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目前分類:物理 (7)

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李雅明教授在 半導體的故事  一書中說:沒有量子力學波函數,就不會有布洛赫定理,沒有布洛赫定理,就不會有能帶理論。後面這些半導體理論,都是根據能帶理論推展出來的。

iPhone 電池.JPG

電子能從電池流到電腦線路中,靠的就是能帶理論,這麼神奇的資訊科技,靠的就是電子移動,而且是快速的移動,

套句賈伯斯的話:你只要動得夠快,你就能耍點把戲。我們能在手機上追劇,靠的就是一組快速移動的光點。

圖片:Buy 家職人曾拉啦  

 

各位讀者放心,我不會一開始就導公式,會先介紹這個科學家,沾染一些人的味道,有興趣的,附錄也會有詳盡的說明,布洛赫因為對分子裡的電子能不能導電,感到奇怪,於是開始研究比分子更大的晶體,意外的發現,整個晶體的導電性是無限,你就想像,你終於可以做出一部電阻很低,待機很久的iPhone,不過這有點跳太快了,因為,這個理論證明不出超導體的存在,其實還是做不出來這樣的東西,但至少證明了iPhone裡,電子元件的電子是可以移動的。簡單來說,使得半導體的製造成為可能。快速移動的電子,在進一步,以某種形式呈現,例如:快速移動的光點,變成你眼前正在追的韓劇。

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費曼曾經到巴西當客座教授,他再度發現,巴西一樣有很差的物理教育,學生和在美國的學生一樣,需要靠自學,才能學好物理。除此之外,他的興趣多了一項,打巴西鼓,過了一陣子,團長要其他團員向費曼學習,費曼猜可能是他自己的鼓音有外國腔。

這些經歷,讓我看出費曼的物理,應該是超棒的,因為能夠打鼓,其實是一項高難度技巧,拿這樣的技巧去做很多事,應該都能做好,這是我以藝術取向來判斷事物的偏見,或許唯一例外的是商業,因為沒有經營得很精彩又虧本的事業,被叫做成功。正因為我先注意科學家的藝術層面,讓我有機會看到,許多專業之間,其實有微妙的相似性,藝術強調人的創造性,到了作品的完成階段,也強調準確性,以便把創意精確的傳達,這部分很像科學,藝術強調打破框框,然後,在畫派建立時,又要求自己的框框要完整,這讓我想到,相對論先否定了牛頓的絕對坐標系,而相對論本身的光速時鐘能夠統一每個座標系之間的矛盾,因此可以不受絕對坐標系的限制,也能描述運動物體的時空位置。以上只是我想到的兩個類同點,至於科學家與藝術家之間,類似的異於常人的行徑,或是許多科學家之間競爭的精采程度,我還是另文專述。

寫到這裡,我回頭談談我所知道的理查費曼,他父親是一位物理學家,因此,他的物理啟蒙比較早,他和愛因斯坦類似,想從目前物理界還少人探索的路上去走,因此,顯得有點特立獨行,當你研究一個全世界只有兩三個人研究的題目,這當然需要一點點膽量與保持孤獨的決心。他提出了量子電動力學,而且以有名的費曼圖,簡潔的表達了內容,不是只有密密麻麻的計算公式,讓讀者自己去解其中的意義。簡潔的表達方式,也使得他在和外界溝通時,有了特殊風格,在太空梭災難調查中,他以一個O型環丟入一杯冰水中,傳達了氣溫對於太空梭的影響,雖然經過簡化,卻非常有說服力。

 

理查費曼除了是一位知名物理學家,還是一位愛妻子的丈夫,在費曼手札裡,女兒公布了一封,他寫給死去的妻子的信,令人感受到他的情意,對於理查費曼,我感受到他天真又真實的一面,因為他也會因為不好意思,而把太太印了我愛你的鉛筆,削掉外皮。知名人士的私生活,也是認識一個人的好方法,只是通常不太容易被外界得知。

 

