介紹物理英雄:並略談高壓線、 微波爐、電磁武器及衛星定位

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1 介紹物理英雄:並略談高壓線、 微波爐、電磁武器及衛星定位
清華大學物理系 朱 國 瑞 曙光女中週六科學營 2008年9月27日

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3 為了要製作12月份的特刊，僅選出18人做為代表物理菁英主角，這是一份非常苦的差事。誰來決定哪些人是可以進入我們的名人錄，而又是從哪裡來做分界線呢？只有一個叫做總編輯的人可以來從事這件事，我因此謙虛的接受了這個工作。 當然囉！我尋求各方的意見。首先我選擇了第一組人名，然後給我的同僚看，他們對我所選的名單感到不滿，他們認為我遺漏了許多重要的人物。再一次的，我例舉出更多的人名，給核子結構實驗家們看，但是還是有很多人認為我並沒有把重要的人例舉出來。然而我的一個女兒問我，有多少個女人可以進入我的排行榜，最後我選了36個超棒的人選。無疑的，這些人是值得放在我的第一組名單內，終於結束了我這黑暗的日子。我也決定了我的名單。 Mark Kac是一位偉大的數學家，他曾描述過，一般的天才有什麼特質，例如這些天才是比較聰明的是比較努力的，也是比較幸運的。當他們完成了一件偉大的作品，你卻會說，如果我聰明點，用功點，如果又有那些天才一半的幸運，我也可以和他們一樣成就出偉大的作品。就像魔術師一般，他們將相關的東西組合起來，建構史無前例的範本，是別人從未想過或是碰觸過的。當我們欣賞這些傑作，我們會被這些新的作品或傑作激發出新的思維。 在這裡我列舉出18位物理魔術師，如果你不贊同我選出的代表人物，我也不會感到意外，因為這樣很好，你也可以列舉你心目中的名單。相信在你展示給你同僚時，你也會和我一樣，得到和同僚爭論的樂趣。或許，你也可以找一家泡泡糖公司，把我們物理界這些陣容堅強的主角們，包裝在泡泡糖上，讓我們及我們的學生們去蒐集並買賣這些包裝紙。你想多少張的拉賽福可以換一張法拉第呢？

4 物理英雄榜 [Cliff Swartz, “Heroes, ” The Physics Teacher, December,1991]

5 在他的“On the Revolution”這本書中，哥白尼將地球的定位，由宇宙的中心改變為僅是一顆環繞太陽運行的小行星。這本書不僅對天文觀測提出引人注目的分析，並且也對當時宗教哲學教條做出大膽的否定。 Nicholas Copernicus (尼可拉斯．哥白尼） （1473－1543） 出生地：Torun, Poland (波蘭)

6 Galileo Galilei (伽利略) （1564－1642） 出生地：Pisa, Italy (義大利) 伽利略發明望遠鏡，並用以發現望木星的衛星群，月球表面的坑洞，太陽上會移動的黑子，以及金星的盈虧現象 - 在在證實哥白尼的太陽系模型。伽利略奠定了動力學基礎，導引出後來的牛頓力學。在宗教審判的威脅下，他晚年公開揚棄「地球繞著太陽運轉」的信念，但依據傳說，他悄悄地說：「地球還是在動的」。

7 微積分的發明者，力學定律的創始者，萬有引力定律的建構者，以及許多光學現象的發現者。然而他卻說：「我不知道世人怎麼看我，但是我自覺像是在海邊遊玩的小孩，偶而分心去發現一些漂亮一點的鵝卵石，或是貝殼，但是那些浩瀚真理的海洋仍在我的面前，等待發現。」 Isaac Newton （以薩克．牛頓） （1642－1727） 出生地：Lincolnshire, England (英格蘭)

8 有些人發現了新世界，哈伯發現了宇宙。他證明了在我們的銀河系之外尚有其他銀河系的存在，並且這些銀河系正互相遠離著。藉由銀河光譜紅位移的量測，他確定了宇宙的膨脹速率，因而算出宇宙的年齡。
Edwin Hubble （愛德溫．哈伯） （1889－1953） 出生地：Marshfield, Missouri (美國)

9 一個偉大的物理學家，化學家(首先調配出金屬鋁)，及一個受讚揚的老師。當厄斯特在課堂上要為學生做示範時，發現電流影響了指南針。他因而發現了電與磁間的關聯性，這也是他以及其他許多人一直追尋著的未知關節。
Hans Christian Oersted （漢斯．厄斯特） （1777－1851） 出生地：Langeland, Denmark (丹麥)

10 他是一個鐵匠工的兒子，當過書本裝訂學徒，從小自己自修唸書。後來在戴維爵士的實驗室擔任助理。戴維是一位偉大的化學家，他後來卻說：「我一生最大的發現就是法拉第。」法拉第是電磁場觀念的創始者，發現變化磁場所產生的感應電場，以及創造第一台發電機。他推導且驗證了電解作用定律，並發現光與物質中電磁特性的基本關聯。 Michael Faraday （麥克．法拉第） （1791－1867） 出生地：London, England (英格蘭)

