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  • (第一章)粒子、場和量子場

    一切物質皆由基本粒子組成。粒子物理學是一門研究基本粒子相互作用的物理學分支。從還原論角度看,粒子物理學是自然科學的基礎。在「粒子物理行」裏,我們會踏足粒
    子物理學的每個角落,包括粒子物理的基本概念、主要研究成果和一些有關歷史。

  • 量子電動力學又一重大勝利------ATLAS實驗首次發現光子-光子彈性散射

    LHC的ATLAS實驗於2017年8月14日在學術期刊《自然》宣報首次發現光子-光子彈性散射(γγ→γγ),並且所量度到的散射截面與標準模型預測吻合。光子-光子散射在經典電磁理論中不可能發生,它是純粹的量子效應,是量子電動力學的一項驚人預言。光子-光子散射早在1930年代已被提出,在80多年後的今年終於被實驗證實。

  • 理論物理學的硏究方法

    Dirac: “我將試著讓各位對理論物理學家如何在試圖獲取對自然定律更美好的了解時所採取的行動,也就是對理論物理學家的工作有一些概念!”

  • Majorana 費米子

    1938年的3月25日,義大利物理學家Ettore Majorana突然消失,沒有人知道他去了哪裡。留給世人的是他不可思議的物理天份:從美學的角度出發,Majorana發現迪拉克方程式的一個特殊性質,進而提出一種特別的基本粒子 --- Majorana費米子 --- 自己是自己的反粒子。

  • 馬約拉納和馬約拉納費米子

    費米 (Fermi) 曾這樣說過:「科學家分為幾個等級。那些二三流的科學家,他們盡了一生之力也没有什麼突破。而一流的科學家則能作出對科學發展具重要性的發現。最高級別是如伽利略和牛頓這些天才,馬約拉納是其中之一。」

  • 細節與專家——Bardeen馬失前蹄?

    Bardeen是史上惟一得過二次諾貝爾物理學獎的科學家,但社會人士不知他是誰,物理系學生也大多不知他是誰。

  • 看見伴隨重力波的光:愛因斯坦相對論再次撼動世界

    2017 年 10 月 16 號,天文學家宣布已經探測到伴隨著電磁輻射的重力波。人類科學史將從此永遠改寫。

  • 拓樸絕緣體之能帶結構、輸運性質與場效電晶體元件之介紹與研究

    傳統上,物質的狀態分類主要是依循原子對稱性破壞的原理,如晶體、多晶體與非晶體。從宏觀電性來說,物質可以大致簡單分為三類:導體、絕緣體跟半導體。量子霍爾態 (Quantum Hall state) 在西元1980年被發現,提供了新物質態-量子態的第一個特例。它沒有自發地斷開原子對稱性,然而其電子結構與輸運行為僅取決於其拓樸性 (topology) [1]。本質自旋霍爾效應 (Intrinsic Spin Hall Effect) 的理論在2003年被提出[2][3],說明物質中自旋的分離是因為物質的本質能帶結構造成的,引發了大家對於能帶以及自旋電流研究的興趣。雖然當時最根本的原因尚未確認,但卻埋下了大家對於量子版本的自旋霍爾效應猜測的種子。美國理論學家C. L. Kane及E. J. Mele在2005年提出石墨烯 (graphene) 是具有量子自旋霍爾效應 (Quantum Spin Hall Effect) 的一種材料[4]。他們認為石墨烯微小的能隙會因為自旋軌道耦合 (Spin-orbital coupling, SOC) 的效應而打開,進而變成絕緣體;此外其邊緣態 (Edge states) 也會出現於能隙中。這樣的行為和量子霍爾效應是非常像的,然而這不需要一個外加的磁場。

  • 拓樸超導體

    拓樸超導體是一種特別的物質。顧名思義,它擁有一般超導體的性質,例如完整的超導能隙 (superconducting gap)。然而不同於一般超導體的是其超導庫柏電子配對 (Cooper pair) 具有手性 (chirality),如同拓樸絕緣體的表面電子態具有手性。而手性超導配對的一項重要特性就是在邊緣或是缺陷處會有馬約拉納(Majorana) 準粒子束縛態的存在。馬約拉納費米子 (fermion) 是一種本身為自己反粒子的費米子。因此,當兩個馬約拉納費米子在一起時就會互相消滅而無法探測。在基本粒子理論,微中子可能是個馬約拉納費米子,但是實驗還無法確認這個預測。在凝態物理的拓樸超導體中,兩個馬約拉納準粒子可以在相離很遠的邊緣或缺陷處各自存在,因此有機會被探測到。例如我們施加磁場在超導體這樣符合電子─電洞對稱 (particle-hole symmetry) 的系統中,馬約拉那準粒子會被束縛在超導渦旋 (vortex) 的零能量處,實驗即可量測到零偏壓時導電率的峰值 (zero bias conductance peak),而這也是拓樸超導體的一個重要現象。馬約拉納束縛態不會被外界干擾而退相干 (decoherence),此特性可應用於容錯性量子計算,因此探測馬約拉納準粒子是目前凝態物理的關注焦點之一。

