遇見科學

中國科學家在國際上首次發現量子反常霍爾效應，被著名物理學家楊振寧教授譽為「諾貝爾獎級」的科研成果。什麼是量子反常霍爾效應？它的發現有何重大意義？要了解量子反常霍爾效應，必須先認識量子霍爾效應。
舉個例子，我們使用計算機時，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道，相互碰撞從而發生能量損耗。
清華大學院士薛其坤表示，量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上前進，就好比一輛高級跑車，常態下是在擁擠的農貿市場裏前進，而在量子霍爾效應下，則可以在沒有干擾的高速路上前進。
量子霍爾效應能解決電子碰撞發熱的問題，因而在未來的量子計算、量子信息存儲方面具有巨大的應用潛力，據此設計新一代大規模集成電路和元器件，將會具有極低的能耗。然而，量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，不但價格昂貴，而且體積相當於一個衣櫃那麼大，不適合個人電腦和便攜式計算機。
而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需要的電子器件中。
在凝聚態物理中，量子霍爾效應佔據著極其重要的地位，其發現更可能帶來下一次信息技術革命。

眾所矚目的2012年諾貝爾物理獎，今年由來自法國的物理學家雅霍許（Serge Haroche）與美國物理學家溫蘭德（David Wineland）獲得，獲獎消息傳出後，不但引發物理學家高度關注，就連得獎者本身也驚喜萬分。諾貝爾獎委員會表示，透過兩位得主的研究創新歷程，讓世人得以觀測與掌控量子狀態，為未來打造量子電腦帶來更多可能性。
六十八歲的雅霍許，現任法國國家學術院與巴黎高等師範學院教授，長年鑽研物理學的他，研究出如何探究與捕捉光子的科學方法，為物理研究跨出新步伐。而與他同齡的溫蘭德則擁有哈佛大學物理學博士學位，任教於科羅拉多大學，曾研發出如何透過雷射技術將粒子冷卻至絕對零度的重要方式，不只為量子物理研究歷程寫下里程碑，更因此獲頒富蘭克林物理獎章。
為研發超級計算機
帶來更多可能性
從研究主題來看，雅霍許與溫蘭德的探究面向看似不同，但其實「殊途同歸」，都是為了深入了解光線與物質是如何進行交互作用，透過他們的研究成果，除了研發出可測量與操控個別量子的開創性方式外，也讓科學家得以承先啟後，有助於未來研發運算速度更上層樓的量子計算機，為日後「超級電腦」的誕生預先鋪路。
台中女中物理教師陳正昇表示，量子變化速度相當快，甚至比光速（每秒三十萬公里）更勝一籌，大家都知道，我們目前所使用電腦是採取「0」或「1」的二元碼儲存方式，其電腦運算速度是取決於電子的運動快慢。若將來量子電腦順利問世，將可提供更快速的運算速度，屆時可望為數位科技帶來突破性發展，這也是為什麼諾貝爾獎委員會將殊榮頒給兩位物理學家的原因之一。
除提高研發超級電腦的可能性外，透過雅霍許與溫蘭德的研究成果也有助於後人發明出時間更為精準的時鐘，其準確度不但比現行銫原子鐘超出百倍以上，還有可能成為未來計算標準時間的新基礎。
陳正昇笑著說，其實原本外界預期的熱門得獎者會是由發現可解開宇宙誕生之謎的希格斯粒子、也就是俗稱「上帝粒子」的科學家獲得，沒想到最後卻是由兩位量子物理學者獲獎，這也意味著量子研究對後世的傑出貢獻，對近代物理學來說意義非凡。