我常常想,能夠謙卑看待專業,是一項既道德又困難的工作,例如比爾蓋茲,不太會強調資訊科技可以解決非洲的糧荒,反而很務實的承認,對於連自來水都沒有的地區,筆記型電腦能夠幫的忙不大,因為,可能連電腦需要的電,都很難取得。理查費曼也承認,美國在巴西利用工程技術鋪設的水管,還是無法解決當地居民的用水問題,因為水資源的分配,牽涉到社會因素,一個低效率的社會,可能無法運作美國式的工程設備,當我厭煩了專業萬能的口號,我很喜歡讀讀費曼的話,承認我們對於許多問題的無知,卻可以努力去了解問題,解決問題。

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2015年諾貝爾物理獎得主今天揭曉,由日本學者(木尾)田隆章(Takaaki Kajita) 和加拿大學者麥唐納(Arthur B.McDonald)獲獎,原因是他們發現了微中子振盪效應,顯示微中子也有質量。

來源:聯合報網路版諾貝爾物理獎 二三事報你知


微中子是粒子物理中重要的粒子,不管是要證明光速下,粒子的壽命比平常來得長,或是要觀測遠方的星體,微中子是很好的工具,對於電子微中子、渺子微中子和濤子微中子有興趣的人,可以去網路上查查看。


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在某家衛星通訊公司,值班的兩位工程師,常常為了雜訊問題,傷透了腦筋,因為他們要上大型碟型天線上檢鳥糞,以減少雜訊。同一時間,某些觀測外太空的科學家,也為了無線電望遠鏡 (註1) 不夠傷腦筋,由於需要更多來自於外太空的數據,他們採用了這些工程師的雜訊報告裡,發現了外太空似乎有某種規律的電磁波,這樣的波可能不是雜訊,而是宇宙誕生時,產生的電磁波,由這樣的電波,物理學家推導出,宇宙的每個部分,其實起於一個非常小的點,於很短的瞬間,膨脹成具有時間空間的樣貌,由一點而展開成廣大的宇宙,這個理論叫大霹靂理論。

以上所說,當然你可以當作一個笑話,是通訊工程師茶餘飯後強調自己工作的重要性,但是在科學界卻是這樣的玩笑卻關係者研究能否繼續的關鍵。天文物理研究的設備或規模,越來越大,怎樣運用外界資源,其實非常重要,在地中海就有一個歐洲研究機構設立的望遠鏡,穿透地心觀測南半球的太空,或許你羨慕歐洲研究者得天獨厚的研究環境,然而,這樣的設備,也因為預算驚人,必須由研究黑暗物質、宇宙生成甚至超弦的研究者共享,以確保這樣的投資能夠產價值夠高的成果,以往單一主題或單一實驗室準備自己的設備的年代,似乎已經過去,單一設備只研究單一主題的奢侈,也是研究者可望而不可及。

以上提到的,就是科技導向 (techno-driven)的研究,雖然常常能在實驗室編列預算來購買科技設備,有時候反而可以思考,如何透過既有的科技設備,達成研究的目的,這類重大發現,是搭著科技巨人的肩膀上,才能看到。這是從研究方法面來說的,科技本來就是物理原理的應用,現在回頭來幫忙物理研究,造成重大發現。正因為科技是物理學的應用,物理學者的發現,若能促進科技發展,也是令人驚喜的,或許是因為科技應用大幅改變人類生活,諾貝爾物理獎除了注重理論的開展,目前也開始頒給這類促成技術性研究成功的研究者,舉2009的諾貝爾得獎人為例,高錕對光纖的長程傳輸有貢獻,波以爾和史密斯 (Willard S. Boyle及George E. Smith) 則對CCD 的發明有貢獻,前者大大提供通信的品質,後者則廣泛的應用在宇宙觀測與日常攝影上,物理獎頒給科技背後的推手,在科技導向的研究正在流行的今天,或許有某種新意義。