11 馬克士威如此發現光的電磁性：「當我在鄉間寫出方程式之前，尚未曾懷疑到磁效應的傳遞速度與光速接近，從而據以相信磁介質即光介質。」
James Clerk Maxwell （詹姆士．馬克士威） （1831－1879） 出生地：Dumfrieshire, Scotland (蘇格蘭)

12 研究天然放射性元素的大師，也是原子核的發現者。有一次他的朋友對他說：「幸運的傢伙，總是能站在波的高峰上。」拉塞福回答：「但是我製造了波。」
Ernest Rutherford （厄尼斯特．拉塞福） （1871－1937） 出生地：Brightwater, New Zealand (紐西蘭) 諾貝爾獎： 1908年（化學）

13 量子力學的導師。藉由角動量的量子化，玻爾第一個發展成功氫原子及其光譜理論。在20年代晚期至30年代間，他在哥本哈根主持的研究機構成為當代理論物理學家發展量子力學的據點。他的哲理主軸是：“互補性”―物質的波動與粒子的二元性。 Neils Bohr （尼爾斯．玻耳） （1885－1962） 出生地：Copenhagen, Denmark (丹麥) 諾貝爾獎： 1922年（物理）

14 海森堡是量子力學創始者之一。他以矩陣代數將可觀測量間的關係列出數學公式，所得結果與薛丁格的波動力學相同。海森堡理論的重要結論之一是某些相關的物理量無法同時精確的測量。
Werner Heisenberg（維爾納．海森堡） （1901－1976） 出生地：Wurzburg, Germany (德國) 諾貝爾獎： 1934年（物理）

15 Erwin Schrödinger （艾溫．薛丁格）
（1887－1961） 出生地：Vienna, Austria (奧地利) 諾貝爾獎： 1933年（物理） 大多數量子力學的計算都起始於薛丁格波動方程式。“波”並不是粒子，也不描述粒子的運動。相反的，波動方程式的解是機率函數，描述粒子在空間中某位置或具有某物理性質的機率。

16 居禮夫人早期在波蘭華沙受到父親在科學上的薰陶，之後搬遷至波蘭Cracow，最後前往巴黎的Sorbonne學院。在居禮先生（皮爾．居禮）過世後，居禮夫人接替了她先生教授的職位，並開建了一個放射性元素的研究重鎮。 Marie Curie（瑪麗．居禮） （1867－1934） 出生地：Warsaw, Poland (波蘭) 諾貝爾獎：1903年（物理） 1911年（化學）

17 不管在理論或實驗技術上，他都是大師級的人物。費米利用Pauli的微中子理論解釋beta衰變。他了解核分裂的後果，在芝加哥創建了第一座核子反應爐―導致了第一枚核子彈的建造。費米擁有傳奇的心算能力，能估算任何問題的大致數值。 Enrico Fermi （安瑞克．費米） （1901－1954） 出生地：Rome, Italy (義大利) 諾貝爾獎： 1938年（物理）

18 二十世紀最具革命性的思想家。在1905年，他在同一本期刊上發表的三篇重要的論文：第一篇探討布朗運動，確認原子的存在；另一篇闡述了光電效應；第三篇發展出特殊相對論。十年後，他的廣義相對論對時、空及宇宙提出了與牛頓萬有引力學說截然不同的觀點。 Albert Einstein （亞伯特．愛因斯坦） （1879－1955） 出生地：Ulm, Germangy (德國) 諾貝爾獎： 1921年（物理）

19 狄拉克將量子力學和相對論結合。他的方程式預測反物質世界的存在。狄拉克是一個容易害羞的人，通常獨自一人工作。追求完美的方程式，是他研究的方針及正確性的標準。
Paul Dirac （保羅．狄拉克） （1902－1984） 出生地：Bristol, England (英格蘭) 諾貝爾獎： 1933年（物理）

20 除了巴丁，從來沒有人得過兩次諾貝爾物理獎。他是電晶體的發明者之一，也是超導體BCS理論的發展者之一。他的研究成果付諸實際應用，革新了我們的文明；他的解析方法改變了凝體物理的理論研究。
John Bardeen （約翰．巴丁） （1908－1991） 出生地：Madison, Wisconsin (美國) 諾貝爾獎： 1956年、1972年（物理）

21 一個來自布魯克林的道地美國小孩。他所有的貢獻 - 從教學到普受歡迎的著作，以及深奧的電磁學創作 - 都洋溢著獨特的天賦。我們使用費曼圖，也由大一「費曼講義」中窺視物理的深奧。他熱愛物理，並自我描述為“滿懷好奇心的人”。 Richard P. Feynman （理查．費曼） （1918－1988） 出生地：New York, USA (美國) 諾貝爾獎： 1965年（物理）