相信很多學生一聽到物理學就想豎白旗，總認為這是一門艱澀難懂的科學，其實物理跟我們日常生活息息相關，彰化師範大學物理學系教授吳仲卿表示，以廚房常見的微波爐為例，加熱原理就屬於一種物理現象，在微波照射下，食物中的水分子會來回不斷震動、相互激盪；透過分子間的摩擦來產生熱能，進而將微波爐的食品加熱。由此可見，物理學就在你我身邊，一點也不遙遠！
「與其透過理論式的紙上談兵，不如讓學生自己DIY，更能心領神會物理樂趣，」本身也在推廣科普教育的吳仲卿笑著說，透過學生動手做的過程中，不但可以將老師課本上教的知識融會貫通，還能從過程中學習如何舉一反三，讓物理學更生動活潑。
台灣大學物理系教授高涌泉語重心長他表示，在目前的教育制度框架下，讓學生在學習物理、化學等科學領域時，容易帶有功利主義的考量，往往是為了升學而學習，就連有些父母購買科普書籍的原因都是為了讓孩子從小打好科學基礎，以便於將來考上好學校、進入好公司，反而因此忽略啟發科學興趣的重要性。
物理現象無所不在
對此，陳正昇也心有戚戚焉。他表示，對許多人來說，物理是用來考試與升學的學科，但事實上，物理現象無所不在，像是摩托車或汽車引擎的運轉原理就是物理學的一環。為了讓物理更貼近生活，他常鼓勵學生每天早上出門後，試著找出日常生活中有哪些事物是與物理學有關連的，藉此開啟學生對物理世界的認知與了解，讓科學不再是一門令人感到高高在上的高深學問。
「我們不能把答案直接丟給學生，而是要引導學生如何去思考問題，」高涌泉強調，科學的發展是點點滴滴、一路積累的過程，要培養年輕學子對物理科學的熱情，教育單位、學校、家庭的角色格外重要，必須要多管齊下、提供一個培養科學素養的肥沃土壤，讓學生心中的科學種子可以從土壤中吸取養分、逐漸成長茁壯。

科技，始終來自於人性。但你可知真正落實這句話的是一門跨領域且複雜嚴謹的科學？其實，這樣的概念約莫150年前即有學者提出，他認為如何安全、舒適且有效率的工作是值得被重視和研究的，而「人因工程」概念便由此開始延伸：以探討人體在工作或生活中對周遭設備使用和設計的一門綜合科學。其中，與我們生活密不可分的「照明」，更是該領域近年來的發展重點，工研院於去年更是與日本九州大學合作完成台灣首座國際級「人因照明」實驗室。什麼是人因照明呢？讓我們一同了瞭解。
照明為人類不可缺的基本需求，而不同的人工光源的強度及顏色皆會影響人產生不同的心理層面感受。舉例來說：象徵日光的藍色光譜可讓人提高警覺，黃色燈源則會給人溫暖且放鬆的情境。而不同於以往只能使用的白熾燈或水銀燈的時代，台灣 LED 照明產業的開發已普遍在生活中的應用。因此，除了過去注重的高亮度與節能外，科學家更仰賴 LED 光色可調控性與高演色性的特點進一步研發「人因照明」。光色可調控性是學者可利用無線系統和數位化調控 LED 色溫與亮度，並監控人體腦波、心電及皮膚溫度等生理條件，以研究在特殊光源下情緒的反應。如此一來，使用者即可隨著不同時間、心情和場合，隨時透過個人行動裝置控制燈光，達到燈與人的互動；此外，由於LED 光源亦具有高演色性優點，亦即可高度模擬在太陽光底下物體的忠實顏色，以降低色差。
LED 照明不但重新定位了「光」不只是氧化燃燒產生而來的現象，而是可以藉由半導體電子激發出不同的發光強度與波長；人因照明則正是利用其原理上的可變性，進一步使生活照明更舒適，進而更體貼人體生理情境所需。

