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星通訊的重要性。 通訊戰已經逐漸打到太空，台灣也不遑多讓。今年 11 月 12 日，鴻海與中央大學合作的 兩枚低軌道通訊衛星珍珠號，以及成功大學與智探太空合作的立方衛星「IRIS-C2」已經成 功升空，三顆衛星都已經取得了聯繫。台灣，也能很快擁有自己的星鏈嗎？我們還欠缺哪 些關鍵技術呢？ -----廣告，請繼續往下閱讀----- 什麼是低軌道衛星？它可以取代海底電纜嗎？ 在全民都會上網的現代，我們的電腦網路依靠光纖等實體線路，手機、WIFI 通訊則仰賴周 遭的基地台，因此只要手機離基地台太遠，就會收不到訊號。未來，這些問題低軌道通訊 衛星都能解決。這些在天上快速移動的衛星，只要數量夠多，就能覆蓋整個地球表面。因 此不論你是在遠離基地台的深山，甚至是高空中的飛機，都能透過通訊衛星來連線上網。 除此之外，在 5G 通訊逐漸成熟的現在，下一代通訊技術 B5G 追求更快、更低延遲的數據 傳輸，也會需要低軌通訊衛星來解決傳統基地台功率與覆蓋性不夠的問題。 但因為人口密集、土地面積小，台灣現在的無線網路服務覆蓋率已經很高了。台灣需要擔 心的另一個問題是對外的海底電纜斷裂，使我們與世界失去聯繫手段。 除了要擔心戰爭爆發時敵人為了封鎖台灣消息，而主動破壞電纜以外。台灣周邊的電纜也 常因為底拖網、抽砂船作業時被破壞，甚至天災都可能導致電纜被破壞。例如 2006 年恆 春地震發生時，高屏海底峽谷就產生海底濁流，也就是海底的土石流。這股海底濁流一衝 而下，破壞了呂宋海峽的數條電纜，不只影響了整個東亞以及東亞到美國、英國之間的通 訊，包括許多跨國銀行交易。海底電纜斷裂的影響層面非常廣，2006 年恆春電纜斷裂事件 發生後，還被聯合國國際減災策略署（ISDR）形容為「現代新型態災難」。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][image]2006 年恆春地震震央與海底電纜位置。圖／wikimedia 不論海底電纜斷裂的原因會是什麼，我們都需要有充足的準備來應對，而低軌道通訊就是 其中的首選。 目前全球有在發展低軌道通訊的不只有 SpaceX 的 Starlink，其他還有 Amazon 的 Kuiper、加拿大的 Telesat 和由美國、歐洲、日本等企業投資的 EutelSat OneWeb 等等 。 當然，其中最受矚目的當然還是 Starlink，而且它的發展速度真的有夠誇張。Starlink 在 2020 年才開始在北美提供服務，去年 4 月我們製作了一集節目在介紹 Starlink，當 時就已經總共有 2,000 顆星鏈衛星被發射上太空，服務使用者有 25 萬人。到了今年 8 月，短短又 16 個月經過，在低軌道運行的衛星數量，從兩千顆增加到了 4500 顆，用戶 人數從 25 萬人暴增到突破 200 萬人，這肯定是打了針或是吃了藥。當然，訂閱 Starlink 的服務可能需要考慮考慮，但訂閱泛科學頻道，請不要再考慮了，就在這邊，趕 快按下去吧！然後別忘了，SpaceX 的野心，是在天上佈下總計 42000 顆的通訊衛星，大 約是現在數量的再十倍，當這個目標達成時，我們的通訊手段可能將迎來天翻地覆的變化 。 你可能好奇，這些距離地面遙遠的通訊衛星，能提供多快的上網速度？會不會衛星通訊到 頭來只是個噱頭？在光纖電纜的技術進步下，海底電纜的速度確實已經非常快，傳輸速度 是低軌衛星的五千到十萬倍左右，這根本是阿烏拉對上芙莉蓮，只有被虐的份啊！ -----廣告，請繼續往下閱讀----- 世界越快心則慢，但網路越慢心更急。Starlink 到底夠不夠用呢？依照 Starlink 實際用 戶的實測回饋，雖然星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右，下載約 100 Mbps，上傳 約 15Mbps，但對於一般消費者來說已經算是能接受的了。尤其對於偏遠地區、研究站的通 訊，又或是未來 B5G、6G 物聯網中，與大量自動駕駛汽車、智慧裝置的連動，通訊衛星都 將成為可考慮的另類選擇。 [svg][image-2]星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右，下載約 100 Mbps，上傳約 15Mbps。圖／PanSci YouTube 但如果我們未來不想只看馬斯克或是大公司的臉色，勢必需要發展屬於自己的通訊衛星。 那麼，發展一顆通訊衛星，需要哪些技術呢？ 低軌道有多「低」？低軌道通訊衛星需要哪些技術？ 實際上，在低軌通訊衛星出現之前，我們早就有使用衛星進行通訊的經驗，例如衛星電視 使用的廣播衛星。然而廣播衛星和低軌道衛星卻有著完全不同的設計邏輯，這是挑戰，也 是機遇。 廣播衛星位於地球同步軌道，距離地面約 4 萬 2 千公里，優點是距離地面遠，因此一顆 衛星的覆蓋範圍極廣，只要三顆衛星就能覆蓋地球大部分地區。缺點就是距離地面真的太 遠了，就算以光速傳遞訊息，來回 8 萬 4 千公里，就有 0.28 秒的延遲，想必沒有人希 望用這種速度來上網。而低軌道衛星，例如 Starlink，就將他們的衛星分布在距離地面 350 至 1500 公里之間，只有地球同步軌道的 120 分之一到 28 分之一的距離和訊號延遲 。反過來說，低軌道的優點是延遲短，缺點就是覆蓋面積小，因此才需要那麼多的衛星來 覆蓋整個地球。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- 再來，在天線的設計上也完全不同。接收廣播衛星訊號的天線，就是我們暱稱為小耳朵的 衛星碟形天線，通常設計成凹面鏡的樣子。根據光學原理，平行光入射凹面鏡後，會聚焦 在焦點。也就是說，接收器不是圓盤本身，我們會將接收器放置在焦點來接受最強的訊號 。除了小耳朵之外，大型電波望遠鏡的設計，也是出於同樣的原理。 Starlink 的做法則不是這樣，因為用戶不只有接收訊息，還需要發送訊息。Starlink 的 天線，是一個稱作 Dishy McFlatface 的小圓盤，只是後來變成方形了就是了。當你在自 家屋頂或庭院設置了 Dishy，它內建的 GPS 會鎖定自己與附近 Starlink 衛星的位置，並 且建立點對點的雙向資料傳輸。 [svg][image-1]Starlink 的方形天線。圖／PanSci YouTube 重點來了，要做到點對點的傳輸，代表這些電磁波訊號不能再是廣播衛星那種廣發的波狀 訊號，而是要聚集到一條又窄、能量密度又高，如同雷射般的筆直路線上。 有在看我們節目的泛糰肯定有印象，這是我們今年第三次提到這個技術了。沒錯，在無線 獵能手環還有宇宙太陽能這兩集中，都有遇到需要遠距傳遞電磁波能量或訊號的情況。其 實用到的技術都相同，那就是波束成型（Beamforming）。誒，我們都報明牌那麼明顯了， 還不趕快找概念股，然後訂閱一下泛科學嗎？ -----廣告，請繼續往下閱讀----- 一般來說，電磁波都會如同水波般向外發散，波束成型會先把一個訊號源拆成數個小訊號 源，將這些訊號源排成一排，並且控制大家的相位。在電磁波的互相干涉下，就會形成一 條筆直前進的電磁波。你可以想像一群本來正各自單兵作戰的士兵，透過整隊與喊口號將 大家都動作同步，那麼這些士兵就會一起筆直地朝一個方向前進。