22 楊振寧預測，在弱交互作用中，一個最基本的物理定律(宇稱守恆)將被違反。這個現象的實驗印證，導致了對稱原理及守恆定律的徹底重新思索。而Yang-Mills規範場論則成為當今了解粒子物理的基礎。
Chen Ning Yang （楊振寧） （1922－） 出生地：Hofei, Anhwei, China (中國) 諾貝爾獎： 1957年（物理）

23 電磁波發展簡史 法 拉 第 ：隨時間變化的磁場(dB/dt)會產生電場 馬克士威：隨時間變化的電場(dE/dt)會產生磁場
赫茲用LC振盪器產生電磁波 1873 1879 法拉第出生 馬克士威出生 法拉第去世 馬克士威去世 1791 1831 1867 1887 法拉第定律 馬克士威電磁理論 法 拉 第 ：隨時間變化的磁場(dB/dt)會產生電場 馬克士威：隨時間變化的電場(dE/dt)會產生磁場

24 電磁波頻段 取材自Halliday, Resnick, and Walker, “Fundamentals of Physics” 水對電磁波的 吸收係數 取材自J. D. Jackson, “Classical Electrodynamics”

25 高壓線 高壓線如何傳輸能量? 高壓線如何使人觸電？
高壓線 高壓線如何傳輸能量? 高壓線如何使人觸電？

26 住在高壓線附近的人，雖然不會觸電，但長期曝露在高壓線產生的電磁場中，是不是比較容易罹患癌症？
美國物理學會公共事務聲明 ( , ) “高壓線導致癌症的臆測尚無科學證據。” “The conjectures relating cancer to power line fields have not been scientifically substantiated.”

27 微波爐 微波爐如何加熱食物? 水分子 加熱前 電場 電場 (取材自L. A. Bloomfield, “How Things Work”)

28 微波爐為什麼選擇2.45 GHz的電磁波? 是否會干擾通訊? 為什麼加熱速度快? 為什麼省電?

29 用微波爐加熱食物為什麼有時冷熱不均？ 加熱腔內的駐波結構 加熱腔

30 微波爐漏出的輻射對人體會不會造 成傷害? 微波加熱會不會破壞食物的分子，對人體造成間接傷害？

31 電視上曾看到，用微波爐加熱的水會突然「爆炸」，這是什麼原因？

32 是否有一種武器，可以產生很強 的脈衝電磁波，破壞電子器材？
是否有一種武器，可以產生很強 的脈衝電磁波，破壞電子器材？ 低頻 E-bomb 高頻 E-bomb

33 是否有一種用電磁波照射人體的武器? Vehicle-mounted ADT concept
Infrared image of silhouette targets Vehicle-mounted ADT concept

34 微波的其他應用

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37 美國MIT林肯實驗室 Haystack radar
太空偵測設施 美國陸軍Kwajalein Atoll雷達測試場 美國MIT林肯實驗室 Haystack radar

38 同步輻射研究中心 (位於新竹科學園區) 儲存環 儲存環 高頻系統 加速環 加速環 高頻系統

39 加速環

40 儲存環週邊的實驗設備

41 核融合反應 天然的核融合爐：太陽 海水 能量

42 國際核融合實驗反應爐: ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor )
合作國家： 歐盟、美、 俄、日、中、韓 預算：150 億美元 預期完工日期：2015年 電漿溫度：攝氏1億度 預期產生功率：500 MW

43 ITER的微波加熱系統 * R. Vernon et al., in the 16th ANS Meeting on the Technology of Fusion Energy, Madison, Wisconsin, 2004

44 衛星定位系統 (GPS，Global Positioning System)
● 共24顆，圓形軌道，高度2万公里，每12小時繞地球一週。 ● 任何地方，都可同時觀測到4顆以上的衛星。 ● 美國耗資約120億美元，歷時20年，於1994年完成。 ● 可測量任何物體的三维座標、運動軌道和速度。

45 如何確定衛星的位置 — 軌道計算+雷達測量修正
如何確定衛星的位置 — 軌道計算+雷達測量修正 (取材自Trimble Navigation)

46 如何測量接收機和衛星的距離 — 時差光速 D t (取材自Trimble Navigation) 每顆衛星每毫秒送出一個該衛星特有的編碼訊號。接收機也同步產生相同的訊號，與衛星訊號到達時間比對後，其時差乘以光速即為接收機與衛星的距離。

47 如何測量接收機的位置 — 利用三角測量原理 (取材自Trimble Navigation)

48 (衛星上有精確的原子鐘，接收機上只有一般的電子鐘)
(取材自Trimble Navigation) 第四顆衛星確定接收機的位置，並修正接收機上的時鐘誤差。 (衛星上有精確的原子鐘，接收機上只有一般的電子鐘)

49 如何修正訊號在大氣中的延誤 — 設置參考接收站
如何修正訊號在大氣中的延誤 — 設置參考接收站 參考站之座標位置為已知，其上之接收機，可算出衛星訊號抵達所延誤的時間，立即傳給鄰近的接收機，或留作日後修正使用。 (取材自Trimble Navigation)