  • 拓樸材料與拓樸能帶理論

    百萬年前,人類與動物沒有太大差別,撿撿石頭、樹枝、果子。但跟其他動物相比,人類太過於弱小,為了提升在自然界的存活率,人類開始製作石器,進入了石器時代。隨著時間演進,人們開始學會以火製作陶器,甚至煉製金屬。到了十九世紀,更有了煤礦與合金,工業革命因此產生。石油與半導體可說是二十世紀的代表,我們的生活都與這兩樣東西息息相關。二十一世紀雖還沒結束,但我們已將高溫超導體用於醫療核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance),巨磁阻 (magnetoresistance) 材料則是大容量硬碟的基礎。至此,我們可發現,人類生活方式的演進與材料發展緊密相連,材料的歷史可說是人類的歷史。

  • 1923年諾貝爾物理獎:羅拔.密立根

    「科學是由理論和實驗雙腳前進的學問……有時候一隻腳會踏前,有時候是另一隻腳,但只有雙腳並用才能不斷進步。」這是羅拔.密立根(Robert Millikan)在1923年諾貝爾講座上說的話。密立根因為準確測量出電子的電荷以及他對光電效應的研究獲頒1923年諾貝爾物理獎。

  • 1922年諾貝爾物理獎:尼爾斯.波耳

    1922年諾貝爾物理獎得主又是另一個鼎鼎大名的科學家,他就是量子力學教父尼爾斯.波耳(Niels Bohr)。波耳的電子能階原子結構模型,相信每位理科生都必定學過。

  • 1921年諾貝爾物理獎:阿爾伯特.愛因斯坦

    1921年諾貝爾物理學獎得主肯定是史上最著名的科學家。他憑一己之力修改了過去幾百年來從未出錯的牛頓力學,發現了狹義相對論和廣義相對論。他就是阿爾伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)。不少人以為愛因斯坦獲得諾貝爾獎的原因必定是相對論,甚至連不少德國人也是這麼想的。其實他是因為解釋了光電效應而獲獎,即是太陽能電池的運作原理。

  • 1918年諾貝爾物理獎:馬克斯.普朗克

    1918年諾貝爾物理獎得主,就是大名鼎鼎的物理學家馬克斯.普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)。他的研究和愛因斯坦的相對論一起成為了現代物理學的基礎,甚至連愛因斯坦的諾貝爾得獎研究——光電效應——也是基於普朗克的革新概念:量子(quanta)。

  • 散不散開有關係:對「負質量」的辯論

    牛頓第二運動定律告訴我們,物體加速度的方向與所加外力的方向一致。但是在新近的一個實驗裡,觀察到原子蒸汽中的原子加速度方向居然與所施外力的相反。這表示那個原子蒸汽的運動挑戰了現存的物理定律?

  • 人類將重新定義公斤 從此宇宙間牛扒質量都相同

    牛扒不會變輕、我們也不會變瘦。使用宇宙通行的基本常數去定義各度量衡單位,是科學文明的一大進步。因為科學研究,應建基於客觀的、可重複的實驗結果之上。

  • 超低溫原子實驗驗證量子相變的時空對稱性

    當一個物理系統在發生相變時候,微觀尺度的細節不再扮演重要的角色,一個巨觀的普適性理論(universal theory)原則上就可以描述相變的物理現象,不管這個現象是發生在生物學的系統、電磁學的系統、液晶系統、甚至是整個宇宙的宏觀結構。普適性的理論對於描述平衡態的物理已經相當的成功,當系統快速地經過相變,系統的演化過程是否也可以用一個普適性的理論來描述呢?