最近有一則有趣的廣告引起大家注意：一台兩側車身分別架設著錄影機和LED看板的汽車奔馳在德國市區，其沿路所拍攝到的即時影像傳至看板播放，車身頓時便成了街景的轉播螢幕。在廣告中，除驚歎車子彷彿隱形的創意外，其實還顯示出了LED 顯示器的技術成熟；而日前甫剛落幕的美國消費電子展（Consumer Electronics Show, 簡稱CES）更揭曉LED即將由過去只是取代日光燈源的配角，躍升為顯示器的主角。
我們都知道光有不同波長因此顯示出不同顏色，電視的成像即是利用此原理而來。過去的電視是利用在陰極射線管內設置電子槍、磁場與電場等裝置，由游離出的電子撞擊玻璃內的螢光物質，進而激發紅、綠或藍光而成色，但因設備所致，體積龐大成了發展大型電視的限制。因此，不需要複雜裝置的液晶電視便趁勢而起了。傳統LCD 電視是以冷陰極射線管（CCFL）作為背景光源，LED 電視則是改用LED點光源當作背光模組，這可有效節能及減少背光體積。但不論是哪一種，皆需一背光模組當作顯像光源來源，才可使液晶面板成像。
那為何這次LED能再次在CES展覽引起話題呢？那是因為LED晶片可直接作為「顯示器發光兼成像」：亦即透過電路可直接控制每個二極體的明滅和RGB（光的三原色）混色，這意味著不再需要透過液晶成像，同時省去只發光不顯色的背光模組等物件，體積上將更輕薄；另一方面，由於透過RGB點光源的陣列直接顯示畫面，除了訊號反應更快外，解析、色彩飽和與對比度亦都將更佳。
台北市立大同高中物理科教師陳文楠比喻，當我們拿著玻璃紙看日光燈時，不論我們疊再多層都還是可依稀察覺到光源，這是因為「光」本身是持續存在的，並未被關掉，所以無法達到「完全黑暗」的效果，那該怎麼辦呢？聰明的你或許已經想到答案了! 沒錯，便是將電源切斷即可。現今電視利用液晶分子過濾背景光源的原理就如同玻璃紙的遮光現象，所以要達到完全對比，亦即全亮／全黑的程度是有困難的；反之，若是透過直接控制每個光源的開與關，便可輕易達到完全對比的效果，而這正是LED作為顯示器令人驚艷的新突破。
陳文楠亦表示，近日科技的許多發展，呈現了向過往人類發展歷史學習的有趣現象。例如LED直接成像的技術，其概念等同過往陰極射線撞擊螢光物質的點光源成像概念。
高雄第一科技大學太陽能光電技術研發中心主任沈志隆表示，相較於目前常見的LCD電視， LED電視可以展現多樣化光源，除了光源更明亮、色彩更鮮豔外，LED壽命也比LCD長。不過，他也談到，雖然LED電視發光效率比較高，但卻有散熱不易的問題，因此若要讓LED電視普及化，還得借助科技之力來改善。
除LED電視可望成為視覺新主流外，隨著時代變遷與科技進步，近年不少國際大廠也積極研發有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode，簡稱OLED）相關產品。沈志隆表示，OLED具有對比高、耗電低、高反應全彩等優點，除此之外，最大特點在於電子廠商可利用OLED研發出可彎曲的顯示螢幕，不但更薄、更輕巧，也能應用於不同視聽環境。
「未來電視不見得要固定在牆壁上，也可以捲起來帶著走，」沈志隆笑著說，隨著電子科技的日新月異，也為電視機等家電掀起一股新革命，或許在不久將來，我們就能看到可彎式電視機量產上市。
此外，近來當紅的雲端科技發展，精神也類似五十年前電腦發展初期，大型主機負責運算與儲存資料，個人只能使用終端機操作的概念。將來新的科技應用與發展，有沒有可能是過往文明要素的復活與再應用，值得注意與觀察。

ALMA是什麼？一般人對這個名詞可能很陌生，但對天文學家而言，它卻是未來的「明日之星」。ALMA全名是Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array，中文為「阿塔卡瑪大型毫米波及次毫米波陣列」，由北美、歐洲及東亞多國共同合作，是全球目前規模最大、耗資最巨的地面天文望遠鏡計畫。台灣則是透過與ALMA-日本、ALMA-北美兩個分區團隊的合作，加入這個計畫。經過這幾年來的經營，台灣團隊在毫米與次毫米波天文學領域累積了豐沛的能量，也獲得了國際的肯定。
ALMA地面望遠鏡陣列之所以發展，是因為相較於哈伯這類太空望遠鏡的花費要少得多，同時地面望遠鏡還可以隨時維修保養。然而地面觀測會受到大氣層吸收電磁波的干擾，影響吸收干擾程度的因素很多，除了和電磁波本身頻率有關外，和觀測地點空氣的溫度、密度、成分，氣流、水氣、光害等也都有關，唯有成功穿透大氣的電磁波才能被望遠鏡觀測到。基於以上因素及觀測地點交通和地形等種種考量，智利北部海拔五千公尺的阿塔卡瑪沙漠被各國天文研究單位公認是最適合觀測的地點。
現任中研院天文所副研究員，同時也是ALMA國際天文計畫會員國派駐智利觀測站天文學家的松下樹（Satoki Matsushita）表示，當自己還在念博士時，就已注意到ALMA，雖然當時計畫還未成型，陣列概念也才剛出來，他和論文指導教授就已開始為日本大型毫米次毫米波計畫進行場地測試任務。除針對毫米到次毫米範圍的電磁波製作儀器，測量這個波長範圍電磁波穿透大氣的能力外。他們還將其他波段的電磁波與220GHz電磁波的穿透能力進行比較，建立出一套對照分析方法，這也成為後來ALMA觀測的重要參考基礎。
松下樹表示，ALMA是規模很大的計畫，分工精細；其天線與相關儀器更是根據天文學家的需求、交由工程師團隊「量身打造」，而天文學家彼此也都各司其職。以他自己在智利觀測站的任務為例，就是負責蒐集觀測資料、測試並驗證，以提升陣列觀測訊號穩定度。當訊號穩定度愈高時，也代表ALMA接收的資料品質愈高；有助於接收到更微弱或更穩定的宇宙訊號，讓天文學家有更多機會去研究太空中和生命起源有關的微量分子或追溯宇宙源起。
ALMA啟用後，就連500公里外的一元硬幣都清晰可見。松下樹表示，ALMA陣列特別之處在於它可以進行毫米波與次毫米波範圍的觀測，偵測波長位於0.3毫米與9毫米之間，這是「哈伯太空望遠鏡」無法觀測的範圍，可用於探測太空低溫物質。
ALMA陣列從2005年開始興建，預計明年竣工的陣列，屆時將有66座天線，其靈敏度不但是目前所有同波段望遠鏡的一百倍；其空間分辨率更高達哈伯太空望遠鏡的10倍。換言之，藉由ALMA這座陣列望遠鏡，可以讓我們看得更遠、更細；對於未來探索宇宙起源、銀河系中心超大質量黑洞乃至生命形成等重要天文課題的研究，都可望有突破性進展。

