Category 物理學

發明雷射的人

「早安，女士先生們，我們今天在此向各位宣布：人類已經成功達成科學家們企求多年的目標。有史以來第一次，出現了同調性（coherent）的光源。換句話說，追尋已久的雷射不再是難以捉摸的夢想，而是已經確立的事實。」1960 年 7 月 7 日，梅曼（Theodore Maiman）博士在紐約的一場記者會中自豪地如此宣告。 的確，自 1950 年代起各路人馬競相研發雷射，卻始終難以突破，沒想到最後拔得頭籌的，竟然不是貝爾實驗室等有著輝煌紀錄的研發機構，而是製造飛機的休斯公司（Hughes Aircraft Company）在二次大戰後才成立的實驗室，而且發明者是加入才第四年的梅曼。 梅曼出生於 1927 年 7 月 11 日，從小就是個過動兒，卻能耐著性子跟在當電子工程師的父親身邊做實驗，也因此十幾歲時便能幫別人修理電器用品來賺取零用錢。他在史丹福大學拿到電機碩士學位後，繼續攻讀博士，但轉向實驗物理，利用微波光學測量氦原子光譜的精細結構，而這也為他日後研發雷射打下基礎。 梅曼拿到物理博士學位後，於 1956 年到休斯公司的原子物理部門上班，負責改良為陸軍打造的邁射（MASER）設備。邁射和雷射都是基於同樣的原理。原子吸收能量（入射光子）後，電子會被激發到較高的能階，但因激發態較不穩定，因此電子會再跳回低能階，同時以光子（放射光子）的形式釋出兩個能階的能量差距。 如果入射光子的頻率剛好對應於兩個能階的能量差距，那麼誘發出的放射光子，無論是頻率、相位、前進方向都會和入射光子完全相同（稱為同調性），於是便有了兩個同調性的光子。這兩個光子又可激發出另兩個光子，如此不斷倍增便產生能量極強又集中的光束。這種方式產生的光束就叫「受激輻射造成的光增強」（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），簡稱雷射（LASER）。若光束是波長比可見光長（因此能量較低）的微波，就叫「受激輻射造成的微波增強」，把 Light 換成 Microwave，簡稱邁射。 雷射和邁射的理論基礎最早是由愛因斯坦在 1917 年發表的論文中所提出，此後又有許多物理學家進行相關實驗，並提出如何付諸實現的構想，但要到 1953 年，美國物理學家湯斯（Charles Townes）才利用激發態的氨分子成功產生邁射。不過湯斯的邁射無法連續發射，反倒是蘇聯物理學家巴索夫（Nikolay Basov）和普羅霍洛夫（Alexander Prokhorov,…

【純屬意外的發明與發現】——放射性

1896 年的今天 (3 月 1 日)，巴黎的上空仍佈滿厚厚的雲層。法國物理學家亨利·貝克勒 (Henri Becquerel) 望著窗外陰沉沉的天空，嘆了口氣。他打開抽屜，把已經放了二、三天的東西拿出來，猶豫著要如何處置……。 兩個多月前，德國物理學家倫琴 (Wilhelm Röntgen) 發表發現 X 射線的實驗，還附上其夫人的左手在 X 射線照射下的相片，幾根手指的骨頭清晰可見，令世人大為震驚。倫琴之所以用 X 射線來命名，是因為他自己也不知其來源為何，究竟是直接在陰極射線管的陰極產生？還是陰極射線撞擊到管內的稀薄氣體或玻璃所致？貝克勒讀了倫琴的論文後，決心揭開 X 射線的神秘面紗。 貝克勒研究燐光礦物多年，他不禁猜想燐光礦物在吸收光線後發出螢光的同時，或許也發出看不見的 X 射線？不過 X 射線的能量顯然比螢光強得多，燐光礦物可能得吸收更充足的陽光，才能產生 X 射線。 1896 年 2 月，貝克勒取得一塊鈾鹽後，開始著手進行實驗。他將感光底片緊緊夾在兩張黑色厚紙板之間，放在太陽下一整天後，確認沒有透光造成底片變色。接著他再將鈾鹽放在黑紙板上曬幾個小時，再沖洗底片，顯影後果真出現鈾鹽的形狀，代表有來自鈾鹽的射線穿透黑紙板。 這個結果讓貝克勒非常興奮，但他還是按捺住內心激動，再仔細想了一遍，察覺不見得是無形的射線造成，也有可能是鈾鹽蒸發的分子穿透厚紙板所致。為了排除這個可能性，他又在鈾鹽與黑色紙板之間放了一片玻璃，再重新做一次實驗，結果底片沖洗後，仍然出現鈾鹽的影像！看來這足以證明他的猜想：鈾鹽吸收光線後會發出 X 射線。 貝克勒趕緊向法國科學院報告所作的實驗，隨即受邀於 3 月 2 日前往對院士們發表。為了慎重起見，他想在啟程前再做幾次實驗確保無誤，怎知天空不作美，他在…

