2017年6月13日 星期二

整合管理~3.1格物致知~02粒子冒險奇境~07我們如何偵測發生了什麼事?

整合管理~3.1格物致知~02粒子冒險奇境~我們如何偵測發生了什麼事?
偵測這個世界
讓我們看看 來源/目標/偵測方案 最為人熟悉的例子:我們覺察世界的方法 。
我們所想的“光”其實是由數以十億、百萬兆計的光子(photons)所組成。光子,像所有的粒子,也有波動特性。當光子與他所碰撞到的東西交互作用,光子就會透露真實世界的秘密。
舉例來說,想像有一個燈泡在你身後,有一個網球在你面前 。光子從燈泡出發(來源),碰到網球彈回來(目標),當光子碰到你的眼睛(偵測者),你從光子來的方向猜測有一個圓形物體在你前面。此外,你可以由不同的光子波長辨別出這個物體是綠色和黃褐色。

大腦分析這個資訊,然後在腦中創造了一個網球的感覺。我們精神上的網球模型幫助我們描述周遭的真實世界。
我們利用到處反彈的光波,獲得足夠的資訊來覺察這個世界。其它的動物,像海豚和蝙蝠,可以發出及偵測聲波。事實上,任一種反射波都可以提供周遭事物的資訊。
較佳的顯微鏡

使用波來偵測自然世界會發生一個問題,那就是你所得的影像品質會受限於你所使用的波長。
我們的眼睛可以解讀可見光,其波長在 0.0000005 公尺左右。一般而言,這已經小到足以讓我們不用擔心波長的問題 ,因為我們不看 0.0000005 公尺寬的東西。
然而,可見光的波長太寬了,以致於無法用來分析比細胞小的任何東西。 為了觀察高度放大下的東西,你必須使用更小的波長。那就是為什麼當人們研究次微小的東西(像病毒)的時候,轉而求助掃瞄式電子顯微鏡的原因。然而, 即使是最好的掃瞄式電子顯微鏡也只能顯現出模糊的原子圖像。
波長、洞穴

假裝你很不幸地掉入一個洞穴,也沒有手電筒。然而,你卻很幸運地有一桶在黑暗中會閃閃發亮的籃球。突然,你聽到帶有鼻音的聲音……那是一隻嗜血的熊?或者只是你朋友開的一個玩笑 ?
為了找出答案,你絕望地朝聲音的方向亂擲籃球,並且記住籃球撞擊的地方。以這樣的方式,你很快地得知在你身前的生物的輪廓如下:

糟糕!因為你的籃球太大,所以當他們從你身前的東西彈回,對它的外型你所能知道的只有它是又寬又高的……
〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜
很幸運地,你也有帶一袋在黑暗中會閃閃發光的網球。你把他們投向發聲處,得到如下的影像。

嗯……情況還是很糟糕。網球還是太大了,無法描繪出他們所撞擊物品的詳細形狀。你對物品的輪廓只能有一個粗糙的概念。
〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜 啊!!多麼幸運阿!

你那一袋在黑暗中會閃閃發亮的大理石應該可以辦得到喔。你把這些小球丟向那個東西,注意到了嗎?
你可以得到相當清楚的輪廓。他看起來似乎是大的、縮成一團的,而且有巨大的爪子!一隻……熊!!!!!
   最後,雖然這是你可憐的最後想法,但是值的高興的是:你至少用了最小的,可行的探子知道兇手是誰啦!
(別擔心,在這個網頁裡沒有熊會來傷害你!)
波長、寓意
前面所講的故事的寓意是:
․不要向飢腸轆轆的熊丟東西。
․一定要記得用最小的,可行的探子收集最多有關物體的訊息。

任何探子的“撞擊"只能告訴你,在探子直徑內的某一個地方有一隻熊。


在這三種探子中,由於大理石的的碰撞事件可以告訴我們比較精確的大熊形狀,所以大理石是收集訊息最有效的工具。我們宣稱籃球的影像很模糊,那是因為影像的外型有太多不確定。當探子的尺寸變小,影像變得較為明確,你對熊的外型較有把握。明確的量就稱為影像的 解析度。
大籃球無法給我們很多有關熊的輪廓的訊息,因此我們稱之為“模糊"影像。