  • 1913年諾貝爾物理獎:卡梅林・昂內斯

    物質有哪幾種狀態?氣態、液態、固態,還有形成火焰的離子態,都是日常例子。1913年的諾貝爾物理獎就頒給卡梅林‧昂內斯(Kamerlingh Onnes),表揚他成功把氦氣液化,而且創下了當時人造最低溫紀錄:絕對零度以上1.15度——1.15K——即攝氏 -272度。

  • 宇宙膨脹可能均速、也可能加速

    愛因斯坦在1916年正式發表廣義相對論之前,宇宙被普遍認為是物理世界的一個背景舞台。廣義相對論描述時間、空間、物質、能量的互動,把宇宙由背景變成了主角。

  • 加壓冷卻

    有效且對環境友善的固體冷媒可能很快的會進場來取代冷卻設備中使用的含氯氟烴(即破壞臭氧層的CFC)冷媒。根據佩德羅.喬治.房欒奇(Pedro Jorge von Ranke)在「應用物理通訊」期刊刊出的論文,有一類稱為「自旋交叉」系統的材料可能會展現出夠大的壓力引發熵變化,使得它能在實際的冷卻循環中使用。

  • 量子隱形傳送的突破為什麼還是無法讓我們如星艦船員一樣在宇宙間迷航?

    運用量子力學所揭諸的詭異「量子隱形傳送」特性:量子質點的「狀態」能在兩地間瞬間傳送,兩組研究團隊目前已經創下了量子隱形傳送的傳送距離記錄:其中一組是在加拿大卡爾加里地區用光纖傳送了光子的狀態6.2公里遠,另一組則在中國上海地區傳送了光子的狀態達14.7公里。

  • 一個恆星爆炸經重力透鏡產生了四個影像

    去年夏天,當一顆遙遠的星星在天際爆炸,天文學家得到了不是一個,而是四個放煙火般的影像。這張多重影像是一個星星爆炸後的光線因重力彎折所產生的,是辜壩(Goobar)與同僚在「自然」期刊(Science)所刊出。這也是第一次觀察到的超新星經由所謂的強重力透鏡後產生的影像。

  • 2016諾貝爾物理學獎:拓樸相變和拓樸物質的理論研究發現

    二零一六年十月四日,諾貝爾物理獎頒給美國華盛頓大學的David J. Thouless, 布朗大學的J. Michael Kosterlitz和普林斯頓大學的Duncan M. Haldane,三位得獎人均為英國出身。得獎的理由是『拓樸相變和拓樸物質的理論研究發現。』( For theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter)

  • 由兩個介子所組合成的奇怪原子

    位於 CERN 的 DIRAC 實驗發表了他們的新結果。他們發現了一種特別的原子,由兩個介子所形成。

  • 當前量子電腦的大計劃

    第一批的量子電腦已經快要問世了。在紐奧良召開的2017美國物理學會三月大會的第一天一大早,來自谷歌(Google)、微軟(Microsoft)、和哈佛大學的研究者們就在一個擁擠的房間裡,向擠在裡面的物理學者們討論他們最近在量子電腦方面的成果以及他們對這個還不太成熟的技術的近程計畫。

  • 從磁性材料看希格斯衰變

    依據一份傑恩(Jain)及其研究團隊在「自然物理」(DOI: 10.1038/ nphys4077)刊出的報告,二維的反鐵磁材料可以提供希格斯波色子衰變一個凝態版的類比。

  • 質子有多大?

    一個國際團隊對一個由緲子與氘所結合的緲氘原子進行了仔細的光譜測量,並進而測量出氘原子的半徑。他們發現氘原子的半徑比過去的測量結果更小,進而推出質子的半徑也比過去的測量來的更小。

  • 原子尺度之下的導熱與導電

    金屬容易導電,一個帶電的金屬可以讓人觸電,金屬也同樣的很容易導熱,加熱後的金屬也會把人燙傷。這個導電率與導熱率都很高的是金屬的一個基本的特性,而且是在宏觀尺度之下很容易觀察得到的。然而在原子的尺度之下,在實驗上是搞不清楚熱是如何透過一個單原子接點來傳遞,因為沒有方法去測量那麼一丁點的熱流。美國密西根大學博士生崔(Cui)與他所屬的團隊在科學期刊(Science)報告了他們使用一個客製的熱量測定探針在原子尺度之下量測金的熱傳輸的新方法。

  • 1904年諾貝爾物理獎:約翰.斯特拉特

    在科學發展史上,不同學科的科學家合作研究往往能更有效地促進整體科學發展。1904年的諾貝爾獎就是證明:這一年的物理獎和化學獎分別頒發給兩位研究同一現象的科學家,他們是物理學家約翰.斯特拉特,第三代瑞利男爵(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和化學家威廉.拉姆齊爵士(Sir William Ramsay)。

  • 歡迎「角子」(Angulons)

    要想瞭解雜質如何與量子環境相互作用是一個艱鉅的理論挑戰,但是雷密胥科(Lemeshko) 在物理評論通訊報告了一個簡單而優雅的方式來描述一種重要的雜質種類:一個浸泡在量子溶劑裡的分子的反應。