<div class="LifeContent1" > <table width="100[%]" border="0" align="center" cellpadding="0" cellspacing="0" > <tr> <td width="48[%]" >楊仲準 中央研究院物理研究所博士後研究員</td> </tr> </table> <table width="100[%]" border="0" cellpadding="0" cellspacing="4" > <tr> <td colspan="2" ></td> </tr> <tr> <td colspan="2"><br /> 三百年來，物理科學的發展，似 乎每隔百年便有一顛覆常識的理論問 世。著名的牛頓(Isaac Newton, 1642- 1727)，在18世紀初葉建立了描述物體 運動情形的牛頓力學、描述光傳遞現象 的光學、與教導函數間交叉運算的微積分等基礎理論。19 世紀中，馬克斯威 爾(James Clerk Maxwell, 1831-1879) 奠定了電動力學與氣體動力學基礎。到 了20 世紀初，普郎克(Max Planck, 1858-1947)的黑體輻射理論(1900年)打 開了量子概念的大門。1905到1916年 間，愛因斯坦(Albert Einstein, 1879- 1955)發展的相對論，則是使人類對於 時間與空間的互動、對物質與能量的互換有一全新的認識。<br /> <br /> 至此之後，一直到現今，可稱為人類科技發展最快也最富 戲劇性的年代。相當巧合的，自1901 年起，依照諾貝爾(Alfred Nobel)的遺 願所設立的諾貝爾獎，以鉅額的獎金獎 勵在物理、化學、醫學、文學與和平等 五個領域中對人類有傑出貢獻的研究學 者。自此諾貝爾獎也成為學術研究的最高榮耀與成就評量。綜觀這百年來的諾貝爾獎所頒給的物理成就，也就是這百年來物理學發展的縮影。現在就讓我們來談談這百年間物理學的發展與諾貝爾獎的關係。 <br /></td> </tr> <tr> <td height="30" colspan="2" class="LifeContent1_title1"><br /> 一、由陰極射線開始</td> </tr> <tr> <td colspan="2">自十九世紀末，古典物理學理論 的架構已經趨於完整。當時的學界焦 點，多半放在熱輻射與氣體動力學的問 題上。此外對陰極射線的研究，也正是 一個熱門課題。陰極射線是指在塗有螢 光劑的真空玻璃管內，放置兩個電極 板，在電極上加高電壓。在適當的設計 下，便可以在另一側的管壁上看到淡綠 色的螢光。在當時的科學界並不知道這 個射線是什麼樣的物質或是光線所造 成，而引發一連串的相關研究。諾貝爾物理學獎在與陰極射線直接或間接的研究上，就頒出了許多獎項。首先，我們 先談談陰極射線的副產品-X 光。<br /> <br /> 1 9 0 1 年的第一屆諾貝爾物理學獎，頒給了發現X 光的倫琴(Wilhelm Conrad Rontgen)。X 光的發現是研究 陰極射線的一項意外發現。當倫琴在研 究陰極射線管時，發現位於玻璃管外塗 有鉑氰酸鋇的紙屏居然也會發出綠光。 確定這個螢光的來源是來自於陰極射線 管後，嘗試著向要擋掉這個光源，卻發 現無論放了黑布在陰極射線管上，或是 在管與紙屏間擋了書籍，都無法阻止它 發光。當他試著用手去做阻擋時，居然 發現這個光照出了他手骨的形狀。也因 此，倫琴做了許多有關X 光的研究而 獲得了第一次諾貝爾物理獎的榮耀。 </td> </tr> <tr> <td colspan="2">此後勞厄(Max Von Laue)與布拉格父子 (William Bragg, Lawrence Bragg)研究 X 光通過物體的情形， 而分別獲得 1914 年與1915 年的諾貝爾物理學獎。 西格班(Karl Manne Georg Siegbah)則 是利用分析物質受到電子衝擊發出的X 光光譜而獲得1924 年的物理獎。<br /> <br /> 回到陰極射線這個主題，由於二 十世紀初對原子的基本結構尚未釐清， 因此對於陰極射線到底是什麼也一直爭 論不休。湯姆生(J.J. Thomson)透過多 種實驗方法，終於認識到陰極射線其實 是一種帶電粒子，稱之為「電子」，並 且算出電子的電荷與質量的比例。湯姆 生也因而得到1906 年的諾貝爾物理 獎。而1905 年，諾貝爾物理獎也頒給 了對陰極射線管做出巧妙設計，可以使 陰極射線透出真空達到外界空氣中的雷 納德(Philipp Lenard)。事實上，雷納德 還有另一個重要的貢獻是發現了光電效 應(見94年3月出刊科學研習)的規律。 而愛因斯坦也就是利用光量子的方法解釋了光電效應而獲得了1921 年的諾貝爾物理獎。 </td> </tr> <tr> <td colspan="2"><table width="67[%]" border="0" align="center" cellpadding="0" cellspacing="5"> <tr> <td width="34[%]"><img src="/UserFiles/image/Live/Supply/pic44_8_p_1/44_8_img1.jpg" width="550" height="197" alt="圖一 陰極射線管示意圖。陰極射線管為一支抽到幾乎真空的玻璃管。管中最左方的電極施加高負" /></td> </tr> <tr class="LifeContent1_1"> <td>圖一　 陰極射線管示意圖。