ALMA在智利的聯合觀測站共由三個基地組成，分別是海拔五千多公尺阿塔卡瑪沙漠頂端的天線所在區與三千公尺處的觀測基地，以及位於首都聖地亞哥（Santiago）的ALMA總部。
阿塔卡瑪沙漠是世上數一數二的乾燥地帶，不適合人類居住，科學（Science）雜誌曾報導此地的土壤和火星類似（Mars-like soil），乾燥程度連微生物都難以生存。在那裡工作的ALMA工程師和工人每天一早開車登上天線區；那裡沒有住宿設備，只有簡單設施與基本氧氣供應配備供保全人員或因風暴和交通問題滯留的人臨時過夜，因此下午得再返回觀測基地，兩千公尺海拔差距的車程，單趟約需30分鐘到1小時。
松下樹表示，和他一樣負責觀測與操作測試的天文學家，都是從觀測基地用儀器「遙控」山上天線的。而他也談到天文學家不為人知的研究型態，他們必須一連8天，不分周末假日晝夜地在觀測基地蒐集測試資料，同時進行簡單的測量和分析，之後是6天的休假。接下來則待在聖地亞哥總部進行資料分析，兩周後再搭機兩小時，轉乘ALMA基地接駁車，然後再花兩小時回到觀測基地開始另一個周期的測試工作。一個月周期中，第一天和最後一天會各花個大半天時間在旅途上。
像松下一樣來自各國、進駐智利ALMA總部的天文學家共約25名，其中每天會有至少5到6名同時留在觀測基地工作，此外還有來自全球各洲會員國的科學家不定期來訪工作。
當然，在ALMA觀測時數的競爭上，科學研究計畫的優劣仍是最終成敗的關鍵。在這方面，松下認為，台灣有著另一個重要優勢─就是我們還有次毫米波陣列（SMA）！能提供SMA初步觀測結果的ALMA觀測申請計畫，這不論在科學數據或經驗值上，都更有競爭力。他表示，台灣目前向ALMA提出觀測申請的單位，除了中研院天文所，還有中央、清華和台大天文系所，大家都希望未來能透過ALMA的運用揭開更多不為人知的天文面紗。

