹縫干涉實驗

我們知道,電子是組成原子的基本粒子之一,而原子又組成了世間萬物。可以說,電子是屬於物質的一種極微小粒子。

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在電子的雙狹縫干涉實驗,科學家朝雙狹縫每次發射一顆電子,並在發射了很多顆電子之後,觀察電子的最終落點分布會怎麼呈現。

既然電子是物質的微小粒子,那麼在想像中,應該會跟我們前面使用彈珠得到的結果差不多,電子會分別聚集在兩道狹縫後方的區域。

從實驗的記錄影片中可以看到,在一開始、電子數量還很少的時候,其落點比較難看得出有明顯規律,但隨著電子的數目越來越多,我們慢慢能夠看出畫面上具有明暗分布,跟使用光進行雙狹縫實驗時得到的干涉條紋,有著類似的結構。

這樣的結果,著實令人困惑。直覺來想,既然電子是一顆一顆發射的,它勢必不可能像光波一樣,同時通過兩個狹縫,並且兩邊互相干涉,產生明暗相間的條紋。

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但無可否認,當我們用電子進行雙狹縫實驗時,最後得到的結果,看起來就跟干涉條紋沒什麼兩樣。

對這出人意表的觀測結果,為了搞清楚發生什麼事,科學家又做了更進一步的實驗:

在狹縫旁放置偵測器,以一一確認這些電子到底是通過哪一個狹縫、又如何可能在通過狹縫後發生干涉。

這下子,謎底就能被解開了――正當大家這麼想的時候,大自然彷彿就像在嘲笑人類的智慧一樣,反將一軍。

科學家發現,如果我們去觀測電子的移動路徑,只會看到電子一顆一顆地通過兩個狹縫其中之一,並最終分別聚集在兩個狹縫的後面――換言之,干涉條紋消失了!

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在那之後,科學家做過無數類似的實驗,都得到一樣的結果:只要你測量了電子的路徑或確切位置,那麼干涉條紋就會消失;反過來說,只要你不去測量電子的路徑或位置,那麼電子的雙狹縫實驗就會產生干涉條紋。

在整個過程中,簡直就像是電子知道有人在看一樣,並因此調整了行為表現。

在日常生活中,若有人要做壞事,往往會挑沒人看得到的地方;反過來說,當有其他人在看,我們就會讓自己的言行舉止符合公共空間的規範。

量子系統也有點像這樣,觀測者的存在與否,會直接影響到量子系統呈現的狀態。

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只不過,這就帶出了一個問題:到底怎麼樣才算是觀測?如果我們在雙狹縫旁邊只放偵測器不去看結果算嗎?我們不放偵測器只用肉眼在旁邊看算嗎?或是,整個偵測過程沒有人在場算嗎?

這就是量子力學裡著名的觀測問題(measurement problem)。

結語

在量子力學剛開始發展的數十年,有許多地方都還不是那麼清楚,觀測問題就是其一。在歷史上,不乏一些物理學家,曾經認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。

如果真是這樣的話,那麼「意識」就存在非常特別的意義,而且似乎暗示人的意識能夠改變物質世界的運作。

有一些物理學家曾認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。圖/envato

可以想見地,上述出自量子力學觀測問題的猜測,後來受到部分所謂靈性導師跟身心靈作家的注意,於是,形形色色宣揚心靈力量或利用量子力學原理進行療癒、冥想或身心靈成長的偽科學紛紛出籠,直到近年都還非常流行。

另一方面,可能因為量子兩個字帶給人一種尖端科學的想像,坊間琳瑯滿目的商品即使跟量子力學一點關係都沒有,也都被冠上量子兩字;除此之外,商品宣傳裡也常出現一堆量子能量、量子共振等不知所謂的概念,不然就是濫用量子力學的專有名詞如量子糾纏、量子穿隧等,來幫自己的商品背書。只要有量子兩字,彷彿就是品質保證,讓你靈性提升、身體健康、心想事成。

對此,我就給三個字:敢按呢(Kám án-ne)?

事實上,量子力學至今仍是持續演進的學問,我們對量子力學的理解也隨時間變得越來越豐富。現代的物理學家,基本上不認為我們可以用意識改變物質世界,也不認為「意識」在「觀測」上佔據一席之地,甚至可以說正好相反,人的意識在觀測上根本無關緊要。

不過,我們不會那麼快就直接進入觀測問題的現代觀點。在之後接下來的幾集,我們會先從基本知識開始說起,循序漸進,讓你掌握量子力學的部分概念。而在本系列影片的最後一集,我們才會重新回到觀測問題,並介紹量子力學領域近幾十年來在此問題上獲得的進展。

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