回到一開始提到的撿鳥糞的故事,由於通訊的需求建造的大天線,竟然觀察到了大霹靂現象,這和過去愛因斯坦式的模式不同,愛因坦在信封背後就能寫出相對論 (註2),當然,理論物理的研究模式不死,在今天也還是最令人神往的研究方式,只是現在的研究模式中,會更加的依賴科技設備與規模大小,物理研究者如何在這其中,尋找重大發現的機會,應該是令人振奮的一項研究契機。

 

高徒 2.25,2010 朱雀樓

 

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想出大霹靂的宇宙模型的,是佛里德曼,他假設宇宙的起點,是一個高熱高壓的點,透過大爆炸,產生我們今天看到的宇宙,哈伯證實了這個假設,透過觀察遠方星系的紅移現象,證實了星系正在遠離我們在的觀察點---地球。至於天使與魔鬼書中所提的天主教神父樂梅特,則推導Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程,並在螺旋星雲後退現象的基礎上提出了宇宙是從一個「初級原子」「爆炸」而來的—這就是後來所謂的大霹靂。因為書中並沒有明講,神父本身是位物理學家,讓讀者會誤會,好像僧侶提出了神啟般的靈感,而科學家指是證實靈感的研究者,其實樂梅特和哈伯,都是物理學家,樂梅特的觀點,也不是因為宗教理由才偏向大霹靂理論,而是因為大霹靂模型比較能描述宇宙現狀。

 

本文並不是要談物理學或宗教,而是要探討,引發這麼重大發現的靈感,到底是怎麼來的,有人說只要一直研究某個題材,然後,就會在放鬆的時候,如:在蘋果樹下休息,或是作一個蛇咬尾巴的夢,就會找到靈感。我想,這兩個部分都是必須的,可是,從努力思考,到放鬆頓悟,其實還有一個環節,為大家所忽略,就是---混亂。我這裡所指的混亂,其實就是分類的盲點,我以文學來舉例,文學上的分析,非常細緻,有情節的分析、有角色類型的分析更有筆法上的分析,因此,我要說,要學著寫莎士比亞也不是太難,因為這方面的分析已經可以讓我的寫作具有莎士比亞的  風格,至於在二十一世紀會不會讓人們重新接受這樣的風格,就得存而不論了。可是這樣的作對我的作品並沒有幫助,因為,莎士比亞的作品精髓不在這些分析裡面,而在於不自覺的結構中,有人說,莎士比亞的戲,充滿戲中戲,如:哈姆雷特,或者平行劇情如:皆大歡喜,透過戲中戲或者平行劇情,讓故事中的衝突與張力,更加強烈。我覺得這個分析正確且一針見血,不過,莎士比亞的劇本之所以長久以來,一再被電影、戲劇採用,主要是因為作者長期在劇場工作,對於這些真假、框內框外,有不自覺的體認,也允許這樣的混亂,在他的作品中,化成有秩序的劇中劇。這樣的過程,若是跳過了,或許劇中劇的架構還是會出現,可是,沒有背景基礎的理由,戲劇張力肯定沒有那麼大,哈姆雷特中,喜劇班子的諷刺劇,讓篡位的叔父感受到壓力,也讓哈姆雷特確認,殺父的兇手,就是叔父。

 

這樣的創意,就是混合了劇場中的元素,加入了文學裡,讓文學也能戲謔的展現幽默。然而這樣的混合或者說,混亂,是需要蠻長時間的整合的,過程也常常是無意識的,以文章之首的大霹靂理論,本身就打破了原來宇宙的假設,本來物理學家假設宇宙是古今差不多一樣的,宇宙的大小也差不多,然而大霹靂假設了宇宙起始的狀態,也推論目前宇宙的大小還在不斷膨脹中,因此,本來描述宇宙的方式,就不管用了,要用動態的方式來描述。宇宙的狀態,的確不容易從日常生活的經驗來推論,如果說,我買了一間房子,每天都會多一個房間,可是家具卻不會互相遠離,怎麼聽都很奇怪,因為,我不曾經驗過,空間變大的情況。同樣的,要構思大霹靂理論,除了需要對物質的性質或粒子組成有概念,最重要的就是,要打破宇宙古今類同的概念,構思一個成長的空間,而物質是在空間裡面存在,並不是四散紛飛的狀態,星系遠離地球,不只來自於運動,而是它存在的空間,是膨脹的空間,空間本身正在遠離觀察點---地球。這樣的混亂,透過樂梅特以數學方程式來描述,也透過哈伯的觀察,證實模型是成立的,讓看似矛盾的東西,整合成一個有條有理的幸統。創意,既需要前面混亂的過程,也需要後面整理與分析的過程。