 
相信許多人在這幾年都聽過上帝粒子這個名詞，也看到位於瑞士和法國國境交接處神祕的大型實驗裝置─大強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）正在實驗的新聞，到底什麼是LHC與上帝粒子？讓我們回到這一切故事的源頭。
從二十世紀初期，物理學進入原子核世界的探索後，其目標不外乎是物質如何被組成，以及基本組成的粒子之間交互作用為何。這樣的研究，被稱作是粒子物理學或是高能物理學。實驗方式基本上是讓兩群高速運動的微小粒子對撞後，分析探究其中是否有更小的基本粒子組成與其特性。
那為什麼是用高速的粒子對撞呢？台北市立大同高中物理教師陳文楠以汽車舉例，假設今天有兩部汽車分別以時速十公里速率迎面對撞，結果有可能只是車身烤漆掉了一些，但我們無法知道車子內部的情形。但如果對撞的速率分別提高到時速一百五十公里，則有機會在現場查驗到從車子內部飛出來的一些物品，例如汽車座墊、後照鏡碎片、安全氣囊等。藉由一次次檢視高速對撞後飛出來的物品，就有機會逐漸還原一台汽車的內部組成。同樣的概念下，若要了解已知的基本粒子是否有可能由更基本的粒子組成，讓這些基本粒子以高速對撞，並加以分析其結果，便成為一個重要的實驗方法。因此，從二十世紀中期開始，全世界各國便開始紛紛建立起粒子加速器。
加速器中主流的環形加速器，是建造一個圓形的軌道，讓帶電粒子束在軌道內被抽成高度真空的環境下進行繞行。軌道中將會遍布磁鐵，是為了讓帶電粒子束在軌道中順利轉彎與聚焦在一起。帶電粒子束轉彎時會沿著瞬間運動的切線方向放出電磁波，能量因而降低，因此，環形加速器還需設計讓帶電粒子束可以補充或增加能量等裝置。
圓形軌道周長達二十七公里的大強子對撞機，是由歐洲核子研究組織（CERN）建造完成。該組織由歐洲二十個國家組成的大型科學團隊，由1995年開始建造LHC，並於2009年完成試運轉，可提供十四兆電子伏特能量的加速器。目前全世界有將近一半的粒子物理學家都聚集在LHC，展開一項項的科學實驗，其中最引人注目的，就是被稱作上帝粒子的希格斯粒子發現與否。
為什麼希格斯粒子這麼重要呢？那是由於粒子加速器的大量建造，許多比質子還小的基本粒子紛紛在對撞實驗中被發現，數量高達數十種。到了一九六○年代，物理學家葛爾曼便提出了夸克（quark）的概念，他認為這許多比質子還要小的基本粒子，是由更基本的粒子去構成的，最後實驗證實了葛爾曼的理論。因此，在夸克理論帶領下，粒子物理學家發展出一種目前主流的學術理論來解釋物質的組成，它被稱為是「標準模型」。標準模型就像是元素週期表可以解釋化合物的組成一樣，它可以解釋自然界目前已知的四種基本作用力中的強作用力、弱作用力及電磁力，但最大的缺憾是它無法解釋物質質量的來源，也無法與重力做一個完美的統合。
為彌補上述缺憾，物理學家希格斯提出希格斯場與希格斯粒子來解釋物質質量的形成機制。根據計算，LHC可以提供的粒子撞擊，應該可追蹤出希格斯粒子。因此，經修補後的標準模型，唯一尚未被發現的希格斯粒子，經理論預測應該要在LHC的高速粒子對撞中現身。所以，LHC是否能驗證希格斯粒子的存在與否，便成為近期物理學界最重要的焦點了。
不管如何，LHC的建造與相關實驗的進行，讓我們經歷了人類科學史上重要的時刻，也將會讓物理學界熱鬧好一陣子。相信，未來數年內，LHC及其相關實驗仍將會常常占據科學新聞的重要版面，讓我們期待許多有趣的新發現吧。

粒子加速器的發展歷史中，意外地開展了一門「同步輻射」的新領域。由於帶電粒子在改變運動方向時，會沿著原本的瞬間運動方向放出電磁波，其電磁波的頻率，會依照帶電粒子擁有的動能高低來決定，這樣一個源自於電子偏轉的電磁波，即稱為「同步輻射」。在這意外發現不久後，許多科學家隨即意識到，這種可藉由調整粒子加速器的控制電子偏轉，並進而控制放出的電磁波頻率與強度的輻射是極為優異的實驗光源，相關的應用研究便迅速的由物理、化學擴展到材料結構、生醫及地質等多元領域。
伴隨科學家聰明的頭腦和加速器技術不斷地改進，目前台灣最大的環形加速器是位於新竹成立近二十年的國家同步輻射研究中心。但因應國內快速成長的研究需求和國際競爭之挑戰，國家同步輻射研究中心目前正在進行「台灣光子源」的擴建計畫，預計2014年完成後，可以提供能量達三十億電子伏特光源，以供國內外各學術機構進行相關實驗，期許能在不同領域的研究帶來新亮點。