在比較舊的 Dishy 型號 中，寬 55 公分的圓形接收器上，裡面共有 1280 個六角型，每個六角形裡面都是一個天 線，這些天線在波束成型後，會構成一個筆直、能量又強的電磁波束，與天上的衛星展開 通訊。 咦？但衛星一直在動啊，難道天線也要一直追著衛星跑嗎？其實不用，我們只要對這群士 兵下向左轉、向右轉的口令就好。例如我們喊向左轉，那只要左邊的士兵步伐放慢，右邊 的士兵加快速度，就能完成轉向。同樣的道理，我們只要改變每個訊號源發出訊號的時機 ，改變每個波的相位，就能讓干涉出的訊號朝向特定角度，而不用機械式的移動天線本身 。而能做到這種功能的天線，我們稱為相控陣列天線。 [svg][Phasearray]相控陣列天線（Phased array）的工作原理是改變每個訊號源發出訊號 的時機和每個波的相位，讓干涉出的訊號朝向特定角度。圖／wikimedia 知道了地面天線如何和低軌道通訊衛星取得聯繫後，還沒完。這些丟出去的指令，衛星收 到了沒錯，但如果你想要連上網際網路，最終這些訊號還是要能連上有線網路。 在星鏈 1.0 時，每顆 Starlink 衛星都是單獨運作，衛星在接收地面天線發出的訊號後， 會傳遞到附近的地面接收站 Gateways，接著 Gateways 一樣會走光纖電纜的方式與網際網 路連接，讓用戶得以上網。地面接收站一般設有 9 個雷達天線，每個直徑 2.86 公尺。衛 星本體，例如 Starlink 2.0 上，則配有四個陣列天線，兩個用來與使用者相連，兩個連 向地面接收站。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- 然而，這樣的設計限制了 Starlink 的服務，因為這代表地面接收站與你的天線，必須同 時在同一顆衛星的訊號範圍內。但是低軌衛星的覆蓋範圍又不大，一個地面站只能照顧方 圓 800 公里內的用戶。因此如果你家附近沒有地面接收站，抱歉，你還是收不到訊號的。 如果你在廣闊的大海上，就更不用想了。再來，就算 Starlink 提供全台灣的無線網路服 務，但如果這個地面接收站就設置在台灣，那麼當台灣的對外海底電纜斷了，就一樣回天 乏術，星鏈的設置可說是毫無價值。 [svg][image-3]Starlink 2.0 上配有四個陣列天線，兩個用來與使用者相連，兩個連向地 面接收站。圖／PanSci YouTube SpaceX 當然也想擺脫地面接收站的束縛，況且如果到了海上就收不到訊號，那可遠遠無法 稱上「全球通訊」。因此到了 Starlink 2.0 時，衛星間通訊技術 LISL (Laser Inter Satellite Link) 全面安裝到了衛星上，藉由衛星間的通訊，取代海底電纜的作用，進行 跨地區的通訊服務。你看，現在不只海底有資訊高速公路，在天上也出現了網路任意門。 比起過去衛星間使用的無線電傳輸，使用 LISL 技術的衛星與衛星之間，用的是雷射。雷 射傳訊不僅頻寬較寬，因為光在真空中的速度是最快的，比在光纖中還快。因此與海底電 纜相比，傳輸速度反而有可能更快，衛星間的雷射通訊技術，也成為目前太空研究領域中 非常重要的一環。 在通訊研究中，除了硬體技術的革新外，另一個最大的問題是，如此龐大的星鏈星座網路 該怎麼設計？如何選擇地面天線要與哪個衛星通訊？每個衛星該攜帶多少個雷射發射器與 接收器？資料傳輸要經過幾個衛星，才不會因為過多的路由，造成網路延遲飆升。哇～諸 如此類的網路設計難題，都是因應通訊衛星而生的新型態網路結構所需面對的課題。而當 這些問題被解決，那麼 Starlink 將真正全面擺脫地面接收站，並且能向地球上任何一個 角落提供不受限的網路服務。 台灣的低軌道通訊衛星 根據中央社報導，台灣和 SpaceX 從 2019 年開始就展開嘗試性商談，但至今仍未能談妥 。今年 11 月 14 日，中華電信成功與另一家公司簽署了台灣低軌衛星的獨家代理合約。 這間搶在 SpaceX 之前簽約的公司，就是前面也提到過的 Eutelsat OneWeb。相較於 SpaceX 已經發射升空的 Starlink 大約有 4500 顆，Eutelsat OneWeb 現在的低軌衛星數 量大約有 600 顆。台灣的目標，則是在 2024 年底前，布建國內 700 個、國外 3 個非同 步軌道衛星的終端設備站點、以及 70 個將資訊候傳的設備站點，建構能完整覆蓋全台的 衛星通訊。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- 除了與現有的低軌道通訊服務公司簽約外，在打造自製台版星鏈的道路上，也傳來令人振 奮的消息，就在簽約的兩天前，11 月 12 日，由中央大學與鴻海科技集團共同研發的珍珠 號 PEARL-1C 和 PEARL-1H，兩顆立方衛星升空，並且與地面取得聯繫。搭載的儀器除了中 央大學的電離層探測儀之外，還包含了 Ka 頻段的通訊酬載以及剛剛介紹的相控陣列天線 ，希望能為台灣自製的低軌道衛星通訊打下基礎。 國家太空中心則預計在 2026 年，將第一顆低軌通訊衛星送入太空，2028 年發射第 2 顆 。希望能推動 B5G 的發展，並成為發展台版星鏈的敲門磚。 目前台灣的太空領域，許多的技術都正在發展、測試階段。除了這集提到的相控陣列天線 、衛星間通訊技術，還有這集還來不及提到的長時間航行的充電問題、姿態校正問題，甚 至是未來自行發射衛星的所需要的火箭科技，都需要一步步來解決、實踐。而且根據太空 中心估計，至少要擁有 120 顆低軌道通訊衛星，才能確保全台 24 小時的通訊都不間斷， 要達成這個艱鉅的任務，我們還有好多路要走，好多衛星要升空。 但千里之行，始於足下，千星之鏈，始於發射架。從福衛系列衛星到獵風者衛星，台灣的 太空路線越來越鮮明，也讓人期待包括火箭、衛星到通訊技術的未來發展。 這集我們以 Starlink 為例，詳細的介紹了低軌通訊衛星的重要性，以及需要面對的技術 突破。 也想問問大家，你覺得未來低軌通訊衛星，會如何改變網路市場呢？ 1. 衛星通訊成為常態，到哪都可以上網，等等這代表不管去哪都無法以網路不穩當藉口 了嗎？可惡！ 2. 衛星通訊只是壁花配角，有線的海底電纜終究是主流 3. 先等等，衛星競爭太激烈，衛星都比星星還要多了，真的不會在天上發生連環車禍嗎 ？ 歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！ 參考資料 • https://www.satellitetoday.com/broadb… • https://www.space.com/spacex-starlink… • https://news.pts.org.tw/projects/taiw… • https://iknow.stpi.narl.org.tw/post/R… •   / list_of_confirmed_starlink_speed_tests   • https://www.eettaiwan.com/20230130ta3… • https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=41279https://technews.tw/2021/04/23/leask-… • http://esrpc.ncu.edu.tw/public/focus/… • https://jictcms.itri.org.tw/xcdoc/con… • https://www.cna.com.tw/news/aipl/2023… • https://www.ttc.org.tw/News/more?id=e… 發表意見 ●● 文章難易度 ( ) 剛好 ( ) ●● 太難 討論功能關閉中。 