敬邀一睹地球轉動——傅科擺首次公開演示

哥白尼於 1543 年臨終前發表日心說後，原本沒人相信。經過後來伽利略、克卜勒、牛頓等人的努力，使得日心說模型完全符合各種天文觀測，又有明確的科學原理，到了十八世紀，人們才終於接受地球真的在轉動。 然而這純粹是理性思維的結果，並不是有什麼方法讓人真的能察覺到地球的轉動。因此當 1851 年 2 月初，巴黎的科學家們收到物理學家傅科 (Jean Bernard Léon Foucault) 的請柬，看見上面寫著「敬邀一睹地球轉動」(“You are invited to see the Earth turn”) 時，莫不感到驚奇與期待。 傅科於 1819 年在巴黎出生，原本學醫的他發現自己有懼血症而放棄醫科，轉向物理領域。他與另一位同樣放棄醫學的同學菲佐 (Hippolyte Fizeau)，一起研究銀版照相法的改良，成功在 1845 年拍下第一張清楚的太陽照片。他們還共同發明利用轉動的葉片與反射鏡測量光速的裝置，不過兩人不久後就鬧翻而分道揚鑣，各自研究。 1850 年底，傅科著手改良拍攝恆星的攝影裝置。星光黯淡，必須長時間曝光才足以讓恆星在底片上顯影，但由於星星在天空會一直移動，拍攝出來的照片變成拖曳成線的星軌圖。若要讓恆星在底片上保持在固定位置，必須讓對準恆星的鏡頭也以同樣速度跟著轉動才行。 傅科想到或許可以利用驅動鐘錶的擺桿，做為轉動照相機的依據。於是他將相機放在活動的車床底座，然後將一根金屬擺桿安裝在車床上方的支架，試圖藉由擺桿擺動來控制底座轉動。不久後他發現擺桿來回擺動的方向並沒有隨著底座旋轉而改變；根據牛頓的慣性定律，這一點兒也不奇怪，但他卻靈光一閃，腦中浮現了一幅景象： 如果車床底座擴大為整個房間地板，我們站在地板上一起慢慢旋轉，從天花板垂吊而下的擺桿來回擺盪，在我們眼中看來就會逐漸改變擺盪方向。等等，其實根本不用讓地板旋轉，地球本身就在自轉，我們站在地面上不就也會看到擺桿改變擺盪方向？ 當然，理論上在南北極做這實驗的效果最佳，繩擺應該會在整整 24 小時後——也就是地球自轉一圈的時間——剛好轉動 360 度，回到原來的擺動方向。在巴黎一天只會改變 270 度，不過沒差，還是可以顯示地球自轉的效應。 傅科從…

從量子貨幣到量子密鑰

「量子資訊就像夢中的資訊，當你試圖描述你的夢時，也改變了你對它的記憶，因此最終你忘卻了原來的夢，記得的只是你對它的描述。」 ——班奈特 (Charles Bennett) 上一篇提到威斯納 (Stephen Wiesner) 在 1968 年所寫的論文〈共軛編碼〉遭到退稿，就連指導教授也不支持，認為這不是「正經的科學」。說實話，這也不能怪編輯與教授不識貨，畢竟無論就技術可行性（怎麼把光子嵌進貨幣中？）或成本效益面（防偽裝置本身比貨幣價值貴萬倍以上）而言，量子貨幣怎麼看都是個不切實際的空想。 〈共軛編碼〉這篇論文原本就此石沉大海、永不見天日了，所幸威斯納影印了一份給之前的大學室友班奈特，十五年後，原是空中樓閣的量子貨幣，竟化為實際可行的量子密鑰，為量子通訊揭開了序幕……。 到 IBM 上班的生化博士 班奈特的雙親都是音樂老師，不過他自小就立志成為科學家，當別的小孩在外玩耍時，他卻埋首於《科學美國人》雜誌。有次他媽媽走進廚房，納悶爐子上怎麼有一鍋正冒著泡的湯，她用勺子一撈竟是隻烏龜。原來是班奈特試圖用鹼性液體溶解烏龜肉體，以製作完美的骨架標本。 受到華生和克里克發現 DNA 雙螺旋結構的影響，班奈特決定要當個生化學家，於是 1960 年進入布蘭戴斯大學 (Brandeis University) 便選了化學系，大學畢業後再到華生任教的哈佛大學攻讀生化博士，並如願擔任華生的助教。 班奈特所選的研究領域是還相當新的分子動力學，也就是用電腦模擬分子間的交互作用，因此他在研究所還修了數理邏輯和資訊理論的課程，而這也為他日後轉換跑道埋下伏筆。 1972 年，班奈特在做了兩年博士後研究之後，轉而到 IBM 的實驗室上班，專門研究資訊理論。在思索資訊處理與熱力學的關係之餘，他的腦海中總不時浮現威斯納那篇論文，裡面那個讓他讚嘆不已的量子貨幣。 從防偽到加密 班奈特大三時，威斯納才來讀布蘭戴斯大學，兩人差了兩屆，又不同科系，卻同樣對科學充滿熱愛。兩年室友期間，威斯納不時述說量子物理的種種奇妙現象，班奈特獲得新知的同時，也產生了高度興趣。這或許是為什麼幾年之後，威斯納特地將無人認可的論文寄給他，冀望至少有個知音懂得欣賞。 量子貨幣的構想的確令班奈特十分著迷，尤其在他加入IBM 研究資訊理論後，更覺得如此巧妙的設計應該可以用來做什麼。他不時拿出論文重讀，卻始終想不出實際應用。如此琢磨了十年，直到 1979 年，他參加 IEEE（電機電子工程師學會）舉辦的計算機科學研討會，遇見蒙特婁大學的布瑞瑟德 (Gilles Brassard) 教授，終於出現轉機。 布瑞瑟德專門研究密碼學，他聽見班奈特轉述量子貨幣的構想後也是眼睛一亮。光子不同的偏振方向可以用來代表 0…