陰極射線管為一支抽到幾乎真空的玻璃管。管中最左方的電極施加高負 電壓，而置中的有孔電極則接上正電壓，使得電子束可以由左方的陰極飛出透過有孔的陽極 打向ZnS 的屏幕。由於電子被ZnS 屏幕阻隔而停止，產生制動輻射(Bremsstrahlung)。此時 若是在電子運動方向外有一個可受X光激發的螢光物質，便會發出螢光。倫琴便是這樣發現 了倫琴輻射，也就是X光。圖中有一組相互垂直的電場與磁場架設，在許多的電子束儀器中 常常出現，稱之為速率選擇器。只有適當速率的電子，才能筆直的通過這個架設。同時陰極 與陽極的電壓差可以換算出電子的行進速率。只要適當的調控加速電壓，便可以由古典的電 磁理論得出荷質比。湯姆生首先發現陰極射線會受到電場與磁場的作用偏折，在由此出發求 出這個帶電粒子的荷質比。</td> </tr> </table></td> </tr> <tr> <td height="30" colspan="2" class="LifeContent1_title1"><br /> 二、量子論與量子力學的發展</td> </tr> <tr> <td colspan="2" >前面提到，十九世紀末期，熱輻射 現象也是物理學界亟待解決的一個問 題。維恩(Wilhelm Wien)發明了利用空腔 來構成黑體(blackbody)。所謂的黑體是 指一個物體在任何溫度下能吸收任何頻 率的輻射能。然而，完全黑體並不存 在。接近理想的黑體可以使用密閉的空 腔，對外僅開一小孔，當外界輻射經由 小孔入射於空腔後，雖經多次反射，但 幾乎沒有機會再由小孔射出而留在空腔 內，因此可以視為輻射被空腔所完全吸 收。同樣的，如果將此空腔加熱至某一 溫度，研究分析由此小孔發出的光譜， 則也可視為由相同的溫度的黑體所散發 出來的光。維恩依照古典熱力學的理論以及實驗的分析提出了一個半經驗公 式，可以解釋黑體輻射的短波段部分， 然而在長波段區域卻明顯的無法吻合實 際觀測結果。雖然如此，他還是獲得了 1911 年的諾貝爾物理獎。 </td> </tr> <tr> <td colspan="2" ><br /> 為了解決這個 問題，普朗克(Max Karl Ernst Ludwig )提 出了能量僅能具有某些特定量的量子化 概念，並推導出能量量子E 與頻率ν成 正比的著名關係式E = hν。而能完美的 解釋黑輻射的現象，也因此獲得了1918 年的諾貝爾物理獎。受到普朗克的能量 量子化理論的啟發，愛因斯坦(Albert Einstein)利用光量子的理論解釋光電效 應。也因此獲得了1921年的諾貝爾物理 獎。波爾(Niels Henrik David Bohr)提出 了原子內電子的運行軌道與角動量均是 量子化的假設，成功的解釋了氫原子的 吸收與發射光譜，也獲得了1922年的諾 貝爾物理獎。至此，對描述微觀世界的 量子理論的研究，在當時成為一股潮 流。然而由於普朗克與愛因斯坦對光具 量子化的看法，使得光的本質到底是粒 子或是波動引發了爭議。</td> </tr> <tr> <td colspan="2" ><br /> 同時德布羅依 (Louis Victor De Broglie)將光可具有波動 性與粒子性的看法推廣到一般物質，提 出了物質波的概念。他的想法後來用電 子繞射實驗所證實，因而得到了1929年 的諾貝爾物理獎項。而光與物質為何皆 兼具有粒子性與波動性，直到最後波爾 提出了互補原則，才暫時解決了這個問 題。依照波爾的詮釋，光與物質皆同時 具有粒子性與波動性，而粒子或是波的 性質只有透過量測之後，才會表現出 來。而到底是表現粒子性或是波動性， 取決於量測的方法與工具。海森堡 (Werner Heisenberg)、薛丁格(Erwin Schro dinger)與狄拉克(Paul Advien Maurice Dirac)等人總結當時的一些理論 與實驗的結果，提出了較為完備而能描 述原子世界較小物體的運動情形的量子 力學理論。</td> </tr> <tr> <td colspan="2" ><br /> 海森堡利用矩陣代數的方 法，建立了矩陣力學而獲頒1932年的諾 貝爾物理獎。薛丁格則受到德布羅依的 啟發，提出了波動力學和狄拉克的相對 論性的波動力學共同得到1933年的諾貝 爾物理獎。著名的天才費曼(Richard Phillips Feynman)也因在量子電動力學所 做的基礎性研究，對基本粒子物理學具 有深刻影響和斯溫格(Julian Seymour Schwinger)、與朝永振一郎(Sin-itiro Tomonaga)於1965 年得獎。 </td> </tr> <tr> <td colspan="4" ><table width="67[%]" border="0" align="center" cellpadding="0" cellspacing="5"> <tr> <td width="34[%]"><img src="/UserFiles/image/Live/Supply/pic44_8_p_1/44_8_img2.jpg" width="658" height="245" alt=""/></td> </tr> <tr class="LifeContent1_1"> <td><br /> 圖二　 (a)黑體輻射示意圖，一個恆溫的黑色空腔開一小孔，在溫度平衡的狀況下，輻射出來的光 稱之為黑體輻射。 (b)實驗值、維恩理論、普朗克理論的比較。圖中可見維恩理論在低頻(也 就是長波長部分)不甚符合，而普朗克理論則可以理想地詮釋黑體輻射。</td> </tr> </table></td> </tr> </table> </div>