PanSci_96PanSci_96 PanSci 1210 篇文章・ 1947 位粉絲 ＋追蹤 PanSci的編輯部帳號，會發自產內容跟各種消息喔。 TRENDING 熱門討論 即時熱門 [svg][pexels-ph] 看見蟑螂就害怕？為什麼我們總特別怕牠？ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 2 天前 [svg][] 諦聽宇宙深處的低吟，宇宙低頻重力波訊號代表的意義——《科學月刊》 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 2 天前 [svg][Advanced_] 日本福島的核廢水該流向大海嗎？——《科學月刊》 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 2 天前 [svg][post_review_img] 從打掃方式看出你是哪種人？ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 31 6 天前 [svg][Logistic_] 萬物皆混沌？——族群演化、股市、氣候變遷背後的神秘公式 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YouTube (59) 來自YT (37) 海上風機 (3) 渦流 (2) 綠 能 (18) 綠能發電 (5) 綠電 (4) 風力 (7) 風力發電 (23) 風電 (2) 熱門標籤：量子力學 (51) 後遺症 (4) 宇宙 (92) 核融合 (21) 泛科學 YouTube 頻道 (67) [svg][2024] 你有騎車被擊落的經驗嗎？比馬路更危險的是，水鳥可能在天上飛著飛著，就被巨大的風 機送去投胎。 不是，風機蓋那麼大幹嘛？既然核電有小型核電廠，風電應該也要有小型版吧？ 事實上除了大型水平軸式風機外，我們還有轉向不同的垂直軸式風機、天上飛的高空風力 發電機，甚至靠抖抖抖就能發電的風力發電棒。等等，這真的能發電嗎？ 為何需要新的風力發電技術？ 從古巴比倫人和古埃及人的時代，「風」就被視為構成世界的元素之一，因此人類也很早 就開始研究如何運用風的能量。古希臘時代，有一款叫做 Heron’s Windwheel 的風琴，就 是利用風力驅動風車，並帶動幫浦為風琴不間斷送風。在這之後，中國和歐洲相繼出現各 種風車來替人們進行農務工作，例如大家熟悉的荷蘭式風車。雖然現在常見的現代風力發 電機組個頭大很多，但構造與荷蘭式風車沒有太大差異，都是扇面垂直於地面，並且扇葉 轉軸和風向平行的水平軸式風車結構。但這種已經用了幾百年的風車設計，真的是最理想 的發電方式嗎？有沒有更新穎的設計構造可以用來捕捉更多風能呢？ -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][image-5]Heron’s Windwheel。圖／wikimedia [svg][image-6]荷蘭式風車。圖／ wikimedia 先來說說大家熟悉的水平軸式風車，國際間最普遍的風力發電機組是三葉式的水平軸，台 灣西海岸的諸多風力發電場採用的也是這類設計。你曾經好奇，為什麼扇葉是三葉的嗎？ 或是不知不覺就認為，三葉就是最正常的結構？既然推動風車的力量來自於扇葉，不是越 多扇葉就能獲得更多能量嗎？而且看看風車，扇葉的面積明明就不大，旁邊都是空隙，這 些能量不是浪費了嗎？實際上也確實不是越多扇葉越好，其中牽涉到許多複雜的因素。簡 單來說，更多的葉片會帶來更多的風阻，也會降低葉片旋轉的速度，因此從三葉增加到四 葉或五葉所帶來的效率成長非常少。也就是你如果有 12 支扇葉，4 座三葉發電機的發電 量，會高於 3 座四葉發電機的發電量。因此，在單支風機的建設成本就是億元起跳的情況 下，三葉成為最佳選擇。 對了，雖然更多葉的風機較少見，但反過來說，還真的有雙葉片，甚至單葉片的機組設計 。畢竟較少的葉片代表較低的建造成本，以及較快的轉速。但是，單一葉片在旋轉時並不 穩定，需要在對面方向額外加裝重物來平衡重量，顯得多此一舉。那雙葉呢？它的問題在 於扇葉角度在隨風向調整時，容易產生震動而不穩定，對扇葉和機組的強度要求也更高。 在綜合因素考量下，現在大多數的風電機組都是採用三個葉片的設計。 有水平軸式風車，就有垂直軸式風車，也就是轉軸與風向平行的風車。在台灣，你可能在 某些工廠或是房屋屋頂上能看到它，我不是指工廠的排風球哦，而是看起來由幾根弧形線 條構成的裝置。為什麼要設計成垂直的呢？因為比起水平軸發電機有一個特定的面風向。 垂直軸的優勢在於不論風來自哪個方向，它都可以發電，不需要特別轉向；此外，它也不 需要水平軸式風車長長的扇葉，相對不占空間，甚至能做成各種美感十足的設計。這幾個 優點讓它特別適合設置在都會區中，用來捕捉方向不固定的小規模氣流，因此台灣有些地 方就可以看到這種以垂直風力供電的路燈。 [svg][image-8]垂直軸風機葉片的型態多樣且美觀。圖／PanSci YouTube 不過城市內的風畢竟還是有限，為路燈或是小型家電發發電可以，但要能成為支撐整個城 市的電力，還不及海上那些水平軸式巨無霸。在外海，不僅可以設置葉片長度超過 100 公 尺的巨型風機，外海的風能，就是比內陸強烈且穩定。但這些巨無霸雖然會為我們帶來戰 力，也會波及無辜。雖然風機遠離人類居住的地方，但外海還是有其他原始住民的，短暫 地把人類的文明，建立在其他物種的痛苦之上　最後還是會害到整體。然而，巨大風機施 工和運轉的噪音會干擾到海中生物，扇葉旋轉還會擊落蝙蝠和鳥類。雖然我們在上一集， 有提到可以透過驅離或是扇葉塗黑的方式，讓其他生物注意到風機的存在，進而減少誤傷 。但我們有沒有全新的設計，可以一勞永逸？ -----廣告，請繼續往下閱讀----- 風力發電還能長什麼樣？ 面對目前風力發電的困境，有人重新思考風力發電的構造，提出全新的設計。其中一種便 是漂浮式的離岸風電機組。 我們為了獲得更多風能，近年來積極發展離岸風電廠，作法非常簡單，就是把原本在陸地 上的風電整根插到海床上。這光想起來就是非常浩大的工程曠日廢時，而且成本高，施工 過程中產生的水底噪音也會影響到海洋生態。 可是海上的風就是比陸地上強上好幾倍，這麼香的風力來源怎麼能放著不用呢？來自挪威 的公司 World Wide Wind 提出了一種浮標式風電機組，省去了海底工程的麻煩。這種風電 機組採用垂直軸的設計，這樣機組就不會被海風吹著跑。整個裝置可以靠著海面下的配重 平衡地直立在海面上，除了電纜之外不須要任何固定措施。這大大地擴展了離岸風電的發 展空間。許多最佳的風場位在離岸較遠的深海區域，我們沒辦法在這些海床上豎立巨大的 水平軸風車，這時候就可以透過漂浮式構造來擴張風電的勢力範圍。 [svg][image-9]反轉式直立渦輪（COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES）。