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物理進展與諾貝爾榮耀

楊仲準 中央研究院物理研究所博士後研究員

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。

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。

一、由陰極射線開始
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。

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。
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。

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。
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
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。

二、量子論與量子力學的發展
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。

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。

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。

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。

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。
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