 

從物理上的宇宙理論,我看到了新創意的產生,需要思考者放掉舊的架構,以某種新的路線,製造出某種混亂,再藉著分析混亂中蘊含的性質,架構出清晰理論。混亂是創意建構過程中,必要的過程,最近Google重新重視創意的執行,把公司裡原有的創意找出來,再度檢討其執行的價值,以免發生創意產生了,卻由其他公司執行成功的例子。Twitter就是Google員工提出的,卻是在員工設立公司後,才變成可行的創意。Google的模式,正是從混亂中找創意的例子,因為打破現狀,才會有新發現,員工也不被鼓勵去執行任何上司的意見,因為其中的創意成分很低。有人用撒種子來比喻Google,我覺得雖不中也不遠矣。希望Google在今後的發展,能夠秉持某種程度的混亂,繼續開發出新的創意。也希望讀者裡面,在混亂期的,不要放棄希望,因為,有條有理的架構,就在這團看似混亂的東西裡面。

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在美國推行曼哈頓計劃的年代,境內物理學家當中,有些來自歐洲 ,:愛因斯坦、馮紐曼 (馮紐曼本人參加了曼哈頓計畫,愛因斯坦則與該計畫的產生有些淵源),什麼因素吸引物理學家選擇美國,我將就科學面和社會面討論。

 

除了二次大戰的紛爭衝擊歐洲各國, 使得就些歐陸物理學家避居美國,還有另一個理由也使他們選擇美國,那就是物理研究由單單的science-driven趨勢,走向technology-driven science-driven並行, 工業規模較大的美國顯然比歐洲各國更有能力支應這樣的研究形態,同時期的德國,即便同時研究原子彈,其工業規模無法支持這項橫跨冶金、採礦、機械、電子...的研究,直到戰爭結束,德國尚未製造出核子武器,而美國在愛因斯坦上書羅斯福的情況下,推動了名為曼哈頓計畫的核子物理方面的研究。

 

除了工業規模之外,讓美國能夠推動像曼哈頓計畫這樣龐大的研究,在這個研究計畫中,團隊成員也策略性的引入境外人才,美國採用歐洲物理人才有其移民國家開放架構為思想背景,亦可看出美國本土物理學家亦有其開放性格,例如:歐本海默在曼哈頓計畫招募的知名物理學家,費米是義大利人,波耳是丹麥人,歐洲腔英語,該是當時在團隊裡的有趣的現象。這樣社會包容力是非常可貴的。目前常常會聽到物理界人士說,科學論文該用英文寫,以便於流傳、閱讀,可知美國在物理界是有一席之地的。當初美國的境外人士策略,培養了美國的學術能力,英語也因此跟著水漲船高

 

若以上面的techno-driven研究的觀點來看,台灣物理界在日據時代,在台日本人荒勝文策分裂原子核,是亞洲最先分裂原子的地區,當然,這有點歷史的偶然,台灣早於亞洲其他地區,開始了techno-driven的研究路線,當然,研究團隊克服不夠工業化的情況,以自己的方法做出粒子加速器,令人佩服。至於談到海外華裔人才,常是台灣注目的焦點,這其中當屬楊振寧、李政道最受矚目,他們在美國的研究環境,拿到諾貝爾獎,打破宇稱守恆的概念,相當震撼學界。楊振寧相當推崇他的老師吳大猷,在短短的時間內,教授許多重要的物理知識  。放眼今天台灣的物理界,在目前台灣的工業水平,以及開放的社會條件,自然應該期待在物理研究上,有更大的突破與進展。

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大家好!今天是愛因斯坦的紀念日。



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