熊的輪廓相當清楚,所以這是一個“明確"的影像。

波長和解析度

具有長波長的東西就好像洞穴故事中的籃球,兩者皆不能提供太多有關被撞物的細節。具有短波長的東西就像故事中的大理石,可以提供你被撞物相當詳細的訊息。探子的波長愈短,你可以得到愈多有關被撞物的訊息。
游泳池是波長與解析度的一個好例子。

如果你有一個游泳池,其中的水波波長一公尺長,然後把一個柴枝推到水裡,游泳池的波只是通過柴枝。因為波長一公尺意味著池中的水波不會被如此小的東西影響。
所有的粒子都具有波動特性。所以,當我們使用粒子作為探子,我們需要利用具有短波長的粒子,才能得到小東西的詳細訊息。一個實用的粗略原則:粒子最多只能探測到與其波長等長的距離。要探測更小的尺度,探子的波長 就必須更短。
這是一個非常困難的觀念,我們只是做了簡單的詮釋。更完整的解釋將會牽涉到更多數學,在此超出我們討論的範圍。
物理學家的工具:加速器
物理學家無法用光來探索原子和次原子的結構,因為光的波長太長了。然而,既然 所有的粒子皆具有波的特性,物理學家們可以用粒子當作探子。為了看到最小的粒子,物理學家需要波長盡可能小的粒子。但是,在自然界中我們周遭的粒子大部分都有相當長的波長。物理學家到底如何減少粒子的波長,使粒子可以作為探子呢?
粒子的動量和它的波長成反比

當高能物理學家利用粒子加速器(particle accelerators)增加探測粒子的動量時,就是應用這個原則,使的粒子的波長變短。

步驟:
  •   把你的探測粒子放進加速器。
  •   加速粒子使其速度接近光速,粒子因而獲得許多動量。
  •   現在粒子動量很大,所以它的波長很短。
  •   迅速使探測粒子撞擊靶,記錄下發生的事。
波和粒子
波的性質中,最有趣的一項是當兩個波穿越彼此,兩個波動效果是疊加的。此種現象稱為干涉。
想像有一個光源被一面薄金屬擋住,金屬上面有兩道狹縫且幾公尺外有一個屏幕。此時,沿著屏幕上任一給定的點,會有兩道光波同時抵達(各來自不同狹縫)。這兩道光行經的距離不同,所以他們互相干涉,產生干涉圖形。

假如你用粒子束代替光源,結果你會記錄到類似的干涉圖案。 這表示所有的粒子都有波動特性。舉例來說,這裡有一張電子打向金箔所產生的真實干涉圖形。
因為物質粒子具有波長,而且可以互相干涉,所以我們所認為的實體粒子,實際上又像波 ,這是不是很不可思議呢?
宇宙的尺度

圖中量尺的單位是十的次方。如你所見,依你所觀察的事物大小,你得用不同的方法來看它。
質量和能量
物理學家常常想要研究不穩定的重粒子。(生命很短的那種,如非常重的頂夸克)然而,在日常生活中環繞著他們的只是質量非常輕的粒子。那個用較輕的粒子得到較重的粒子的人,是如何達成這驚人的 成就呢?
你一定知道阿爾伯特‧愛因斯坦的著名式子:E=mc2 ,其中 E 是能量, m 是質量,而 c 是光速。 因此,

質能轉換
當一位物理學家想用質量小的粒子產生質量大的粒子,他所要做的就是把輕粒子放進加速器,給它們很多的動能(速率),然後使它們撞在一起。在這個碰撞過程中,粒子的動能轉換成新的重粒子。經由這種過程,我們可以創造不穩定的重粒子,進而研究它們的特性。
那就好像你把兩顆草莓撞在一起,然後得到一些新的草莓、很多的小橡子、一根香蕉、一些洋梨、一顆蘋果、一顆胡桃、和一顆梅子。 



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