圖／World Wide Wind 不只如此，最特別的是，它是以兩組旋轉方向相反的葉片組成，因此被取名為反轉式直立 渦輪（COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES）。這麼做不只可以讓旋轉時更加穩定，還 可以增加發電效率。由於發電用的渦輪是透過兩組扇葉之間的相對旋轉來發電，所以反向 旋轉就像是用雙手擰毛巾一樣，等於收集到幾乎兩倍的能量。而且因為上下兩組扇葉所接 收的風來自水平方向，所以彼此干擾並不大，展現了垂直軸風電的獨特優勢。一般的水平 軸風車可沒有辦法玩這套，因為風在流過第一組葉片之後就會變成速度較慢的亂流。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][image-10]圖／PanSci YouTube 垂直軸提供了新選擇，但只要有軸，發電機就是會旋轉，還是有機會擊落海面上飛行的生 物。如果要不傷及鳥類，看來……只能讓風機不旋轉了嗎？等一下，風機不旋轉還能發電嗎 ？誒，還真有可能。一家西班牙的新創能源公司 Vortex Bladeless 在幾年前開發出了全 新的「渦流」發電技術，就是這根抖動的棒子。 不要懷疑，這個像搖頭娃娃一樣左右震動的棒子是一種完全不需要扇葉的渦流震動發電機 。奇怪了，為什麼風吹會造成這種震動呢？原來當有空氣流經過圓柱狀的物體時，會在後 方形成不穩定的渦流，讓物體產生左右震動的現象。如果振動頻率剛好和物體的自然頻率 接近，便會產生出乎意料的強大共振。1940 年代，有座位在美國的塔科馬海峽吊橋，就是 因為氣流共振導致扭曲斷裂，所幸最後無人傷亡。這個威力強大的現象如今也被拿來進行 發電。 塔科馬海峽吊橋與氣流共振。 而這根風力發電棒的尺寸和材質，都經過特別設計來和渦流產生共振。它的上半部可以自 由的晃動，位於底部的磁鐵和線圈接著可以將震動轉換為電能。這種設計不只看起來很有 趣，產生的噪音也小很多，還能減少對鳥類的威脅。甚至因為沒有快速轉動的葉片，也能 設置在靠近人群的都市環境中。目前一根約三公尺高的裝置，在有風的情況下可以產生一 百瓦的電力。想像一下，只要把高速公路分隔島上排滿這種震動發電機，就能產生很可觀 的電能。對了　這就像一個人訂閱泛科學看似影響不大，但如果每個人都同時按下訂閱泛 科學，就能給我們莫大的支持與力量，麻煩各位了，跟我們一起共振吧！ 話說回來，這種振動發電的轉換效率終究是比渦輪旋轉發電低，能夠捕獲的風量也較少。 它的競爭優勢則在於較低的建造和維護成本，或許適合和太陽能互補為住家和都市地區提 供電能。此技術已經在多年前證明可行，但目前在設計與量產方面仍處於開發階段，還須 要更多的時間和資金才有辦法進入大規模生產。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- 講完了海上與陸地上的風機，最後，既然要靠風發電，那麼風能最豐沛的高空，能不能也 來發電一下呢？ 高空的發電量會更高嗎？ 最早在 2014 年就有 Altaeros Energies 這家公司嘗試這個做法。他們將風電機組裝在氦 氣的飛船中央，放到離地表三百到六百公尺的高空。在這高度的風速比地表快上兩倍左右 ，由於風能正比於風速的三次方，所以風能是地面的八倍。這些風能會在高空就轉為電能 ，之後透過纜線傳回地上。除了電纜以外，也會有幾條固定纜線可讓地面人員控制氣球的 高度與方向。 [svg][AltaerosEnergies-1395767838956]圖／Altaeros Energies 除了用氦氣球搭載發電機外，也有一些設計是透過風箏來將小型風電機組放到空中，形成 隨到隨用的風力發電裝置。不過可以想像的是，雖然高空發電可以節省地面空間，還能取 得豐沛的風能。但不論是汽球還是風箏，在維護上肯定需要投入更多的成本。如果要大規 模設置，對於鳥類或是飛安的影響又是另外一個問題。目前，這些浮空風電裝置最大的優 勢是它們絕佳的機動性，可以為遠離電網的偏遠地區，或是臨時性的研究站提供電力。又 或是如果在大型演唱會的上空放一顆風力發電氣球來為活動供電，那好像也是挺浪漫的。 [svg][image-11]圖／wikimedia 雖然今天講到那麼多有創意的設計，但大多數的新創能源公司，都會因為現實上的競爭力 不足而永遠停留在模型階段，還無法進入商業化生產。短期內的風力能源，還是得靠興建 更多岸上和離岸的大型風電機組來扛起。不過，未來再生能源的需求只會持續地增加，我 們確實需要有更多新想法、新設計，尤其是能廣泛設置，同時對環境影響低的新型態發電 方式。而隨著材料科學的進步，當這些新設計的成本下降，我們就有機會在生活周遭看到 它。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- 最後也想請大家預測一下，20 年後風力發電的主力會是哪一種裝置呢？ 1. 漂在海面上的反轉式直立渦輪，感覺技術成熟後，施工成本可以降到很低 2. 渦流震動發電棒，對環境傷害小，又不挑地方到處都能設置，積少成多 3. 大型水平軸風機技術還是最成熟　成本也不斷破底，估計還是發電主力 歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！ 參考資料 • / why-do-wind-turbines-usually-have-3-blades • https://www.sciencedirect.com/topics/… • https://news.ltn.com.tw/news/life/bre… • https://worldwidewind.no/ • https://www.designboom.com/technology… • • Maximizing Wind Energy Production Usi… • https://vortexbladeless.com/technology/ • • ¿Por qué Vortex? Las renovables – Inf… • • Immersed boundary modelling of vort… • https://www.technologyreview.com/2015… 發表意見 ●● 討論功能關閉中。 PanSci_96PanSci_96 PanSci 1210 篇文章・ 1947 位粉絲 ＋追蹤 PanSci的編輯部帳號，會發自產內容跟各種消息喔。 TRENDING 熱門討論 即時熱門 [svg][pexels-ph] 看見蟑螂就害怕？為什麼我們總特別怕牠？ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 2 天前 [svg][] 諦聽宇宙深處的低吟，宇宙低頻重力波訊號代表的意義——《科學月刊》 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 2 天前 [svg][Advanced_] 日本福島的核廢水該流向大海嗎？——《科學月刊》 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 2 天前 [svg][post_review_img] 從打掃方式看出你是哪種人？ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 31 6 天前 [svg][Logistic_] 萬物皆混沌？——族群演化、股市、氣候變遷背後的神秘公式 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 2023/12/04 [svg][pituitary] 「經鼻內視鏡」腦下垂體腫瘤切除手術，克服治療困境，降低併發症機率！ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 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[svg][2024] 根據 10 月 30 號內政部最新公布的統計數據，台灣人最常取用的疊字名字，女性是「婷 婷」，男性是「彬彬」，這男生的名字聽起來就很有禮貌，女生則是身材高挑，姿態端莊 ，而最常見的名字，男性是「家豪」，女性是「淑芬」，這些名字充滿了對於孩子的想像 與祝福，希望男生能成為一位顧家卻又不失豪氣的大丈夫，女生則要保持賢淑，同時要像 鮮花的芬芳那樣討人喜歡⋯⋯ 等等⋯⋯我是不是掉入性別刻板印象了？ 電視電影是刻板印象的修煉場，也是打破刻板印象的主戰場 名字就，就名字嘛！幹嘛說人家刻板？不過當我一說這些名字以及他們代表的意義，你應 該也很快就察覺這是屬於刻板印象的一部分。這是因為我們的社會已經成長到能辨識這些 觀念的程度了，但反過來說，你知道還有多少地方藏著沒有被發現的性別刻板印象嗎？ 舉例來說，幾個月前在台灣掀起 MeToo 浪潮的電視劇《人選之人》，用一句「我們不要就 這樣算了好不好」，許多人站出來指控那些糾纏他們多年的加害者。能有如此大的迴響， 其實是天時地利人和的結果。想想以前看的鄉土劇、日韓劇或台劇，當劇中角色，特別是 女性遇到性騷擾，通常是得等男主角出面「拯救」他們，不管是陪著他們去保警處理，或 是用比較⋯⋯私人的方法解決。這樣的劇情設計，反映出當時社會給女性貼上的被動與柔弱 標籤，必須要依靠勇敢、堅強的白馬王子才有辦法在社會上生存。雖然人選之人這部劇並 非全繞著性騷擾事件發展，但一個由女性自己提出「我們不能這樣算了」的橋段，打破了 過去影視作品裡的框架，也恰好與當前社會進步的步調吻合，這才如此多曾經被社會期待 壓著不敢發聲的人，特別是女性與性少數站出來說出早就該讓大眾知曉的真相。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][348871348_791768765881355_3876063409406295147_n]圖／人選之人——造浪者 Wave Makers 類似的案例還有留下「可是瑞凡，我回不去了」這句名言的台劇《犀利人妻》，相信你就 算沒看過這部戲，也肯定看過這些衍生出來的迷因。犀利人妻之所以如此經典，是因為它 翻轉了過去影視作品中對於「伴侶出軌」這件事的刻板印象。想想以前女性角色發現伴侶 出軌，大多會選擇自怨自艾，又或者是對所謂的「小三」進行報復，試圖讓被奪走的愛人 回心轉意。但是，犀利人妻的主角謝安真卻在悲痛之後卻選了一條新的道路。他割捨了背 叛自己的瑞凡，做到了「沒有你，我過得更好」，這才有那句「我回不去了」。這些打破 刻板印象的影視作品，不只是提供新觀點這麼簡單，他們更像是一種社會風氣的試水溫。 假如這個作品收穫正向的迴響、甚至成為啟發許多人的契機，那代表我們已經做好準備踏 入新的階段。 不然你想想，像犀利人妻或人選之人這樣的戲劇，有辦法在三十，甚至五十年前的台灣出 現，取得同樣的成功嗎？或者比較一下 2000 年早期當紅偶像劇的男女主角形象（例如《 惡作劇之吻》、《流星花園》、《公主小妹》），跟 2010 年開始台劇男女角色形象（《 我可能不會愛你》、《女兵日記》、《我的婆婆怎麼那麼可愛》），是不是多了很多有趣 的變化與多樣性？ 從這個角度去看，一直在進步、向著更平等社會邁進的我們，其實是真的已經「回不去」 了。不只製作品質不斷提升，我們也越來越重視劇中傳達的訊息，希望讓影視作品不再是 單純的娛樂取向產品，更能為我們生活的環境所有貢獻。 欸，「靠影視改變社會」，這可不只是嘴巴上說得好聽的空頭支票，你我都很熟悉的一個 娛樂巨擎已經在做，而且做很多年了。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- 如果你腦中突然出現三個閃亮亮圓圈⋯⋯恭喜你，答對了！ [svg][giphy-18]圖／giphy 迪士尼是公主製造工廠？ 說到迪士尼，不知道你最先想到的哪個角色呢？對我來說，肯定是最經典的《小美人魚》 。但其實啊，現在已經有許多心理學研究發現，這些角色以及他們的故事不只是陪伴我們 長大，其實還潛移默化了我們對於自己與他人，乃至於整個世界的想像。 當然，這不是迪士尼對觀眾施了什麼魔法，而是我們，特別是自我認同尚未穩固的小孩子 ，特別容易從接觸的童話故事、小說、電視電影等媒介中，汲取角色的言行與價值觀成為 自己的一部分。這樣的學習歷程在 2012 年被心理學家注意到，並命名為「經驗擷取」（ experience-taking），可以把它想像成是一種把虛構角色當成榜樣的學習過程。我們小時 候都曾想像自己能成為故事裡的英雄，當個帥氣的白馬王子，或是成為眾星拱月的公主， 在充滿愛與勇氣的世界裡過上永遠幸福快樂的日子。經驗擷取就是把這個過程變成無意識 、很難覺察得到的悄然變化。 也因為這個人類內建的機制存在，使得迪士尼的公主系列不只是打造出一系列的經典 IP， 他還把順應當時性別刻板印象的角色模板偷偷植入每個小小觀眾的腦袋裡。如果你想當公 主，就必須穿得像個公主、言行舉止像個公主、活得像個公主⋯⋯而當這些公主與王子都極 為相似時，你就會得到兩套（公主與王子）偏頗且平面的刻板印象。對根本不懂人情世故 的小孩來說，他們無從判斷這些「必須」是否恰當，又或者適不適合自己，所以更容易無 條件地相信這些價值觀。這可不是危言聳聽，早在 1996 年就有心理學家注意到這件事， 但要真的引發學術界廣泛的討論，還得等到 2011 年，性別平權意識又再提升之後。在 2017 年的一篇行為分析研究，便明確觀察到頻繁暴露於迪士尼作品的 3-5 歲女童在玩妝 扮公主遊戲時，會不假思索地直接複製刻板印象的內容，並且會對自己無法「穿得像位公 主」或「動得像位公主」而焦慮。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][giphy-19]頻繁暴露於迪士尼作品的 3-5 歲女童在玩妝扮公主遊戲時，會不假思索 地直接複製刻板印象的內容。圖／giphy 你可能會想，這些事情等長大自己就會想通了。但其實這些小時候建立起來的想像，就跟 雛鳥的印刻效應一樣，會在我們的認知裡停留很久很久，有些人可能一輩子都擺脫不了他 們的影響。不只心理學家注意到這件事，迪士尼其實也很清楚自家作品擁有的影響力，這 讓他們在 21 世紀後進入了「反轉」期。同樣是改編經典作品，但像《青蛙與王子》、《 魔髪奇緣》等作品都賦予角色全新的形象，讓公主挑起英雄的大樑。到了《冰雪奇緣》， 更是直接把艾莎晉升成女王，不但讓漢斯這個口蜜腹劍的負心漢王子露出真面目，還藉由 與妹妹安娜之間的對比強調「女生為什麼不能自己做主」。雖然看起來還是王權封建制度 ，但傳達出來的訊息可是截然不同，這些努力也受到近年心理學研究的肯定。 而且大家仔細想想這些被翻轉的迪士尼角色，除了個性獨立，在行為上還有個很重要的共 通點，那就是在面對不公義時，他們選擇了反抗。這是過去數百年間性別議題很常碰壁的 死結：女性必須要為自己應有的權益發聲，但因為傳統社會期待女性要柔弱，所以當他們 真的挺身而出，會先遇到「你怎麼這麼不像女生」的指責，真該重視的權益議題反而被忽 略了。這時候，一個能在社會輿論中引發討論、「以身作則」的榜樣，就算是虛構的角色 也足以打破那條深埋在社會文化中的無形界線。 過去的迪士尼是公主製造工廠，現在則是扭轉性別刻板印象不可或缺的盟友之一呢。 但是，也有人認為迪士尼已經「政治正確」搞過頭，反而破壞了我們的童年回憶，這又該 怎麼看待呢？ -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][giphy-30]迪士尼「政確」過頭，反而破壞了我們的童年回憶？圖／giphy 矯枉過正的政治正確？ 莎士比亞在《哈姆雷特》裡寫下「請您善待這班戲子伶人，不可怠慢！因為他們是這個時 代的縮影！」，這句話其實到了現代仍然適用，因為創作作品的是人，所以難免會把自己 的經驗與想像投射進去。而且除了創作者自己的意向，作品內容同樣會受到市場箝制，就 好比歐洲中世紀的藝術作品會有濃厚的宗教色彩，又或者台灣在解嚴後出現的鄉土文學熱 潮，可以說是相輔相成的角色。 但就像 20 世紀的迪士尼迎合市場，卻無意間成為助長性別刻板印象的幫兇，很多東西都 是過猶不及，一但走向極端就可能衍生出新的議題。相信大家就算再不關心，肯定都聽過 關於「政治正確」的討論吧？但若我們只看一些較為激烈或極端的案例，會很容易誤解這 個「政治正確」風氣出現的本意。 前面有說到，所謂的性別刻板印象，是一種偏頗且扁平的框架，告訴你「要想成為他，就 必須符合這些條件」。打個比方，你喜歡吃哇沙比嗎？雖然是生魚片的好朋友，但假如今 天你從小被教育吃任何食物都要加哇沙比，如果不加就不准吃，那即使你再怎麼討厭哇沙 比，也會因為肚子餓而不得不忍受這些難以下嚥的食物組合。這樣隨著時間逐漸僵化的性 別框架，在心理學被稱為「性別基模」（gender schema），是一個在過去 30 年來被廣泛 研究的題目。 根據提出性別基模理論的心理學家 Bem（貝姆），要想拯救這樣悲劇的味蕾，單純跟你說 「你可以不要哇沙比」是沒有用的。因為時間一久，你很可能已經習慣了哇沙比的味道， 甚至不需要外力逼迫，你都不覺得這樣搭配有什麼奇怪的。你需要的，是實際感受「沒有 哇沙比的食物」吃起來是什麼味道。品嚐過食物原本的味道後，你封閉的經驗被打開了， 就算最後決定你還是喜歡哇沙比，那也是自身意願的選擇。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- 而這些所謂「政治正確」的創作選擇，其實就是在提供過去作品中欠缺的「多樣性」與「 社會期待以外的選擇」。像剛拿下金鐘獎最佳女主角、戲劇導演與戲劇節目的《村裡來了 個暴走女外科》，便是讓觀眾看見「不符合傳統醫師形象」也能「當個好醫生」的劉梓旭 醫師，用超乎社會期待的方式處理自己生活中的議題。另外像是接連刷新華視收視率紀錄 的《俗女養成記》又或者是十多年前的偶像劇《敗犬女王》，都是在用自己的方式回應「 女生年紀大，身價塌」的歧視，讓同樣對年齡有焦慮感的女性看見選擇就算「不回答標準 答案」也能找到幸福的可能性。 同樣的，讓女性或少數族群擔綱過往由男性把持的英雄角色，也是在提供觀眾一種新的角 色模板。例如哈利波特裡最聰明、能力最強的並不是被預言選上唯一能與佛地魔對抗的哈 利，而是麻瓜出身的妙麗。先不討論作者 JK 羅琳近年與 LGBTQ 族群起的爭議，在 21 世 紀初期，那位願意一拳揍上馬份鼻子、永遠是第一個想出困境解法的年輕女巫可是西方女 性培力的代言人，成為許多年輕女孩嚮往與效仿的對象。 或許不是每部影視作品都能像哈利波特或迪士尼形塑一整個世代的社會風氣，又或者像人 選之人這樣啟發前所未有的 Me Too 運動，但他們多少反映了我們現在身處的環境，同時 為他的改變與延續做出一點貢獻。從這個角度去想，你會發現政治正確並不是現在才有的 現象，而是從古至今一直都有的創作取向。而之所以「政治正確」會在現代引起如此大的 爭議，其實還得歸功我們成功打破了刻板印象，以致於大家都有了「正確答案不只一種」 的認知，這才會對與自身想法不同的答案表達質疑，不是嗎？ 對了，你最近看過的戲劇作品中，哪些作品的性別呈現最深得你心呢？歡迎跟我們分享吧 ！我先說，我自己最愛的是《八尺門的辯護人》裡的 Leena 跟陳令秋，那你呢？ -----廣告，請繼續往下閱讀----- 歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！ 參考資料 • https://www.moi.gov.tw/News_Content.a… • Corwin, H. 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阿秒又有多快呢？ 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒，是已經短到不行的飛 秒的千分之一。在這段時間，別說是談戀愛了，連世界上行動最快的光，也只能移動一顆 原子直徑的距離。 在阿秒的時間尺度裡，連光都得停下腳步，過去我們認為捉摸不定的電子，也終於將在我 們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎，正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域，探索 全新世界的科學家。而這項技術，還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍！ 就讓我們一起來進入阿秒的領域吧，領域展開！ 什麼是阿秒脈衝雷射？ 今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ，表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][1]圖／X 所謂的阿秒脈衝雷射，指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷 射來觀察目標，就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照，能捕捉到瞬間的畫面。 2018 年的諾貝爾物理學獎，就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後，雷射領域再次 得獎，但這次是更快的阿秒雷射，能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。 世界上沒有東西能真正的觸碰彼此？看見電子能帶來什麼突破？ 為什麼看見電子的運動那麼重要呢？我們複習一下原子的基本構造，在原子核之外，帶有 微小負電荷的電子，被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置， 而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方，也就是所謂的電子雲。 [svg][2-7]圖／YouTube 雖然電子的體積比原子核小很多，但電子雲的範圍，卻占了原子體積的絕大部分。在物理 或化學反應中，真正和其他原子產生交互作用的，幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧 本海默》中，當男女主角手心貼著手心，奧本海默這時卻說：「世界上沒有東西能真正的 觸碰彼此，因為我們觸摸到的物體，都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的 斥力。」 -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][4-1]圖／screenrant 對了，這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講，一般人請不要隨便亂牽別人的手。 除了和心儀的他牽手，不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導 熱等基本性質，各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說，電子可 以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像，如果我們能看見電子，甚至獲得可以 操縱個別電子排列與能量的技術，我們能真正成為材料的創世神，許多不可能都將化為可 能，是相當重大的突破。 捕捉電子運動有多困難？ 但要操縱電子可不是什麼簡單的事，不只是因為電子非常小，更重要的是他們動得非常快 。具體來說，電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒，也就是一阿 秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺，速度等於距離除以週期，換算下來，電子雲 差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。 [svg][5-2]圖／wikipedia 如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動，就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級，否則 就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣，只能拍到一團糊糊的影像，而沒辦法 分出勝負。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][6-2]圖／PanSci YouTube 可是，在 1980 年代，脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右，還只有飛秒等級。而 且光靠當時的技術和材料優化，已經沒辦法再縮短脈衝時間了，因此這時候，就要從原理 上重新打造一套方法了。 如何製造更快的脈衝？ 首先，要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想，我們在拍照時，想要讓 曝光時間更短，要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光，而是調快快門 的開闔速度，讓光一段一段進入感光元件中，變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進 入像機的光訊號，就像是我們的脈衝。 [svg][7-1]圖／PanSci YouTube 不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射，一直以來在做的都是同一件事，在整體輸出功 率不變的情況下，讓每一次脈衝的持續時間更短，同時單一次的功率也會更高。簡單來說 ，就是要從無數次的普通攻擊，變成每一次都是集氣後再攻擊。 但要怎麼為光集氣呢？光和其他波動一樣，可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在 一起，波峰和波谷會抵消，波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率 的光，就可以在整體總能量不變的情況下，產生一個超級窄的波峰，其他地方全部抵銷。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][8-1]圖／PanSci YouTube 1987 年，本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現，當紅外線雷射穿過惰性 氣體時，氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光，而這些頻 率都是原本光源頻率的整數倍，從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼 大頻率範圍的光，就能組合出時間長度很短的脈衝光。 不過這聽起來未免也太好康了，真的有那麼簡單嗎？ 這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子 中，當一道強度夠強的雷射通過氣體原子，原本抓住電子的電位能被雷射削弱。 雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在，但此時，在電子的大小尺度下，量子力學發揮了 作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象，穿過這道束縛，暫時逃離原子核的掌控。關 於量子穿隧效應的介紹，我們近期也會再做一集節目來專門介紹。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- [svg][9-1]圖／PanSci YouTube 但電子還來不及逃遠，雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰，不是指能量的 高和低，而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下，不幸的電子被推回原子核附近， 再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後，電子並非一無所獲，他所得到 的動能會以光的形式重新放出。 而因為這些能量最早都來自雷射，因此電子放出的光波長，也剛好會是雷射的整數倍。再 說的細一些，你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後，一口氣釋放這些能量，所以能 量都是一開始光子的整數倍。 [svg][10-1]圖／PanSci YouTube 在 1990 年代，科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝 爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下，利用 高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也 使用不同方法，分離出 650 阿秒的脈衝。 最後，獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後，我們的世界將迎來哪些變化呢？ -----廣告，請繼續往下閱讀----- 阿秒脈衝在各領域的應用 其實啊，有在關注諾貝爾獎都知道，諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究，前面講 的研究，實際上都已經是二十多年前的往事了，而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下 諾貝爾獎的榮耀，正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗，成為非常普及的實驗技術 ，而且被大家公認為重要的科學貢獻。 當然，今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外，有興趣的話，別忘了點擊下方影片，看看編劇 都編不出來的 mRNA 研究歷程。 說了那麼多，阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢？當然，它能讓我們更深刻了解物質 還有光的本質，但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上，阿秒雷射可以用來做 什麼？ [svg][11-1]圖／PanSci YouTube 在過去這二十年，許多研究已經找到了相當有潛力的應用。 -----廣告，請繼續往下閱讀----- 舉例來說，在醫療方面，阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可 以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子，讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用 的脈衝長度太長，分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起，造成量測的 困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。 這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣，能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等 重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合，成為個人化的健康狀態報表， 或是做為診斷的依據，將精準醫療提升到全新的層次。 [svg][12]圖／attoworld 不只如此，發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電 晶體這種微小的開關，不斷的開開關關去發送一跟零的訊號，所以開關電流的速度便決定 了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體，工作頻率通常不超過上百 GHz ，在時間上也 就是十的負十一次方秒。 自從阿秒雷射技術普及之後，就有科學家想到：既然雷射脈衝的速度更快，那不如就別用 半導體了，改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體（Optical Transistor）。 今年初，亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝 ，來開關電流並傳送一與零的位元，這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯 示了光學方法的操作頻率可以有多快，或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。 [svg][13-scaled]圖／science advances 看完這些便可以理解，阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像 是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明，讓人們看見那些最遠和最小的事物，超快脈衝用最 快的時間解析度，讓我們看到許多人類從未看過的景象。 阿秒脈衝雷射的出現，是科學上的一個里程碑，讓我們能用更高的時間解析度，讓我們看 到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家，在雷射這一塊，你最期待有哪些應用， 或者最希望我們接著來講哪個主題呢？ 1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射，真的有比較好嗎？ 2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎？ 3. 除了光學電晶體，最近很夯的矽光子技術，聽說裡面也有用到雷射，可以一起來介紹 嗎？ 歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！ 參考資料 □ https://www.nobelprize.org/prizes/phy… □ Announcement of the 2023 Nobel Prize …   □ “This breakthrough opens the world of…   □ https://www.nature.com/articles/d4158… □ https://www.kva.se/en/news/the-nobel-… □ https://www.rp-photonics.com/mode_loc… □ https://dop.nycu.edu.tw/ch/page.html?… □ https://www.science.org/doi/10.1126/s… □ https://www.science.org/doi/10.1126/s… □ https://www.attoworld.de/news/cover-s… □ https://www.attoworld.de/bird/our-res… 發表意見 ●● 所有討論 0 登入與大家一起討論 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ PanSci_96PanSci_96 PanSci 1210 篇文章・ 1947 位粉絲 ＋追蹤 PanSci的編輯部帳號，會發自產內容跟各種消息喔。 TRENDING 熱門討論 即時熱門 [svg][pexels-ph] 看見蟑螂就害怕？為什麼我們總特別怕牠？ 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